Navigationssystem

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Unter einem Navigationssystem versteht man ein elektronisches Gerät, das zur Positionsbestimmung dient und gegebenenfalls bei der Erreichung eines gewünschten Zieles behilflich ist. Derartige Systeme wurden zunächst für den militärischen Bereich entwickelt, werden heute aber auch zivil eingesetzt.

Einsatzbereiche

Der Einsatz begann im Bereich des Flugverkehrs und weitete sich dann auf die Schifffahrt aus. Seit den 90er Jahren finden Navigationssysteme auch Einzug in den Straßenverkehr (z.B. in der Head Unit oder als Handgeräte für die Positionsbestimmung zu Fuß, etc.).


Kraftfahrzeug-Navigationssysteme

Mit dem Wegfall der gezielten Verschlechterung des GPS-Signals durch das US-Militär im Jahre 2000 wurde die rein GPS-gestützte Navigation auch im PKW erschwinglich. Vor diesem Zeitpunkt betrug die Genauigkeit rund 100m und dieser Wert war für eine präzise Navigation ohne zusätzliche Hilfmittel (Radsensoren) vor allem in Stadtbereichen inakzeptabel. Seither drängen vermehrt Systeme auf den Markt, die entweder als reine Navigationssysteme fungieren oder als Erweiterung für sogenannte PDAs verfügbar sind. Diese Systeme arbeiten ausschließlich mit GPS als Datenquelle für die Positionsbestimmung. Da jedoch dieses Signal in Tunneln oder Häuserschluchten unter Umständen nicht zur Verfügung steht, müssen Maßnahmen getroffen werden, um einen kurzen Wegfall des Satellitenkontaktes überbrücken zu können.

Die Ideallösung bestünde in einer Inertial-Komponente, welche die Position nach Wegfall des Signals aufgrund der durch ein Trägheitssystem gewonnen Veränderungen weiterführen könnte. Solche Systeme sind in Flugzeugen eingebaut (INS) und können dort zur völlig autonomen Navigation verwendet werden. Allerdings sind solche Systeme zum einen sehr teuer und zum anderen für Fahrzeuge mit einer hohen Dynamik in ihrer Bewegung (häufiger Wechsel der Richtung und der Geschwindigkeit) nur mit hohem Aufwand genau genug.

Fest eingebaute Systeme in Kraftfahrzeugen überbrücken Bereiche ohne Satellitenkontakt zusätzlich durch Radsensoren, welche Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge relativ genau und Richtungswechsel mit hinreichender Genauigkeit nachführen können. Bei mobilen Geräten muss dies die Software leisten. Fällt das Signal aus, dann gehen dies Systeme davon aus, dass der Fahrer sich an die vorgegebene Route hält und seinen Fahrstil nicht ändert.

Die wesentliche Besonderheit bei KFZ-Navigationssystemen ist die Routenplanung, die in dieser Form und vor allem in dieser Komplexität weder in der Schifffahrt noch in der Luftfahrt so gefordert ist.

Navigationssysteme in Kraftfahrzeugen bringen eindeutig Vorteile, wenn auch eine gewisse Häufung von Unfällen zu beobachten ist, die auf Ablenkung des Fahrers durch die Bedienung des Gerätes beruhen. Untersuchungen haben ergeben, dass vor allem bei der Fahrt in unbekannten Städten rund 50% der Konzentration für das Ablesen von Wegweisern, das korrekte Einordnen und Kontrolle der eigenen Position und somit für die Navigation benötigt wird. Zudem geht man davon aus, dass rund 30% des Stadtverkehrs durch Personen verursacht wird, welche auf der Suche nach einer bestimmten Adresse oder einer Parkmöglichkeit sind. Oftmals verleitet die Angst eine Abfahrt zu verpassen und nicht mehr zurückzufinden insbesondere bei weniger geübten Fahrern zu riskanten Fahrmanövern (hastige Spurwechsel, starke Bremsmanöver, etc.) und steigert somit die Unfallgefahr.

Aufbau

Das eigentliche, auf Funknavigation basierende System ist dabei meist zweiteilig. Es besteht aus einer Empfangseinheit, die Signale von mehreren kodierten Sendern auf ihre Laufzeitverschiebung untersucht und aufgrund dieser Daten die Position berechnen kann. Die Notwendigkeit des Vorhandenseins mehrerer entfernter Sender besteht bei sog. Inertialen Navigationssystemen nicht.

Die Berechnung ist sicher möglich, sobald drei Signale empfangen werden können. Wenn mehr Signale vorliegen, erhöht dies die Präzision der Berechnung. Damit ergibt sich die geographische Position in Längen- und Breitengrad, wobei die höchste Genauigkeit heute etwa bei 10 Metern liegt. Ergänzt wird das System durch einen elektronischen Kompass, so dass außer der Position auch die Richtung bekannt ist.

Die mögliche zweite Stufe eines Navigationssystems besteht darin, diese Daten in [[de:digital|digitale Karten zu übertragen und somit auch die Umgebung darzustellen. Außerdem wird eine Zielführung berechnet, wobei dies bedeutet, dass nicht die Luftline zwischen Ausgangsposition und Ziel angezeigt wird, sondern ein Weg, der mittels einem so genannten Routing bestimmt wurde.

In der Schifffahrt bedeutet dies z.B. das Herumleiten um Untiefen und Riffe bzw. das Einhalten von Fahrrinnen. Die komplexeste Anwendung ist allerdings der Straßenverkehr, da hier in der Regel eine Vielzahl von Straßen genutzt werden können, um ein Ziel zu erreichen, außerdem Brücken, Einbahnstraßen, Sackgassen und ähnliches; es ist zusätzlich die jeweils zu erwartende Durchschnittsgeschwindigkeit für die Berechnung zu beachten.

Historie

Die ersten Navigationssysteme waren dabei das sogenannte LORAN-C (Long Range Navigation), das zum Beginn des Zweiten Weltkrieges entwickelt wurde und ursprünglich als Navigationserleichterung für Kampfflugzeuge diente, sowie das ursprünglich "QM" genannte Decca, welches für die maritime Navigation eingesetzt wurde.

LORAN-C besteht aus 19 Sendestationen, die weltweit verteilt sind. Dabei dient eine Station als Hauptsender, die anderen als Nebensender. Aus der Zeitdifferenz der Signale kann die Position errechnet werden und mit einer Karte bestimmt werden.

1981 hat Honda in Kooperation mit Alpine Electronics erstmals ein Auto-Navigationssystem auf den Markt gebracht.Das erste serienmäßige Navigationssystem in einem deutschen Auto gab es 1994 bei BMW 7er, Typ E38.

Mittlerweile gibt es mobile Systeme auf Basis eines Smartphone oder PDA. Diese erhalten das GPS-Signal entweder durch eine integrierte Antenne oder extern durch eine Kabel- bzw. Bluetooth-Verbindung. Die neusten Systeme empfangen zusätzlich das TMC-Signal und berechnen bei Staus selbstständig eine Umleitungsroute. Dies ist vorallem im Ausland sehr angenehm, da man die verlesenen Verkehrsmeldungen nicht mehr verstehen muss bzw. sie aufgrund einer einheitlichen internationalen Codierung auf dem System in der gewünschten Sprache dargestellt werden können. Leider steht dieses Signal nicht in allen Ländern (kostenlos) zur Verfügung.

Heute beruhen die meisten Systeme auf dem US-amerikanischen GPS Satellitennavigationssystem. Um unabhängig davon zu werden, planen die ESA zusammen mit der Volksrepublik China, Indien, Kanada und Israel ein eigenes System namens Galileo.


Siehe auch:


Literatur

  • Manfred Bauer (2003): Vermessung und Ortung mit Satelliten - GPS und andere satellitengestützte Navigationssysteme. ISBN 3-87907-360-0