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Navigation mit dem PC - Software zur Auswertung von GPS-Daten
 
 
 
 

Michael Multerer

Gliederung:

1. Einleitung

1.1 Grundlagen der Navigation

1.2 Das Global Positioning System (GPS)

1.3 Nutzung des GPS

2. Hauptteil

2.1 Grundsätzliche Überlegungen

2.2 Programmbeschreibung

2.2.1 Datenübertragung

2.2.2 Datenweiterverarbeitung

2.2.2.1 Wegpunkte

2.2.2.2 grafische Darstellung / Wegdatei

2.2.2.3 weitere Funktionen

2.3 Anwendung der Software

2.3.1 Landvermessung

2.3.2 Kartierung in der Forstwirtschaft und Botanik

2.3.3 Rettungsdienste

2.3.4 private Nutzung

3. Abschließende Betrachtung

4. Danksagung

5. Literaturverzeichnis
 
 

1. Einleitung

1.1 Grundlagen der Navigation
Abb. 1 Längen- und Breitengrade

Als Navigation bezeichnet man allgemein das Führen eines Fahrzeugs von einem Ausgangsort zu einem Zielort auf einem bestimmten Weg. Zur Navigation zählen auch die dazu erforderlichen Meß- und Rechenvorgänge (siehe [5]), von denen die Ortung am wichtigsten ist. Ortung ist die Feststellung des eigenen Standpunkts, der durch zwei Größen eindeutig festgelegt wird. Diese Größen sind die geographische Länge und Breite, die einer näheren Erklärung bedürfen. Bei der Länge und Breite handelt es sich um die x- und y-Koordinaten eines Koordinaten-systems, das den ganzen Globus wie ein Netz umgibt (siehe Abb. 1). Da es sich um Winkel handelt, werden sie in Grad, Minuten und Sekunden gemessen. Die Längengrade, auch Meridiane genannt, verlaufen zwischen Nord- und Südpol und schneiden die Breitengrade im rechten Winkel. Der Globus ist in 360 ganzzahlige Längengrade unterteilt, wobei der der Nullmeridian nach Definition durch die Sternwarte in Greenwich bei London verläuft. Die Längenangaben 10 Grad östlicher Länge und 350 Grad westlicher Länge besagen beide, daß der Punkt den Winkelabstand 10 Grad von Greenwich hat. Der Äquator hat die Breite 0 Grad und ist der längste der kreisförmigen Breitengrade. Der jeweils 90. Breitengrad, der an einem der Pole liegt, ist nur noch ein Punkt. Die Feststellung der Position (Ortung) erfolgte lange Zeit durch die Astronavigation. Mit einem Sextanten (siehe Abb. 3 rechts) wurden der Azimut- und Höhenwinkel eines Himmelskörpers (Sonne, Sterne) sowie der Winkelabstand zu einem weiterem (Mond) festgestellt. Mit der genauen Uhrzeit und astronomischen Tabellen kann daraus die Position berechnet werden. Dieses Verfahren ist zeitraubend und hat den entscheidenden Nachteil, daß bei Bewölkung keine Messungen möglich sind. Aus diesem Grund konnte auf Schiffen oft tagelang die Position nicht ermittelt werden. Inzwischen hat die Technik neue Möglichkeiten der Ortung entwickelt, zu denen die Satellitennavigtion zählt.

1.2 Das Global Positioning System (GPS)
Abb. 2 Satelliten des GPS

Das Global Positioning Sys-tem (GPS) ist ein Funknavigationssystem, das mit 24 Satelliten arbeitet, die sich auf sechs Umlaufbahnen in 20200 km Höhe um die Erde befinden (siehe Abb. 2). Jeder dieser GPS-Satelliten ist mit einer äußerst genauen Atomuhr ausgestattet und sendet auf den Frequenzen L1=1575,42 MHz und L2=1227,6 MHz kompliziert kodierte Datenpakete, die eine für jeden Satelliten unterschiedliche Kennung, eine Zeitangabe sowie Informationen zur Navigation enthalten. Mit einem GPS-Empfänger werden gleichzeitig die Signale von bis zu acht Satelliten erfaßt und zu einer Position verrechnet. Basis der Berechnung sind die Laufzeitunterschiede der Datenpakete, die durch die unterschiedliche Entfernung der Satelliten vom Empfänger entstehen. Betreiber des GPS ist das US-amerikanische Verteidigungsministerium, das dieses System für militärische Zwecke entwickelt hat. Bei der Entwicklung wurden zwei verschiedene Dienste eingerichtet. Der Precise Positioning Service (PPS) erlaubt je nach Empfänger eine Genauigkeit von wenigen cm bis 17,8 m und nutzt die Signale auf beiden Frequenzen. Diese Genauigkeit bleibt jedoch dem Militär und wenigen, vom Verteidigungsministerium autorisierten Benutzern vorbehalten. Der Zugang zum PPS ist durch Verschlüsselung der Satellitendaten gesichert, um die unerlaubte Nutzung dieses Dienstes zu verhindern. Der Standard Positioning Service (SPS) hingegen ist für alle GPS-Benutzer kostenfrei zugänglich. Der SPS arbeitet nur mit der L1-Frequenz und seine Genauigkeit wird vom Verteidigungsministerium auf 100 m begrenzt. Das dazu verwendete Verfahren, das als Selective Availability bezeichnet wird, basiert auf der scheinbar zufälligen Manipulation der Datenpakete, d. h. dem Hinzufügen von falschen Informationen, wodurch die Genauigkeit herabgesetzt wird. Durch einen Geheimcode, der nur den PPS-Benutzern bekannt ist, können die Manipulationen vom GPS-Empfänger rückgangig gemacht und so die volle Leistungsfähigkeit erzielt werden. Nach meiner persönlichen Erfahrung liegt die Genauigkeit beim SPS meist zwischen 50 m und 100 m, was für die private Anwendung mehr als ausreichend ist.
 

1.3 Nutzung des GPS

So kompliziert der Aufbau des GPS ist, so leicht ist seine Benutzung. Besitzt man einen der knapp 500 g schweren, weniger als 20 cm großen GPS-Empfänger (siehe Abb. 3 links),

Abb. 3 Zwei Generationen von Navigationsgeräten: GPS-Empfänger und Sextant
die bereits für unter 1000 DM erhältlich sind (siehe [7]), so reicht es aus, ihn einzuschalten und nach kurzer Zeit wird die Position auf einem LCD-Display angezeigt (siehe Abb. 4). Je nach Empfängertyp beschränkt sich die Anzeige entweder auf reine Zahlenwerte oder erlaubt eine grafische Darstellung. Bei vielen Geräten lassen sich auch einfache Navigationsaufgaben mit dem gebotenen Funktionsumfang lösen. Leider fehlt diesen Kleincomputern aber oft die Möglichkeit, Daten zu speichern oder die Speicherkapazität ist aus Platz- und Preisgründen gering. Dieses Problem kann durch den Einsatz eines PCs gelöst werden, der über eine hohe Rechenleistung und Speicherkapazität verfügt. Vor allem die tragbaren Rechner, die allgmein als Laptop bezeichnet werden, sind für diese Aufgabe gut geeignet, da sie trotz ihrer Leistungsfähigkeit erstaunlich handlich sind. So kam ich auf die Idee, selbst ein Programm zu entwickeln, das die Weiterverarbeitung der GPS-Daten erlaubt.
Abb. 4 Einsatz eines GPS-Empfängers zur mobilen Datenerfassung




2. Hauptteil

2.1 Grundsätzliche Überlegungen

Die Software sollte also GPS-Daten aufzeichnen, als Datei auf einer Diskette oder Festplatte des verwendeten Rechners speichern und so eine weitere Nutzung ermöglichen. Eine entscheidende Frage dabei ist, ob die Daten bereits während der Messung aufgezeichnet werden oder zunächst im GPS-Empfänger zwischengespeichert und später an den PC übertragen werden. Die zweite Variante ermöglicht es dem Benutzer, auf die Anschaffung eines meist teueren Laptops zu verzichten und einen preiswerteren, ortsfesten PC zu verwenden. Diese Vorgehensweise ist jedoch nur für bestimmte Anwendungsbereiche sinnvoll, weil die Auswertung häufig direkt am Meßort und zeitgleich mit der Messung erfolgen muß. Deshalb habe ich den Schwerpunkt auf die erste Variante gelegt, aber darauf geachtet, daß auch die nachträgliche Auswertung nicht zu kurz kommt. Nachdem dieser Punkt geklärt worden war, beschäftigte ich mich mit dem Aufbau des Programms. Ich entschloß mich dazu, grundsätzliche Vorgehensweisen bei der Bedienung und der technischen Ausführung von den GPS-Empfängern zu übernehmen, was bei der gleichzeitigen Bedienung von PC und GPS-Empfänger vorteilhaft ist und außerdem einen geringeren Lernaufwand für den Anwender bedeutet. Dabei versuchte ich aber auch, die Benutzerfreundlichkeit den erweiterten Möglichkeiten eines PCs anzupassen, ohne die Software mit sinnlosen Optionen zu überladen. Das bedeutet unter anderem, daß ich auf einen klaren Bildschirmaufbau achtete, der vor allem auf LCD-Bildschirmen die Arbeit erleichtert. Weiterhin verzichtete ich auf eine Mausunterstützung, weil die Bedienung mit einer Maus auf Laptops oft schwieriger und zeitraubender ist als die Verwendung der Tastatur. Aus diesem Grund und vor allem wegen der Möglichkeit, direkt auf die Hardware zuzugreifen, verwendete ich als Plattform MS-DOS und als Programmiersprache Turbo C++ der Firma Borland.
 
 

2.2 Programmbeschreibung

2.2.1 Datenübertragung
 

Vor jeder weiteren Nutzung müssen die Daten zunächst vom GPS-Empfänger zum PC übertragen werden. Die Datenübertragung erfolgt seriell und wird durch den Standard NMEA-0183 geregelt, dem die meisten Geräte entsprechen. Dieser Standard normt die Übertragung für alle Navigationsgeräte, wozu auch Radar, Autopiloten und Geschwindigkeitsmesser zählen (siehe [6]). Die Zeichen selbst sind im allgemein gebräuchlichen ASCII-Zeichensatz kodiert, wodurch die Übertragung über die RS-232-Schnittstelle des PCs leicht möglich ist. Da die bei PCs üblichen Status- und Steuerleitungen nicht vorhanden sind, baute ich einen Adapter, der dieses Problem behebt und außerdem die externe Stromversorgung des GPS-Empfängers ermöglicht (siehe Abb. 5).

Abb. 5 Der RS232-Adapter
Nach der Hardware für die Übertragung möchte ich nun auf das Datenformat der NMEA-0183 eingehen. Die grundsätzliche Struktur lautet $GPXXX,Y,Z,... <CR><LF> , wobei GP für GPS-Daten und XXX für ein Kürzel aus drei Zeichen steht, das die Art der folgenden Informationen angibt. Y und Z stehen für die Informationen selbst, deren Format durch XXX klar vorgegeben ist. <CR><LF> ist eine bei Computern übliche Abkürzung für den Beginn einer neuen Zeile. Ein Beispiel für eine Datenzeile ist $GPGLL,4815.92,N,01301.06,...<CR><LF>. Das Kürzel GLL steht für "Geographic Position, Latitude/Longitude", die folgenden Angaben für 48 Grad 15,92 Minuten nördlicher Breite (kurz 48°15,92' N), 13 Grad 1,06 Minuten östlicher Länge. Weitere Beispiele für das Datenformat der NMEA-0183 können aus [6] entnommen werden. Die Software empfängt die Daten als Zeichenkette und setzt sie anschließend in ein günstigeres Format um, womit ich bereits beim nächsten Punkt bin.
 
 

2.2.2 Datenweiterverarbeitung

Auf die programminterne Umrechnung und Verarbeitung möchte ich nicht näher eingehen, da sie für den Benutzer von geringer Bedeutung ist. Wichtiger ist, wie die Software die Daten auf der Festplatte oder Diskette speichert. Dabei müssen zwei Gruppen von Daten unterschieden werden.
 
 

2.2.2.1 Wegpunkte

Orte, die für den Benutzer von Interesse sind, werden als sog. Wegpunkte gespeichert. Ein Wegpunkt besteht aus einer Kurzbezeichnung mit sechs Zeichen, der geographischen Breite und Länge sowie einer optionalen Beschreibung von maximal 40 Zeichen Länge. Diese Struktur übernahm ich von den GPS-Empfängern, um die in 2.2 erwähnte Vereinheitlichung zu erreichen. Während der Programmausführung werden laufend Entfernung und Winkel von der aktuellen Position zu allen Wegpunkten berechnet und im Wegpunktbildschirm angezeigt (siehe Abb. 6).

Abb. 6 Der Wegpunktbildschirm
Weiterhin kann ein aktiver Wegpunkt gewählt werden, bei dessen Erreichen ein akustischer Alarm ausgelöst wird. Ebenso ist es möglich, einen Alarm für das Überschreiten eines Längengrades oder Breitengrades einzustellen, der nicht bei Annäherung an einen Punkt sondern an eine Gerade aktiv wird. Alle Wegpunkte werden in der Datei WPT.TXT im ASCII-Format gespeichert und können so ohne Probleme in andere Programmtypen wie Textverarbeitung oder Tabellenkalkulation exportiert werden.
 
 
 

2.2.2.2 grafische Darstellung / Wegdatei

Die zweite Gruppe von Daten, die gespeichert werden, sind die Koordinaten, an denen sich der GPS-Empfänger zum Zeitpunkt der Übertragung befindet. In Abständen von zwei Sekunden wird die Position festgestellt und in einer Wegdatei, deren Namen der Anwender selbst bestimmen kann, abgespeichert. Ändert sich die Position zwischenzeitlich, d. h. der GPS-Empfänger bzw. das Fahrzeug, in dem er sich befindet, bewegt sich, so wird die Bewegung am Bildschirm in einer Grafik sichtbar. Die Grafik entspricht einer Landkarte, in der die Wegpunkte eingezeichnet sind, und in die während der Programmausführung auch der zurückgelegte Weg als Linie eingetragen wird. Die Linie besteht aus den Punkten, an denen sich das Fahrzeug zu irgendeinem Zeitpunkt befunden hat. Wenn die Fahrzeugposition einen der Bildschirmränder erreicht, wird der Kartenausschnitt so verschoben, daß die aktuelle Position wieder in der Mitte liegt. Durch die "+"- und "-" -Taste kann der Maßstab verändert werden, der neben den aktuellen Koordinaten und anderen Informationen am Bildschirmrand angezeigt wird. Beim späteren Laden der Wegdatei kann der Maßstab ebenfalls gewählt und der Kartenausschnitt beliebig verschoben werden. Dabei wird der zurückgelegte Weg exakt wiedergegeben, weil die Darstellung aus den geographischen Koordinaten neu errechnet wird. Außerdem können auch diese Dateien in andere Anwendungsprogramme exportiert werden.
 
 

2.2.2.3 weitere Funktionen

Selbstverständlich sind mit den dargestellten Funktionen die Möglichkeiten der Software nicht erschöpft, eine Beschreibung aller Optionen wäre aber zu umfangreich und nicht sinnvoll, da sich das Grundprinzip bereits an den Wegpunkt- und Grafikfunktionen gut erkennen läßt. Der Simulationsmodus, der zu vielen Experimenten verwendbar ist, die Übertragung von Wegpunkten zwischen GPS-Empfänger und PC sowie die Ladezustandsanzeige für den Akku des Laptops seien hier nur als weitere Beispiele genannt.
 
 

2.3 Anwendung der Software

Die Beschreibung des Programms ist sehr allgemein gehalten, was zunächst erstaunlich erscheinen mag, jedoch von mir beabsichtigt ist. Grund dafür ist die universelle Verwendbarkeit der Software, die ich nun an einigen Beispielen aufzeigen möchte. Natürlich beschränken sich die Anwendungsmöglichkeiten nicht auf die von mir nachfolgend genannten.
 
 

2.3.1 Landvermessung

Ein sehr naheliegender Anwendungsbereich ist die Landvermessung in vielen unterschiedlichen Varianten. Zunächst wäre das Aufsuchen von Vermessungspunkten, die als trigonometrische Punkte bezeichnet wer-den, zu nennen. Diese Punkte werden für optische Vermessungsarbeiten (z.B. Winkelmessung, Nivellieren) verwendet. Obwohl ihre Koordinaten genau bekannt sind, ist es oft schwierig sie zu finden, weil die Vermessungsnägel oder Markierungssteine relativ unauffällig sind. In unübersichtlichem Gelände oder wenn die Markierungen durch langes Gras überwuchert sind, kann die Suche dieser Punkte trotz Karte und Kompaß zeitraubend sein. Speichert man die Koordinaten als Wegpunkt ab, so werden Entfernung und Winkel laufend angezeigt und das Auffinden der Punktes stellt kein Problem mehr dar.

Als äußert vorteilhaft erweist sich die Software bei der Erstellung von Straßenkarten, da Straßenverläufe durch Kurven und Einschnitte bedingt sehr schwer zu vermessen sind. Während bisher der Verlauf einfach geschätzt wurde, könnte jetzt eine genaue Vermessung erfolgen. Ein Meßfahrzeug, d. h. ein PKW mit GPS-Empfänger und Computer (siehe Abb. 7 und 8), fährt die Strecke ab und der Straßenverlauf wird aufgezeichnet. Die so erhaltenen Koordinaten können sofort als Grafik dargestellt (siehe 2.2.2.2) und in die Karte übernommen werden.

Abb.7 Meßwagen mit GPS-Antenne und -Empfänger
Abb. 8 Ausstattung des Meßwagens

2.3.2 Kartierung in der Forstwirtschaft und Botanik

In Waldgebieten können Kartierungen nicht wie bei freiem Gelände auf der Basis von Luftaufnahmen durchgeführt werden, was zu Fehlern in Landkarten und Problemen bei der Bewirtschaftung führt. Neben der genauen Feststellung von Grundstücksgrenzen hat das GPS weitere Vorteile für die Forstwirtschaft. Erfaßt man die Orte, an denen Waldschäden (Borkenkäferbefall etc.) auftreten, als Wegpunkte und gibt als Beschreibung die Art der Schädigung ein, so erhält man eine genaue Schadenskarte, die für statistische Untersuchungen genutzt werden kann. Ebenso sind Untersuchungen möglich, ob und in welchem Umfang Industrieabgase schädigend wirken. Ein Botaniker gibt als Beschreibung die Art der gefundenen Pflanze ein und wertet die Daten analog zum Forstwirt aus.
 
 

2.3.3 Rettungsdienste

Vor allem für Rettungsdienste ist die automatische und schnelle Bestimmung des Standorts von großem Nutzen. Stattet man Rettungshubschrauber mit GPS und Laptop aus, so hat man neben der vereinfachten Navigation noch weitere Vorteile. Als Wegpunkte sind außer Kliniken auch Städte und Ortschaften eingespeichert und im Notfall wird der Unfallort so schneller gefunden. Nach der Aufnahme des Patienten bestimmt man mit dem Wegpunktbildschirm die nächste Klinik und wählt sie als aktiven Wegpunkt. Die Kursberechnung erfolgt dann automatisch und der Kurs kann an die Bordinstrumente übertragen werden. Doch nicht nur für Hubschrauber, sondern auch für andere Rettungsfahrzeuge wie Krankenwagen ist diese Ausstattung sinnvoll. Eine weitere Verbesserung läßt sich erreichen, wenn die Position eines jeden Rettungsfahrzeugs zusammen mit einer Fahrzeugkennung per Funk automatisch an die Rettungsleitstelle übermittelt wird. Dort werden am Bildschirm die Positionen aller Fahrzeuge und Orte angezeigt, wodurch sich die Koordination der Einsätze wesentlich vereinfacht. Außerdem wird der Sprechfunkverkehr entlastet, da die laufenden Standortanfragen und -meldungen wegfallen. Analog dazu lassen sich auch Polizei und Feuerwehr ausrüsten, wobei dieses Verfahren nicht allein für Rettungsdienste, sondern auch für Taxiunternehmen und Speditionen interessant ist.
 
 

2.3.4 private Nutzung

Selbst für Privatpersonen ist das GPS nützlich, da es eine gute Alternative zu Straßenkarten und Stadtplänen bietet. Diese Möglichkeit haben auch die Automobilhersteller erkannt und bieten GPS-gestützte Navigationshilfen als Zubehör an. So ist bei BMW für einige Modelle ein elektronischer Straßenverkehrsatlas erhältlich, der jedoch einen Preis von ca. 6000 DM hat. Für Besitzer eines Laptops ist der Kauf eines GPS-Empfängers für 1000 DM und die Verwendung meiner Software wesentlich günstiger, weil diese Möglichkeit außerdem eine nicht fahrzeuggebundene Nutzung des GPS ermöglicht. Ich selbst habe auf diesem Bereich bereits positive Erfahrungen gemacht, was die Verwendbarkeit und Zuverlässigkeit dieser Technik anbelangt.
 
 

3. Abschließende Betrachtung

Ich hoffe, daß die obigen Beispiele einen Einblick in die Verwendungsmöglichkeiten des GPS und meiner Software gegeben haben und möchte noch einen kritischen Blick auf die Ergebnisse meiner Arbeit werfen. Es war nicht mein Ziel, ein Programm zu schreiben, das auf einen speziellen Anwendungsbereich zugeschnitten ist, sondern möglichst viele abdeckt. Deshalb ist es auch nicht als Fertigprodukt zu sehen, sondern als Ansatz für weitere Entwicklungen, die zur besseren Nutzung des GPS führen. Sicherlich läßt sich meine Software weiter ausbauen, was ich auch noch tun werde, doch bereits jetzt ist meiner Meinung nach ein Stand erreicht, der als positives Ergebnis gewertet werden kann.
 
 

4. Danksagung

An dieser Stelle möchte allen, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit durch Informationsmaterial oder anderweitige Hilfe unterstützten, herzlich danken. Weiterhin danke ich meinem Betreuungslehrer Herrn Franz Hetzer, ohne den ich wahrscheinlich nie soweit gekommen wäre.
 
 

5. Literaturverzeichnis

[1] Dana, Peter H., An Overview of the GPS, Austin in Texas (USA)

Internetadresse:

http://wwwhost.cc.utexas.edu/ftp/pub/grg/gcraft/notes/gps/gps.html

[2] Dörholt, Norbert, Die Sterne lügen nicht aus Junge Wissenschaft Heft 32, November 1993

[3] Fischer Bernd, Wo bin ich ? aus PTB-Mitteilungen 105 5/95, S. 383ff

[4] Garmin GPS 75, Owner's Manual, Lenexa (USA), 1993

[5] Meyers Enzyklopädisches Lexikon in 25 Bänden, 9. Auflage, Bibliographisches Institut Mannheim / Wien / Zürich, Stichwörter: Astronavigation, Navigation, Sextant

[6] Spezifikation der NMEA-0183 erhältlich bei: Robert Sassaman, NMEA Executive Director, P.O. Box 50040, Mobile AL 26605, USA

[7] Woick Bernd, Outdoor Off-Road Abenteuer (Katalog), 12. Ausgabe 1995, Filderstadt - Bernhausen
 
 

Bildquellen:

Abb. 1: Diercke Weltatlas, 88 Auflage, Georg Westermann Verlag Braunschweig

Abb. 2: siehe [3]

alle weiteren Abbildungen: Autor

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