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
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)
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),
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).
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).
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.
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