Navigationssystem

Fahrradnavigation mit Gosmore, einem Opensource-Routing-Programm, mit freien Kartendaten von OpenStreetMap.

Ein Navigationssystem ist ein IT-gestütztes technisches System, das mit Hilfe von Positionsbestimmung (Satellit, Funk, GSM bzw. inertes oder autonomes System) und Geoinformationen (Topologie-, Straßen-, Luft- oder Seekarten) eine Zielführung zu einem gewählten Ort oder eine Route unter Beachtung gewünschter Kriterien ermöglicht.

Aufbau

Das eigentliche, auf Funknavigation basierende System ist meist zweiteilig. Es besteht aus einer Empfangseinheit, die Funksignale mehrerer kodierter Sender auf ihre Laufzeit hin untersucht. Aufgrund dieser Daten berechnet es seinen aktuellen Standort (zur Abgrenzung siehe auch Inertiales Navigationssystem). Die meisten bzw. fast alle der gängigen heute erhältlichen Navigationsgeräte benutzen das US-amerikanische NAVSTAR-GPS zur Positionsbestimmung. Eine Erläuterung des Funktionsprinzips des GPS-Systems findet sich ebenda oder im Artikel GPS-Technik.

Die sichere Berechnung ist möglich, sobald drei Signale empfangen werden, denn nur dann können unweigerliche Uhrenfehler im Empfänger ausgeglichen werden. Bei einem vierten Signal lässt sich zusätzlich die Meereshöhe bestimmen. Wenn weitere Satellitensignale vorliegen, erhöht dies die Präzision der Berechnung. Damit ergibt sich die geographische Position in Längengrad und Breitengrad, wobei die höchste Genauigkeit heute bei etwa zehn Metern liegt. Ergänzt wird das System meist durch einen elektronischen Kompass, so dass außer der Position auch die Bewegungsrichtung des Benutzers bekannt ist. Mit der Einbeziehung des Dopplereffekts ist auch eine Berechnung der aktuellen Geschwindigkeit des Empfängers möglich.

Navigationssysteme übertragen diese Daten heute in der Regel in digitale Karten und können somit nicht nur die Position in Koordinaten angeben, sondern auch ein grafisches, benutzerfreundlicheres Abbild der Position in einer digitalen Karte erzeugen. Durch das Vorhandensein von Kartenmaterial im Navigationssystem besteht die Möglichkeit, nach Eingabe von Zielkoordinaten eine Route vom momentanen Aufenthaltsort zum gewünschten Zielort zu erhalten. Dabei wird nicht die Luftlinie zwischen Ausgangsposition und Ziel angezeigt, sondern ein Weg über Verkehrswege, wie sie im Kartenmaterial hinterlegt sind, der mittels eines so genannten Routing-Verfahrens bestimmt wurde. Somit besteht die Möglichkeit, sich vom Navigationssystem auch in unbekannter Umgebung zum Ziel führen zu lassen. Die Empfehlungen zur Route erfolgen meist durch Anzeige auf dem Display und gesprochenen Abbiege-Befehlen.

Das Berechnen einer Route über die Verkehrswege des Straßenverkehrs, in dem oft eine Vielzahl von Straßen zum gewünschten Ziel führen, stellen hohe Anforderungen an das System. Verkehrsführungen wie Brücken, Einbahnstraßen, Sackgassen, Fähren oder ähnliches müssen beachtet werden. Da im Straßenverkehr auch Geschwindigkeitsbegrenzungen und zu erwartende Durchschnittsgeschwindigkeiten zu beachten sind, bieten fast alle Navigationssysteme an, Routen nach verschiedenen Kriterien zu berechnen, beispielsweise Fahrtzeit oder -strecke.

Geschichte

Die ersten Navigationssysteme waren das sogenannte LORAN-C (Long Range Navigation), das zu Beginn des Zweiten Weltkrieges entwickelt wurde und zunächst als Navigationserleichterung für Kampfflugzeuge diente, sowie das ursprünglich „QM“ genannte Decca, das zur maritimen Navigation eingesetzt wurde.

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

Für die maritime Navigation war OMEGA ein Funknavigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das von 1968 bis 1997 in Betrieb war.

Heute beruhen die meisten Systeme auf dem US-amerikanischen GPS-Satellitennavigationssystem. Der Einsatz begann im Bereich des Flugverkehrs und weitete sich dann auf die Schifffahrt aus. Seit den 90er Jahren finden Navigationssysteme auch Einzug in andere Bereiche, z. B. den Straßenverkehr. Neu hinzugekommen sind auch Einsatzgebiete im Outdoor-Bereich wie Wandern, Radsport oder Geocaching.

Die aktuellen Satelliten-Navigationssysteme bestehen meist aus der Kombination von einem GPS-Empfänger und einer elektronisch gespeicherten Karte.

Kraftfahrzeug-Navigationssysteme

Geschichte

1981 brachte Honda in Kooperation mit Alpine Electronics erstmals ein Auto-Navigationssystem, den Electro Gyrocator, auf den Markt. Das System war jedoch nicht in der Lage, den Standort des Fahrzeugs zu ermitteln. Im Heck des Fahrzeugs befand sich ein Vakuumtank, in dem ein aus der Luftfahrt übernommener Drehwinkelsensor Richtungsänderungen erfasste. Gemeinsam mit einem Wegstreckensensor lieferte er ein Signal, aus dem der Bordrechner eine Linie berechnete, die auf einem Monochrom-Monitor in der Mittelkonsole des Wagens angezeigt wurde. Diese Linie glich der zurückgelegten Fahrtstrecke. Um den zurückgelegten Weg nachzuvollziehen, musste der Fahrer eine transparente Karte vor den Monitor spannen und die Linie mit der dazu passenden Straße auf der Karte zur Deckung bringen. Der Electro Gyrocator war im strengen Sinn des Wortes kein Navigationssystem, da er weder den Standort des Fahrzeugs ermitteln noch dem Fahrer Vorschläge zur Routenwahl machen konnte. Das System erlangte keine nennenswerte Verbreitung.

Bereits im Stadium der Markteinführung scheiterte der 1984 von VDO in Kooperation mit einem Straßenkartenverlag vorgestellte City-Pilot. Kern dieses als „elektronisches Navigationssystem“ beworbenen Gerätes war ein Erdmagnetfeldsensor, der die ungefähre Position des Fahrzeugs ermittelte. Jede Seite der Karte enthielt einen Barcode mit den zum Mittelpunkte des jeweiligen Kartenausschnittes gehörenden Koordinaten. Über ein Lesegerät konnte der Barcode erfasst werden, womit keine straßengenaue, sondern lediglich eine Navigation in den zugehörigen Kartenausschnitt möglich war. Das VDO-System unterstützte den Fahrer bei der Navigation, indem es ihm die Himmelsrichtung und die Entfernung (Luftlinie) zum Zielkartenausschnitt anzeigte.^[1]

1985 brachte die kalifornische Firma Etak den Navigator auf den Markt, der noch ohne GPS-Daten arbeitete. Nach Eingabe der Position mittels einer digitalisierten Karte auf einem kleinen, grün leuchtenden Bildschirm orientierte sich der Navigationscomputer anhand von zwei Radsensoren und einem Kompass im digital abgespeicherten Straßennetz. Wegen der geringen Speicherkapazität mussten immer wieder Daten von einem Data-Cassettenrecorder in das Gerät überspielt werden, was den Betrieb umständlich machte. Da die finanziellen Möglichkeiten der Firma begrenzt waren, konzentrierte sie sich später auf die Herstellung digitaler Landkarten und verkaufte Gerätelizenzen an Blaupunkt (Deutschland), Clarion (Japan) und Delco (USA).

1989 brachte Bosch über seine Tochterfirma Blaupunkt das TravelPilot IDS auf den Markt. Dieses System navigierte mittels Informationen von Radsensoren sowie einer gespeicherten digitalen Straßenkarte. Pioneer folgte 1990 mit dem ersten GPS-gestützten Auto-Navigationssystem. Das erste serienmäßige Navigationssystem in einem deutschen Auto wurde 1994 im BMW 7er eingebaut.

Mit dem Wegfall der gezielten Verschlechterung des GPS-Signals durch das US-Militär im Jahr 2000 wurde die rein GPS-gestützte Navigation auch im PKW erschwinglich. Vor diesem Zeitpunkt betrug die Genauigkeit rund 100 m, weshalb für eine präzise Navigation vor allem in Stadtbereichen zusätzliche Hilfsmittel (Radsensoren, Kreiselkompass) notwendig waren. Diese sind heute nur noch zur Aufrechterhaltung der Navigation unter schlechten Empfangsbedingungen (z. B. in „Straßenschluchten“ oder Tunneln) nötig.

Heute gibt es im Privatkundenbereich GPS-gestützte Navigationssysteme in Form von Auto-Festeinbauten (z. B. Autoradios von Drittanbietern), als transportables Stand-Alone-Gerät (PND) oder auch als Software-Erweiterung für PC, PDA oder Mobiltelefone.

Anforderungen

Integriertes Navigationssystem mit Bildschirm von Audi

Bei kurzzeitigem Signalausfall (Tunnel) braucht man Systeme, die die aktuelle Position extrapolieren.

Die Ideallösung bestünde in einer Inertial-Komponente, die ihre Position nach Wegfall des Funksignals durch Informationen eines Trägheitssystems interpoliert. Solche Systeme werden in Flugzeugen eingesetzt (INS) und können dort zur autonomen Navigation verwendet werden. Allerdings sind solche Systeme sehr teuer und 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 (Werkseinbauten) überbrücken Bereiche ohne Satellitenkontakt zusätzlich durch Radsensoren, welche die zurückgelegte Strecke relativ genau und Richtungswechsel mit hinreichender Genauigkeit nachführen können.

Bei mobilen Geräten muss die Software diese Berechnung leisten: Fällt das Signal aus, gehen diese Systeme davon aus, dass der Fahrer sich an die vorgegebene Route hält und seine Geschwindigkeit 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.

Möglichkeiten

Wie bereits oben erwähnt, ist mit Hilfe von Navigationssystemen auch ein Navigieren in unbekannten Gebieten möglich. Nachdem das Gerät alle notwendigen Daten zu Verfügung hat (derzeitige Position, aktuelles Kartenmaterial und gewünschter Zielort), ist keine weitere Bedienung mehr notwendig. Ein häufiger Blick auf die Karte zur Positionsbestimmung mittels Straßennamen entfällt gänzlich, sofern das System einwandfrei funktioniert, was Zeit und Mühe spart.

Moderne Systeme empfangen zusätzlich TMC oder TMCpro und berechnen bei Staus selbstständig oder auf Wunsch eine Umleitungsroute. Dabei wird nicht nur das Vorhandensein einer Behinderung als Grund für die Umleitung angesehen, sondern die zu erwartende Verspätung (stockender Verkehr, Stau, Unfall sowie Vollsperrung haben systembedingt andere Werte, die jedoch auch manuell geprüft über TMC verbreitet werden) bei einem Betroffensein von der gemeldeten Behinderung. Parallel dazu wird eine Umleitungsroute berechnet und die benötigte Zeit zum zurücklegen mit dem Zeitaufwand der ursprünglichen Strecke plus der zu erwartenden Verspätung verglichen. Erst wenn ein Umgehen der Störung sinnvoll ist (= Zeitersparnis) berücksichtigt das Navigationssystem die Meldung. Der TMC-Dienst ist vor allem im Ausland sehr angenehm, da man die verlesenen Verkehrsmeldungen nicht mehr verstehen können muss bzw. sie aufgrund einer einheitlichen internationalen Codierung auf dem System in der gewünschten Sprache dargestellt werden. Dieses Signal steht allerdings nicht in allen Ländern (kostenlos) zur Verfügung.

Je nach Kartenmaterial können sogenannte POIs (Points of Interests) angesteuert werden. Diese Punkte sind mit ihren Eigenschaften (Tankstelle, Raststätte, Restaurant o.Ä.) und ihren Koordinaten auf der Karte gespeichert. Oft steht auch ein Speicher für wichtige Ziele zu Verfügung, welche oft angefahren werden, um Eingabezeit zu sparen.

Darüber hinaus werden manche Navigationssysteme mit einem Warndienst für Radarfallen oder Ampelblitzer ausgestattet. Diese warnen allerdings nur vor stationären Kontrollpunkten, da ein Aktualisieren im Fahrzeug nicht möglich ist und darüber hinaus kein Datendienst zu Verfügung steht, der die Informationen, wie sie oft bei Blitzerwarnern im Radio vorgelesen werden, überträgt. Außerdem ist der Betrieb derartiger Systeme in Deutschland gemäß § 23 Absatz 1b StVO während der Fahrt auf öffentlichen Straßen verboten.^[2] Auch in anderen Ländern, unter anderem in Österreich, ist ein Betreiben solcher Informationsdienste während der Fahrt nicht gestattet. Das Heranziehen solcher Informationen zur Routenplanung ist jedoch legal.

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, d.h. der Verzögerungen, besonders durch Staus 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 weniger geübte Fahrer zu riskanten Fahrmanövern (hastige Spurwechsel, starke Bremsmanöver etc.) und steigert somit die Unfallgefahr.

Bauformen

Die älteste Bauform von Kfz-Navigationssystemen sind so genannte Werkseinbaugeräte. Seit Anfang der 1990er Jahre bieten verschiedene Automobilhersteller Kfz-Navigationssysteme als Sonderausstattung an. Diese Systeme bestehen aus einer GPS-Antenne, die in der Regel am Dach des Kraftfahrzeuges montiert wird, einem Steuergerät, über das die Benutzereingaben getätigt werden, einem Massenspeicher, von dem das Kartenmaterial gelesen wird, und mindestens einem Display, über das die Fahrempfehlungen ausgegeben werden.

Bei älteren Geräten befindet sich der Massenspeicher und die Bedieneinheit im Kofferraum, die Fahrempfehlungen werden über ein kleines Display hinter dem Lenkrad, manchmal auch akustisch über das Autoradio ausgegeben.

Bei modernen Geräten sind Laufwerk und Bedieneinheit oft im Autoradio integriert. Bei ausreichender Arbeitsspeicherausstattung kann das als Massenspeicher verwendete CD- bzw. DVD-Laufwerk nach Berechnung der Route während der Fahrt trotzdem als Musikabspielgerät verwendet werden. Diese Geräte sind oft höher als normale Autoradios (meist zweifach DIN-Schacht) und ermöglichen daher auch größere Bildschirme. Ausführungen mit Farbbildschirm (zum Beispiel das Radio Navigation System MFD) zeigen oft eine straßenkartenähnliche Darstellung der näheren oder weiteren Umgebung, während Geräte mit Monochromdisplay meistens nur Richtungspfeile als Fahrtrichtungs-Symbol zeigen. Der große Vorteil dieser Bauart ist, dass neben dem GPS-Signal oft auch andere Informationen wie beispielsweise Tachoimpulse oder Informationen eines Richtungssensors zur Verfügung stehen, die auch dann eine genaue Positionierung erlauben, wenn das GPS-Signal zu schwach oder kurzzeitig ganz abgeschirmt ist. Zudem können für die Richtungsansagen die Autolautsprecher dienen, währenddessen die Lautstärke der Radio- bzw. Musikwiedergabe automatisch abgesenkt wird.

Trotzdem hat sich, nicht zuletzt wegen der extremen Preisdifferenz und der Innovationsmüdigkeit der Autohersteller, in den letzten Jahren der Verkaufsanteil von portablen Navigationssystemen wesentlich rasanter entwickelt. Im Jahr 2006 wurden in Europa ca. neun Millionen tragbare Navigationssysteme verkauft, im Vergleich zu vier Millionen fest eingebauter durch die Automobilhersteller. Die Verbreitung der mobilen Geräte wird vermutlich weiter stark zunehmen. Inzwischen können auch bestimmte Mobiltelefone mit einem Softwarepaket als Navigationssystem verwendet werden.

Bei der Nutzung von Navigationssystemen am Motorrad empfiehlt sich der Einsatz einer Motorrad-Gegensprechanlage.

Viele Navigationssysteme haben den Nachteil, dass keine freie Auswahl des Kartenmateriales möglich ist, sondern ausschließlich Karten des jeweiligen Herstellers verwendet werden können. Aus diesem Grunde wurde die Physical Storage Format Initiative ins Leben gerufen, ein Zusammenschluss von Autoherstellern, Systemherstellern und Kartendatenlieferanten, die gemeinsam ein Standardformat für Navigationsdatenbanken erarbeiten. Dieses soll in Zukunft die Nutzung des Kartenmaterials in unterschiedlichen Navigationssystemen ermöglichen.^[3]

Outdoor-Navigationssysteme

Mobiles Navigationssystem für die Benutzung im Auto, Fahrrad oder zu Fuß (Größe: 10 cm breit, 7 cm hoch)

Gerätearten

GPS-Empfänger für die Navigation oder Ortung im Freien sind üblicherweise Handgeräte. Sie können entweder mit einem Armband am Handgelenk (ähnlich der Armbanduhr) oder einfach in der Hand bzw. mit einer Gürtelschlaufe getragen werden. Manche Geräte bieten spezielle Halterungen, mit denen sie am Lenker eines Zweirades (Fahrrad oder Motorrad) befestigt werden können. Einige Hersteller bieten für den Outdoor-Einsatz optimierte Geräte an. Sie zeichnen sich durch ihre robuste Bauweise (wasserdicht, stoßfest) aus. Manchmal werden für den Einsatz im Sonnenlicht besser geeignete transflektive und entspiegelte Displays verwendet. Diese lassen sich auch ohne zusätzliche Hintergrundbeleuchtung benutzen, was zu längeren Betriebszeiten beiträgt.

Outdoor-Navigationssystem für die Benutzung zum Wandern oder Segeln

Für blinde und sehbehinderte Menschen gibt es spezielle Navigationssysteme, die ihre Informationen per Sprachausgabe zugänglich machen. Diese Navigationssysteme nutzen ebenfalls die satellitengestützte Navigation über GPS. Die Datenaus- und -eingabe verläuft entweder über eine eigens entwickelte Steuereinheit oder über ein Mobiltelefon.

GPS-Daten und Karten

Auf vielen Outdoor-Navigationssystemen können digitale, topographische Karten abgespeichert und zum Navigieren verwendet werden. Es lassen sich zwei Arten digitaler Karten unterscheiden: Raster- und Vektorkarten. Rasterkarten bestehen wie Digitalfotos aus vielen kleinen Bildpunkten (Pixeln). Ihr Kartenbild ähnelt dem von Papierkarten, damit wird vielen Anwendern die Orientierung erleichtert. Vektorkarten bestehen dagegen aus Punkten, die mit Linien verbundenen sind. Daraus resultiert ein schematisches Kartenbild. Mit den Elementen einer Vektorkarte können (im Gegensatz zu Rasterkarten) weitere Informationen verknüpft sein, z.B. Höhenangaben oder Straßennamen.

Mittlerweile haben auch autoroutingfähige, topographische Karten auf Outdoor-Navigationssystemen Einzug gehalten; d.h. nach Eingabe von Start und Ziel berechnet das Gerät wie bei der Autonavigation eine Route entlang des Wegenetzes. Einige Geräte bieten sogar Sprachansagen, mit denen auf den Streckenverlauf hingewiesen wird. Die routingfähigen Karten sind ausschließlich Vektorkarten, bei denen entsprechende Informationen mit dem Straßen- und Wegenetz verknüpft sind. Mittlerweile gibt es auch spezielle Rasterkarten, die mit einem vektoriellen Wegenetz verknüpft und somit routingfähig sind.

Aufgrund des hohen Preises bietet die Vermarktung von Kartenpaketen ein wichtiges Standbein für die Navigationsgerätehersteller. Jedoch ist es für einige Geräte bereits möglich, die Geodaten des freien Projektes OpenStreetMap zu nutzen.

Luftfahrt

vgl. Flugnavigation, Navigationsinstrument

Siehe auch

• Funknavigation
• Geocaching
• Inertiales Navigationssystem
• mobiles Navigationssystem
• Satellitennavigation
• Seenavigationssystem

Quellen

1. ↑ Saarland Stadtatlas. 2 Auflage. RV Reise- und Verkehrsverlag, Berlin/Stuttgart/Gütersloh/München 1987/88.
2. ↑ http://bundesrecht.juris.de/stvo/__23.html
3. ↑ http://www.psf-initiative.com

3. "A Computer for the Driver Who Can't Find Anything", San Jose Mercury News, 1. Juli 1985

Literatur

• Jan Wendel: Integrierte Navigationssysteme. Sensordatenfusion, GPS und Inertiale Navigation. Oldenbourg, München u. a. 2007, ISBN 978-3-486-58160-7.

Weblinks

• Navigation - Grundlagen der Ortung, Störeinflüsse,Komponenten, Route
• Navigationsgeräte im Test
• GPS-Geräte im Test
• Fotos und Infos zum ersten Autonavigationssystem: dem Electro Gyrocator von Honda
• Urteilsammlung zu Kfz-Navigationsgeräten
• Spezielle Navigationssysteme für Blinde und Sehbehinderte
• Informationen zu Navigationssystemen
• Infos und News zu Navigationssystemen