Verirrt? Geräte zur weltweiten Positionsbestimmung
aus TidBITS#388/14-Jul-97.
von Karen Nakamura
[Übersetzung: Heike Kurtz]
Bis vor ca. fünf Jahren tauchte das Global Positioning System (GPS) nur in High-Tech-Spionagethrillern auf. Fiktive Agenten hatten Geräte bei sich, die nicht größer als ein Funkgerät waren und immer präzise anzeigten, wo sie (oder wahlweise ihre "Kunden") sich gerade befanden, selbstverständlich an jedem Ort der Erde, natürlich mit Straßenkarten und topographischen Darstellungen in 3D.
Die Wirklichkeit folgt der Kunst auf dem Fuße. In den letzten zehn Jahren sind drei erstaunliche Dinge passiert. Zuerst hat das US-Militär das GPS zur zivilen Nutzung freigegeben. Dann sackte der Preis für die Empfänger von einer Preisspanne zwischen 1000 und 10.000 Dollar auf erschwingliche 100 bis 200 Dollar. Außerdem gibt es heute fortschrittliche, computergesteuerte Geräte, die auch an PCs betrieben werden können. Mit einem Macintosh und zusätzlicher Hard- und Software für ca. 300 Dollar kann man heute Dinge tun, die noch vor kurzem Science Fiction waren.
Im Folgenden werde ich die Technologie erklären, die hinter diesem Global Positioning System steht und ein paar Geräte vorstellen, die im Moment auf dem Markt sind. Im Anschluß daran schreibt TidBITS-Chefredakteur Jeff Carlson aus Sicht eines Anwenders über die GPS-Technologie und stellt GPSy vor, eine GPS-Kommunikationssoftware, die ich für den Macintosh entwickelt habe.
Ihre Steuergelder bei der Arbeit -- Das Global Positioning System ist wirklich eine tolle Sache. Es wurde vom US-Militär für mehrere Milliarden Dollar entwickelt und basiert auf 24 Satelliten, die die Erde umkreisen (Weltraumspezialisten nennen sie "SVs", was "Space Vehicles" bedeutet). Diese Satelliten senden ein präzises Datensignal, das den GPS-Empfängern ermöglicht, ihre genaue Position überall auf der Erde zu bestimmen. Ein Empfänger kann seine Position (geographische Länge und Breite), Höhe, Geschwindigkeit, Richtung und genaue Uhrzeit berechnen. Die meisten Geräte haben auch eine eingebaute Landkartenfunktion, so daß sie die aktuelle Position in bezug auf vorher einprogrammierte Wegmarken angeben können und auch die Strecke darstellen, die man bereits zurückgelegt hat. Ganz fortschrittliche Modelle arbeiten mit einprogrammierten Straßen- oder Wasserwege-Karten und haben serielle Schnittstellen zum Anschluß an einen Computer.
Geräte für das Militär oder die anspruchsvolle Nutzung bei Landvermessungen sind millimetergenau; Standardgeräte für den "Hausgebrauch" jedoch nur auf rund 100 Meter (ungefähr ein Häuserblock), wegen der "selektiven Verfügbarkeit" ein beschönigender Ausdruck dafür, daß das GPS-Signal so gestört wird, daß es den militärischen Anforderungen nicht mehr genügt. So bleibt das Signal genau genug, daß man jederzeit seinen Lieblings-Angelplatz wiederfinden kann, aber den geheimen Militärstützpunkt Nr. 51 in Nevada mit einem Marschflugkörper zu treffen, reicht es dann doch nicht. Amüsante Folgeerscheinung: Viele Auto-Navigationssysteme, die GPS verwenden, sind eben so ungenau, daß es scheint, als führe man gerade mitten durch einen Fluß oder durch eine Häuserzeile.
Wenn Sie genauere Angaben brauchen, können Sie einen UKW-Radioempfänger, genannt "differential GPS unit" (DGPS) zuammen mit Ihrem GPS-Empfänger benutzen, der ist dann zwischen drei und zehn Metern genau. Die US-Küstenwache sendet DGPS-Signale kostenlos entlang der gesamten Küste der Vereinigten Staaten, im Binnenland sind sie gegen eine kleine Abonnement-Gebühr über verschiedene DGPS-Sendestationen zu empfangen. Auch diese Gebühr dürfte bald wegfallen, denn die Bundesluftfahrtbehörde (Federal Aviation Administration, FAA) möchte GPS in allen Flugzeugen einsetzen und plant, kostenlose DGPS-Signale ca. ab dem Jahr 2000 großflächig zu senden. DGPS-Empfänger kosten im Moment rund 500 Dollar, aber wenn der Plan der FAA einmal verwirklicht wird, werden GPS-Geräte wahrscheinlich alle mit eingebauten DGPS-Empfängern ausgestattet.
Hinter den Kulissen -- Die Umlaufbahnen der 24 Satelliten sind so aufeinander abgestimmt, daß von jedem Ort auf der Erde zu 95% der Zeit vier von ihnen zu sehen sind. Warum es so wichtig ist, daß es vier sind, sehen wir gleich:
Jeder Satellit sendet ständig seine eigene Position und Koordinaten und auch die der anderen (almanac), außerdem eine OK-Meldung für die anderen Satelliten (health bit) und die genaue Atomzeit. Diese Information wird zu einem Signal mit strengen Zeitcharakteristika verschlüsselt.
Um die Funktionsweise des GPS zu erklären, wenden wir ein wenig einfache Algebra an: Erinnern Sie sich an das Echolot aus dem Physikunterricht? Wenn man ein Tonsignal oder Radiowellen [d. h. elektromagnetische Strahlung, --HK] absendet und diese treffen auf ein Hindernis, dann prallen sie ab und kommen zurück. Man kann dann die Entfernung zu dem Hindernis ermitteln, indem man die Zeit, die die Signale zum Zurückkommen brauchen, durch die Schall- bzw. Lichtgeschwindigkeit teilt.
Entfernung = Geschwindigkeit x Zeit
Zeit = Entfernung / Geschwindigkeit
GPS arbeitet mit demselben Prinzip, nur daß - im Gegensatz zu Radar und Sonar, wo der Sender gleichzeitig Empfänger ist, GPS-Satelliten nur Signale senden, während GPS-Empfänger diese lediglich empfangen.
Wie funktioniert das ganze nun? Stellen Sie sich vor, Sie und eine Freundin hätten Ihre Uhren äußerst präzise synchronisiert und stünden auf einem Fußballfeld. Wenn sie riefe "Ich bin in der hinteren rechten Ecke und es ist jetzt genau 5.00 Uhr und 0,0000 Sekunden!" und Sie würden diese Nachricht um genau 5.00 Uhr und 0,333 Sekunden hören, dann könnten Sie die Entfernung zu Ihrer Freundin durch diesen Zeitunterschied von 0,333 Sekunden genau bestimmen. Die Schallgeschwindigkeit beträgt ungefähr 300 Meter pro Sekunde, d. h. Ihre Freundin wäre rund 100 Meter von Ihnen entfernt (oder Sie wären etwa hundert Meter von der hinteren rechten Ecke entfernt).
Wenn nun ein weiterer Freund an der hinteren linken Ecke stünde und Sie berechnet hätten, daß er etwa 150 Meter weit weg ist, könnten Sie dann Ihre eigene Position bestimmen? Ziemlich genau. Sie wissen, daß Sie 100 Meter von Ihrer Freundin entfernt sind, also könnten Sie einen Grundriß des Spielfelds nehmen und einen Kreis mit einem Radius von 100 Metern um deren bekannte Position ziehen. Dann könnten Sie einen Kreis mit einem Radius von 150 Metern um die bekannte Position ihres Freundes ziehen. Die beiden Kreise würden sich in zwei Punkten schneiden - einer der beiden Punkte wäre dann Ihre Position. Wenn Sie einen weiteren Freund hinzuziehen, können Sie auf diese Weise einen der beiden Punkte ausschließen und haben für sich eine eindeutige Position bestimmt.
Wenn Ihnen das beim Lesen nicht so ganz klar wird - zeichnen Sie es auf ein Blatt Papier!
Das Rufen aus dem All -- Das Global Positioning System arbeitet mit diesem Prinzip, wenn auch mit wesentlich genaueren Uhren und mit Lichtgeschwindigkeit. Es gibt da aber noch ein Problem: Das oben genannte Beispiel würde erfordern, daß alle Beteiligten sehr genau synchronisierte Uhren bei sich haben. Wenn aber jede einzelne GPS-Einheit eine Atomuhr eingebaut hätte, wäre das Ganze unerschwinglich teuer. Mit drei Freunden (oder drei Satelliten) können wir drei der folgenden vier Variablen bestimmen:
X, Y = horizontale Position
Z = Höhe
t = Zeit
Mit nur drei Satelliten und einer ungenauen Uhr müssen wir die Höhe als eine bekannte Konstante annehmen (z. B. Meeresspiegel), da wir mit den drei Satelliten nur drei Variablen bestimmen können: X, Y und t. Aber wenn vier Satelliten sichtbar sind, haben wir alle vier Variablen genau bestimmt: X (Länge), Y (Breite), Z (Höhe) und t (genaue Zeit). Angenehmer Nebeneffekt: Wir haben nicht nur unsere genaue Position, sondern auch die genaue Zeit - das macht GPS zu einer wertvollen Technologie nicht nur für Reisende, sondern auch für Zeit-Fanatiker. Viele nutzen inzwischen die GPS-Signale als preiswerte und äußerst akkurate Signalgeber für die Synchronisation von Computersystemen und Netzwerken.
Um aber noch einmal auf unser Beispiel zurückzukommen, es gibt da ein paar wichtige Einschränkungen: Unsere Freunde - oder die Satelliten - müssen ziemlich weit voneinander entfernt sein. Wenn Sie zu nahe beisammen sind, ist der Zeitunterschied zwischen ihrer und unserer Position nicht mehr groß genug, um unseren Standort exakt zu berechnen. Im GPS-Slang heißt das "Präzisionsabschwächung" und beeinträchtigt Ihre Genauigkeit ziemlich stark. Außerdem muß eine ungestörte Übertragung möglich sein. Ein Hindernis, das die Signale blockiert oder ein großes reflektierendes Objekt, das unerwünschte Reflexionen (Streusignale) erzeugt, können wir nicht gebrauchen. Diese Fehler können die Genauigkeit unserer Positionsangabe noch weiter verschlechtern.
GPS-Signale arbeiten im Mikrowellenbereich. Sie können Glas durchdringen, werden aber von Wassermolekülen absorbiert (Holz, dichtes Laub) und von Asphalt, Stahl und Felsen reflektiert. Das bedeutet, daß GPS-Geräte in egenwäldern, Großstädten, tiefen Tälern, innerhalb von Autos oder Booten, in dichtem Schneetreiben etc. nur eingeschränkt funktionieren. Diese Umwelteinflüsse verschlechtern die Genauigkeit der Positionsangaben oder machen es Ihnen unter Umständen unmöglich, Ihren genauen Standort zu bestimmen.
Die Technologie der GPS-Empfänger -- Im Wesentlichen gibt es GPS-Empfänger in zwei Ausführungen - mit sequentieller Einkanalübertragung oder mit paralleler Mehrkanalübertragung. Erstere haben nur eine Empfangseinheit und müssen nacheinander alle möglichen Satelliten abfragen. Das braucht Zeit und macht sie etwas ungenauer, denn sie können immer beim Umschalten zwischen den Kanälen Signale "verlieren". Parallele Empfänger haben zwischen vier und zwölf Empfänger, von denen jeder auf das Signal eines bestimmten Satelliten ausgerichtet ist, deshalb kann zu allen Satelliten eine gute Verbindung aufrechterhalten werden.
Es gibt auch ein paar Zweikanal-Geräte, aber sie sind in der Praxis nur wenig besser als die Einkanal-Geräte. Parallelkanal-Empfänger sind bis zu 15mal schneller beim Auffinden von Satellitensignalen, und was die Qualität der Verbindung zu den einzelnen Satelliten auch in schwierigen Situationen angeht (z. B. im dichten Wald oder in tiefen Wolkenkratzer-Schluchten), sind sie unschlagbar.
Wassersportler können sich wahrscheinlich mit Ein- oder Zweikanal-Geräten zufriedengeben, denn auf dem offenen Ozean ist die Zahl der Hindernisse begrenzt. Diese Geräte gelten bereits als altmodisch und Sie könnten deshalb eines für wenig Geld ergattern. Ansonsten sollte man kein Gerät mit weniger als zwölf Kanälen kaufen - umso mehr, als sich die Preisunterschiede im letzten halben Jahr sehr verringert haben.
Ein paar Empfänger -- Aber nun wollen wir uns ein paar Geräte anschauen, die mit 150 bis 300 Dollar eher für den Privatanwender gedacht sind. Alle vorgestellten Geräte haben Zwölfkanal-Parallelempfänger und sind auf 100 Meter genau, weil die US-Regierung alle zivilen GPS-Geräte gleich behandelt und deren Genauigkeit reduzieren läßt. Wenn es erlaubt wäre, die SA-Störsignale zu entfernen, wären die Geräte wohl auf ca. 15 Meter genau.
Wenn Sie einen Empfänger kaufen wollen, achten Sie auf die Form (kann das Gerät in der Hand gehalten werden oder muß es aufgestellt werden), externe Antennen, Kartierungsfunktionen und Computeranschluß.
Auf meiner Web-Site habe ich eine Liste von Händlern, die diese GPS-Geräte verkaufen. Aber schauen Sie sich doch einmal im Fachhandel für Bootsbedarf oder in Sportgeschäften für Wandern und andere Freiluftsportarten um. Oft bekommt man die preisgünstigeren Geräte auch dort.
Link
Garmin -- Ich bevorzuge die GPS-Empfänger von Garmin, Inc. Das wichtigste Handgerät, das Garmin GPS 12XL, kostet um 250 Dollar, kann bequem in der Hand gehalten werden und läuft mit 4 Batterien der Größe AA ungefähr zwölf Stunden lang. Durch die eingebaute Beleuchtung kann es auch nachts betrieben werden. Von Garmin gibt es außerdem das GPS12, es ist baugleich mit dem 12XL, nur hat es weder eine externe Antenne noch einen Piepser - es kostet knapp unter 200 Dollar und ist ebenfalls ein Handgerät.
Im Gegensatz dazu ist das GPS II+ für den Einsatz in Fahrzeugen gedacht und wird auf einem Armaturenbrett oder eine Konsole angebracht. Es hat spezielle Vergrößerungsknöpfe, so daß man es, wenn man am Steuer mit einer Hand bedienen kann (obwohl das während des Fahrens nicht gerade empfehlenswert ist). Garmin verkauft auch einen praktischen Einbausatz für die Lenkstange - ich habe ein älteres GPSII auf meinem Motorrad Honda CX500, das mich ständig auf meinen Touren durch New England begleitet. Das II+ hält mit vier AA-Batterien etwa zwanzig Stunden lang durch.
Aber das beste an den Geräten von Garmin ist die bidirektionale serielle Schnittstelle, mit der man sie an den Computer anschließen kann. Die meisten GPS-Geräte können nur ihre aktuellen Positionsdaten übertragen; die Modelle von Garmin erlauben darüber hinaus die Übertragung ihrer Wegemarken-Datenbanken, Routenpläne und anderer nützlicher Informationen. Die Tatsache, daß das Garmin-Protokoll von vielen Programmen unterstützt wird, macht diese Geräte zu einer guten Wahl für die Nutzung mit dem Computer.
Eagle -- Eagle/Lowrance verkauft ein preiswertes Zwölfkanalgerät namens Eagle Explorer (ca. 200 Dollar). Der Explorer hat einen starken 12-Kanal-GPS-Empfänger, aber leider ist die Benutzeroberfläche schwieriger zu bedienen als bei Garmin. Es gibt außerdem keinen Anschluß für eine externe Antenne, so daß das Gerät in Fahrzeugen nur eingeschränkt einsetzbar ist. Eagle/Lowrence hat ein eigenes Datentransferprotokoll, das von keinem derzeit auf dem Markt befindlichen Macintosh-Produkt unterstützt wird. Ich persönlich würde nicht zum Kauf eines Eagle Explorer raten, er ist zu schwierig zu bedienen - ob mit oder ohne Computer.
Für Wassersportler gibt es von Eagle ein Vierkanalgerät namens Accunav Sport, das z. B. verschiedene Kartenmodule für Küsten-Wasserwege unterstützt. Es ist ein nettes Gerät, aber die Empfängertechnologie ist zwei Jahre alt und ein wenig antiquiert. Schauen Sie sich um - vielleicht finden Sie etwas Besseres.
DeLorme -- DeLorme Mapping gibt normale und CD-ROM-Landkarten der USA heraus. Das wohl bekannteste Produkt der Firma ist Street Atlas, eine Generalkarte der gesamten Vereinigten Staaten auf CD-ROM. Aber die Firma stellt auch ein nettes kleines Zwölfkanal-Gerät namens DeLorme Tripmate her. Der Tripmate hat kein Display und keine Bedienknöpfe - er ist ausschließlich zum Anschließen an einen Computer gedacht. Ein bemerkenswertes Gerät mit guter Leistung und einem vernünftigen Preis (150 Dollar).
Datenkabel -- Das größte Problem, dem sich GPS-Nutzer mit einem Macintosh gegenübersehen, ist die Beschaffung von Datenkabeln. Die meisten Datenkabel haben DB-9-Anschlüsse für PCs und nicht die DIN-8-Anschlüsse, die man für den Mac braucht. Im Moment scheint meine Firma die einzige kommerzielle Quelle für Macintosh-GPS-Kabel zu sein. Wer gut mit einem Lötkolben oder mit Kabelklemmen umgehen kann, kann sich aber auch seine eigenen Kabel basteln. Wie das geht, steht auf meiner Internet-Seite zum Thema GPS-Kabel.
Den richtigen Weg finden -- GPS-Empfänger gehören noch nicht zur Serienausstattung in Autos, aber da die Geräte immer besser und billiger werden, wird das wohl nicht mehr lange dauern. Irgendwann wird GPS zum Alltag gehören und einen Beitrag dazu leisten, daß alle sich besser zurechtfinden - zumindest im ganz konkreten Sinn.
Wenn Sie mehr über GPS wissen möchten, können Sie das bei der US-Küstenwache, der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), der Iowa State University und auf meiner eigenen Web Site tun.
[Karen Nakamura hat die Firma Global Mapping Systems gegründet, eine Firma, die Mac-orientierte Navigations- und GPS/GIS-Software entwickelt. Sie war Entwicklern von Software für das Next-Betriebsystem von Steve Jobs.
In ihrem "Zweitberuf" ist sie soziokulturell orientierte Anthropologin und untersucht Gehörlosen-Bewegungen in Japan und den USA.]
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