Vorwort
Einleitung
Schnell loslegen – die ersten GPS-Erfahrungen
1Von Satelliten und Signalen – die Grundlagen
Impulse aus dem All – wie funktioniert Satellitennavigation?
Muss man das alles wissen?
Das Grundprinzip
GPS-Signale – deutlich schwächer als der Mobilfunk
Wie genau ist GPS in der Praxis?
GPS optimiert – Systeme für höhere Präzision
Navigation auch ohne Amis – weitere GNSS-Systeme
Heiß starten ist besser
Warm starten oder warten – die Kunst des GPS-Empfangs beim Start
Die Grundelemente – von Tracks, Waypoints und Routen
Was macht ein GPS-Gerät?
Weltsprache der GPS-Geräte – Geokoordinaten
Tracks – Wege als digitale Linien
Waypoints – Position mit Namen
Routen – Ziele werden aktiv angesteuert
2Alles drin – GPS-Empfänger
Das einzig richtige Gerät – Grundfragen vor dem Kauf
Grundanforderungen an den Gebrauch auf dem Rad
Die Geräteklassen
Robustheit ist Pflicht
Empfang ist entscheidend
Signaloptimierer – die Antenne
Wie viel Speicher darf es sein?
Mit oder ohne Karte?
Sprachführung – »Bitte schauen Sie auf Ihr Display!«
Foto, Video und Taschenlampe
Outdoor de luxe – Höhenmesser, Kompass, Multimedia
Testfall Sonnenlicht – das Display
Leuchte mir heim – die Beleuchtung
Energie für einen Tag – Stromversorgung
Drauf ist besser als seitlich – die Tasten
Halt am Lenker
Auslandsexpeditionen?
Verbindung zum PC muss sein
Wo informieren?
Checkliste Gebrauchtgeräte
Wo kaufen – Fachhandel oder Internet?
GPS-Gerät passend zum Computer
Fazit: Worauf müssen Sie beim GPS-Kauf achten?
3Modellfälle – GPS-Handgeräte im Portrait
Die Garmin-Familie
Kfz-Navis für den Einsatz am Fahrradlenker?
Falk Ibex, Lux und Pantera – einschalten, losfahren, leiten lassen
Mio Cyclo – einfach unterwegs
Teasi One2 & Pro – preiswerte Freizeit-Navis
TwoNav Anima – leichtes Allround-Navi für Ambitionierte
Satmap Active 12 – für Topo-Karten-Fans
Navad
E-Bike-Navigation
Garmin-Oldies
4Einstellen, Updaten, Fehlersuche
Alles klar? Bedienungsanleitungen
Einstellungssache
Anzeigenseiten – weniger ist mehr
Hoffnung aus dem Netz – Updates
Wenn gar nichts mehr geht – der Reset
5Draußen unterwegs – erste Touren mit dem GPS-Gerät
Freier Blick zum Himmel – die Anordnung am Lenker
Gib mir vier – Initialisierung
Hoch genug? Höhenmesser kalibrieren
Barometrische Höhe oder GPS-Höhe?
Die verschiedenen Menüs – und wie man sie nutzt
Vertraut werden mit dem Gerät
Vor dem Start erst einmal löschen
Zoomen üben – Display richtig einsetzen
Die Tücken – Orientierung schwankt
Was tun, wenn der Empfang weg ist?
Navigieren mit Tracks, Wegpunkten und Routen
Was das Gerät kann – und was man wirklich braucht
Datenhaushalt – weniger ist mehr
Tracks
Wegpunkte
Routen
Tracks oder Routen nutzen?
Gefaltete Ergänzung – Arbeiten mit Karte und Koordinaten
GPS-Daten – intern immer korrekt
Von Koordinaten, Projektionen und dem Kartendatum
Die richtige Karte für die GPS-Tour
Ablesen der Koordinaten auf der Karte und am GPS-Gerät
Koordinatenwelten
Die richtigen Koordinaten zum falschen System?
GPS-Messungen genauer als Ablesen aus der Karte
Wegpunktprojektion
Von Grad, Peilung und Kurs
Peilen & Los (früher »Sight & Go«)
Zurück zu Hause – entladen, löschen, dokumentieren
Die Mühe nach dem Schweiß – Ordnung lohnt sich
Anschauen und checken
Nacharbeiten – oder neu zeichnen
Platz schaffen – Löschen der Daten vom GPS-Gerät
6Der notwendige Rechenknecht – der Computer
Geeignete PC-Systeme
Karten fordern Festplattenplatz
GPS, Linux und Mac
Mobile Lösungen für die Reise
Leichtgewichte für unterwegs
Komplexe Kommunikation – die Anschlüsse
Bluetooth ist nicht gleich Bluetooth
Parallelversorger – ANT+
NFC – automatischer Nahfunk
WLAN – zu Hause ins Netz
7Beginn auf dem Bildschirm – digitale Karten
Die Grenzen der digitalen Radlerwelt
Noch Mangelware – digitale Karten mit Radrouten
Selbst planen ist angesagt
Von Raster- und Vektorkarten
Routingfähige und nicht routingfähige Karten
Auf dem rechten Weg – Lizenzen beachten
OpenStreetMap-Projekt und freie Garmin-Karten
Schön gegen aktuell – wie alt sind die Karten?
Unterscheiden – Kartenhintergrund und Inhalte
Triumph der gedruckten Karte
Outdoor à la carte – aber welche darf es sein?
Karten für die GPS-Geräte
Freie Garmin-Karten aus dem Internet
Ausgewählte OSM-Karten für Garmin-Geräte und BaseCamp
Karten mit Fahrradthematik
Planungskarten für das Inland
Karten für das Ausland – teilweise rar und teuer
Programmgebundene Karten
Scannen und Kalibrieren eigener Karten
8Hauptsache Planung – die GPS-Software
Anforderung an eine GPS-Software
Transfer und einfache Datenbearbeitung
Einfache Up-/Download-Programme
Planungsprogramme
BaseCamp – empfehlenswert auch für Nicht-Garmin-Nutzer
Oder vielleicht doch noch MapSource?
QuoVadis
Fugawi – früherer Klassiker aus Kanada
OziExplorer – der Rasterkartenplaner aus Down Under
CompeGPS – innovativer Neuling aus Spanien
Format behalten – GPS-Datenformate
Wunschtraum Datenstandard
Die wichtigsten Formate
In Form bringen – Konvertierungsprogramme
Umwandeln von Formaten
Spezialprogramme
Screenshots, Bildschirm- und Waypoint-Design
Karten erzeugen für Garmin- und Magellan-Geräte
9Kreative Kartografie – Touren selbst entwerfen
Wie plane ich eine Tour?
Übernehmen oder selbst planen?
Wo kommen die Inhalte her?
Planung – 80 Kilometer in 20 Minuten
Präzise, schnell und faszinierend
Planung auf zwei Karten
Planung in der dritten Dimension
Gut geplant ist halb geradelt
Digitale Touren mit Pfiff
Ein Track, keine Überschneidungen
Achtung bei Rundtouren
Parallelstrecken für Wetteralternativen
Ein Track pro Tag
Waypoints als Orientierungshilfe
POIs statt Waypoints nutzen
Planung mit Höhendaten
Nachbearbeiten – notwendig für die nächste Tour
Dokumentation von Touren
10Schnelles Vergnügen – Touren aus dem Internet
Mit wenigen Klicks zur Tour
Suchmaschine spürt nach GPX-Daten
Fertige Tourenvorschläge oder freies Routing?
Kernelement Track – aber mit Qualität
Qual der Wahl – und Qualität?
Was sagen die Download-Daten?
Prüfen auf Google Earth
Planung mit Portalen – Tourenportale
Radroutenplaner
Tourenportale mit Radrouten
Radroutenplaner für Städte
Online-Planer
Gpsies.com
Bikemap.net
11Gewusst wie – GPS-Anwendungen
Auf der Tour – spezielle Tipps und Tricks
Energiesparen unterwegs?
Tourenplanung im Internet-Café
Höhenprofil anschauen
Reparatur »on the road«
Im Fall des Falles
12Navigation für Rennrad und Mountainbike
Schnelle und sichere Orientierung
Transalp-Touren
Touren- und Trainingsportale
13Spezialgerät
Immer am Arm – Multisportuhren
Piepser mit »Blauzahn«
14Smartphone-Navigation
Welches Smartphone darf es sein?
App-Guide
Smartphone on tour – Vorbereitung ist angesagt
Routing meist nur online
Outdoor-Apps – Qual der Wahl
Ausflugs-Apps
Tourenguides
Kartenspezialisten
Alleskönner
Sport-Apps
15GPS nicht nur auf dem Rad
GPS für Wanderer
Es fehlt der Lenker, es schützt die Tasche
Geocaching – die Grundlagen
Im Auto verwenden?
Geotagging – Fotos mit GPS-Daten
Tracking
16Dran und drauf – Zubehör
Gut dran – Fahrradhalterungen
Halt am Lenker
Gut drum – Schutzhüllen und Taschen
Regenmantel für Smartphone und Tablet
Panzerfeste Butterbrotdosen
Stromversorgung
Batterien oder Akkus?
Energie unterwegs
Akkupacks – Netzteil nicht nötig
Solarlademodule
Temperatursensoren
Mini-Workshop:
Erste Schritte mit dem BaseCamp
Zum Nachdenken – wohin geht die digitale Reise?
Internet-Linkliste
Register
Dank/Impressum
immer wieder klagen GPS-Nutzer in Seminaren: »Ich bin zu dumm für diese Technik.« Das stimmt nicht. Vielmehr ist die Technik zu komplex für ihre Zielgruppen, und die Hersteller können von Glück sagen, dass es ihre Mitbewerber auch leider kaum besser machen. Dabei kann die Outdoor-Navigation, zumindest nach etwas Übung, eigentlich ganz einfach sein, und dies möchten wir Ihnen hier erläutern. Dieses Buch soll Ihr Begleiter bei der Outdoor-Navigation sein – Erklärungshilfe, Praxisleitfaden und Nachschlagewerk zugleich.
Im Vergleich zur vorherigen Ausgabe, die gerade einmal vor vier Jahren erschienen ist, hat sich die Outdoor-Navigationsszene deutlich verändert. Zwar warten wir immer noch auf das europäische Galileo-System, aber das Bodensegment, sprich Geräte, Software und digitale Karten, hat sich spürbar entwickelt.
Bei den Geräteherstellern ist Garmin Marktführer geblieben, Falk zur gefühlten Nummer zwei aufgerückt, und a-rival hat sich mit seinen Teasis durch preiswerte Modelle, Marketingkampagnen und Kooperationen stark nach vorne bewegt. Andere Marken wie Lowrance und Xplova sind vom deutschen Markt verschwunden. VDO hat sich aus dem GPS-Bereich zurückgezogen, Sigma tastet sich mit dem Rox hinein. Einige Anbieter gaben nur eine kurze Vorstellung oder führen ein Nischendasein (Mando, Navad, Bryton).
Aus diesem Grunde haben wir uns auf die aktuellen und präsenten Marken und ihre Anwendungen konzentriert. Der Name »Garmin« taucht hier so häufig auf, weil die US-Firma nicht nur zahlreiche unterschiedliche Modelle auf dem deutschen Markt anbietet, sondern etwa – vorsichtig geschätzt – 70 bis 80 Prozent der GPS-Handgerätenutzer ein Garmin-Gerät besitzen. Aber natürlich möchten wir Ihnen auch die Alternativen aufzeigen.
Die älteren Geräte haben wir in einem besonderen Abschnitt porträtiert, denn es ist durchaus sinnvoll, auch seinen alten Schatz weiterhin zu pflegen. Neu ist ein Abschnitt über Sport-Navis, um dem wachsenden Fitnesstrend Rechnung zu tragen.
Der Megatrend jedoch liegt bei den Smartphones, Tablets sowie ihren Apps. Ihnen haben wir ein Spezialkapitel gewidmet. Die boomende Online-Welt spiegelt sich auch in den Internetportalen wider – wenngleich hier auch einiges an Datenmüll zu finden ist. Radroutenplaner und Tourenportale bieten immer mehr Streckenvorschläge, Such- und Gestaltungsmöglichkeiten für individuelle Touren, korrespondieren mit zugehörigen Apps und ermöglichen über Clouds weltweite Datennutzung.
Prima: Die klassischen GPS-Geräte brauchen keine speziellen Treiber mehr, sondern können mit jedem PC und sogar mit Smartphones kommunizieren, wobei sich das GPX-Format als Datenstandard durchgesetzt hat. Touren und Wegpunkte sind fast unbegrenzt ladbar. Mac- und Linux-Nutzer haben mit vergleichsweise wenigen Anwendungen allerdings weiterhin das Nachsehen. Auch WLAN und Bluetooth haben Einzug gehalten. Leider brauchen die meisten neuen Geräte mit ihren hervorragenden Displays aber auch mehr Strom als ihre Vorgänger.
Nur ein großes Ziel haben wir noch nicht erreicht: die einfache Bedienung von Software und Gerät. Aber genau dabei soll das Buch helfen. Getreu unserem Motto: Navigation kann nicht einfach genug sein.
Viel Spaß bei der Satellitennavigation wünscht Ihnen
Ihr Thomas Froitzheim
Vor der Radtour erst einmal ein Spaziergang mit dem neuen GPS-Gerät.
Nach einigen Beratungen, dem Studium zahlreicher Internetseiten und dem Rat guter Freunde haben Sie nun Ihr neues GPS-Gerät gekauft und wollen loslegen. Für die Ungeduldigen, die nicht das ganze Buch und auch nicht die Betriebsanleitung des GPS-Geräts durchlesen wollen, möchten wir die ersten Schritte dazu etwas erleichtern.
Die guten Nachrichten: Eigentlich können Sie nichts falsch machen und auch sämtliche Funktionen nach Herzenslust ausprobieren, denn die GPS-Geräte sind ziemlich robust. Sowohl Software als auch Geräte halten einem (Ab-)Sturz durchaus stand. Und: Sie müssen sich nirgendwo registrieren oder freischalten lassen, es reicht der freie Blick zum Himmel, um den GPS-Empfang aktivieren zu können.
Die schlechte Nachricht: Auch die Einsteigergeräte bieten eine immense Anzahl von Anzeigen und Bedienungsmöglichkeiten. Lassen Sie sich nicht frustrieren, sondern nehmen Sie sich Zeit. Nach einem Tag werden Sie schwerlich alle Funktionen beherrschen. Gönnen Sie sich Ihre persönliche Entdeckungszeit, denn Ihr GPS-Gerät wird Sie auch später noch mit weiteren Funktionen überraschen. Also los.
Ausreichend geeignete Akkus bereit halten, denn nichts ist ärgerlicher, als wenn der Entdeckerdrang in den ersten Tagen durch leere Akkus gebremst wird. Handbuch aus dem Internet laden, denn den neuen Geräten liegt nur eine kurze Anleitung bei.
Gerät auspacken, Batterien einlegen oder den Akku aufladen. Schauen Sie in Ihre Schnellstartanleitung, welche Funktionen die einzelnen Tasten an Ihrem Gerät haben und wie man die Batterien einlegen kann.
Trageschlaufe anbringen (damit kann man das Gerät wunderbar vor Stürzen bewahren, auch am Fahrradlenker). Fertig.
Dann sollten Sie Ihrem Gerät den notwendigen GPS-Empfang verschaffen, sonst werden einige Funktionen bzw. Werte nicht angezeigt. Gehen Sie nach draußen, und suchen Sie sich eine Stelle mit möglichst freier Sicht zum Himmel, wo Sie das Gerät eine Weile in Ruhe liegen lassen können.
Einschalten – danach das Gerät möglichst nicht bewegen. Auf dem Bildschirm werden Sie dann sehen, wann der Empfänger seine Position gefunden hat. Haben Sie Geduld, dies kann länger als eine Viertelstunde dauern, denn das Gerät muss sich erst einmal mit aktuellen Daten versorgen und zahlreiche Messungen vornehmen. Wenn dann die erste Positionsanzeige erscheint – gönnen Sie Ihrem GPS-Gerät noch einige Minuten, dann kann es seine Position weiter verbessern, und es verliert sie auch nicht so schnell wieder.
Wenn das Wetter schön ist, bleiben Sie draußen, dann hat das Gerät auch weiterhin Empfang. Ansonsten blättern Sie sich drinnen im gemütlichen Sessel einfach einmal in Ruhe durch das Gerätemenü und seine Funktionen.
Keine Bange. Die gängigen Geräte sind im Grunde so narrensicher, dass man durch Drücken verschiedener Tasten nichts zerstören kann – und erheblich stabiler als so manches PC-System. Sie können sich also in aller Ruhe die verschiedenen Menüs anschauen und auch ruhig in sämtliche Untermenüs hineingehen. Man kann zwar vieles verstellen, aber es lässt sich auch alles wieder rückgängig machen.
Besser zunächst zu Fuß als auf dem Rad: der erste GPS-Spaziergang
Lassen Sie zunächst Ihr Fahrrad stehen, und machen Sie Ihre erste Tour zu Fuß. So können Sie Ihre Aufmerksamkeit noch etwas gefahrloser dem Gerät widmen und sich in aller Ruhe das anschauen, was alles auf dem Gerätedisplay erscheint. Vorsicht vor plötzlich auftauchenden Laternenmasten!
Sie brauchen gar nicht weit zu gehen, sollten Ihre Strecke aber mit zahlreichen Abbiegevorgängen garnieren – umso eher bekommen Sie ein Gefühl für die neue Form der Navigation. Schauen Sie sich an, was auf den verschiedenen Menüs angezeigt wird. Sie werden eine »Kartenseite« finden, wo Ihre aktuelle Position in der Mitte als Symbol dargestellt ist. Versuchen Sie einmal, eine Aufzeichnung Ihrer Tour zu starten. Dann sehen Sie Ihre zurückgelegte Strecke als feine Linie auf dem Display. Sie haben Ihre ersten GPS-Spuren erzeugt!
Versuchen Sie, die Taste herauszufinden, mit der man seine aktuelle Position speichern kann.
Auf der »Reisecomputer«-Seite können Sie weitere Informationen ablesen, zum Beispiel die zurückgelegte Strecke, Tages- und Gesamtkilometer, die Uhrzeit, Geschwindigkeit, die aktuelle Höhe usw.
Für die nächsten Schritte sollten Sie sich wieder etwas Zeit und Geduld gönnen, denn nun geht es darum, das GPS-Gerät an Ihren Computer anzuschließen, Ihre GPS-Software auf den PC und (bei kartenfähigen GPS-Geräten) die digitalen Karten auf Ihr Gerät zu laden. Erläuterungen dazu finden Sie in den weiteren Kapiteln.
•GPS-Gerät mit Kabel an den PC anschließen und prüfen, ob die Verbindung funktioniert
•Software des GPS-Geräts über Kontakt zur Herstellerseite aktualisieren
•Sich eventuell bei der Herstellerseite anmelden, dann werden Sie über wichtige Aktualisierungen unterrichtet
•GPS-Gerät auf persönliche Wunschanzeigen einstellen (Sprache, Maßeinheiten etc., siehe Seiten 89 ff.)
Dies hört sich jetzt vielleicht schon relativ kompliziert an, ist es aber im Grunde nicht. Man braucht vor allem etwas Geduld, und nach dem einmaligen Einrichten und Freischalten haben Sie die größten Hürden auch schon genommen.
Noch bessere Signale soll es in den nächsten Jahren dank der neuen Galileo-Satelliten geben (Bild: www.esa.int).
Muss man unbedingt wissen, wie eine Getriebenabe funktioniert, um Rad fahren zu können? Sicher nicht, denn es reicht, wenn man damit problemlos schalten kann. Bei GPS-Anwendungen ist es hingegen schon hilfreich, die Funktionsweise der Satellitennavigation zu kennen, um einige Besonderheiten verstehen zu können. Zum Beispiel, warum GPS-Empfänger immer eine gewisse Zeit brauchen, um ihre Position zu ermitteln, und warum Empfangsverhältnisse an einem einzigen Tag und am selben Ort stark schwanken können. Denn die Satellitennavigation unterscheidet sich teilweise deutlich von den uns vertrauteren Techniken, wie beispielsweise Mobilfunk und Satellitenfernsehen.
INFO
Zur Grundfunktion von GPS sind übrigens nur 21 GPS-Satelliten und drei Reserve-Satelliten notwendig, die aber durch weitere Satelliten ergänzt worden sind. Derzeit befinden sich etwa 30 GPS-Satelliten im Orbit. Inzwischen gibt es fünf verschiedene Typen von GPS-Satelliten, von denen die erste Generation schon nicht mehr aktiv ist.
Zunächst hatte der Aufbau eines Satellitennavigationssystems durch die amerikanische Regierung militärische Zwecke. US-Army und US-Navy sollten möglichst genaue Positionsdaten senden und erhalten, militärische Ziele exakt lokalisieren und damit auch Lenkwaffen sicher und präzise ins Ziel bringen können. So begann 1973 der Aufbau des Navstar-GPS-Systems (Navigation System for Timing and Ranging – Global Positioning System), wie es mit vollem Namen heißt. Der erste Satellit wurde 1978 in den Orbit gebracht, aber erst 1995 funktionierte das System weltweit. Seit Mai 2000 können auch zivile Anwender eine Genauigkeit von 10-15 Metern nutzen. Inzwischen wird GPS zunehmend von Luft- und Schifffahrt, Kfz-Verkehr, zur Vermessung, in der Landwirtschaft und auch im Outdoor-Bereich eingesetzt.
AUFGABE DER BODENSTATIONEN
Den Bodenstationen obliegt die permanente Funktionsüberwachung und die Steuerung des Systems. Die GPS-Zentrale (Master Station) befindet sich natürlich in den USA, auf der Schriever Air Force Base, wenige Kilometer nördlich von Colorado Springs. Zehn weitere, weltweit verteilte Monitorstationen sollen zusammengenommen möglichst direkten Kontakt zu jedem einzelnen GPS-Satelliten unterhalten. Die Flugbahnen der Satelliten ändern sich und müssen zuweilen korrigiert werden, genau wie die Synchronisation der Zeitsignale und der ständige Austausch der Positionssignale.
Beim GPS-System umkreisen 24 Satelliten die Erde und senden permanent Signale aus. Die Empfänger auf der Erde (somit auch unsere kleinen Outdoor-Geräte) können aus dem Inhalt und der Laufzeit dieser Signale ihre eigene Position berechnen.
Die uns bekannten Fernsehsatelliten (Astra etc.) sind »geostationär«. Sie haben vom Boden aus gesehen eine feste Position am Himmel, auf die man seine »Satellitenschüssel« ausrichten kann. Anders hingegen die GPS-Satelliten – sie sind ständig in Bewegung, damit jeder Ort auf der Erde zu jeder Zeit die Möglichkeit hat, mindestens vier Satelliten gleichzeitig zu empfangen. Dies ist entscheidend für eine exakte Positionsermittlung.
Die GPS-Satelliten sind auf sechs kreisförmigen Bahnen um die Erde verteilt, etwa 20 200 km von der Erdoberfläche entfernt.
Stellen wir uns vor, wir befinden uns auf einem Raumschiff, fliegen durchs Weltall und wissen nicht, wo wir sind. Wir müssen also andere, uns bekannte Objekte anpeilen, um unsere eigene Lage zu ermitteln. Wenn wir erstens die Position der uns umgebenden Himmelskörper kennen und zweitens noch feststellen können, wie weit wir von ihnen entfernt sind, können wir auch unsere eigene Position ausrechnen. Nach dem schon in der Antike bekannten Prinzip der Triangulation (Dreiecksberechnung durch Winkel und Längen) funktioniert auch die GPS-Navigation.
Zunächst einmal muss das GPS-Gerät erfahren, wann und wo sich die einzelnen Satelliten am Himmel befinden, um sie zur Positionsberechnung verwenden zu können. Dieser »Satelliten-Fahrplan« ist der Almanach. Er ist aber nicht fest im Gerät gespeichert wie eine digitale Straßenkarte, sondern muss ständig erneuert werden, um immer präzise Daten vorrätig zu haben. Ist der Almanach zu alt oder wird der GPS-Empfänger an einem Ort eingesetzt, für den der gespeicherte Almanach nicht gilt, gibt es Empfangsprobleme.
Diese aktuellen Almanach-Daten werden – neben anderen Daten – von jedem einzelnen GPS-Satelliten fortwährend ausgestrahlt und können dann von den GPS-Empfängern ausgewertet werden. Nun ist der Satellitenfahrplan aktuell, der Empfänger weiß, welche Satelliten in welcher Konstellation am Himmel stehen, und eine erste Position kann berechnet werden.
Der Almanach ist aber nur ein grober Fahrplan und reicht zur genauen Positionsbestimmung noch nicht aus: Weitere, exakte Daten müssen her. Nun versucht das GPS-Gerät, die Signale möglichst vieler einzelner GPS-Satelliten zu empfangen, denn damit erhält es ihre genauen Positionsdaten und kann die Entfernung zu ihnen berechnen. Zunächst einmal muss der Empfänger aber die eintreffenden Signale identifizieren. Jeder Satellit hat seinen speziellen Code, und der GPS-Empfänger vergleicht die eintreffenden Funksignale so lange, bis er die Codes eindeutig den einzelnen Satelliten zuordnen kann.
Wenn das Gerät Daten von »Nr. 32« empfängt, werden sie nicht zur Positionsberechnung herangezogen. Dieser Satellit ist bereits ausrangiert.
Neben der aktuellen Position sendet der GPS-Satellit auch ein Zeitsignal mit. Wenn der Satellit also sendet: »Ich befinde mich auf Position xy und es ist jetzt 13:24 Uhr«, kommt diese Nachricht beispielsweise um 13:25 Uhr am Boden an. Aus der Laufzeit des Signals kann das GPS-Gerät die Entfernung zum Satelliten ausrechnen. Da der Empfänger nun auch die exakten Bahndaten des Satelliten kennt – die Ephemeris-Daten –, kann er aus den Positionen mehrerer Satelliten seine eigene Position auf der Erde bestimmen und dem Benutzer anzeigen.
Um seine dreidimensionale Lage auf der Erde zu bestimmen, benötigt der GPS-Empfänger die Signale von mindestens drei Satelliten. Um deren Laufzeit korrekt berechnen zu können, reicht die Genauigkeit seiner eigenen Uhr nicht aus. Er muss seine Uhr mit der atomuhrgenauen GPS-Systemzeit abgleichen – und hierfür braucht er einen weiteren Satelliten. Es sind also die Signale von mindestens vier Satelliten erforderlich, um eine exakte Position ausgeben zu können. Dafür kennt das GPS-Gerät dann nicht nur seine zweidimensionale geografische Position, sondern auch die eigene Höhe und die exakte Zeit. Ihr kleiner GPS-Empfänger ist dann also atomuhrgenau.
Fassen wir zusammen: Jeder GPS-Satellit sendet permanent eine Nachrichtenfolge aus, bestehend aus der aktuellen Zeit, seiner Position, seiner persönlichen Kennung und dem allgemeinen Satellitenfahrplan. Der GPS-Empfänger wertet zunächst den Almanach aus und kann dann aus den eintreffenden GPS-Signalen der einzelnen Satelliten seine Position, die Höhe und die aktuelle Zeit ermitteln.
INFO
In der Realität braucht es nur etwas mehr als 63 Millisekunden, bis das Signal beim Empfänger eintrifft – eine hochpräzise Zeitmessung ist notwendig, um die Differenzen feststellen zu können. Hierzu hat jeder GPS-Satellit vier Atomuhren an Bord, mit einer Genauigkeit von 1 Sekunde auf 1 Million Jahre. Die systeminterne GPS-Zeit hat derzeit eine Differenz von 14 Sekunden zur internationalen Weltzeit (UTC), aber dies wird von den Empfängern korrigiert, wenn sie die aktuelle Zeit anzeigen.
DAS SATELLITENSIGNAL …
… ist ein Nachrichtenblock mit verschiedenen Komponenten. Es enthält die präzisen Bahndaten des Satelliten (Ephemeriden), die Satellitenzeit und Synchronisationssignale, die groben Bahndaten aller Satelliten (Almanach) und Korrekturdaten, z. B. über die Ionosphäre und den technischen Zustand der Satelliten. Jeder Satellit sendet ein ihm zugeordnetes und nur einmal vorkommendes Muster (= Pseudo Random Noise Code). Diese PRN-Bezeichnungen finden sich – von Garmin in eine eigene »Sat-ID« umgewandelt – von 1 bis 32 auf dem GPS-Empfänger wieder (Nr. 33-63 sind für SBAS-Satelliten – wie WAAS und EGNOS – reserviert; Nr. 65-88 für Glonass-Satelliten). Die PRN-Codes stehen nicht für die Satelliten selbst, sondern für ihre spezielle Aufgabe. Denn bei Störungen kann der PRN-Code von einem anderen Satelliten übernommen werden. GPS-Satelliten senden auf zwei Frequenzen: L1 (1575,42 MHz) und L2 (1227,60 MHz). Auf L1 wird das zivile Signal C/A-Signal gesendet (Coarse/Acquisition). Der militärische Code heißt P-Code (Precise Code) und nutzt sowohl L1 als auch L2. Die neuen GPS-Satelliten enthalten seit 2005 verbesserte militärische Signale (L1M, L2M) und ermöglichen eine weitere zivile Frequenz (L2C), für die aber ein anderer Empfänger benötigt würde.
Selbst die neuen, leistungsfähigen Satelliten senden gerade einmal mit 80 Watt Sendeleistung, das ist weniger als eine Glühlampe. Auf der Erde werden diese Signale nicht durch weitere Sendemasten verstärkt (wie dies im Mobilfunk der Fall ist), deswegen durchdringen GPS-Signale auch keine festen Körper wie Mauern oder Wasser. Die GPS-Chips der neueren Generation (z. B. SiRFstarIII) können auch Reflexionssignale auswerten. So zeigen diese GPS-Geräte innerhalb eines Hauses eine korrekte Position an, wenn sie einige Zeit in der Nähe eines Fensters liegen. Sie empfangen so GPS-Signale, welche z. B. von Häuserwänden reflektiert werden. Die Positionsberechnung ist in der Regel weniger genau und schwankt relativ stark, was man an der späteren Aufzeichnung der Signale ablesen kann. Grundsätzlich gilt: GPS-Empfänger brauchen freie Sicht zum Himmel.
Das GPS-System
Outdoor-Nutzer dürfen sehr zufrieden sein – die Genauigkeit von GPS liegt derzeit bei 10 bis 15 Metern und könnte sich in Zukunft eventuell noch deutlich verbessern. Aber auch jetzt schon lassen sich alle Ziele exakt erreichen, die Wegeverläufe sind meistens präzise nachvollziehbar.
Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Satellitenpositionen oder auch die Synchronisation des GPS-Zeitsystems zwischen den Satelliten und Empfängern sind aber nicht ganz vermeidbar, auch wenn sie ständig kontrolliert und korrigiert werden. Andere Störfaktoren hingegen treten nicht immer auf oder lassen sich zumindest teilweise vermeiden.
Als Outdoor-Nutzer sollte man sich bewusst sein, dass sich der GPS-Empfang stetig verändert und deutlichen Schwankungen unterliegt. Die durchschnittliche horizontale Genauigkeit von 13 Metern wird auch nur in 95 Prozent der Fälle erreicht – einige Messungen können also durchaus ungenauer sein.
Durch die Bewegungen der Satelliten entstehen unterschiedliche Konstellationen, wobei der Empfang auch bei freier Sicht durchaus einmal unzureichend sein kann. So kommt es über jeder Erdposition immer wieder vor, dass nur vier Satelliten am Himmel stehen; und wenn dabei das Signal auch nur eines Satelliten unzureichend eintrifft, gibt es auch bei freiem Himmel Empfangsprobleme.
Es besteht sogar die Möglichkeit einer kurzfristigen GPS-Empfangsprognose. Jeder GPS-Satellit kreist etwa einmal täglich um die Erde – genauer gesagt braucht er 11 Stunden und 58 Minuten, da sich die Erde entgegengesetzt dreht. Er erscheint jeden Tag einmal, jedoch jeweils vier Minuten früher, über derselben Position. Stellt man also einen schlechten Empfang beispielsweise nachmittags um 15:30 Uhr fest, so kann man davon ausgehen, dass sich dies am nächsten Tag etwa um dieselbe Zeit wiederholen wird.
TIPP
Ein GPS-Empfänger kann nur empfangen, nicht aber senden. Er allein kann nicht geortet werden, dazu bedarf es einer Verbindung mit einem Sender, womit Outdoor-GPS-Geräte in der Regel nicht ausgestattet sind. Sie dürfen also sicher sein, dass Ihre Touren nicht überwacht werden.
Schlechter Empfang kann auch durch die Satellitenstellung verursacht sein. Wenn das Gerät z. B. die Signale von vier Satelliten empfängt, diese aber nicht weit genug auseinanderstehen, resultiert – wenn überhaupt – ein ungenügender Empfang.
Die weitaus häufigste Ursache für schlechten Empfang ist aber die sogenannte Abschattung der Satellitensignale durch feste Hindernisse – Gebirge, Häuser etc. stehen zwischen GPS-Satellit und GPS-Empfänger. Vor allem in den Bergen, in Schluchten und in der Stadt wird der Empfang somit begrenzt.
Empfangsprobleme: Satellitenverteilung, Abschattung, Reflexionen und atmosphärische Effekte. Verzögerungen der Signale in Ionosphäre und Troposphäre führen ebenfalls zu Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung.
GPS-Signale können auch von festen Oberflächen reflektiert werden. Der GPS-Empfänger kann dies nicht von den direkt gesendeten Signalen unterscheiden, und die berechnete Position verschlechtert sich, allerdings in der Regel nur um wenige Meter.
Beim Verlauf durch die oberen Schichten der Atmosphäre – die Ionosphäre und die Troposphäre – wird das GPS-Signal verhältnismäßig stark beeinflusst. Abweichungen von mehreren Metern sind möglich.
Die Ionosphäre verändert sich durch die Sonneneinstrahlung; somit bestehen nachts – im Durchschnitt gesehen – grundsätzlich geringfügig bessere Empfangsmöglichkeiten.
Die militärischen GPS-Geräte können diese atmosphärischen Störungen durch den Empfang eines zweiten GPS-Signals auf einer anderen Frequenz eliminieren. Die neuesten GPS-Satelliten und auch die Galileo-Satelliten können auf mehreren Frequenzen zivile Signale senden – vielleicht wird dies auch in Zukunft für die einfachen GPS-Geräte genutzt werden können.
GPS funktioniert erfreulicherweise bei jedem Wetter, auch bei starker Bewölkung. Nur starkes Schneetreiben kann Probleme bereiten. Unter einer Schneedecke oder unter Wasser ist kein Empfang möglich.
Die US-Regierung kann das GPS-System umgehend ausschalten oder auch die Signalqualität beeinflussen. So wurden die zivilen GPS-Signale ursprünglich in einer künstlich verschlechterten Qualität ausgesendet, welche die Genauigkeit auf etwa 100 Meter begrenzte, genannt »Selective Availability« (S/A). Am 2. Mai 2000 gab Präsident Clinton dann überraschend die Abschaltung der S/A bekannt, und erst damit erreichte GPS die für die Fahrzeugnavigation akzeptable Qualität von 10 bis 15 Metern Präzision. Grundsätzlich kann die amerikanische Regierung jederzeit die S/A wieder einschalten, und zwar auch regional (zum Beispiel über Krisenregionen). Da aber einerseits die zivilen GPS-Anwendungen immer stärkere Bedeutung erlangen und andererseits durch technische Verfahren wie DGPS dennoch hohe Genauigkeit erzielt werden kann, erscheint das Einschalten der S/A eher unwahrscheinlich. Auch durch den Einsatz von Störsendern – beispielsweise in Flugzeugen – kann der zivile Empfang von GPS-Signalen verhindert werden.
INFO
Genau das Gegenteil war übrigens im Zweiten Golfkrieg der Fall: Weil es den Amerikanern an militärischen GPS-Geräten fehlte, schalteten sie von Anfang 1990 bis zum 1.7.1991 die Selective Availability ab, um auch zusätzliche zivile GPS-Empfänger nutzen zu können.
Die Ungenauigkeit der GPS-Messungen von 10 bis 15 Metern addiert sich aus mehreren Fehlerquellen:
•Messung der Satellitenposition: 2,1 m
•Ungenauigkeit der Satellitenuhren: 2,1 m
•Einfluss der Ionosphäre: 4 m
•Einfluss der Troposphäre: 0,7 m
•Reflexionen (Multipath-Effekt): 1,4 m
•Empfängerungenauigkeit: 0,5 m
•Einfluss der Satellitenkonstellation: 5,0 m
Durch besondere technische Verfahren können einige dieser Fehlerquellen reduziert werden. Im Folgenden nur ein kurzer Blick auf die für die Outdoor-Navigation relevanten Verfahren.
Beim Differential-GPS werden zusätzliche Referenzstationen herangezogen, deren Position exakt bekannt ist.
Die deutschen Landesvermessungsämter unterhalten z. B. den SAPOS-Dienst, welcher in der Vermessung und auch in der Landwirtschaft eingesetzt wird. Die Korrekturdaten dieser Bodenstationen werden über Radiosignale oder einen Internetdienst (Ntrip) gesendet. Sie können allerdings nur von speziellen Empfängern ausgewertet werden – nicht von den üblichen Outdoor-GPS-Empfängern. Mit DGPS lassen sich Genauigkeiten von etwa 3 bis 5 Metern erreichen, mit speziellen Verfahren (Postprocessing) sogar weniger als ein Zentimeter.
UNSER TIPP
WAAS/EGNOS im GPS-Gerät abschalten (meist unter »Systemeinstellungen«), bis eine wirklich sichergestellte EGNOS-Korrektur empfangen werden kann.
GPS-Korrektursignale können auch von Satelliten gesendet werden, die nicht zum GPS-System gehören.
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), WAAS (Wide Area Augmentation System) und MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System, Japan) sind derartige Systeme für europäische, nordamerikanische und asiatische Regionen. Sie wurden insbesondere für die Flugsicherung entwickelt, weil sie die Funktionsfähigkeit jedes einzelnen GPS-Satelliten überwachen und einen Ausfall innerhalb von 6 Sekunden melden können. Der Oberbegriff für diese Systeme lautet SBAS (Satellite Based Augmentation Systems).
Im Unterschied zu den sich permanent bewegenden GPS-Satelliten sind SBAS-Satelliten, wie z. B. Artemis oder Inmarsat, geostationär, sie befinden sich also stets auf einer festen Position über dem Äquator, genau wie unsere Fernsehsatelliten. Im Zusammenspiel mit mehreren Bodenstationen werden Korrektursignale für das GPS-System berechnet, welche insbesondere den Ionosphärenfehler ausgleichen. Zudem senden sie nicht nur Korrektur-, sondern auch eigene Positionssignale, und zwar auf derselben Frequenz wie die GPS-Satelliten. Beide Werte können auch von den »EGNOS-/WAAS-fähigen« Outdoor-GPS-Geräten empfangen und verwertet werden, wodurch eine Positionsgenauigkeit von 3 bis 5 Metern erreicht werden kann.
Korrektursignale durch EGNOS-/WAAS-Satelliten verbessern die Positionsgenauigkeit, sind aber für den Outdoor-Gebrauch in unseren Breiten nur eingeschränkt nutzbar.
In der Outdoor-Praxis spielt EGNOS aber noch keine Rolle. Zudem stehen die speziellen Satelliten zu tief am Himmel und werden somit häufig durch Berge, Häuser etc. verdeckt. Ein weiterer Nachteil: EGNOS/WAAS-Signale können nicht im Batteriesparmodus empfangen werden. Der Empfang von WAAS-/EGNOS-Satelliten (diese haben Sat-IDs von 33 und höher) wird auf dem Display durch ein »D« in den Signalbalken angezeigt.
A-GPS-(Assisted-GPS-)Systeme liefern einem GPS-System zu Beginn der Positionsermittlung zusätzliche Signale, um unmittelbar nach dem Einschalten die Berechnung der ersten Position, den sogenannten »Time To First Fix« (TTFF) zu verkürzen. Sie werden vor allem im Mobilfunk eingesetzt, wo die GPS-Empfänger nicht immer aktiviert sind und somit insbesondere bei der Startphase eine längere Zeit benötigen, um aktuelle Satellitensignale empfangen und auswerten zu können. Das Mobiltelefon erhält über sein Mobilfunknetz und eine Internetverbindung von einem Server aktuelle Satellitendaten für seine Position (Echtzeit-A-GPS) oder diese werden im Gerät bis zum nächsten Empfang gespeichert (Predicted Orbits). Garmin nutzt diese Möglichkeit bei seinem HotFix(TM)-System. In jedem Fall kann die Ermittlung der ersten Position von mehr als einer Minute auf wenige Sekunden verkürzt werden (dies hängt selbstverständlich immer von den jeweiligen Empfangsbedingungen ab).
Das amerikanische GPS-System ist eines mehrerer Navigationssysteme, die allgemein als GNSS (Global Navigation Satellite System) bezeichnet werden und dazu dienen, weltweit Positionsdaten zur Verfügung zu stellen. Sämtliche Systeme funktionieren technisch nach ähnlichen Prinzipien.
Noch ist das amerikanische Global Positioning System das einzige weltweit nutzbare Satellitennavigationssystem. Aber die Mitbewerber sind schon in Sicht, denn andere Staaten wollen nicht nur aus militärischen, sondern zunehmend auch aus ökonomischen Gründen nicht auf das US-System angewiesen sein. Neben den nachfolgend genannten Systemen haben auch Chinesen (Beidou=Kompass) und Inder (IRNSS) mit dem Aufbau von Satellitennavigationssystemen begonnen.
So begannen die Russen schon 1972 mit der Entwicklung des Glonass(Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)-Systems, welches inzwischen mit 24 Satelliten weltweiten Empfang bieten soll. In den nächsten Jahren sollen weitere Satelliten einsatzbereit sein. Auch eine Kooperation mit dem europäischen Galileo-System wurde bereits vereinbart. In GPS-Geräten und Smartphones arbeiten schon kombinierte GPS/Glonass-Chips.
ANDERES GLONASS-SIGNAL
Zum Empfang von Glonass-Signalen benötigt man leider andere Empfänger, denn Glonass-Satelliten verwenden im Unterschied zu GPS immer denselben Code, aber jeweils unterschiedliche Frequenzen zur Kennung des einzelnen Satelliten. Bei Glonass ist ein S/A-ähnliches Verfahren zur Verschlechterung des Signals nicht bekannt.
Um in vielerlei Hinsicht nicht von den Amerikanern abhängig zu sein, beschloss die Europäische Union (EU) mit der europäischen Weltraumbehörde ESA den Aufbau eines eigenen Satellitensystems mit dem Namen Galileo. Zwar konnte der erste Satellit, Giove-A, schon am 28.12.2005 in den Orbit gebracht werden, doch wird das System erstmals voraussichtlich nicht vor 2020, in einer ersten Testphase allerdings schon früher, einsatzbereit sein. Im Unterschied zu GPS und Glonass soll es nicht militärisch kontrolliert werden. Staaten wie China, Indien, die Schweiz, Norwegen und Südkorea sind an Galileo beteiligt.
Das Galileo-System besteht aus 30 Satelliten (27 aktive und 3 Ersatzsatelliten), die in einer Höhe von 23 600 Kilometern in drei Bahnen permanent die Erde umkreisen. Das Galileo-Zentrum befindet sich in Prag, Kontrollzentren befinden sich im bayerischen Oberpfaffenhofen sowie in Fucino (Italien), ergänzt durch mehrere Kontrollstationen rund um den Globus.
Galileo funktioniert ähnlich wie GPS, ist aber deutlich leistungsfähiger. Während GPS nur zwei Dienste hat (einen zivilen und einen militärischen), werden bei Galileo insgesamt fünf Positions- und Nachrichtendienste bereitgestellt:
1)