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 GPS Grundlagen:

    Vortragsunterlage (pdf) des GPS-Workshops des HdS.

Einige Bilder stammen aus dem hervorragenden Buch von Jean-Marie Zogg: GPS und GNSS Grundlagen

Das Global Positioning System GPS ermöglicht es die eigene Position an einer beliebigen Stelle der Erde (oder in der Luft) schnell und genau zu bestimmen.
Die Genauigkeit im militärischen Bereich liegt im cm-Bereich. Im zivilen Bereich wurde die Genauigkeit bis Mai 2000 gezielt reduziert (bis zu 100m).
Heute ist im zivilen Bereich eine Genauigkeit bis zu wenigen Metern Abweichung möglich.
Neben der Position, also Längengrad und Breitengrad auf der Erdoberfläche, erhalten wir auch die Höhe und die Zeit, und durch Auswertung dieser Basisdaten den zurückgelegten Weg (Track), Geschwindigkeit, Kurs, Beschleunigung, Steigung, Abweichung von der geplanten Route, Richtung zum Ziel, ....

Was brauchen wir dafür: GPS-Gerät, PC, GPS-Software, Digitale Karten und know-how.
Der Rest ist schon da: Satelliten und Kontrollstationen auf der Erde.

 Entwicklungsgeschichte:

Derzeit sind 4 Satellitensysteme zur weltweiten Positionsbestimmung im Einsatz bzw. im Aufbau:

Die führende Rolle bei der Panung und Entwicklung spielte die USA.
Derzeit ist hauptsächlich das GPS-System der USA bei uns verbreitet, einige Meilensteine der Entwicklung:

 Funktionsprinzip:

Grundlagen01.jpg
Der GPS-Empfänger muß 4 unbekannte Daten ermitteln: Jeder Satellit übermittelt die eigenen Positionsdaten und den genauen Sendezeitpunkt.
Da wir 4 Unbekannte haben brauchen wir 4 Gleichungen, also die Verbindung zu mindestens 4 GPS-Satelliten, um die eigene Position zu bestimmen.
Aus der Signallaufzeit wird die Entfernung zu den Satelliten berechnet.
Die Uhrzeit muß äußerst genau sein, daher hat jeder Satellit 4 Atomuhren, welche durch Bodenkontrollstationen synchronisiert werden.
 
Grundlagen02.jpg
Die Position bezogen auf den Erdmittelpunkt wird durch das GPS-Gerät umgerechnet auf das WGS-84 Ellipsoid, welches die Erdoberfläche näherungsweise abbildet.
Im GPS-Gerät integrierte Geoid-Korrekturtabellen ermöglichen die genaue Berechnung der Höhe über dem Meeresspiegel. (Das Geoid weicht bis zu 100m vom WGS-84 Ellipsoid ab)
Wenn wir ein GPS-Gerät mit integrierten Karten haben wird die Karte an der entsprechenden Position angezeigt, wobei der Abbildungsmaßstab frei gewählt werden kann.
Wir sehen also auf wenige Meter genau wo wir uns gerade befinden!
Der zurückgelegte Weg (Track) wird gespeichert und als farbige Linie angezeigt.
Aus den gespeicherten Positionsdaten und der Uhrzeit können viele weitere Profile ermittelt werden, z.B. Höhe, Geschwindigkeit, Steigung, Kurs, ...
 
Grundlagen02.jpg
 

 GPS Einsatzbereiche:

Anfangs war GPS dem Militär, der Landesvermessung, der Luftfahrt, der Schiffahrt und vielleicht noch anderen Institutionen vorbehalten.
Heute ist der Einsatz von GPS auch unter Privatleuten weit verbreitet:

Wir beschränken uns hier auf die Betrachtung der Outdoor-Geräte von Garmin mit Kartendarstellung und entsprechendem Kartenmaterial.
Dies hat einen einfachen Grund: ich kenn nix anderes :-)

Concordia1.jpg


So kann es enden wenn leichtsinnigerweise von der GPS-Route abgewichen wird ....
 

 Outdoor-GPS Anzeigebeispiele:

Garmin60CSx_001.jpg Garmin60CSx_002.jpg Garmin60CSx_003.jpg Garmin60CSx_004.jpg Garmin60CSx_005.jpg Garmin60CSx_006.jpg Garmin60CSx_007.jpg Garmin60CSx_008.jpg Garmin60CSx_009.jpg Garmin60CSx_010.jpg Garmin60CSx_011.jpg Garmin60CSx_012.jpg Garmin60CSx_013.jpg Garmin60CSx_014.jpg Garmin60CSx_015.jpg
 Eine kleine Auswahl der GPS-Anzeigemodi, einfach die Beschreibung lesen und üben .... 
 Unterwegs zeigt man meistens die Karte an, und was man da sonst noch sehen bzw. planen kann. 

 Outdoor-GPS Grundfunktionalitäten:

Beispiel für einen Wegepunkt im .gpx Format:
  <wpt lat="46.7854925" lon="12.2555979">
    <ele>2493</ele>
    <time>2010-02-11T10:20:53.593Z</time>
    <name>Golfen 2493m</name>
    <cmt></cmt>
    <desc></desc>
    <sym>Navaid, Red</sym>
  </wpt>
Beispiel für zwei Trackpunkte im .gpx Format:
  <trkpt lat="46.7353900" lon="12.2256500">
    <ele>1253</ele>
    <time>2008-02-06T07:52:39.003Z</time>
  </trkpt>
  <trkpt lat="46.7354200" lon="12.2258100">
    <ele>1253</ele>
    <time>2008-02-06T07:52:46.001Z</time>
  </trkpt>
Wir vertiefen die Routen nicht weiter sondern beschränken uns auf Tracks und Wegepunkte.
Hinweis: In einem Auto-Navigationsgerät wird normalerweise nur mit Routen gearbeitet.

 Outdoor GPS-Geräte von Garmin:

Hinweis: Ich habe bisher nur mit diesen gearbeitet, das soll keine Abwertung für andere Geräte bzw. Hersteller sein.
Outdoor-GPS-Geräte sind sehr robust und haben einen sehr empfindlichen GPS-Empfänger.
Teilweise ist in den Geräten auch ein Kompass und ein barometrischer Höhenmesser enthalten.
Brauchbar sind m.E. nur Geräte mit Kartendarstellung, man braucht dann aber die passenden Karten dazu.
Ich will hier kein Gerät empfehlen, es gibt ja immer wieder Mal was neues, einfach direkt bei Garmin schauen:
Garmin Outdoorgeräte
Radfahrer sollten noch an einen passenden Lenkerhalter denken, einen Tipp dazu gibts hier:
GPS-Lenkerhalter
Es gibt hier keine Bedienungsanleitung, die wird mit jedem Gerät mitgeliefert und jeder muß sich selbst mit seinem Gerät vertraut machen:
1 ⇒ üben, 2 ⇒ üben, 3 ⇒ üben :-)

 Karten für GPS-Geräte von Garmin:

Hinweis: Ich habe bisher nur mit diesen gearbeitet, das soll keine Abwertung für andere Geräte bzw. Hersteller sein.
Als Karten für GPS-Geräte von Garmin gab es anfangs nur proprietäre Karten von Garmin. Wegen des zugehörigen PC-Programmes wurden diese auch "Mapsource-Karten" genannt.
Diese waren routingfähige Vektor-Karten, kamen aber vom Detailreichtum her nicht an gute Topo-Karten im Rasterformat heran.
Als neuere GPS-Geräte durch integrierte Micro-SD-Speicherkarten viel Speicher für die ladbaren Karten hatten, brachte Garmin auch Topo-Karten heraus, die durchaus mit den TOP-50-Karten mithalten konnten. Problem war aber für viele Garmin-Kunden der relativ hohe Preis der Karten.
Das Mapsource-Kartenformat wurde "gehackt", oder netter ausgedrückt, "re-engineered", und auch praktisch alle Garmin-Karten gabs im Internet als illegale, gehackte Kopien zum Runterladen.
Bald gabs auch diverse Software-Produkte, die es ermöglichten, eigene Garmin-kompatible Karten zu erzeugen:

Daher gibt es mittlerweile viele Garmin-kompatible Karten aus diversen Quellen, meistens kostenfrei, aber auch kostenpflichtig.
Aktuelle Garmin-Geräte können teilweise auch kalibrierte Rasterkarten anzeigen. Wir haben also folgende Wahl: Die Beschreibung der Vektor- bzw. Rasterkarten erfolgt unter Tipps & Tricks » GPS & digitale Landkarten » Digitale Landkarten
Besonders erwähnen möchte ich die Garmin-kompatiblen Karten des OSM-Pojektes, die sind kostenfrei und hervorragend, vor Allem bei uns im Alpenraum.
Von den OSM-Karten gibt es diverse spezialisierte Ausgaben. Für mich als Bergsteiger und Radfahrer ist die OpenMTBmap besonders interessant.

Resumée:
Als Karte für mein GPS-Gerät nutze ich bis auf wenige Ausnahmen nur mehr die OpenMTBMap.
Nur für Länder, welche früher durch die Open Street Map noch unzureichend abgedeckt waren, verwendete ich evtl. kommerzielle Garmin Karten.
Auch Rasterkarten konnten früher trotz aller Nachteile in Frage kommen, z.B. die DAV-Karte, solange diese besser als die OSM-Karten waren.

 Software für Garmin-Karten auf dem PC:

Das oben erwähnte Programm Mapsource wird mittlermeile von Garmin nicht mehr gepflegt.
Nun gibt es von Garmin die kostenlos zum Download angebotene Software Basecamp.
Ein recht gutes eBook (pdf) zu Basecamp gibt es ebenfalls kostenlos.
Basecamp bietet im Wesentlichen alle Funktionen die man für Garmin-Karten am PC braucht:

Vorteil dieser Karten ist, daß man auf dem PC und im GPS-Gerät identische Karten hat.

 Software für Raster-Karten auf dem PC:

Man kann auch mit den diversen Rasterkarten auf dem PC arbeiten, Wegepunkte bzw. Tracks planen, und diese auf das GPS-Gerät übertragen, Beispiele:

Diese Karten werden auf CD/DVD geliefert, sind in einem proprietären Datenformat und können normalerweise nur mit dem mitgelieferten Viewer betrachtet werden.
Einzelne Kacheln von Rasterkarten kann man auch exportieren und in moderne GPS Geräte laden.
Man kann Touren mit der Maus planen und als Overlay (Linie) über der Karte anzeigen.
Die Touren kann man auch auf dem PC speichern und weitergeben oder auf ein GPS Gerät übertragen, manchmal erst nach Konvertierung des Formates.
Es gibt auch unabhängige kommerzielle Mapping-Software, die teilweise mit den Kartenanbietern Verträge geschlossen haben, um deren Formate lesen zu können, Beispiele: Diese Programme können auch mit selbst gescannten Papier-Karten umgehen, wird aber heute kaum mehr verwendet.

 Karten im WWW:

Karten im WWW können in jedem Browser betrachtet werden, es stehen diverse Tourenplanungs-Funktionen zur Verfügung.
Es gibt auch diverse Portale im WWW, wo man Routen planen, suchen, hoch- und runterladen kann, Beispiele:


 Outdoor GPS Einsatzscenarien:

 Ich will es genauer wissen!

Bitte schön: Grundlagen der Ortung und Navigation mit Satelliten

Anmerkungen an Peter