GPS-Beschreibung

Was ist GPS? 
Das globale Positionsbestimmungssystem (GPS) ist ein Navigationssystem des Weltraumzeitalters, das Ihre Position überall auf der Welt, normalerweise innerhalb einiger Yards oder Meter festlegen kann. Diese erstaunliche Technologie ist für jedermann, überall, Tag und Nacht und Bestes von allen, es entstehen keine Kosten für die Nutzung von Navigationsdaten. GPS benutzt eine Konstellation von 24 Satelliten in exakten Bahnen, ungefähr 11.000 Meilen über der Erde. Die Satelliten übertragen Daten über Hochfrequenzradiowellen zurück zur Erde und, durch Einloggen auf diese Signale, kann ein GPS-Empfänger diese Daten verarbeiten und weltweit die exakte Position anzeigen.

GPS funktioniert 24 Stunden am Tag, unter allen Wetterbedingungen und kann für exakte Navigation weltweit auf dem Land, auf dem Wasser und sogar in der Luft genutzt werden. Einige der vielen Bereiche in denen GPS angewandt werden können sind u. a.: Boot fahren, fischen, jagen, Erkundungen über Land oder von der Luft aus, wandern, campen, Rad fahren, Rafting, Heißluftballonflüge, allgemeine Luftfahrt, Snowmobiling und Ski fahren. Des Weiteren ist GPS nützlich für Such- und Rettungsmannschaften, Krankenwagen, aber auch für ganz normale Fahrzeuge, also überall dort, wo die genaue Positionierung erforderlich ist.

Wie bestimmt GPS Ihre Position
GPS benutzt den Satelliten, der sich in der Laufbahn Ihrer Position erstreckt. Das heißt, das GPS-Gerät misst die Laufzeit der Signale, die von den Satelliten übertragen werden, dann multipliziert es diese mit der Lichtgeschwindigkeit, um genau festzustellen, wie weit entfernt sich das Gerät von jedem Satelliten, den es abtastet, befindet.

Durch das Erfassen von mindestens drei verschiedenen Satelliten, kann ein GPS-Empfänger 2D (zweidimensionale) Positionsdaten, die aus Längen- und Breitengrad bestehen, berechnen. Wenn es einen vierten Satelliten erfasst, kann der GPS-Empfänger dreidimensionale Positionsdaten, bestehend aus Ihrer Höhe sowie Ihrer Längen- und Breitengradposition, berechnen.

Um dies tun zu können, nutzt Lowrance bei allen seinen derzeitigen Modellen, 12-Parallel-Kanal-Empfänger. Drei der Kanäle erfassen Satelliten für die Triangulation. Ein weiterer Kanal erfasst einen vierten Satelliten für 3D-Navigation, die es dem Gerät ermöglicht die Höhe zusätzlich zum Längen- und Breitengrad zu berechnen. Diese vier Kanäle verfolgen kontinuierlich und gleichzeitig die vier Satelliten in der bestmöglichen geometrischen Position relativ zu Ihrem Schiff. Die zusätzlichen acht Kanäle verfolgen alle sichtbaren Satelliten und fügen diese Daten den Daten der vier originalen Satelliten hinzu. Das Gerät überarbeitet dann die Lösung, und zeigt die genaue0, überarbeitete Position an. Die zusätzlichen Kanäle sorgen zusätzlich auch zuverlässige, kontinuierliche und ununterbrochene Navigation, sogar unter ungünstigen Bedingungen, wie Täler oder dichte Wälder sie darstellen.

GPS-Genauigkeit
GPS wurde in den 1970er Jahren entwickelt, und wird durch das US- Verteidigungsministerium kontrolliert. Obwohl GPS zunächst für den militärischen Gebrauch entwickelt wurde, realisierte die Regierung bald, dass GPS auf für zahlreiche Zivilanwendungen nützlich sein könnte. Später erstellte das Verteidigungsministerium (DOD) zwei Übertragungscodes; den P-Code (Genauigkeitscode) für militärische Nutzung, und den C/A-Code für Zivilnutzung.

Die höchsten Genauigkeitsniveaus waren für das Militär bestimmt, um feindliche Angriffe gegen die Vereinigten Staaten zu verhindern. Jedoch, sobald in Betrieb, erwiesen sich die zivilen GPS-Empfänger, die den C/A-Code benutzen, genauer, als das DOD bestimmt hatte.

Folglich entwickelte das Militär ein System, um die Genauigkeit der Signale wahllos zu degradieren, die an zivile GPS-Empfänger übersandt wurden. Diese absichtliche Verminderung der Genauigkeit wird „Selective Availability“ oder S/A genannt. Das reduzierte das GPS-Genauigkeitsniveau ziviler Geräte zu 95% auf 100 Meter oder weniger.  Die geschätzte durchschnittliche Genauigkeit für die meisten Benutzer liegt jedoch zwischen 20 und 50 Metern. Sie können die Auswirkungen von S/A auf einem GPS-Empfänger leicht sehen, als Sie sich nicht bewegen.

Gewöhnlich würde es zufällige Bewegungen in Geschwindigkeit, Höhe und Positionsanzeige, zusammen mit langsamer „Positionswanderung“ auf dem Plotter geben. Dies war leicht zu sehen, wenn Sie sich innerhalb eines 0,1 oder 0,2 Meilen-Vergrößerungsbereich befanden und keine Bewegung stattfand. So konnten Sie z. B. während sich Ihr Schiff im Dock befunden hat, unerklärliche Änderungen in Ihrer digitalen Geschwindigkeitsanzeige, bis zu einigen Meilen pro Stunde, sehen, obwohl sich das Schiff gar nicht bewegt hat.

Plotten der Positionsgenauigkeit unter Verwendung eines Standard-Lowrance-GPS- Empfängers (stationär). Sehen Sie die Unterschiede bezüglich der Skala. Ein 5,5-Stunden-Zeitraum vor Absperrung durch Selektive Verfügbarkeit, 8-Stunden-Zeitraum sofort nach Absperren durch Selektive Verfügbarkeit, Längengrad Meter | Längengrad Meter

Am 2. Mai 2000 wurde die Selektive Verfügbarkeit (S/A) abgeschafft. Das U.S.-Verteidigungsministerium hat jetzt die Technologie, um GPS-Signale  in bestimmten Bereichen zu verweigern. Es geschieht nicht häufig, dass Elektronikprodukte nach dem Kauf an Wert zunehmen. Jetzt können Bootsfahrer, Flieger, LKW-Fahrer, Wanderer, Jäger und Outdoor-Enthusiasten aller Art ihre Position bis zu 10mal genauer lokalisieren (innerhalb 10 bis 20 Meter), und auf diese Weise durch nicht vertrautes Gebiet navigieren. Angler können direkt zu ihrem Lieblingspunkt auf einem See oder einem Fluss zurückkehren, und nicht nur in das Gebiet. Ein Lowrance GPS-Empfänger in Verbindung mit neuester GPS-Management-Technologie, bringt Sie überall dorthin, wohin Sie gehen möchten.

Die Entscheidung, Zivilisten so viel Genauigkeit in den Positionsinformationen zu ermöglichen wurde schließlich getroffen, weil GPS fortwährend eine wichtigere Rolle in im Leben der Menschen in der ganzen Welt spielt – es wird zum internationalen Werkzeug. GPS ist globaler Standard in der Navigation, weil es der Öffentlichkeit vollständig kostenlos zur Verfügung steht.

Differential GPS (DGPS)
Differential GPS, oder DGPS wurde entwickelt, um die GPS-Genauigkeit auf einige Meter zu verbessern. DGPS wurde ursprünglich für die US-Küstenwache entwickelt, um der Genauigkeitsverminderung zu widersprechen, die durch Selektive Verfügbarkeit verursacht wurde. Sogar mit der jetzt beseitigten S/A, fährt DGPS fort, ein Schlüsselwerkzeug für in hohem Grade exakte Navigation auf Land und Meer zu sein. DGPS-Technologie fügt den anderen GPS-Bestandteilen einen landgestützten Bezugsempfänger - gelegen an einem genau überblickbaren Aufstellungsort – zu.

Diese nicht in Bewegung stehende DGPS Bezugsstation weiß, wo sich die Satelliten im Raum an jedem möglichem gegebenen Moment befinden, sowie seine eigene genaue Position. Dieses lässt die Station theoretische Abstands- und Signalspielraumzeiten zwischen sich und jedem Satelliten berechnen. Wenn jene theoretischen Messungen mit tatsächlichen Satelliten-Übertragungen verglichen werden, dann stellen mögliche Differenzen eine Störung des Satellitensignals dar. Alles, was die DGPS- Referenzstation tun muss ist, die Störfaktoren an Ihren DGPS- Empfänger zu übermitteln, der die Informationen zum GPS-Empfänger gibt, so dass dieser die Daten verwenden kann, um seine eigenen Messungen und Berechnungen zu korrigieren. Die zwei gebräuchlichsten Datenquellen für Korrektive-DGPS-Signale sind zur Zeit: (1) Küstenwache, landgestützte Leuchtfeuerübermittler, die der Öffentlichkeit Daten ohne Gebühr übertragen, und alle Küstengebiete und den größten Teil der U.S.A. abdecken; und (2) UKW-Übertragungen privater Anbieter, die sowohl für den Küsten- als auch für den Inlandsbereich zahlenden Teilnehmern zur Verfügung gestellt werden.

Um DGPS-Korrekturdaten von den Küstenwachen-Funkbaken zu empfangen, muss ein tragbares GPS-Gerät mit einem separaten Funkbaken-Empfänger ausgerüstet sein. Um kostenpflichtige DGPS-Daten per UKW-Übertragung zu empfangen, muss das GPS-Gerät mit einem separaten UKW-Empfänger, normalerweise von der Größe von eines Pagers, ausgestattet sein. Natürlich muss Ihr GPS-Gerät in der Lage sein, DGPS-Daten zu empfangen und zu verarbeiten.

Wide Area Augmentation System (WAAS)
Für die Routennavigation ist GPS ist ausreichend, aber die US-Bundesverwaltung für Luftfahrt benötigt darüber hinaus für die Flugzeug-Verkehrssteuerung ein System, das über die grundlegenden Leistungen des GPS hinausgeht. Das FAA steigert die GPS-Leistung noch mehr mit seinem Wide Area Augmentation System, WAAS. Dieser GPS-Zusatz umfasst ein Zeitsteuerelement, das Verkehrsflugzeugen hilft, näher zusammen zu fliegen bei der Vermeidung von Zusammenstößen. Zusätzlich hierzu, macht WAAS automatische Landungen und Starts noch genauer, und ersetzt bereits vorhandene Luftfahrts-Navigationsanlagen.

Nicht-Flieger können WAAS-Signale nutzen, um eine noch genauere GPS-Navigation durchzuführen. Aber auch WAAS hat Grenzen, die Sie kennen sollten.

Erstens, die U.S.-Regierung hat die Entwicklung des WAAS-Systems noch nicht abgeschlossen, so dass WAAS noch nicht vollständig funktionsfähig ist. Die Bodenstationen sind alle vorhanden, aber es sind erst einige von vielen notwendigen WAAS-Satelliten in Betrieb.

WAAS kann die Genauigkeit der GPS-Navigation an Land noch verstärken, aber das System wurde für die Luftfahrt entwickelt. Die Satelliten befinden sich in einem festen Orbit um den Äquator, so dass sie für jemanden in den U.S.A. sehr niedrig am Himmel erscheinen. Flugzeug und Schiffe auf See erhalten durchweg einen guten WAAS-Empfang, aber bestimmtes Terrain oder sogar große künstliche Strukturen blockieren das WAAS-Signal für Nutzer am Boden.

Sie werden feststellen, dass die Nutzung Ihres GPS-Empfängers ohne WAAS einfach und erstaunlich genau ist. Es ist einfach genaueste Methode der elektronischen Navigation, die heutzutage der Öffentlichkeit zur Verfügung steht. Vergessen Sie jedoch nie, dass dieser Empfänger nur ein Werkzeug ist, und keine herkömmlichen Seekarten und Kompasse ersetzt.

GPS-Navigation 101 Power
Um Ihr Lowrance GPS-Gerät einzuschalten, drücken Sie die PWR-Taste. Lesen Sie die Mitteilung, die auf dem Bildschirm erscheint, und drücken Sie die dann die EXIT-Taste, um diese zu löschen. Ihr Lowrance GPS-Gerät ist nun betriebsbereit. Um Ihr Lowrance GPS-Gerät auszuschalten, halten Sie die PWR-Taste für drei Sekunden gedrückt. Ein Countdown bis zum Ausschalten erscheint nun im Display.

Initialisierung eines neuen GPS-Empfängers
Wenn Ihr Gerät zum ersten Mal eingeschalten wird, weiß es nicht, wo es sich befindet, noch kennt es das Datum und die Zeit. Einen GPS-Empfänger zu initialisieren bedeutet im Allgemeinen dem GPS-Empfänger zu erklären wo er ist, welches das aktuelle Datum und die genaue Zeit ist. Dies sorgt dafür, dass der GPS-Empfänger weiß, welche Satelliten sich oberhalb seiner Position befinden sollten, also kann es damit beginnen, nach ihnen zu suchen und sie dann zu erfassen. Wenn ein neuer GPS-Empfänger zum ersten Mal eingeschaltet wird, selbst wenn er nicht initialisiert ist, kann er seine Position nach einigen Minuten bestimmen. Er wird jedoch eine viel schnellere Satellitenerfassung erzielen, wenn er initialisiert ist.

Um mit Satelliten Verbindung aufzunehmen, muss ein GPS-Empfänger zunächst finden. Wenn Sie den GPS-Empfänger lediglich einschalten und warten, dann kann es mehr als zwei Minuten dauern, bis er die geeigneten Satelliten findet und mit ihnen Verbindung aufnimmt. Dies wird auch als Kaltstart bezeichnet. Wenn der GPS-Empfänger im Gegensatz hierzu vom Benutzer initialisiert wurde, dann braucht der GPS-Empfänger nur ein paar Sekunden, um mit den Satelliten Verbindung aufzunehmen. Der GPS-Empfänger sollte während der Initialisierung „freie Sicht nach oben“ haben.

Eine erfolgreiche Initialisierung setzt voraus, dass Sie dem GPS-Emfpänger 3 Arten von Informationen zur Verfügung stellen:

1.       Ihre ungefähre Position in Längen- und Breitengrad;

2.       Ihre ungefähre Höhe: und

3.       Die aktuelle Ortszeit und das Datum. Normalerweise ist eine Initialisierung nur einmal notwendig, vorausgesetzt, das nächste Mal, wenn der GPS-Empfänger eingeschaltet wird, beträgt die Entfernung zum letzten Ausschalten weniger als 300 Meilen. Unabhängig davon, welche Einschaltmethode gewählt wurde, ob Initialisierung oder Kaltstart, sobald der GPS-Empfänger einmal eine Satellitenverbindung erzielt hat, ist er für gewöhnlich nach dem nächsten Einschalten sehr viel schneller im Aufspüren von Satelliten, häufig benötigt er nur Sekunden.

Die Satelliten-Informationsanzeige
Eine vereinfachte Anzeige zeigt diese Satelliteninformationen in einem grafischen Format an (siehe Bildschirmanzeige). Für jeden der 12 Kanäle wird eine SAT-Zahl (Satellitenzahl) zusammen mit einem Balkendiagramm gezeigt, welches die relative Stärke des Signals zeigt. Eine kreisförmige Overhead-Ansicht der Satellitenposition im Himmel befindet sich über diesen Informationen. Die Mitte des Kreises entspricht einer direkt obenliegenden Satellitenposition. Die Ränder des Kreises befinden sich am Horizont. Die Oberseite des Kreises ist Nord. Wenn die Satellitenzahl hervorgehoben wird, wird dieser Satellit erfasst, und Daten werden von ihm gemessen. Die Anzeige zeigt auch den EPE (ungefährer Positionsfehler) in Fuß oder Meter an. Dies erscheint  in der oberen rechten Ecke des Schirmes, sobald eine Verbindung zum Satelliten vorhanden ist. Hierbei handelt es sich um eine  Schätzung der Genauigkeit Ihrer Position. Es hängt von der Geometrie der Position der erfassten Satelliten, und von anderen Faktoren ab.

Der senkrechte Strich auf dem unteren Bildschirmrand zeigt den Batteriestatus an (nur bei tragbaren Geräten).

Speichern von Wegpunkten im Datenspeicher
Ein Wegpunkt ist eine Position, die Sie speichern und zu der Die später zurückkommen möchten. GPS-Empfänger bieten gewöhnlich zwei Methoden an, um Wegpunkte im Datenspeicher zu speichern: 1. Die Schnellsicherungsmethode, die entweder die Koordinaten von Ihrer derzeitigen Position verwendet, oder die von der Cursor-Position im Plotter-Modus. Bei dieser Methode wird der Wegpunkt automatisch mit der nächsten, aus einer Liste verfügbaren, Nummer bezeichnet. 2. Das Sicht- & Sicherungsmethode. Hier können Sie die spezifische Wegpunktnummer, unter der Sie den neuen Wegpunkt speichern möchten, auswählen. Sie können dem Wegpunkt auch auf die gleiche Art und Weise statt einer Nummer einen Namen geben.

Mit Hilfe von GPS einen Wegpunkt ansteuern
Es gibt drei grundlegende Methoden, die Sie anwenden können, um zu einem Wegpunkt zu steuern: 1. Wenn der Wegpunkt sich der Wegpunkt bereits im Datenspeicher befindet, so kann dieser aufgerufen, und das Gerät angewiesen werden, zu diesem Wegpunkt zu steuern. 2. Wenn der Wegpunkt über eine Karte oder auf irgendeine andere Art und Weise festgelegt wird, dann kann der Wegpunkt über die Tastatur des Gerätes eingegeben und angesteuert werden. 3. Auf dem Plotter kann der Cursor benutzt werden, um die Position eines Wegpunktes festzulegen, anschließend wird das Gerät angewiesen, zu dieser Cursor-Position zu steuern. Bei allen drei Techniken handelt es sich um einfach zu verstehende Bildschirmmenüs, die den Benutzer Schritt für Schritt anleiten.

Gradlinige Navigation
GPS-Geräte nutzen etwas, was „gradlinige Navigation“ genannt wird.  Die Geräte „zeichnen“ eine gerade Linie von Ihrer derzeitigen Position zum Zielwegpunkt, wenn Sie den Befehl erhalten, einen Wegpunkt anzusteuern. Die gerade Linie stellt die kürzeste und direkteste Route zum Wegpunkt dar.

Ein sehr wichtiger Aspekt bzgl. „gradliniger Navigation“ muss noch erwähnt werden: Sie berücksichtigt keine Hindernisse auf dem (auf dem Land, in der Luft oder im Wasser). Infolgedessen kann es in einigen Situationen notwendig sein, Zwischenwegpunkte zu setzen, die den Kurs ändern, um Hindernisse zu umfahren. Diese zusätzlichen Minisegmente auf der Reise, werden als gerade Wege dargestellt. Neue GPS-Benutzer sollten gewarnt werden, diese Betrachtungen ernst zu nehmen und sich nie, auf nur ein einziges  Navigationshilfsmittel zu verlassen.

Mit Hilfe einer Route ein Hindernis umfahren
Da GPS-Produkte geradlinige Navigation benutzen, ist es notwendig, einen Zwischenwegpunkt an jedem Ort zu setzen, an dem eine Wende vorgenommen werden muss, um ein Hindernis wie eine Klippe zu umsteuern. Indem Sie jede dieser Zwischenwegpunkte in einer Kette anschließen, bilden Sie eine " Route". Dieses ermöglicht es Ihnen automatisch eine Kette von Wegpunkten abzufahren, ohne manuell einen weiteren Zwischenwegpunkt eingeben zu müssen. Einmal programmiert in ein GPS-Gerät, ermöglicht eine Route die Option über die Wegpunkte voran zu navigieren, oder in umgekehrter Richtung.

Plott-Spuren nutzen, um den Weg zurück zu finden
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Lowrance GPS ist die Fähigkeit Plott-Spuren anzuzeigen, zu speichern und anzusteuern. Dieses ist die Eigenschaft, die Ihnen erlaubt, Ihre Schritte zu zurückverfolgen oder eine Reise zu einem späteren Zeitpunkt zu wiederholen, und sie ist besonders nützlich bei der Steuerung in unwegsamem Gelände. Eine Plott-Spur ist eine Linie, die auf den Schirm grafisch dargestellt oder gezeichnet wird, und so den Weg verfolgt, den Sie steuern, von Ihrem Ausgangspunkt bis zu Ihrer aktuellen Position.

Eine Plott-Spur erscheint auf Ihrem GPS-Display als eine Linie, die einmal pro Sekunde aufblinkt. Ihr GPS plottet eine Spur mit Hilfe eines Positionsmarkers, der alle drei Sekunden Ihrer Reise einen Punkt setzt. (Dieses kann von einem Punkt pro Sekunde auf einen Punkt pro 30 Minuten justiert werden, oder Sie können Ihre Spur durch Abstand anstelle von der Zeit aktualisieren.) Mit Menübefehlen können Sie eine Spur speichern, zurückrufen und steuern (vorwärts oder rückwärts), wie bei einer Route. Navigations-Steuerinformationen werden entweder in einer Kompassrosenanzeige (mit einem Pfeil, der die richtige Richtung anzeigt), oder als gepunktete Linie auf der Karte im Display des Gerätes angezeigt. Oder, Sie können die Navigationsbefehle überspringen und Ihren Weg einfach mit Hilfe der aufblinkenden Plott-Spur im Karten-Display zurückverfolgen.

 

GPS NMEA-Interface mit anderen elektronischen Geräten
NMEA ist die Abkürzung für National Marine Electronics Association, die Gruppe, die die Datenprotokoll- und -verdrahtungsstandards für die Marineelektronikindustrie herstellt. Wie bereits erwähnt, können einige GPS-Geräte DGPS-Daten von Funkbaken und über FM-Empfänger empfangen. GPS-Empfänger müssen auch in der Lage sein, die Standard-positionierungs- und Navigationsinformationen zu einer Vielzahl von Empfangs-Geräten wie Karten-Instrumenten, Autopiloten, etc. zu schicken. Die meisten Qualitäts-GPS-Geräte ermöglichen es ihrem Benutzer, zwischen zwei verschiedenen NMEA-Datenprotokollen auszuwählen, die Datenausgangssätze übertragen. Das erste Protokoll ist NMEA 0180, das ausschließlich für das Senden von Steuerinformationen, hauptsächlich für Autopiloten im Marinebereich, genutzt wird. Das zweite Protokoll, NMEA 0183, sendet Breiten-/Längengradposition, Steuerung, Geschwindigkeit und andere Navigationsdaten. Abhängig von dem spezifischen GPS-Gerät sind diese NMEA Protokolle in Codeversionen 1.5 und/oder 2.0