Satellitengestütztes Navigieren

Alternative zu Karte und Kompass

Um seinen eigenen Standort zu bestimmen braucht man einen Kompass und eine Karte. Im Gebirge kann ein Höhenmesser auch noch hilfreich sein. Diese auch heute noch hilfreichen Werkzeuge zur Positionsbestimmung werden immer mehr durch elektronische Hilfsmittel ersetzt, allen voran Navigationssatellitensystemen, fälschlicherweise als GPS (Global Positioning System) bezeichnet.

"GPS" ist ein satellitengestütztes Navigationssystem des US-Militärs und heißt vollständig "Navigational Satellite Timing and Ranging - Global Positioning System" (NAVSTAR-GPS). Daher leitet sich der Kurzname GPS ab, der sich im Sprachgebrauch etabliert hat. Das Verteidigungsministerium der USA (Department of Defense, DoD) ist der Betreiber von "GPS" und hat es hauptsächlich für militärische Zwecke vorgesehen. Im Mai 2000 wurde es für die zivile Nutzung frei gegeben. Neben diesem von den USA betriebenen System gibt es weltweit noch drei weitere, insbesondere das satellitengestütztes Navigationssystem der EU namens Galileo.

 

Galileo, das erste zivile Satelliten-Navigationssystem

Vorteile von Navigationssatellitensystemen

Jeder von uns ist schon einmal vor einer dichten Nebelwand gestanden und wusste nicht weiter. Oder man hat den Weg vor lauter Bäumen nicht mehr gefunden. Hier spielt das satellitengestützte Navigationssystem seine Vorteile aus. Der gewünschte Kartenausschnitt kann heute binnen Sekunden und in wesentlicher höherer Detailgenauigkeit aufs eigene Gerät geladen werden. Im Winter sind Karten mit visualisierter Hangneigung hilfreich, um lawinengefährdete Bereiche besser einschätzen zu können.

Mit Hilfe von Satelliten lässt sich die eigene Position auf wenige Meter genau bestimmen. Auch der zurück gelegte Weg kann aufgezeichnet werden (sog. Tracking), oder man folgt einer vorher festgelegten Spur (Route). Sind mindestens vier Satellitensignale verfügbar, lässt sich auch die Höhe bestimmen. 

Nachteile der Empfangsgeräte

Um fernab von Internetverbindung und Mobilfunknetz den richtigen Kartenausschnitt zur Hand zu haben, sollte die Karte tunlichst noch vor der Tour auf das Gerät geladen werden, sonst sieht man nichts als eine weiße Fläche. Ein weiterer großer Nachteil ist der Strombedarf. Bei eisigen Temperaturen geht die Leistung der Akkus rasend schnell in die Knie.

Ist man in tiefen Schluchten oder dichtem Wald unterwegs, kann es passieren, dass keine Verbindung zu Satelliten gefunden wird und man ohne Orientierung dasteht. Mittlerweile gibt es aber nützliches Zubehör, um auch in solchen Situationen sicher nach Hause zu finden. Der ÖTK-Alpinshop hat einige sinnvolle Erweiterungen getestet und stellt sie hier vor.

 

Navigationszubehör

Funktionsweise der Signalübertragung

Nichts als Rauschen

Stell dir vor, du hast ein Radio oder Funkgerät und schaltest es ein. Als erstes wirst du nichts als Rauschen hören. Du schaltest die Kanäle durch und plötzlich kannst du ein schwaches Signal hören und ein Stimmengewirr. Du versuchst die Sprache zu identifizieren und aus den bruchstückhaften Wörtern einen Satz zu bilden. Schließlich gelingt es dir, aus dem Rauschen etwas Verständliches herauszufiltern und zu übersetzen. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet ein Empfangsgerät, das Satellitensignale dekodiert - natürlich stark vereinfacht ausgedrückt.

Wie hoch ist die Umlaufbahn der Navigationssatelliten?

Die Bahnhöhe beträgt etwa 20.200 km mit einer Inklination von 55°. Die Satelliten umkreisen die Erde mit über 14.000 km/h und benötigen dafür 11 Stunden 58 Minuten. Das bedeutet, dass der Satellit jeden Tag etwa 4 Minuten früher über derselben Position auf der Erde schwebt. Die Anzahl und Anordnung der Satelliten gewährleistet, dass immer mindestens vier Satelliten überall auf der Welt zu jeder Zeit empfangen werden können. Je weiter man sich allerdings den Polen nähert, desto weiter am Horizont befinden sich die Satelliten.

Wie kommen die Signale auf die Erde?

Zur Bestimmung deiner Position im Raum, also der Länge, Breite und Höhe, muss der GPS-Empfänger die Signale von mind. vier Satelliten empfangen können. Die Genauigkeit hängt in hohem Maße von den von den Satelliten ausgesendeten Signalen ab. Um die Datensignale zu transportieren wird zunächst eine geeignete Trägerfrequenz benötigt, welche nicht durch Wetterphänomene (Wolken, Regen, Schnee usw.) gestört wird.

Pseudozufallscode, das Kennzeichen der Satelliten

Mit Hilfe des Pseudozufallsrauschens (PRN) werden Satelliten identifiziert. Wie jedes Auto hat auch jeder Satellit ein eigenes Kennzeichen, die PRN-Nummer oder auch GOLD-Code (nach deren Erfinder) benannt. Das Signal wird parallel auf zwei Trägerfrequenzen (L1 und L2) gesendet. Auf der Erde kommt nur noch ein Signal an, das im Rauschen untergeht. Das Empfangsgerät versucht im Rauschen ein bestimmtes Codemuster zu erkennen. Daraus demoduliert es eine Folge von Nullen und Einsen. Nur wenn das Nummerierungsschema bekannt ist, kann der Zufallscode (PRN-Nummer) aus dem Hintergrundrauschen herausgefiltert und der Satellit identifiziert werden.

Kalt-Start: 12,5 Minuten bis zur ersten Positionsbestimmung

Beim erstmaligen Einschalten des Geräts sind keine Satellitendaten im Speicher bzw. diese womöglich veraltet. Deshalb wird zunächst die Frequenz breitbandig abgehört, sprich der Empfänger sucht "blind" nach verfügbaren Satelliten, ähnlich deinem Verhalten, wenn du das erste Mal ein Radio einschaltest. Es müssen zunächst die Daten aller empfangbaren Satelliten abgefragt werden. Die vollständige Übertragung dauert 12,5 Minuten; so lange dauert es also bis zur ersten Positionsbestimmung. Das gleiche Verhalten zeigen Empfänger, die längere Zeit (Wochen) ausgeschaltet waren, ohne Batterie gelagert wurden oder mehr als etwa 300 km seit dem letzten Positionsfix bewegt wurden. 

Hot-Start: ca. 15 Sekunden

Von einem Heissstart (Hot Start) spricht man, wenn die Uhrzeit bekannt ist und die Satelliten-Daten aktuell sind. Dieser Fall tritt ein, wenn das Gerät innerhalb der letzten 2-6 Stunden am etwa gleichen Ort eine Positionsbestimmung durchgeführt hat. Dabei dauert es etwa 15 Sekunden, bis die Daten aktualisiert und eine Positionsbestimmung (engl. position fix) verfügbar ist.

Warm-Start: ca. 45 Sekunden

Wenn das Empfangsgerät die letzte Position, die Satellitendaten und die Uhrzeit gespeichert hat, aber die Ephemeriden (Positionswerte von Planeten) veraltet sind, spricht man von einem Warmstart (Warm Start). Die Aktualisierung der Ephemeridendaten dauert etwa 45 Sekunden bis einen Positionsbestimmung verfügbar ist.