Die Komponenten eines Navigationssystems

Satellit, Tacho und Gyroskop

Ein Navigationssystem kann nur dann den Weg weisen, wenn es weiß, wo es sich selbst gerade befindet. Die grobe Information dafür bezieht es über das Global Positioning System (GPS). Dabei wird die Zeit gemessen, die Funksignale mehrerer Satelliten bis zur GPS-Antenne am Fahrzeug benötigen. Auf diese Weise kann die Position des Wagens auf etwa zehn Meter genau bestimmt werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden zusätzlich Daten von Sensoren im Fahrzeug benötigt. Dazu dienen Sensoren, die an der Tachowelle die Geschwindigkeit messen. Über die Geschwindigkeit des Wagens errechnet das Navigationssystem den zurückgelegten Weg. Kleinste Änderungen der Fahrtrichtung erfährt es über einen integrierten Drehratensensor. Die Daten von GPS-System, Tacho und Gyroskop vergleicht das Navigationsgerät mit einer auf CD oder DVD gespeicherten digitalen Karte – und passt die elektronisch bestimmte Position per „Map Matching“ dieser Karte an. So lässt sich der Aufenthaltsort auf etwa drei bis fünf Meter genau berechnen. Geschwindigkeits- und Drehratensensoren im Wagen stellen außerdem sicher, dass ein Navigieren auch dann möglich ist, wenn die Signale der GPS-Satelliten eine Zeit lang nicht empfangen werden können. So findet das Navigationssystem zum Beispiel auch Ausfahrten in einem Tunnel.

Signale vom Himmel

Um die eigene Position zu bestimmen, nutzen Navigationssysteme das Satelliten-Navigationsnetz GPS, das vom Verteidigungsministerium der USA betrieben wird und ursprünglich für rein militärische Zwecke aufgebaut wurde. Es besteht aus 24 Satelliten, die in rund 21000 Kilometer Höhe zweimal täglich die Erde umkreisen. Dabei senden sie Signale aus, die von dem GPS-Empfänger eines Navigationssystems aufgenommen werden. Aus der Laufzeit der Signale bestimmt der GPS-Empfänger die Entfernung zu dem betreffenden Satelliten. Zur Synchronisation der Laufzeitmessung trägt jeder der 24 Satelliten eine hochpräzise Atomuhr an Bord. Um den genauen Aufenthaltsort zu ermitteln, müssen die Signale von mindestens drei Satelliten gleichzeitig empfangen werden. Bildhaft bedeutet dies: Der Ort des Empfängers auf der Erde liegt vom Satelliten aus betrachtet auf einer Kugelschale, deren Radius der gemessenen Entfernung entspricht. Der Schnittpunkt der Kugelschalen von drei angepeilten Satelliten liefert die Position des GPS-Empfängers. Die Europäer planen für die nächsten Jahre den Aufbau eines eigenen Satelliten-Navigationsnetzes, das auf die selbe Weise wie das amerikanische GPS-System funktionieren soll. Das System namens Galileo soll nach den Plänen der Europäischen Union und der europäischen Raumfahrtagentur ESA bis zum Jahr 2008 in Betrieb gehen (bild der wissenschaft 3/2003: „Gezänk um Euro-GPS“ ).

Digitale Atlanten

So sehr sich die einzelnen Navigationssysteme in Aussehen, Ausstattung und Funktion unterscheiden – sie nutzen fast alle Kartenmaterial von nur zwei Anbietern. Das US-Unternehmen Navtech und die deutsche Firma Teleatlas teilen sich den europäischen Markt für digitale Straßenkarten. Die Kartendaten, die bei den beiden Anbietern in riesigen Datenbanken gespeichert sind, enthalten präzise Angaben zu allen Straßen, Abzweigungen, Kreuzungen und Kreisverkehren. Jeder Datenpunkt und jede Verbindung ist mit bis zu 150 zusätzlichen Attributen versehen, zum Beispiel Postleitzahlen, Städtenamen, Touristenattraktionen oder der Information, ob sich dort ein Bahnhof oder Hotel befindet. Diesen gigantischen Datenwust stets aktuell zu halten, ist eine enorme Aufgabe. „Etwa 15 bis 20 Prozent der Straßen ändern sich jedes Jahr“, sagt Bianca Wagner, Pressesprecherin bei Navtech. Neue Kreisel werden angelegt, Umgehungsstraßen oder Häuser gebaut, Abbiegegebote und Einbahnstraßenregelungen werden geändert. Daher stehen allein bei Navtech fast 500 Geographen in Dienst, die ständig alle in der Datenbank gespeicherten Straßenabschnitte abfahren, um die Daten zu überprüfen und zu aktualisieren. Navtech hat derzeit das Straßennetz von 34 Ländern erfasst, darunter sind 24 europäische Länder. Für Deutschland, die Benelux-Länder, Großbritannien, die Schweiz, Österreich und Dänemark decken die Datenbanken bereits das komplette Straßennetz ab. Bis Ende 2003 sollen alle Straßen in Westeuropa erfasst sein.

Ralf Butscher