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Wissen Sie eigentlich, worauf Sie sich beim GPS verlassen und was die kleinen Elektronik-Wunder an unserem Bike-Lenker alles leisten (können)? Nein? Dann ist es höchste Zeit für ein wenig Hintergrundwissen. Denn nur so können Sie auch entscheiden, ob ein GPS-Gerät gut oder schlecht, bzw. eine sinnvolle Investition für Sie ist.

So funktioniert‘s
Im GPS-Kosmos umkreisen 24 Satelliten permanent die Erde und senden dabei ihre Signale aus. Alle Empfänger auf der Erde (und damit auch unsere kleinen Outdoor-Geräte) können aus dem Inhalt und der Laufzeit dieser Signale ihre eigene Position berechnen. Anders als die uns bekannten Fernsehsatelliten (Astra, etc.), auf die man seine »Satellitenschüssel« fest ausrichten kann, sind die GPS-Satelliten ständig in Bewegung. Das gewährleistet, dass Benutzer von jedem Ort der Erde zu jeder Zeit mindestens vier Satellitensignale gleichzeitig empfangen können.

Positionsbestimmung
Stellen wir uns vor, wir befänden uns auf einem Raumschiff, flögen durchs Weltall und wüssten nicht, wo wir sind. Dann müssten wir andere, uns bekannte Objekte anpeilen, um unsere eigene Lage ermitteln zu können.

Kennen wir also erstens die Position der uns umgebenden Himmelskörper und können zweitens auch noch feststellen, wie weit wir von ihnen entfernt sind, sind wir in der Lage, daraus auch unseren eigenen Standpunkt zu berechnen. In der Praxis bedeutet das, dass das GPS-Gerät zunächst einmal erfahren muss, wann und wo sich die einzelnen Satelliten am Himmel befinden, damit es sie zur Positionsberechnung verwenden kann. Dieser »Satelliten-Fahrplan« ist der Almanach. Leider ist er nicht fest im Gerät gespeichert wie eine digitale Straßenkarte. Denn da sich die Satellitenkonstellationen fortwährend ändern, muss der  Almanach ständig erneuert werden. Ist er zu alt oder wird der GPS-Empfänger an einem Ort eingesetzt, für den der gespeicherte Almanach nicht gilt, gibt es Empfangsprobleme.

Die aktuellen Almanach- werden neben anderen Daten von jedem einzelnen GPS-Satellit andauernd ausgestrahlt. So  können GPS-Empfänger sie für eine erste (grobe) Positionsberechnung auswerten.

Der Almanach ist nämlich nur ein grober Fahrplan und reicht zur genauen Positionsbestimmung noch nicht aus: Daher versucht das GPS-Gerät nun, die Signale möglichst vieler einzelner GPS-Satelliten zu empfangen. Denn damit erhält es ihre genauen Positionsdaten und kann die Entfernung zu ihnen berechnen. Dazu  muss der Empfänger aber zunächst einmal die eintreffenden Signale identifizieren. Jeder Satellit hat seinen eigenen Code. Der GPS-Empfänger vergleicht die eintreffenden Funksignale so lange, bis er diese Codes eindeutig den einzelnen Satelliten zuordnen kann.
        
Zeit für ein Signal
Neben der aktuellen Position sendet der GPS-Satellit auch ein Zeitsignal mit. Aus dessen Laufzeit berechnet das GPS-Gerät die Entfernung zum Satelliten. 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. Damit die Laufzeit der Signale korrekt berechnet werden kann, muss der Satellit seine Uhr mit der atomuhrgenauen GPS-Systemzeit abgleichen. Hierfür braucht er einen weiteren Satelliten. Es sind also Signale von mindestens vier Satelliten erforderlich, um eine exakte Position mit Höhenangabe ermitteln zu können.

Wie funktioniert die Navigation?
Im Prinzip vergleicht das GPS-Gerät immer nur seine eigene, aktuell gemessene Position mit einem anderen Wert: beispielsweise mit einer eingegebenen Position, einem Wegpunkt. Dann kann es die Entfernung und die Richtung dorthin anzeigen. Nach Wunsch können die gemessenen Positionsdaten auch gespeichert werden – auf dem Gerätebildschirm erscheint eine Linie, ein Track (englisch = Spur). Dieser Track kann zurückverfolgt werden („Trackback“). Man kann aber auch auf dem PC mit Hilfe von digitalen Karten seine eigenen Wege als Tracks zeichnen und sie auf das Gerät übertragen. Dort erscheinen sie dann auf dem Bildschirm und können nachverfolgt werden, ebenso als digitale Leitlinie.
Mehrere Wegpunkte können als Liste zusammengefasst und vom GPS-Gerät als „Route“ nacheinander angefahren werden. Wenn das Gerät eine „routingfähige“ digitale Karte besitzt, kann es Strecken nicht nur anzeigen, sondern auch selbständig Verbindungen von A nach B berechnen. Abbiegepfeile und Sprachansagen sind zusätzlich möglich.

Fotos: Die erste Positionsangabe kann noch sehr ungenau sein, wird aber häufig im Sekundentakt genauer, bis das Gerät nach einigen Minuten meist etwa 5-10 Meter Genauigkeit (oben rechts) anzeigt.

Unterstützung in der dritten Dimension
Das GPS-Signal kann systembedingt nur eine Höhengenauigkeit erzeugen, die etwa um den Faktor zwei schlechter ist als bei der Positionsgenauigkeit auf der Erdoberfläche. Wenn die GPS-Position also etwa auf 5-10  Meter exakt gemessen wird, liegt die Höhengenauigkeit bei 10-20 Metern. Je schlechter der Empfang, desto ungenauer werden die Höhenangaben. Aus diesem Grund haben hochwertigere GPS-Geräte einen zusätzlichen barometrischen Höhenmesser integriert. Dieser ermittelt die Höhe anhand des Luftdrucks, muss aber zu Beginn der Tour einmal justiert werden. Eigentlich braucht man für diese „Kalibrierung“ den exakten Höhenwert des Ortes, an dem man sich befindet. Die meisten GPS-Geräte verfügen aber über eine automatische Kalibrierung, bei der sich der barometrische Höhenmesser über die GPS-Messungen mit Höhendaten versorgt. In der Summe erreicht man damit gute Ergebnisse, und die Kalibrierung zu Beginn einer Tour kann getrost entfallen. Einer unbeschwerten Biketour steht also nichts mehr im Wege – außer vielleicht ein leerer Akku, den man vergessen hat zu laden.

Foto: Ein Track (rot) unserer Testrunde am Walchensee, wiedergegeben auf dem PC auf einer topographischen Alpenvereinskarte (Rasterkarte) mit Garmins Basecamp-Software.

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Lesen Sie in der nächsten Folge alles über die aktuellen Geräte und welche Funktionen für Sie als Biker zusätzlich interessant sind.

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Was heißt hier eigentlich ...?

... Track?
Hat nichts mit dem ähnlich klingenden „Dreck“ zu tun – obwohl? Naja, lassen wir das besser. Der Track ist eine geographische Linie, etwa der Wegverlauf einer Tour. Diese Linie besteht aus einzelnen Punkten, und diese wiederum besitzen genaue geographische Koordinaten. Dadurch kann der Track auf verschiedenen digitalen Karten und in GPS-Geräten angezeigt werden. Tracks kann man mit dem GPS-Gerät auf Tour aufzeichnen, aus Tourendatenbanken im Internet herunterladen, online erstellen (z.B. www.gpsies.com) und mit PC-Software planen.

... Route?
Hat nichts mit dem Nikolaus und schon gar nichts mit Knecht Ruprecht zu tun – obwohl? Naja, lassen wir das besser.
Vielmehr ist sie wie ein Track aus geographischen Punkten zusammengesetzt. Mit einem Unterschied: Nach dem Übertragen ins GPS-Gerät sucht dieses selbständig eine Verbindung von Punkt zu Punkt, als Luftlinie oder über das Wegenetz einer digitalen Karte. Eine Route ist im GPS-Gerät veränderbar, ein Track meist nicht.

... Routing?
Hat nichts mit einer neuen Trendsport-Art aus den USA zu tun – obwohl? Naja, lassen wir das besser.
Routing ist die automatische Berechnung einer Strecke von A nach B. Dafür braucht man eine digitale Vektorkarte, die spezielle Informationen über Straßen und Wege enthält. Nur mit ihr kann das Programm die Strecke nach verschiedenen Vorgaben ausrechnen (schneller oder kurzer Weg, Fahrrad oder Auto etc.).

... Wegpunkt?
Hat nichts damit zu tun, wohin sich Ehepartner im Streit gegenseitig wünschen. Hmm, gute Idee? Naja, lassen wir das besser.
Tracks und Routen bestehen aus mehreren Positionen, Wegpunkte aus einer einzigen. Zum Beispiel eine Wegekreuzung oder ein Bahnhof mit bestimmten Koordinaten. Wegpunkte können auch durch Symbole und einen Text dargestellt werden.

... POI?
Hat nichts mit dem ähnlich klingenden mobilen Notdurft-Ort zu tun - obwohl? Naja, lassen wir das besser.
Ein „Point of Interest“ ist grundsätzlich nichts anderes als ein Wegpunkt. Typische POI-Sammlungen sind Auflistungen von Hotels, Campingplätzen, etc., die auf digitalen Karten ein- oder ausgeblendet, mit Bild, Text und Ton verknüpft und von einem Navigationssystem angefahren werden können.

... Rasterkarte?
Hat nichts mit der Darstellung jamaikanischer Haartracht zu tun – obwohl? Naja, lassen wir das besser.
Eine Rasterkarte ist ein digitales Foto der normalen Papierkarte, zum Beispiel der amtlichen topographischen Karten. Sie kann am Bildschirm nur vergrößert oder verkleinert werden, die Inhalte bleiben gleich. Die Top50-Serie, Kompass- oder Alpenvereinskarten sind typische Rasterkarten.

... Vektorkarte?
Hat nichts mit dem Auffinden männlicher Russen zu tun – obwohl? Naja, lassen wir das besser.
Eine Vektorkarte ist eine „intelligente“ und variable Karte, deren Elemente ein- und ausgeblendet, gesucht und berechnet werden können. Alle Inhalte einer Vektorkarte liegen in einer Datenbank und werden von dort aus vom Programm aufgerufen. Straßennavigationskarten sind Vektorkarten.

Foto: Das europäische Galileo-System ist etwas genauer als das bestehende GPS-System und soll dieses ab 2014 ergänzen. Heutige Empfänger werden mit dem neuen System leider nicht kompatibel sein.

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