GPS - Global Positioning System

Zum GPS - Global Positioning System - gibt es derartig viel Information im Internet, daß ich hier kaum noch was Neues hinzufügen kann. Allerdings liegt das meiste nur in Englisch vor, also habe ich hier mal einiges in Deutsch wiederverwertet.

Antworten auf immer wieder gestellte Fragen - die GPS FAQ:
 

- Was ist das überhaupt, 'GPS'?
GPS steht für 'Global Positioning System'. Es ist eine mehr oder weniger regelmäßige Anordnung von 24 speziellen Satelliten (Höhe ca. 20.000 km) um die Erde, die in einem abgestimmten Verfahren spezielle Zeitsignale aussenden. GPS Empfänger auf der Erde können diese Signale empfangen und daraus mit hoher Genauigkeit die Position des Empfängers (genauer: die Position seiner Antenne) bestimmen. Mit einem GPS Empfänger lässt sich die aktuelle Position über Land oder Wasser mit einer Genauigkeit von wenigen Metern in Form von Angaben wie Längengrad, Breitengrad, Höhe über NN ablesen und auf Wunsch in Beziehung zu einer Karte setzen. Das GPS wurde vom US amerikanischen Militär zur Steuerung von 'intelligenten Waffensystemen' und zur Navigationsunterstützung der Streitkräfte entwickelt. Da die GPS Signale überall auf der Welt zu empfangen sind, können sie aber auch (mit Einschränkungen -> siehe SA) von beliebigen Anwendern benutzt werden. Der Beginn der GPS Entwicklung fand Anfang der 70er Jahre statt, die ersten Satelliten wurden Ende der 70er Jahre gestartet, offiziell im Vollausbau befindet sich das System seit etwa 1994, es war aber schon viel früher nutzbar (die Satelliten wurden im Abstand mehrerer Jahre in Betrieb genommen).


 - Was bringt mir GPS?
In den dicht bewohnten Gebieten Europas scheint ein GPS Empfänger für den privaten Einsatz zunächst etwas sinnlos, da man ohnehin meistens recht genau weiß, wo man sich befindet - und wenn nicht, fragt man halt nach dem Weg. In weniger dicht besiedelten Gegenden benutzt man GPS Empfänger zur Wegfindung beim Wandern, Segeln, Jagen, etc. pp. Speziell bei der Seenavigation sind GPS Empfänger eine sehr nützliche Hilfe, da es auf dem Wasser naturgemäß nur wenig andere Navigationshilfen gibt. Ein GPS Empfänger lohnt sich hier schon auf größeren Seen, wenn man gezielt Punkte auf einer Karte anfahren will.
Nach dem Militär war die Schiffahrt der erste zivile Nutzer des GPS Systems, gleich gefolgt von der Luftnavigation.
Aber auch in Städten kann man einen GPS Empfänger durchaus sinnvoll einsetzen: In Verbindung mit Straßenkarten ermöglicht einem das GPS die Routenfindung in einer unbekannten Stadt. Es gibt seit einiger Zeit Kartensoftware für übliche PCs, die aus einem Notebook in Verbindung mit einem GPS Empfänger ein Autonavigationssystem machen: Startpunkt und Zielpunkt eingeben, und das Notebook errechnet durch Vergleich der GPS Position mit der gespeicherten Verkehrskarte die optimale Route zum Ziel. Man kann die Parkposition seines Wagens während eines längeren Stadtbummels festhalten und das Fahrzeug später einfach wiederfinden. Firmen erfassen mittels GPS die Position Ihrer Fahrzeuge zur Wegoptimierung (sog. Flottenmanagement), GPS gestützte Wegaufzeichnungssysteme erleichtern die Abrechnung von Fahrtkosten

 - Was macht ein GPS Empfänger?
Ein GPS Empfänger funktioniert im Prinzip wie ein Radio: Er empfängt Funksignale bestimmter Frequenzen über eine Antenne. Diese Funksignale enthalten aber keine Musik oder Sprache, sondern digital verschlüsselte Zeitinformationen der verschiedenen Satelliten am Himmel. Der Empfänger empfängt die Signale von bis zu 12 Satelliten gleichzeitig (abhängig von der 'Sichtbarkeit' der Satellitenkonstellation) und setzt ihre durch die Entfernung der Satelliten vom Empfängerort verursachten Zeitdifferenzen in eine komplizierte mathematische Beziehung. Ähnlich wie man aus der Laufzeit des Donners die Entfernung eines Blitzeinschlages berechnen kann (Laufzeitverfahren), kann der GPS Empfänger aus der Laufzeit der Funksignale die Entfernung der Satelliten berechnen. Aus der Summe der berechneten Laufzeiten lässt sich der Ort des Empfängers mit hoher Genauigkeit an nahezu jedem beliebigen Punkt der Erde berechnen. Aus diesem technischen Zusammenhang ergibt sich eine Vielzahl von möglichen Nutzungsanwendungen des GPS, über die reine Positionsfeststellung hinaus. Übliche Empfänger geben nicht nur die Position in Längen- und Breitengrad sowie Höhe über NormalNull aus, sondern auch die aktuelle Geschwindigkeit, Kurs (Bewegungsrichtung), Uhrzeit (mit extrem hoher Genauigkeit).


- Welche Unterschiede gibt es bei GPS Empfängern, was kosten sie?
Aktuelle GPS Empfänger gibt es zu Preisen zwischen 300 und mehreren Tausend DM. Die billigeren Empfänger sind für die üblichen Hobbyanwendungen geeignet, wie Wandern, Segeln, Autonavigation, etc.. Sie verfügen in der Regel nur über einfache Bedienelemente und ein kleines Display, über das die Position sowie verschiedene weitere Daten abgelesen werden können. In der Regel muß man zur Navigation zusätzliche Papierkarten (oder Computer mit Kartensoftware) einsetzen, um die Positionsangabe in Beziehung zum Umfeld setzen zu können. Diese Empfänger bieten in der Regel eine einfache Aufzeichnungsmöglichkeit für Wegdaten an. Diese Daten können später wieder angezeigt (etwa zur Findung eines Rückweges) oder über eine Computerschnittstelle in einen Rechner überspielt werden, der sie z.B. zu einer digitalen Karte in Beziehung setzen kann.
Ein Beispiel für solche einfachen Empfänger ist z.B. der beliebte Garmin GPS12. Die erziehlbare Positionsgenauigkeit der einfachen Empfänger ist kaum ein Kaufkriterium: Alle Empfänger bieten Genauigkeiten im Bereich 10-20 m, diese ist aber ohnhin durch die ->SA nicht nutzbar und verschlechtert sich damit geräteunabhängig auf 50-150m. Bei Tests mit abgeschalteter SA lieferten preisgünstige Empfänger wie der GPS12 in der Praxis Wiederholgenauigkeiten im Bereich 3m.

Die nächste Klasse der GPS Empfänger (ab etwa 600 DM aufwärts) enthält eigene digitale Karten, die über ein größeres Display abgerufen und in Beziehung zur aktuellen Position gesetzt werden können. Damit ist also auch ohne zusätzliche Karten schon ein direktes Navigieren möglich. Aufgrund der begrenzten Speichermöglichkeiten sind diese Karten jedoch nicht sehr detailliert, so sind dort in aller Regel nur Ländergrenzen, größere Flüsse, wenige Städte, etc. vorhanden. Da die meisten Hersteller dieser Geräte in den USA beheimatet sind, liegt der Schwerpunkt der Karten auch dort, so daß z.B. Deutschland oder der europäische Raum nur recht stiefmütterlich behandelt werden. Ebenfalls in dieser Klasse üblich ist eine Anschlußmöglichkeit für eine externe Antenne.
Ein Beispiel für solche Geräte ist der ebenfalls recht verbreitete Garmin GPS-II und GPS-III.

Eine neuere Variante dieser einfachen Kartenempfänger stellen die Geräte mit Download Funktionalität dar: Die Karten sind nicht fest in den Empfänger eingebaut, sondern über eine Kabelverbindung von einem Computer in den Empfänger speicherbar. In der Regel erhält man zusätzlich zum Empfänger eine CD-ROM mit digitalem Kartenmaterial. Von den so gespeicherten Karten kann man mit einer speziellen Software auf em Computer einen oder mehrere Bereiche auswählen und gezielt auf den Empfänger speichern. Hat man z.B. eine Gebirgswanderung in den Alpen vor, wird man gezielt diesen Bereich auswählen und in den Empfänger übertragen. Durch diese ausschnittsweise Übertragung lässt sich der zu Verfügung stehende Speicherplatz im Empfänger besser nutzen und mehr Details sind darstellbar. Ein Beispiel für solche Geräte ist z.B. der Garmin GPS IIIplus oder der neue GPS12MAP.

Die nächste Stufe stellen Geräte mit semiprofessioneller bzw. professioneller Eignung dar, wie sie z.B. sehr häufig in der Seenavigation verwendet werden, z.B. von Hobbyseglern, kleineren Transport-, Ausflugs-, und Fischereibooten.
In der Regel unterscheiden sich diese Geräte nur durch eine robustere mechanische Ausführung (wasserdicht, Metallgehäuse, seewasserfest, etc.) sowie spezielle Ausstattungsdetails, wie z.B. externe 12/24 Volt Speisemöglichkeit, externe Antennen, spezielle Navigationsfunktionen, sowie Kompatibilität zu weiteren verbreiteten Seenavigationshilfen (sog. Kartenplotter, etc.). Solche Geräte liegen in der Regel im Preisbereich ab etwa 1500 DM bis mehrere Tausend DM. Auch hier gibt es Geräte mit reiner Positionsausgabe oder mit eingebauten/einladbaren Karten. In den USA werden solche Geräte sehr viel auch zur Navigation auf den (in den USA viel häufigeren) riesigen Binnenseen eingesetzt. Im Bereich der Flugnavigation gibt es ähnliche Geräte, wobei hier GPS Geräte zur Zeit noch nicht den Verbreitungsgrad haben wie in der Seenavigation. Das geht im Wesentlichen auf härtere Richtlinien für die Navigationsausrüstung von Flugzeugen zurück.

Das obere Ende stellen GPS Empfänger für wissenschaftliche und technische Vermessungsaufgaben dar. Diese definieren sich in aller Regel durch extrem hohe Genauigkeitsanforderungen sowie spezielle Schnittstellen zur Weiterverarbeitung. Durch spezielle Verarbeitungstechniken der Satellitensignale können diese Geräte auf die jeweilige Anwendung bezogen durchaus Genauigkeiten im Bereich weniger mm erreichen. Anwendungsgebiete sind Landvermessung, Geologie, Archäologie, sowie die Entwicklung von GPS Geräten bzw. deren Wartung selbst.
Solche Geräte sind allerdings vom normalen Hobbyanwender weder zu bezahlen, noch mit einfachem Basiswissen auch nur zu bedienen.


 - Welchen GPS Empfänger soll ich kaufen?
Für die erste Kontaktaufnahme mit GPS Anwendungen empfiehlt sich ein einfacher Empfänger. Bezüglich der Funktionen bietet kaum ein Empfänger für einen Anfänger wesentliche Vorteile gegenüber einem anderen. Wer bereits spezielle Anforderungen hat, sollte sich genauer informieren, da speziell das mittlere Preissegment mittlerweile eine Vielzahl von Geräten umfasst. Für den Einsatz auf Fuß- oder Fahrradwanderungen empfiehlt sich ein möglichst kleines und leichtes, robustes Gerät mit eingebauter Antenne. Ganz oben auf der Beliebtheitsskala steht hier seit Jahren der GPS12 von Garmin, der in Deutschland ab etwa 300 DM zu kriegen ist. Der GPS12 ist ein seit langem lieferbares und erprobtes Modell, das im Laufe der Zeit etliche Weiterentwicklungen erfahren hat. Neben den üblichen Funktionen für den Standalone Betrieb bietet er auch eine serielle Schnittstelle (RS232), über die man den Empfänger auch in Verbindung mit einem Computer nutzen kann. Ebenso ist eine Fremdspeisung für den Dauereinsatz im Auto oder auf dem Motorrad möglich. Damit ist der GPS12 der ideale Empfänger für den Einsteiger mit späteren PC Ambitionen.

Wer etwas mehr Geld zu Verfügung hat, sofort auf dem Empfängerdisplay in Kartendarstellungen navigieren will und dazu kein Notebook oder sonstigen Computer mitnehmen will, sollte sich für einen der neueren Empfänger mit Kartendownload Option entscheiden. Hierbei ist allerdings sicherzustellen, daß Kartensoftware für den gewünschten Aktionsbereich verfügbar ist. Wie bereits oben angedeutet ist für viele der einfacheren Geräte nur Kartenmaterial der USA verfügbar. Die Verfügbarkeit von Karten (sowie ggfs. der Aufpreis dafür!) für den europäischen Raum sollte vor dem Kauf zweifelsfrei ermittelt werden!

Ein weiteres Kriterium ist die Anschlußmöglichkeit einer externen (aktiven) Antenne, die speziell für den Einsatz im Auto sinnvoll ist. Da ein GPS Empfänger auf eine 'Sichtverbindung' zu den Satelliten angewiesen ist, ist der GPS Empfang im Auto durch die Abschattungen der Karosserie oft nicht optimal. Man kann zwar bei einem Empfänger mit integrierter Antenne im Fensterbereich (z.B. unter der Windschutzscheibe) einen passablen Empfang ereichen, aber bei ohnehin schon ungünstigen Empfangsbedingungen, wie z.B. in der Stadt ist eine solche Lösung unbefriedigend, zumal man in dieser Position nur schlecht das Display ablesen kann. Eine externe aktive Magnetantenne dagegen wird man z.B. auf dem Dach montieren können und so auch bei ungünstigen Empfangsverhältnissen zumindest einen ausreichenden Empfang erreichen, wobei die Position des eigentlichen Empfängers dann nach rein pragmatischen Gesichtspunkten gewählt werden kann. Ebenfalls wichtig in diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit der Fremdspeisung über das KFZ Boardnetz.


 - Welche Entwicklungen sind bei GPS Empfängern in der Zukunft zu erwarten?
GPS Empfänger werden kleiner und billiger werden, sowie weniger Strom verbrauchen. Es gibt bereits Prototypen von GPS Empfängern in Form von (allerdings noch etwas klobigen) Armbanduhren. GPS Empfänger werden sich in Zukunft vermehrt nicht mehr als Standalone Geräte, sondern bereits integriert in anderen Geräten wiederfinden, wie z.B. in Autoradios, portablen Computern, PDAs, Handys, etc.. Bei den dedizierten Empfängern für den Standalonebetrieb werden sich die Modelle mit größerem Display und der Möglichkeit des Kartendownloads auch im unteren Preisbereich durchsetzen.
Die Genauigkeit auch von bezahlbaren Empfängern wird deutlich (im Bereich einer Zehnerpotenz) verbessert werden, sei es durch die möglicherweise bald bevorstehende Abschaffung der SA, sei es durch den Einsatz von preiswerter Differential-GPS (->DGPS) Technologie. Die dann erzielbaren Genauigkeiten werden im Bereich 3m liegen können, auch bei preiswerten Geräten.


- Was ist SA, Selective Availability?
Da die von den GPS Satelliten ausgesendeten Signale überall auf der Welt empfangbar sind und genutzt werden können, hat das US amerikanische Militär sich ein Verfahren ausgedacht, durch das verhindert werden kann, daß z.B. feindliche Militärs das GPS zu ihrem eigenen Zweck und womöglich gegen die USA einsetzen können: Die sogennante 'Selective Availability', zu deutsch: Eingeschränkte Verfügbarkeit. Die SA gewährleistet, daß nicht-autorisierten Nutzerkreisen nur eine eingeschränkte Genauigkeit des GPS zu Verfügung steht, die momentan etwa +-100m beträgt. Bei deaktivierter SA beträgt die Genauigkeit typischer Empfänger etwa +-15m, die reine Wiederholgenauigkeit (wiederholte Anzeige an derselben Position) kann sogar selbst bei günstigen Empfängern im Bereich 3m liegen. Bei eingeschalteter SA werden die Zeitsignale der Satelliten nach einem sehr komplizierten mathematischen Muster 'gestört' und die Empfänger liefern dadurch falsche Positionsangaben. Bewegt man sich z.B. mit dem Empfänger nicht von der Stelle, wird die Positionsanzeige des Empfängers bei mehreren aufeinanderfolgenden Messungen zufällig 'im Kreis' springen und somit Positionsabweichnungen im Bereich 50m-100m je Himmelsrichtung anzeigen. Ohne SA würden diese 'Sprünge' auf einen Radius von wenigen Metern zusammenschrumpfen.
Dieses Störmuster in den Zeitsignalen der Satelliten ist aber nicht wirklich zufällig, sondern gehorcht einem mathematisch festgelegten Muster (das einem die US Militärs natürlich nicht verraten). Außerdem wird dieses Muster in bestimmten Abständen verändert, um ein 'Aushorchen' der Fehlerfolge zu verhindern.
Speziell für das US Militär gefertigte Empfänger können mit einem passenden 'Schlüssel' versehen werden, um dieses Störsignal aus der Positionsberechnung herausrechnen zu können und militärischen Anwendungen somit die volle Genauigkeit des GPS zu Verfügung stellen.
Etliche Male haben ambitionierte GPS Fans versucht, die Verschlüsselung zu knacken, aber es ist m.W.n. noch nie jemandem gelungen.
Da der Wunsch nach einer Erhöhung der Genauigkeit auch im zivilen Nutzerbereich (z.B. Vermessungstechnik, Flugnavigation, etc.) besteht, sind verschiedene Verfahren zur Umgehung der SA entwickelt worden, z.B. das DGPS und die unterstützende Trägheitsnavigation, sowie die Positionsmittelung (Position Averaging).

 - Was ist DGPS?
DGPS, die Abkürzung für 'Differential GPS' oder 'Differentielles GPS', ist ein Verfahren, um die im Wesentlichen durch SA verursachten Positionsfehler des GPS korrigieren zu können. Man stützt sich bei der Positionsmessung nicht auf einen einzigen Empfänger, sondern auf zwei. Einer dieser Empfänger ist der 'Nutzempfänger', der andere der sog. 'Referenzempfänger'. Das Verfahren funktioniert vereinfacht folgendermaßen: Die Position des Referenzempfängers ist sehr genau bekannt, entweder durch alternative Vermessungsmethoden, Positionsmittelung, oder durch 'SA-lose Messung'. Empfängt der Referenzempfänger nun seine normale fehlerbehaftete GPS Position, so kann er durch Vergleich mit seiner tatsächlich ermittelten Position die momentane Größe des SA bedingten Positionsfehlers ermitteln.
Diese Abweichnung wird nun in der Regel über eine Datenfunkverbindung in Echtzeit zum abgesetzen Nutzempfänger übertragen, der auf der Basis dieser Fehlerwerte seine eigene Position entsprechend korrigieren kann. Ganz vereinfacht ausgedrückt (tatsächlich läuft die Korrektur auf einer höheren Verarbeitungsebene ab) 'sagt' der Referenzempfänger dem Nutzempfänger ständig: 'GPS liegt grade um x Meter in Richtung x Grad daneben, korrigiere deine Position also um -x Meter in Richtung x und Du liegst richtig!'
Ein DGPS Empfänger stellt (von Kombigeräten einmal abgesehen) keinen eigenständigen GPS Empfänger dar, sondern lediglich einen Funkempfänger, der die ausgestrahlten Korrektursignale auswertet und an den eigentlichen GPS Empfänger übermittelt. Für diese Übermittlung gab es erfreulicherweise schon früh eine Standardisierung in Form des seriellen RTCM104 Signales, so daß heute nahezu jeder GPS Empfänger mit serieller Schnittstelle prinzipiell DGPS tauglich ist - so auch der preisgünstige GPS12 von Garmin. Schließt man einen DGPS Empfänger an einen GPS Empfänger an (wobei DGPS ggfs. in einem Konfigurationsmenü zusätzlich zu aktivieren ist), so liefert der Empfänger genau wie vorher seine Positionsdaten, nur sind diese dann etwa um einen Faktor 50 genauer als ohne DGPS (etwa 2-5m im Vergleich zu 150-300m bei SA). DGPS ist dadurch auch nicht von einer bestimmten PC Kartensoftware o.ä. abhängig. Es ist ein reines Empfängerfeature und für die Endanwendung als solches nicht sichtbar (außer eben durch die höhere Genauigkeit).
Die genauen Hintergründe von DGPS sind etwas komplizierter und können hier nicht abgehandelt werden. Es gibt im Internet aber sehr viele (allerdings englischsprachige) Informationsquellen dazu.
In der Regel werden DGPS Referenzstationen von größeren Institutionen betrieben, die auch für die Ausstrahlung der Korrektursignale über Funk zuständig sind. In Deutschland gibt es z.B. ein überregional auf Langwelle (122.5 KHz) ausgestrahltes ständiges DGPS Signal der deutschen Telekom ('ALF)'. Ein weiteres überregionales Signal wird von der ARD in Koperation mit den Vermessungsämtern im Rahmen des UKW RDS (Radio Daten System) ausgestrahlt (EPS/RASANT). Für diese Dienste werden Lizenzgebühren fällig, die meistens schon beim Kauf des DGPS Empfängers in Form einer geringen einmaligen Zahlung abgegolten werden. Bisher waren DGPS Empfänger recht teuer und nur für kommerzielle Spezialanwendungen verfügbar. Mittlerweile sind einfach zu benutzende Geräte aber schon ab etwa 800 DM (inkl. Lizenzgebühr) zu kaufen.
Darüberhinaus gibt es Bestrebungen, DGPS im größeren Maßstab über Satellitendienste verfügbar zu machen. Diese Systeme werden von einigen Staaten Europas entwickelt, um sich vom Wohlwollen der USA bezüglich der Nutzung des GPS Systems bzw. der SA unabhängig zu machen. Die Idee dabei ist, die Korrektursignale im gleichen Format bzw. auf der gleichen Frequenz auszustrahlen, die auch das eigentliche GPS benutzt. Auf diese Art und Weise bräuchte man keine zusätzlichen DGPS Funkempfänger mehr, sondern die DGPS Funktionalität könnte durch einen zusätzlichen Softwareblock in bereits existierende GPS Empfänger nachgerüstet werden.
Gleichzeitig gibt es jedoch auch Überlegungen der amerikanischen Regierung, die SA ganz abzuschalten, um angesichts der nachlassenden militärischen Bedrohungen einen größeren Nutzen im zivilen Bereich zu ermöglichen. Die Verhandlungen der US Regierung mit dem US Militär ziehen sich jedoch hin und werden vermutlich noch etliche Jahre dauern. Es ist so oder so aber abzusehen, daß die erreichbare Genauigkeit des GPS innerhalb der nächsten 2-5 Jahre auch für nicht kommerzielle Anwendungen deutlich verbessert werden wird.

 - Was ist GLONASS?
So wie die Amerikaner GPS entwickelt haben, haben die Sowjets ihr eigenes militärisches  Navigationssystem entwickelt, das GLONASS. Es basiert auf der gleichen Technik wie das GPS System (Laufzeitenmessung von Satellitenfunksignalen), ist aber natürlich nicht direkt kompatibel, ein GPS Empfänger kann also keine GLONASS Satelliten nutzen und umgekehrt.
Eine Zeitlang schien es, als ob GLONASS nach dem Zerfall der Sowjetunion das gleiche Schicksal erleiden würde wie die Sowjetunion selbst, da die ständige Wartung eines solchen komplexen Systems sehr viel Geld benötigt. Zeitweise war das System offensichtlich (wie man an entsprechenden Wartungsmonitor Seiten im WWW sehen konnte) in einem sehr schlechten Zustand und kaum benutzbar. In letzter Zeit scheint sich das zwar etwas gebessert zu haben, aber nach Aussagen eines deutschen Wissenschaftlers 'sterben die GLONASS Satelliten schneller, als man neue raufbringen kann'. Außerdem gibt es Bestrebungen, GLONASS als Alternative zu GPS für europäische Navigationsanforderungen zu etablieren bzw. als KnowHow Grundlage dafür zu benutzen.
GLONASS scheint einige Vorteile gegenüber GPS zu haben, so z.B. eine bessere Genauigkeit der Höhenangabe. Auch gibt es bei GLONASS keine künstlische Genauigkeitsverschlechterung wie bei der GPS SA.
Allerdings gibt es meines Wissens nach zur Zeit keine GLONASS Empfänger im freien Verkauf, und wenn dürften sie auch wegen der geringen Stückzahlen sehr teuer sein. 

 - Was ist NMEA?
NMEA ist ein standardisiertes Protokoll für Navigationsgeräte, das über einfache RS232 oder ähnliche serielle Schnittstellen übertragen wird. Es wurde herausgegeben von der US amerikanischen National Marine Engineer Association - daher die Abkürzung NMEA. NMEA stammt also ursprünglich aus der Seenavigation. Es wird dort verwendet als einfaches und universelles Kommunikationsprotokoll zwischen Navigationsempfängern und Kartenplottern, Notrufgeräten.
Das aktuell übliche (Version 0183 v2.0) Übertragungsformat für NMEA  ist 4800 Baud, 8 Datenbits, NoParity, 1 Stoppbit. Das sind absolut übliche Übertragungsparameter, wie sie z.B. auch für die Kommunikation zwischen einem Computer und Modem benutzt werden (dort nur üblicherweise mit höheren Baudraten, etwa 38400).
Das NMEA Protokoll ist recht einfach aufgebaut. Die übertragenen Daten werden in Form von ASCII Zeichen übertragen und sind damit 'lesbar'. Wer sich ein bißchen mit den verschiedenen Msgtypes beschäftigt hat, kann NMEA 'fließend verstehen'. Die Grundstruktur von NMEA Sentences ('Sätzen') ist folgende: Es wird in regelmäßigen Zeitabständen eine Zeile von zusammenhängenden Informationen ausgegeben. Die Zeile wird eingeleitet von einem NMEA Msgtype Designator, also einer Kennzeichnung für den folgenden Nachrichtentyp, dann einer Folge von Informationen (z.B. Koordinate, Höhe, Zeit, Richtung, etc.), auf die eine Checksumme/Prüfsumme folgt, über die das empfangende Gerät ggfs. die Korrektheit der Übertragung überprüfen kann. Das Zeilenende wird mit einen CR/LF abgeschlossen, damit die nächste Zeile/Sentence übertragen werden kann. Eine solche übermittelte Zeile oder auch NMEA 'Sentence' sähe z.B. so aus (kann man in dieser Form z.B. mit einem Terminalprogramm aufzeichnen oder auf einen seriellen Drucker schicken):

$GPGLL,5336.432,N,00957.436,E,133627,A*24

Hier ist $GPGLL der msgtype indikator,
5336.432,N bedeutet 5336.432 nördliche Breite (N=North),
00957.436,E bedeutet 957.436 östliche (E von East=Ost) Länge,
133627 ist die Uhrzeit im Format hhmmss, also 13h36m27s,
A bedeutet 'Status OK', also eine gültige Position (A='Approved')
*24 ist die Checksumme.
 

Zu jeder Msgtype gibt es eine festgelegte Folge von übermittelten Informationen, die einzelnen Informationen einer Folge werden durch Komma getrennt. Das numerische Komma ist, wie oben zu sehen, der Punkt '.' !
Die gesamte NMEA Spezifikation ist nicht nur für GPS Empfänger, sondern auch für viele andere navigationsunterstützende Geräte ausgelegt und umfasst sehr viele Msgtypes (eine mir vorliegende Dokumentation zählt 55 verschiedene Msgtypes). Die meisten GPS Empfänger geben nur eine Handvoll dieser Msgtypes aus, und jeder GPS Empfänger beherrscht unterschiedliche Typen. Die Idee hinter den unterschiedlichen Msgtypes ist, daß jedes an ein 'Navigationsnetzwerk' angeschlossenes Gerät nur die von ihm verstandenen Msgtypes auswertet und alle anderen ignoriert.

Hier ein Auszug aus einem Logfile eines Garmin GPS12:

[...]
$PGRME,41.6,M,,M,41.6,M*00
$GPGLL,5058.809,N,00647.103,E,162044,A*21
$PGRMZ,207,f,2*1F
$PGRMM,Potsdam*39
$GPBOD,,T,,M,,*47
$GPRTE,1,1,c,0*07
$GPRMC,162045,A,5058.809,N,00647.103,E,001.1,131.5,061099,000.6,W*69
$GPRMB,A,,,,,,,,,,,,V*71
$GPGGA,162045,5058.809,N,00647.103,E,1,03,2.5,63.1,M,47.2,M,,*79
$GPGSA,A,2,02,,,,09,,,,26,,,,2.5,2.5,*12
$GPGSV,3,1,10,02,39,059,49,05,13,217,00,07,30,105,00,08,14,267,00*7E
$GPGSV,3,2,10,09,50,272,50,13,02,136,00,21,10,331,00,23,33,295,00*7F
$GPGSV,3,3,10,26,70,170,45,27,04,087,00,,,,,,,,*72
$PGRME,41.6,M,,M,41.6,M*00
$GPGLL,5058.809,N,00647.103,E,162046,A*23
$PGRMZ,207,f,2*1F
[...]

Wie man hier sieht, gibt der Garmin zyklisch eine Folge von 13 verschiedenen Msgtypes aus, danach wiederholt sich die Folge wieder (hier beginnend mit $GPRME in der drittletzten Zeile). Man kann hier ebenfalls sehen, daß die Koordinaten von $GPGLL über $GPRMC und $GPGGA bis wieder hin zu $GPGLL in der zweitletzten Zeile sich nicht ändern, der Garmin hat also in diesem Zeitraum noch keine neue Position berechnet. Hingegen ändert sich die Uhrzeit, wie man am Fortschreiten der Sekunden von 16h20m44s über 16h20m45s bis 16h20m46s sieht.
Das schnuckelige 'Potsdam' in der $PGRMM MSG gibt übrigens keineswegs eine Position 'in Potsdam' an o.ä., sondern kennzeichnet das für den aktuellen Koordinatensatz verwendete topografische Bezugssystem - in diesem Fall also das sog. 'Potsdam Datum'. Mehr dazu hier.
 

Die meisten GPS Empfänger lassen sich bezüglich der ausgegebenen Msgtypes konfigurieren, man kann Art und Zeitraster der ausgegebenen Msgtypes definieren. Weiterhin ist oft das Bezugssystem eines Parameters definierbar, als z.B. miles/h oder km/h, Höhe in Meter oder feet, etc. pp.

Viele Msgtypes enthalten teilweise identische Informationen und sind also redundant.
Als Beispiel hier die beiden msgtypes $GPRMC und $GPGLL

$GPGLL,5058.809,N,00647.103,E,162044,A*21
$GPRMC,162045,A,5058.809,N,00647.103,E,001.1,131.5,061099,000.6,W*69

$GPGLL,   <msgtype>
5058.809,N,00647.103,E, <Koordinaten>
162044, <Uhrzeit>
A <Status>
*21 <Checksumme>

$GPRMC, <msgtype>
162045, <Uhrzeit>
A, <Status>
5058.809,N,00647.103,E, <Koordinaten>
001.1, <Geschwindigkeit in Knoten>
131.5, <Kurs/Richtung in Grad>
061099, <Datum>
000.6,W <magnetische Abweichung, Betrag in Grad und Richtung W/E für West/Ost>
*69  <Checksumme>

Aus beiden Msgtypes kann man also Position, Status, und Uhrzeit ablesen, aber $GPRMC übermittelt eben zusätzliche Informationen. Ähnliche Überlappungen gibt es mit der $GPGGA Sentence:

$GPGGA,162045,5058.809,N,00647.103,E,1,03,2.5,63.1,M,47.2,M,,*79

Die anderen im o.a. Logfile vertretenen Msgtypes beschäftigen sich mit der Anzahl der sichtbaren Satelliten sowie deren Empfangsqualität, Höhe der aktuellen Position, sowie weiteren Betriebsparametern des GPS System.
Für die meisten Anwender interessant sind natürlich im Wesentlichen Position, Höhe, Geschwindigkeit, Richtung, Uhrzeit und Datum.



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- Welche Beziehungen bestehen zwischen GPS und GSM / Handys?
Wenige. Das GPS und der verbreitete GSM Handystandard benutzen recht ähnliche Frequenzen (ca.1,2/1,5GHz GPS - 0,9/1.8Ghz GSM), aber das ist es auch schon. Stören tun sich beide Systeme nicht. Es gibt ein paar weitere Berührungspunkte, z.B. Autoantennen: Im Auto kann man Handys benutzen, ebenso wie GPS in Form von Navigationssystemen. Um nicht für beide Systeme (plus ggfs. Radio) eine separate Antenne installieren zu müssen, kann man sog. Hybridantennen kaufen, mit denen GPS, GSM, und ggfs. auch Radio abgedeckt ist. Allerdings enthalten diese Hybridantennen nicht wirklich nur eine einzige Antenne für alle Systeme - so frequenzkompatibel sind diese wie gesagt nicht. Vielmehr sind in solchen Antennen zwei oder drei separate Antennen räumlich zusammengefasst. Ein weiterer Berührungspunkt sind Flottenmanagementsysteme: Bei solchen Systemen wird die Position eines Fahrzeugs über einen GPS Empfänger ständig ermittelt und über eine Funkverbindung (in letzter Zeit immer öfter über Handy/GSM Datendienst oder SMS) an eine Zentrale gemeldet, die so ständig über den Standort ihrer Fahrzeuge informiert ist. Ein solches System kann man z.B. auch für die Verfolgung gestohlener Fahrzeuge verwenden. Einige Autohersteller bieten für ihre Luxuskarossen solche Alarmsystemzusätze an.
Und der letzte Zusammenhang: Die amerikanische Zulassungsbehörde für Telekommunikationseinrichtungen, FCC, hat kürzlich einen Erlass veröffentlicht, nach dem in Zukunft alle Handys einen Mechanismus aufweisen müssen, durch den z.B. bei einem Notruf die aktuelle Position des Handybenutzers ohne großen Aufwand an die Notrufstelle übertragen werden kann. Dies setzt beim gegenwärtigen Stand der Technik einen GPS Empfänger im Handy voraus (allerdings basteln die Mobilfunkbetreiber auch an alternativen Methoden, um ohne GPS auskommen zu können ->Celldetection).
Merkwürdig ist allerdings, daß das amerikanische FBI sich in diesem Zusammanhang erstaunlich stark engagiert gezeigt hat. Warum nur?

 - Und welche Beziehung besteht zwischen GPS und Funkuhren (DCF77)?
Streng genommen keine. Mit Funkuhren kann man im Empfangsbereich des DCF77 Signals (mittlerweile faktisch europaweit) eine ständige sehr genaue Uhrzeit erhalten. Das GPS System erzeugt ebenfalls eine atomgenaue Uhrzeit und übermittelt diese an die GPS Empfänger, allerdings ist die Uhrzeit im GPS wesentlich genauer ermittelbar als über DCF77. Beide basieren auf Atomuhren und die absolute Genauigkeit ist sehr hoch. Das verhältnismäßig einfach gestrickte DCF77 Signal kann jedoch nur eine spontane Genauigkeit im Sekundenbereich liefern, während übliche GPS Empfänger durchaus spontane (abfragbare) Genauigkeiten im Bereich 100ns erreichen können. Somit können GPS Empfänger nicht nur sehr genaue Positionsmeldungen liefern, sondern auch für präzise Zeitmessungen und Synchronisationszwecke eingesetzt werden, und zwar WELTWEIT!


- Was ist mit GPS und Elektrosmog? Ist ein GPS Empfänger gefährlicher als ein Handy oder eine Mikrowelle?
Die im GPS übertragenen Strahlungsleistungen sind extrem gering und liegen unter denen des GSM/Handysystems, und auch bei Handys steht mehr die vergleichsweise viel höhere Sendestrahlung des Handys und nicht die lokal vorhandene Immissionsleistung der Basisstationen für den Empfang in der Kritik, zumal beschränkt auf den Kopfbereich. Selbst ausgesprochene Handy Skeptiker dürften mit der Belastung durch das GPS keine Probleme haben.
Der Einsatz eines GPS Empfängers stellt also keine Belastung durch elektromagnetische Wellen des GPS Systems dar - das Wellenspektrum des GPS Systems wirkt auch ohne GPS Empfänger in der Nähe ohnehin auf unseren Organismus ein (wie auch z.B. die Ausstrahlung von Fernsehprogrammen über Satellit) und läßt sich nur durch Abschirmung vermeiden, wozu bereits Materialien mit geringer Dichte ausreichen. Andere ständig in unserer Umwelt aktive Emissionsquellen stellen viel größere potentielle Risiken dar.


 

Weitere Fragen an: audiovisual@t-online.de
 
 

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Nützliche Software:

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Sonstiges:
 
 

InfoLinks:

Die amtlichen Einstiegspunkte zu GPS Informationen im Internet:

'Joe and Jack ' - was man hier nicht findet, gibts nicht ...

http://joe.mehaffey.com/

Peter Bennet - dto.

http://www.cnde.iastate.edu/gps.html

Sam's GPS Raw Data Pages - etwas speziellere Seiten mit Informationen zu DGPS, RAW data, Algorithmen, Fehlerermittlung, Receiverspezifika, etc. pp.

http://callisto.worldonline.nl/~samsvl/
 
HerstellerLinks:

DeLorme, Hersteller von Karten, GPS Software (Street Atlas, TopoUSA, SOLUS), und GPS Empfängern
http://www.delorme.com

Trimble, Hersteller von GPS Empfängern, OEM Boards, Software und industrieller GPS Technologie (Precision Farming, Mining, etc.)
http://www.trimble.com

Garmin, Hersteller von GPS Empfängern, darunter den sehr populären GPS12 und GPSIII, sowie div. anderen Navigations- und Kommunikationsgeräten (Nautik und Avionik).
http://www.garmin.com

Magellan, Hersteller von div. GPS Empfängern und Software
http://www.magellan.com