Sie haben Ihr Ziel erreicht!

Dieser Satz wurde wohl schon unzählige Male durch eine charmante Computerstimme vorgetragen – sei es am Ende einer abenteuerlichen Reise in den Urlaub oder nach dem Suchen des neuen Frisörsalons in der versteckten Nebengasse. Doch was steckt hinter der charmanten Computerstimme, die Personen auf der ganzen Welt an ihr Ziel begleitet?

Jene uns vertraute Stimme ist Teil eines Navigationssystems, welches heutzutage von den meisten als selbstverständlich angesehen wird. Bei modernen Autos gehören sie quasi zur Grundausstattung, Smartphones haben vorinstallierte Apps zur Routenplanung. Extra angefertigte Navigationsgeräte stapeln sich in Geschäften und bei Onlineversandhändlern. Kurz gesagt: Niemand muss auf ein Navigationssystem verzichten.

Dem war jedoch nicht immer so. Wie viele andere Innovationen hat das Navigationssystem seinen Ursprung eigentlich in der Kriegswelt, genauer gesagt im 2. Weltkrieg. Das sogenannte „LORAN“ Funknavigationssystem wurde damals für die Seefahrt und der Navigationserleichterung von Kampfflugzeugen eingesetzt. Dieses von den USA entwickelte System gilt als das erste Navigationssystem überhaupt und wurde bis zu den 1990er Jahren bevorzugt verwendet. Danach wurden die „LORAN“ Navigationssysteme jedoch durch eine neuartige technologische Möglichkeit abgelöst: die globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS). Falls man sich bei dem Ausdruck nur denkt „Was für Satelliten?“ – das geläufige Global Positioning System (GPS) ist zum Beispiel so ein Navigationssatellitensystem. Es gibt aber noch mehrere GNSS, wie das russisches System GLONASS oder das von der Europäischen Union betriebene Galileo. Durch die Entwicklung solcher Systeme erreichte die Positionsbestimmung auch Einzug in andere Bereiche, wie etwa in den Straßenverkehr. Heute ist es mit Technologien wie GPS möglich, den eigenen Standort praktisch überall abzurufen – sei es auf der Autobahn oder in einem abgelegenen Wald.

GPS – Genaue Positionsbestimmung sichergestellt?

Hier stellt sich zunächst die Frage, wie es denn überhaupt möglich ist, seinen Standort, egal wann und wo man sich befindet, festzustellen. Um diese Frage beantworten zu können, benötigt man zunächst mehrere Satelliten im Weltall und ein Empfängergerät auf der Erde, von welchem der Standort bestimmt werden soll, beispielsweise das Navigationsgerät im Auto, das Smartphone oder die Sportuhr. Zur Erinnerung, die GPS Technologie ist ein Navigationssatellitensystem, weswegen, wie es der Name bereits erahnen lässt, mit mehreren Satelliten im Weltraum gearbeitet wird. Diese Satelliten verraten uns dabei durch Radiosignale laufend zwei wichtige Merkmale: ihre jeweilige aktuelle Position und die genaue Uhrzeit. Das Empfängergerät auf der Erde empfängt dabei diese Daten von verschiedenen Satelliten. Je nachdem wie weit die Satelliten vom Empfängergerät entfernt sind, ergeben sich folglich verschiedenen Signallaufzeiten. Mit diesen kann dann das Navigationsgerät zum Beispiel berechnen, wie weit es von dem nächsten Satelliten entfernt ist. Um nun den tatsächlichen Standort zu ermitteln, reicht leider nicht nur ein Satellit. Das ist jedoch kein Problem, da dafür mehr als genug im Weltraum vorhanden sind. In der Theorie benötigt ein Empfängergerät drei Satelliten zur Positionsbestimmung. In der Praxis arbeiten Empfängergeräte aber mit zumindest vier Satelliten zusammen. Wieso das? Die Uhrzeit, die uns die Satelliten dauerhaft senden, ist, einfach ausgedrückt, sehr genau. Bei den Satelliten wurden Atomuhren eingebaut, mit welchen die „einfache“ Uhr eines Smartphones nicht mithalten kann. Durch diese Ungenauigkeit würde sich folglich auch eine inkorrekte Standortmessung ergeben, da die Uhrzeit des jeweiligen Satelliten nie zu 100% mit der des Empfängergeräts übereinstimmt. Das heißt auch, dass durch mehr empfangene Signale besser abgeglichen werden kann. Deswegen wird, um das Problem zu umgehen und nicht jedem Empfängergerät eine teure Atomuhr einsetzen zu müssen, ein vierter Satellit ins Boot geholt.

Nun ist es uns also möglich, in kürzester Zeit unsere Position zu bestimmen. Bei einer Navigation wollen wir jedoch nicht immer nur wissen, wo wir uns gerade befinden. Kommen wir also nun zur abschließenden Frage der Fragen.

Wie führt uns das Navi an unser Ziel?

Um uns wohin auch immer wir möchten bringen zu können, benötigt unser kleiner technologischer Freund drei Kernpunkte: die Möglichkeit zur Positionsbestimmung, eine Routenplanungssoftware und eine digitale Straßenkarte. Letzteres passiert zum Beispiel durch das vorher beschriebene GPS. Nach diesem Verfahren weiß also das Navigationssystem wo wir uns in diesem Moment befinden. Nun enthält das Navigationssystem vorab bereits Kartenmaterial, wodurch nach der Ortung via GPS abgeglichen werden kann, auf welcher Straße genau man sich befindet. Durch das Vorhandensein einer internen digitalen Straßenkarte kann der gewünschte Zielort eingegeben werden. Bekanntlich führen viele Wege nach Rom, wie wird also die Route bestimmt? Hier kommt die Routenplanungssoftware zum Einsatz, welche mithilfe eines Routing-Verfahrens den Weg von A nach B (oder eben Rom) erstellt. Welcher Weg hier als ideal angesehen wird, ist subjektiv – ist es der Kürzeste oder der Ökonomischste? Hier gibt es also verschiedene Lösungsstrategien, um die „perfekte“ Route zu ermitteln. Meist wird die Graphentheorie herangezogen – dabei stellen in der einfachsten Form die Knoten die Kreuzungen dar und die Kanten die Straßenabschnitte zwischen den Kreuzungen. Ein konkretes Beispiel für die Herangehensweise mittels Graphentheorie ist der Dijkstra-Algorithmus, der zur Familie der Shortest-Path Algorithmen gehört. Bei diesem kann von einem Startknoten (also unserem Standort) der kürzeste Pfad (also Weg) zu anderen Knoten (also einem Zielort) gefunden werden. Hierbei wird jede Kreuzung durchlaufen und der Weg dorthin stetig mit den vorhergegangen Kreuzungen abgeglichen, sodass zum Schluss der kürzeste Weg durch das System abgelesen werden kann. Somit lassen sich unsere drei Kernpunkte zu einem funktionstüchtigen Beifahrer kombinieren: Durch GPS wird unser aktueller Standort ermittelt, das System gleicht diesen mit dem internen Kartenmaterial ab, lässt uns einen Zielort auf der Karte angeben und plant uns mit der jeweiligen Routenplanungssoftware mithilfe eines Algorithmus den perfekten Weg. Et voilà, die Reise kann beginnen. In diesem Sinne: Sie haben Ihr Ziel erreicht!

Isabella Deak studiert Data Science an der FH St. Pölten.