Fahrzeugnavigationssystem
Georg Vickus, Hildesheim, Till Bräuninger, Trier
Fahrzeugnavigationssysteme, E vehicle navigationsystem, ermöglichen eine zielgerichtete Navigation von Fahrzeugen. Wesentliche Komponenten eines Fahrzeugnavigationssystems sind ein Navigationsrechner, eine digitale Karte mit darin enthaltenen Straßen und anderen topographischen Objekten, eine Benutzerschnittstelle, welche die Kommunikation des Benutzers mit dem Fahrzeugnavigationssystem gewährleistet, ein Ortungssystem, das die aktuelle Fahrzeugposition im Stand und während der Fahrt bestimmt, ein Algorithmus zur Routenberechnung zwischen der Fahrzeugposition und einem vorgegebenen Ziel sowie die Zielführung, welche Fahranweisungen für den Benutzer generiert und an den Benutzer kommuniziert (Abb. 2). Fahrzeugnavigationssysteme werden als Erstausrüstungskomponenten in Neuwagen, als Nachrüstsysteme für den Festeinbau in Autos oder auch als mobile Systeme auf PC-Basis angeboten. Als Erstausrüstungssysteme sind sie in der Regel kombiniert mit dem Autoradio (Radionavigationssystem).
Die in Fahrzeugnavigationssystemen verwendete digitale Karte enthält die Straßen, Wege, Fähren und Plätze als Kartenobjekte, die für die Navigation zur Verfügung stehen. Die Objekte sind in einer geometrisch-topologischen Knoten-Kanten-Struktur gespeichert. Um eine korrekte Routenberechnung zu ermöglichen, sind die geometrisch-topologischen Elemente mit Namen, Attributen und Relationen versehen. Wesentliche Attribute sind die funktionale Straßenklasse, welche die hierarchische Bedeutung einer Straße repräsentiert sowie die Netzwerkklasse, welche die übergeordnete Verbindungsfunktion einer einzelnen Straße im Netzwerk aller Straßen abbildet. Darüber hinaus werden Einbahnstraßenrichtungen, Absperrungen, Brücken, Tunnel und andere Eigenschaften als Attribute gespeichert. Wichtigste Relationen sind Über- und Unterführungsrelationen sowie Abbiegege- und -verbote. Punktförmig modellierte Objekte wie Ortsmittelpunkte, Bahnhöfe oder Flughäfen dienen als direkt anwählbare Ziele für die Routenberechnung und Zielführung. Darüber hinaus beinhaltet die digitale Karte weitere topographische Objekte wie politische Grenzen, Gewässer, Siedlungsflächen, Landnutzung und Eisenbahnstrecken. Diese dienen nicht unmittelbar der Routenberechnung und Zielführung, erleichtern aber als zusätzliche topologische Elemente in einer Karte die Orientierung. Die Zuverlässigkeit der Zielführung mit Navigationssystemen hängt maßgeblich von der Qualität der digitalen Karte ab. Sie unterliegt daher einer ständigen Aktualisierung und Qualitätskontrolle. Kriterien hierbei sind die geometrische Genauigkeit, die topologische und logische Datenkonsistenz sowie die Vollständigkeit, Richtigkeit und Aktualität der digitalen Karte. Die Spezifikation für digitale Karten der Fahrzeugnavigation wird unter dem Namen GDF (Geographic Data Files) als Europäische Norm beim CEN (Comité Européen de Normalisation) und als internationaler Standard bei der ISO (International Organization for Standardization) bearbeitet.
Die Benutzerschnittstelle ermöglicht die Kommunikation zwischen dem Benutzer eines Fahrzeugnavigationssystems und dem System selbst. Hierbei wird die Eingabe von Informationen durch Texteingabe über Tasten oder durch akustische Kommandos und Spracherkennung ermöglicht. Die Texteingabe wird meist durch eine Kombination von nur wenigen Tasten am Fahrzeugnavigationssystem in Verbindung mit einer Menüsteuerung am Bildschirm, wo auch das Alphabet dargestellt wird, realisiert. Darüber hinaus kommt auch die Touchscreen-Technologie zum Einsatz. Bei der akustischen Eingabe werden die ausgesprochenen Kommandos des Benutzers sowie geographische Namen durch das Navigationssystem erkannt und verwertet.
Die Ausgabe von Informationen durch das Fahrzeugnavigationssystem erfolgt visuell über einen Bildschirm und akustisch durch Sprachausgabe. Bei der visuellen Ausgabe von Informationen aus dem Fahrzeugnavigationssystem werden Texte, Signaturen, kartographische Darstellungen und Bilder genutzt. Um den Fahrer während der Fahrt von visuellen Reizen durch das Navigationssystem zu entlasten, werden die Fahranweisungen in der Regel auch akustisch über einen Lautsprecher durch Sprachausgabe gegeben.
Für die Ortung von Fahrzeugen werden Satelliten als externe Signalgeber sowie mit dem Fahrzeugnavigationssystem fest verbundene Signalgeber wie Tachometerimpuls, Radsensoren und elektronischer Kompass genutzt. Um kontinuierlich eine ausreichende Genauigkeit zu gewährleisten, wird in der Regel eine Kombination aus mehreren Signalen genutzt. Mit dem Empfang der Signale von Satelliten des GPS (Global Positioning Systems) im Fahrzeug kann eine Genauigkeit von besser als 100 m erreicht werden. Sie kann weiter verbessert werden, indem zusätzlich der Tachometerimpuls zur Bestimmung der zurückgelegten Strecke und ein elektronischer Kompass zur Bestimmung der Richtung gegenüber magnetisch Nord genutzt wird. Alle Signale werden durch einen Algorithmus, das sog. Mapmatching, mit der Straßengeometrie der digitalen Karte abgeglichen. Hierbei wird unterstellt, dass sich das Fahrzeug auf einer Straße und nicht abseits der Straße befindet. Durch das Mapmatching wird eine Genauigkeit der Ortung erreicht, die annähernd der geometrischen Genauigkeit der digitalen Karte entspricht. Die Nutzung von fahrzeuginternen Sensoren ist wichtig, da externe Signale insbesondere durch Abschattungseffekte in städtischen Gebieten oder in Tunneln nicht immer zur Verfügung stehen.
Der Algorithmus zur Routenberechnung in Fahrzeugnavigationssystemen nutzt die geometrisch-topologische Knoten-Kanten-Struktur der Straßen und Fähren der digitalen Karte sowie deren Attribute und Relationen. Wichtigste Attribute sind hierbei die hierarchische Klassifizierung der Straßen, Einbahnstraßenrichtungen sowie die gespeicherten Relationen. Das Ergebnis der Routenberechnung ist die eindeutige Bestimmung einer Route zwischen dem Standort und dem Ziel. Der Fahrzeugnavigationssystemnutzer kann in der Regel gewisse Parameter für die Routenberechnung vorgeben, um die Route individuell zu optimieren. Hierbei ist eine Anpassung auf das individuelle Fahrverhalten, z. B. die bevorzugte Durchschnittsgeschwindigkeit auf Autobahnen oder auf die bevorzugte Eigenschaft der Route, z. B. die schnellste Route oder die kürzeste Route, möglich. Weitere verbreitete Routenoptionen sind das Vermeiden von Autobahnen oder Mautstraßen. Weicht der Fahrer von einer vorgegebenen Route ab, erfolgt in der Regel automatisch eine Neuberechnung, so dass eine kontinuierliche Zielführung möglich ist. Bei der dynamischen Routenberechnung werden zusätzlich zu den Daten der digitalen Karte auch die aktuelle Verkehrssituation, also Staumeldungen, Sperrungen und andere Verkehrsbehinderungen während der Fahrt übermittelt und berücksichtigt. Die Datenübertragung kann über den Traffic Message Channel (TMC) des Radio Data Systems (RDS), über Datenübertragung mit Mobiltelefonen oder über Funkbaken am Straßenrand erfolgen. Wird über eines der Datenübertragungssysteme eine für die aktuell berechnete Route relevante Verkehrsbehinderung übertragen, erfolgt eine Neuberechnung der Route unter Berücksichtigung dieser Verkehrsmeldung. Hierdurch ist für den Fahrer z. B. die Umfahrung von Staus möglich.
Die Zielführung erfolgt durch Fahranweisungen für jeden Entscheidungspunkt. Als Entscheidungspunkte sind hierbei alle Kreuzungen und Abzweigungen zu betrachten, an denen der Fahrer einen Hinweis benötigt, um der berechneten Route folgen zu können. Die Fahranweisungen erfolgen in Fahrzeugnavigationssystemen in der Regel in einer Kombination aus sprachlicher und graphischer Ausgabe. Sprachliche Fahranweisungen erlauben dem Fahrer, der berechneten Route zu folgen, ohne sich durch visuelle Reize vom Verkehrsgeschehen ablenken zu lassen. Eine Zielführung ausschließlich durch sprachliche Anweisungen erfordert einen sehr hohen Qualitätsstandard der digitalen Karte, um die Anweisungen exakt und zum richtigen Zeitpunkt geben zu können. Die Zuverlässigkeit der Zielführung nur mit sprachlichen Fahranweisungen ist jedoch besonders in komplexen Kreuzungssituationen oder größeren Plätzen ohne exakte Fahrbahnmarkierungen und vielen Einmündungen eingeschränkt, da hier die Beurteilung der Verkehrssituation oft der subjektiven Wahrnehmung des Fahrers unterliegt. Die graphische Ausgabe von Fahranweisungen erfolgt durch einfache Signaturen, durch komplexe Signaturen oder durch Kartenausschnitte. Bei der einfachen Signaturdarstellung wird die Sprachanweisung graphisch durch schnell wahrnehmbare Pfeilsignaturen, welche die empfohlene Fahrtrichtung angeben, auf einem Display visualisiert. Bei der komplexen Signaturdarstellung werden die Pfeile für die Fahrtrichtung zusätzlich durch die nicht zu befahrenden Straßen einer Kreuzung ergänzt. Dadurch entsteht ein generalisiertes Abbild der Kreuzung, wobei die empfohlene Fahrtrichtung besonders hervorgehoben ist. Erst durch die komplexe Signaturdarstellung wird die Zielführungsqualität gegenüber der ausschließlich sprachlichen Ausgabe von Fahranweisungen in schwierigen Kreuzungssituationen durch die zusätzlich präsentierten topologischen Informationen erheblich gesteigert.
Zusätzlich zur graphischen Ausgabe durch Pfeilsignaturen verfügen viele Fahrzeugnavigationssysteme über die Möglichkeit, die berechnete Route als elektronische Karte auf dem Display darzustellen. Hierbei kann in der Regel zwischen unterschiedlichen Maßstäben und Darstellungsoptionen gewählt werden. Der Maßstabsbereich liegt zwischen ca. 1 : 5 000 bis ca. 1 : 10 Mio. Bei den Darstellungsoptionen unterscheidet man primär zwischen genordeter und rotierender Darstellung, bei der die Karte immer in Fahrtrichtung gedreht wird. Darüber hinaus bieten einige Systeme eine Darstellung aus einer Schrägperspektive an, die sog. Birdview-Darstellung. Die Kartendarstellung hat während der Fahrt generell den Nachteil, dass sie aufgrund ihrer vergleichsweise komplexen graphischen Struktur nicht unmittelbar erfassbar ist und daher die Gefahr besteht, dass der Fahrer vom Verkehrsgeschehen abgelenkt wird. Fahrzeugnavigationssysteme mit Kartendarstellung bieten deshalb häufig die Möglichkeit, gleichzeitig mit der Karte auch die Fahranweisung in Form von Pfeilsignaturen einzublenden.
Neben Fahrzeugnavigationssystemen i.e.S. existieren auch GPS-Viewer, die nur die Darstellung der aktuellen Position des Fahrzeugs vor dem Hintergrund einer elektronischen Karte ermöglichen. Die Genauigkeit dieses Systems ergibt sich ausschließlich aus der Genauigkeit der Satellitensignale. Die Anforderungen an die digitale Karte sind hierbei wesentlich geringer als bei Fahrzeugnavigationssystemen. Im einfachsten Fall reichen bereits gescannte Karten im Rasterdatenformat. GPS-Viewer haben für die Fahrzeugnavigation nur geringe Bedeutung erlangt, da keine Zielführung möglich ist und eine Betrachtung von größeren Gebieten zur übergeordneten Orientierung nur in unzureichender Qualität möglich ist.
In Kombination mit weiteren Telematikanwendungen bilden Fahrzeugnavigationssysteme eine wichtige Komponente für zahlreiche kartenbasierte Anwendungen im Transportbereich etwa in Form von Fracht-, Logistik-, oder Flottenmanagementsystemen. Ergänzend zum Fahrzeugnavigationssystem ist bei derartigen Systemen eine Kommunikation mit einer Dienstleistungszentrale möglich, von der aus die Fahrzeuge z. B. flexibel an aktuelle Ziele geführt oder Frachten für die Weiterleitung auf unterschiedliche sich in der Nähe befindliche Fahrzeuge verteilt werden können (Abb. 1).

Literatur: CLAUSSEN, H. (1995): Digitale Karten für Fahrzeugnavigationssysteme. In: 79. Deutscher Geodätentag 1995 in Dortmund, Schriftenreihe des DVW, Band 20, S. 9-22.

FahrzeugnavigationssystemFahrzeugnavigationssystem: Bedienungselemente und Benutzerführung des Fahrzeugnavigationssystems TravelPilot DX-N.

Fahrzeugnavigationssystem 2:Fahrzeugnavigationssystem 2: Zusammenwirken der einzelnen Komponenten.