mini|Straßennavigation per Smartphone mit OsmAnd, einem Opensource-Routing-Programm mit freien Kartendaten von OpenStreetMap
Ein Navigationssystem ist ein technisches System, das mithilfe von Positionsbestimmung (Satellit, Funk, Mobilfunk bzw. inertes oder autonomes System) und Geoinformationen (Topologie-, Straßen-, Luft- oder Seekarten) eine Zielführung zu einem gewählten Ort oder eine Route unter Beachtung gewünschter Kriterien, siehe auch die mittlerweile breite Auswahl an digitalen Routenplanern, ermöglicht.
Aufbau Das eigentliche, auf Funknavigation basierende System ist meist zweiteilig. Es besteht aus einer Empfangseinheit, die Funksignale mehrerer kodierter Sender auf ihre Laufzeit hin untersucht. Aufgrund dieser Daten berechnet es seinen aktuellen Standort (zur Abgrenzung siehe auch Inertiales Navigationssystem). Fast alle der heute erhältlichen Navigationsgeräte benutzen globale Navigationssatellitensysteme wie GPS, GLONASS, Beidou oder Galileo zur Positionsbestimmung.
Die sichere Berechnung ist möglich, sobald drei Signale empfangen werden, denn nur dann können unvermeidbare Uhrenfehler im Empfänger ausgeglichen werden. Bei einem vierten Signal lässt sich zusätzlich die Meereshöhe bestimmen. Wenn noch weitere Satellitensignale vorliegen, erhöht das die Präzision der Berechnung. Damit ergibt sich die geographische Position in Breitengrad und Längengrad, wobei die Genauigkeit heute bei wenigen Metern liegt. Ergänzt wird das System meist durch einen elektronischen Kompass, so dass außer der Position auch die Bewegungsrichtung des Benutzers bekannt ist. Mit der Einbeziehung des Dopplereffekts ist auch eine Berechnung der aktuellen Geschwindigkeit des Empfängers möglich.
Navigationssysteme übertragen diese Daten in digitale Karten und können somit nicht nur die Position in Koordinaten angeben, sondern auch ein grafisches, benutzerfreundlicheres Abbild der Position in einer digitalen Karte erzeugen. Durch das Vorhandensein von Kartenmaterial im Navigationssystem besteht die Möglichkeit, nach Eingabe von Zielkoordinaten eine Route vom momentanen Aufenthaltsort zum gewünschten Zielort zu erhalten. Dabei wird nicht die Luftlinie zwischen Ausgangsposition und Ziel angezeigt, sondern ein Weg über Verkehrswege, wie sie im Kartenmaterial hinterlegt sind, der mit einem sogenannten Routing-Verfahrens bestimmt wurde. So besteht die Möglichkeit, sich vom Navigationssystem auch in unbekannter Umgebung zum Ziel führen zu lassen. Die Empfehlungen zur Route werden meist durch Anzeige auf dem Display und gesprochene Abbiegeanweisungen gegeben.
Das Berechnen einer Route über die Verkehrswege des Straßenverkehrs, in dem oft eine Vielzahl von Straßen zum gewünschten Ziel führen, stellen hohe Anforderungen an das System. Verkehrsführungen wie Brücken, Einbahnstraßen, Sackgassen, Fähren oder ähnliches müssen beachtet werden. Da im Straßenverkehr auch Geschwindigkeitsbegrenzungen und zu erwartende Durchschnittsgeschwindigkeiten zu beachten sind, bieten fast alle Navigationssysteme an, Routen nach verschiedenen Kriterien zu berechnen, beispielsweise Minimierung der Fahrzeit, Minimierung der Fahrstrecke, Vermeidung von Autobahnen, Vermeidung von Mautstraßen.
Geschichte Die ersten Navigationssysteme waren das sogenannte LORAN-C (Long Range Navigation), das zu Beginn des Zweiten Weltkrieges entwickelt wurde und zunächst als Navigationserleichterung für Kampfflugzeuge diente, sowie das ursprünglich „QM“ genannte Decca, das zur maritimen Navigation eingesetzt wurde.
LORAN-C besteht aus 19 Sendestationen, die weltweit verteilt sind. Eine Station dient als Hauptsender, die anderen als Nebensender. Aus der Zeitdifferenz der Signale kann die Position errechnet und anhand einer Karte bestimmt werden.
Für die maritime Navigation war OMEGA ein Funknavigationssystem zur weltweiten Positionsbestimmung, das von 1968 bis 1997 in Betrieb war.
Heute beruhen die meisten Systeme auf den globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) wie GPS, GLONASS, Beidou oder Galileo. Der Einsatz begann im Bereich des Flugverkehrs und weitete sich dann auf die Schifffahrt aus. Seit den 1990er Jahren finden Navigationssysteme auch Einzug in andere Bereiche, z. B. den Straßenverkehr. Um 2000 hinzugekommen sind auch Einsatzgebiete im Outdoor-Bereich wie Wandern, Radsport oder Geocaching.
Auch in der Landwirtschaft und im Straßenbau werden Navigationssysteme verwendet, teils mit verbesserter Genauigkeit im cm-Bereich durch Echtzeitkinematik.
Die aktuellen Satelliten-Navigationssysteme bestehen meist aus der Kombination von einem GNSS-Empfänger und einer elektronisch gespeicherten Karte. Es gibt jedoch auch Navigationssysteme, die sich die benötigte Karten-Information aus dem Internet herunterladen, z. B. Google-Maps auf Smartphones.
Kraftfahrzeug-Navigationssysteme Geschichte Die Geschichte von Navigationssystemen für Automobile begann bereits vor dem Ersten Weltkrieg mit unterschiedlichen Geräten, die als Hilfsmittel zur Navigation entwickelt wurden. Der amerikanische Ingenieur Joseph W. Jones aus New York meldete 1909 ein scheibenförmiges Straßen- und Ortsverzeichnis mit Kilometerzähler zu dem 1912 veröffentlichten US-Patent Nr. 1040345 an. Das Gerät wurde mit der Tachowelle verbunden, um die Scheibe weiterzudrehen. Das Gerät konnte von einem Beifahrer oder von Passagieren auf der hinteren Sitzbank abgelesen werden, um dem Chauffeur die Richtung entsprechend anzusagen. Der Hersteller Baldwin aus Boston bot 1909 das Gerät Auto Guide an. Das Gerät wurde im Blickfeld hinter dem Lenkrad angebracht und enthielt eine sichtbare Streckenbeschreibung auf Rollen aus Zelluloid, die entsprechend der zurückgelegten Fahrstrecke von Hand weitergedreht wurden. Das Signaling Device von Chadwick hatte drehbare Papierscheiben mit Streckeninformationen und mechanisch betätigte Fahrtrichtungszeiger. Lee S. Chadwick meldete 1910 seine Erfindung als Signaling Device an und erhielt 1916 das Patent zu dem Gerät.
mini|Aktie der Soc. Italiana Segnalatore Automatico vom 1. Januar 1911 1911 führte die Società Italiana Segnalatore Automatico ein System an, das u. a. mit dem österreichischen Patent Nr. 55809 im Jahr 1912 geschützt wurde. Bei diesem System war auf Landkarten in Rollenform der Streckenverlauf mit markanten Punkten und Abzweigungen eingezeichnet. Indem der Fahrer die Rolle dem Fahrtverlauf folgend weiterdrehte, hatte er immer die Orientierung, wie er weiterfahren musste.
Ein Gerät mit Sprachansage erfand der amerikanische Erfinder George E. Boyden aus New York zur US-Patent Nr. 1168053 das Vehicle Signaling System,. Ein Phonograf sagte die Hinweise zum Streckenverlauf an. 1921 erschien der Map Holder von John J. Bovy aus Minnesota.
1932 wurde in Italien das Iter Auto (Eigenschreibweise Iter Avto; sinngemäß für „Der Weg des Autos“) vorgestellt. Es war ein weiterer früher Vorläufer heutiger Navigationsgeräte. Jedoch wurden, auch bedingt durch die damals eher geringe Anzahl von Autos auf den Straßen, nicht viele Geräte abgesetzt. mini|Iter Avto, ein frühes Navigationsgerät (1932) Das Funktionsprinzip des Iter Avto bestand aus der Anzeige einer vorher festgelegten Strecke. Sie wurde auf eine Papierrolle übertragen und in das Iter Avto eingelegt. Das System ist mit dem Antrieb des Fahrzeugs verbunden. Je nach Geschwindigkeit wurde die Rolle langsamer oder schneller abgespult. Durch eine Sichtscheibe im Gerät sah der Fahrer den jeweils vor ihm liegenden nächsten Streckenabschnitt. Bedingung für die korrekte Funktionsweise war, dass auch wirklich exakt diese Strecke befahren wurde, denn es gab keine Sensoren, die Abweichungen von der Wegbeschreibung erkannt hätten. Navigationsgeräte, die diese Technik auch heute noch einsetzen, sind Roadbooks, die bei Oldtimer-, Fahrrad- und Motorradtouren genutzt werden.
1980 wurde im Raum Recklinghausen das System ALI (Autofahrer-Leit- und Informationssystem) im Probebetrieb installiert; 400 Fahrzeuge nahmen an dem Versuch teil. Für die Zieleingabe mussten Codes aus einem Heft abgelesen und in das Gerät eingegeben werden. Die grobe Positionsbestimmung erfolgt durch am Straßenrand aufgestellte Funksysteme mit Antennen in der Fahrbahn. Über diese wurde das Gerät beim Überfahren mit einem Zentralcomputer verbunden, der Fahranweisungen berechnete und an das Fahrzeug zurückschickte. Über ein LC-Display erhielt der Fahrer Fahreinweisungen. Das System konnte auch Empfehlungen zur Stauumfahrung geben und vor Nebel oder Glätte warnen.
1981 brachte Honda in Kooperation mit Alpine Electronics erstmals ein Auto-Navigationssystem, den Electro Gyrocator, auf den Markt. Im Heck des Fahrzeugs befand sich ein Vakuumtank, in dem ein aus der Luftfahrt übernommener Drehwinkelsensor Richtungsänderungen erfasste. Gemeinsam mit einem Wegstreckensensor lieferte er ein Signal, aus dem der Bordrechner eine der zurückgelegten Fahrstrecke entsprechende Linie berechnete, die auf einem Monochrom-Monitor in der Mittelkonsole des Wagens angezeigt wurde. Zur geographischen Orientierung musste der Fahrer eine transparente Karte vor den Monitor spannen und die angezeigte Wegstrecke mit dem dazu passenden Straßenverlauf auf der Karte zur Deckung bringen. Der Electro Gyrocator war jedoch noch kein Navigationssystem im heutigen Sinne, da er weder den absoluten Standort des Fahrzeugs ermitteln noch dem Fahrer Vorschläge zur Routenwahl machen konnte.
Im Jahr 1982 entwickelte die Blaupunkt GmbH in Hildesheim den „Elektronischen Verkehrslotsen für Autofahrer“, kurz EVA. Die Ortung beruhte auf der Erfassung durch Radsensoren. Der Nutzer erhielt die Fahranweisungen als Sprachausgabe. EVA wurde 1983 offiziell vorgestellt. Es war das erste autarke Navigationssystem.
1984 stellte VDO in Kooperation mit einem Straßenkartenverlag das System City-Pilot vor. Kern dieses in der Werbung als „elektronisches Navigationssystem“ bezeichneten Gerätes war ein Erdmagnetfeld-Sensor, der die ungefähre Position des Fahrzeugs ermittelte. Jede Seite der Karte enthielt einen Barcode mit den zum Mittelpunkte des jeweiligen Kartenausschnittes gehörenden Koordinaten. Über ein Lesegerät konnte der Barcode erfasst werden, womit keine straßengenaue, sondern lediglich eine Navigation in den zugehörigen Kartenausschnitt möglich war. Das VDO-System unterstützte den Fahrer bei der Navigation, indem es ihm die Himmelsrichtung und die Entfernung (Luftlinie) zum Zielkartenausschnitt anzeigte.
1985 brachte das kalifornische Unternehmen Etak den Navigator auf den Markt, der noch ohne GPS-Daten arbeitete. Nach Eingabe der Position auf einer digitalisierten Karte auf einem kleinen, grün leuchtenden Bildschirm orientierte sich der Navigationscomputer anhand von zwei Radsensoren und einem Kompass im digital abgespeicherten Straßennetz. Wegen der geringen Speicherkapazität mussten immer wieder Daten von einem Data-Kassettenrecorder in das Gerät überspielt werden, was den Betrieb umständlich machte. Da die finanziellen Möglichkeiten von Etak begrenzt waren, konzentrierten sie sich später auf die Herstellung digitaler Landkarten und verkauften Gerätelizenzen an Blaupunkt (Deutschland), Clarion (Japan) und Delco (USA).
1987 führte Toyota im Crown die ersten CD-ROM-basierten Pkw-Navigationssysteme ein, mit Farbmonitor.https://global.toyota/en/detail/7802997
Im Jahr 1989 brachte Bosch über die Tochterfirma Blaupunkt das TravelPilot IDS auf den Markt. Dieses System navigierte mittels Informationen von Radsensoren sowie einer gespeicherten digitalen Straßenkarte. Pioneer folgte 1990 mit dem ersten GPS-gestützten Auto-Navigationssystem.
mini|Navigationssystem im Oldsmobile Toronado, Baujahr 1992