GARMIN GPS-Geräte mit elektronischem Höhenmesser

Der GPS-Empfänger berechnet aus den empfangenen Satellitensignalen eine dreidimensionale Positionsangabe, d.h. eine Koordinate und die Höhe. Zu Zeiten der künstlichen Verschlechterung des Satellitensignals (Selective availability - SA) unterlag dieser Höhenwert grossen Schwankungen. Nach dem Abschalten der SA ist die Höhenanzeige zu einer halbwegs brauchbaren Richtgrösse geworden. Die Schwankungen sind aber immer noch beträchtlich (ca. 10-30 Meter). Grundsätzlich darf an die mittels GPS errechnete Höhenanzeige keine zu hohen Ansprüche gestellt werden. Immerhin genügt diese Genauigkeit, um bei einer Ferienreise in den Anden (Ecuador) zu erkennen, dass die Stadt Pichincha auf rund 4800 Meter ü.M. liegt und der Sauerstoffgehalt in der Luft daher geringer wird

Werden exakte Höhenangaben benötigt, wie z.B. beim Bergsteigen oder zur Aufzeichnung eines Höhenprofils empfiehlt sich der Einsatz eines GARMIN GPS-Empfängers mit integriertem barometrischen Höhenmesser, wie dies diverse GARMIN GPS-Modelle (z.B. Oregon, GPSmap 62, 78, Montana und weitere) enthalten. Diese Geräte arbeiten mit modernster Halbleiter-Technologie und messen nach dem piezoresistiven Prinzip den Umgebungsluftdruck und bestimmen auf dessen Basis die Höhe. Gegenüber einem rein mechanischen Höhenmesser zeichnet sich dieses elektronische Prinzip durch eine sehr präzise und hochauflösende Reaktion auf kleinste Druckschwankungen aus. Die Auflösung ist so fein, dass beim Treppensteigen die Höhenveränderung kontinuierlich korrekt angezeigt wird. Testmessungen ergaben eine Genauigkeit von 1-2 Metern. Professionelle elektronische Höhenmesser erreichen nach dem piezoresistiven Prinzip Auflösungen von 20 cm und tiefer (Mehrfachmittelung). Ein rein mechanischer Höhenmesser kann diesen Höhenunterschied nicht anzeigen. Es ist zu beachten, dass es bei einem barometrischen Höhenmesser prinzipbedingt durch Luftdruckschwankungen laufend zu veränderter und deshalb ungenauer Höhenanzeige kommt. Höhendifferenzen von 100 bis 200 m infolge Luftdruckschwankungen von einem Tag auf den anderen sind normal. Bei Wetterstürzen kommt es zu besonders grossen Luftdruckveränderungen.

GARMIN GPS-Empfänger mit integriertem barometrischen Höhenmesser bieten zudem die Möglichkeit, die Luftdruckentwicklung der Aufzeichnungsperiode als Kurve anzuzeigen. Auf diese Weise erhält der Anwender zusätzlich nützliche Hinweise zur Wetterentwicklung, um sich abzeichnende Wetterveränderungen frühzeitig zu erkennen. Die numerische Barometeranzeige erfolgt sowohl für den Umgebungsluftdruck (QFE) wie den auf Meereshöhe bereinigten Luftdruck (QFF).

Der in den GARMIN GPS-Empfängern verwendete barometrische Höhenmesser funktioniert auch bei abgeschaltetem GPS-Empfänger. Die Höhenangabe wird allein aus dem Umgebungsluftdruck (QFE) ermittelt. Optionell können die GARMIN GPS-Geräte auch den aus den Satellitendaten ermittelten Höhenwert in die Kalkulation einbeziehen. Damit werden fehlerhafte Höhen, hervorgerufen durch Luftdruckschwankungen, über die berechnete GPS-Höhe teilweise korrigiert. Diese Regelung funktioniert langsam, ist als Notlösung jedoch einigermassen brauchbar wenn keine sehr exakten Höhenangaben <10 Meter. notwendig sind.

  Broschüre mit Hinweisen zu Wetterlagen im Alpenraum


Der elektronische Höhenmesser im GARMIN-GPS ist eine nützliche Einrichtung, mit dem auch wetterbedingte Luftdruckänderungen zu erkennen sind. Bleibt man während einiger Zeit am gleichen Ort, so geben die Tendenzen des Luftdrucks Hinweise über eine zu erwartende Wetterentwicklung. Es ist zu beachten:

• Fallender Luftdruck ergibt eine steigende Höhenangabe (in Meereshöhe ca. 8 Meter pro 1 hPa),

• steigender Luftdruck ergibt eine sinkende Höhenangabe.

Eine genaue Höhenbestimmung mit dem Höhenmesser kann bei schlechten Sichtverhältnissen für einen Alpinisten von grosser Bedeutung sein.

Die Kenntnis des örtlichen Tagesganges des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens. Der Luftdruck im Tagesgang aufgrund der Lufttemperatur. Direkt zu beobachten ist der Tagesgang in der Regel jedoch nicht, da er von dynamischen Luftdruckschwankungen überlagert wird.

Die Luft übt unter dem Einfluss der Schwerkraft einen Druck auf die Erdoberfläche aus, der von der Luftmenge oberhalb des betrachteten Niveaus abhängt. Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe ab. Da die Luft kompressibel ist, ändert sich der Druck allerdings nicht linear mit zunehmender Höhe. In 3000 Meter über Meer hat man nämlich bereits etwa einen Drittel der Erdatmosphäre unter sich, auf einer Höhe von 5500 Meter hat der Luftdruck um die Hälfte abgenommen, und in 11000 Meter hat er sich wiederum um die Hälfte verringert, d.h. er beträgt nur noch einen Viertel seines ursprünglichen Wertes.

 

Etwas Technik
Die genaue Höhendifferenz kann also von einem Höhenmesser einzig in der Atmosphäre angezeigt werden, die der Eichung zugrunde gelegt worden ist. Wenn nun die tatsächliche und die Standardatmosphäre nicht übereinstimmen, so muss die Höhenanzeige korrigiert werden. Diese Korrektur ist abhängig vom Unterschied zwischen der mittleren Temperatur in der durchstiegenen Luftsäule und derjenigen, welche in der Standardatmosphäre vorhanden wäre. Die tatsächliche Temperatur lässt sich mit einem mitgenommenen Thermometer messen und die zur Standardatmosphäre in einer bestimmten Höhe gehörende Temperatur kann leicht berechnet werden. Will man eine Höhenanzeige korrigieren, so geht es also darum zu wissen, ob in einer durchstiegenen Luftsäule der Luftdruck schneller oder weniger schnell abgenommen hat als in der entsprechenden Schicht in der Standardatmosphäre.

Der Druck ist in der Physik als Kraft pro Fläche definiert. Eine gedachte vertikale Luftsäule also, die vom Erdboden bis an den Rand der Atmosphäre reicht, übt auf eine Einheitsfläche im Durchschnitt das Gewicht (die «Gewichtskraft») von 1013,2 Hektopascal (hPa) aus. Der Luftdruck wird meist mit dem Barometer gemessen, wobei oft noch veraltete Einheiten verwendet werden: 1 hPa = 1 Millibar. Er beträgt im Meeresniveau durchschnittlich etwa 1013 hPa = 1 «Atmosphäre».

Der Luftdruck ist höhenabhängig. Mit zunehmender Höhe nimmt er ab. Dieser Umstand wird bei Höhenmessern angewendet. Der Luftdruck nimmt mit der Höhe alle 5 km auf etwa die Hälfte ab; er beträgt in 32 km Höhe nur mehr 1% und in 50 km nur mehr 1 %o (Promille) = 1 hPa. Die Abnahme des Luftdrucks mit der Höhe erfolgt also exponentiell und zwar nach der «barometrischen Höhenformel» umso stärker, je niedriger die Lufttemperatur ist. Er schwankt mit den Wettervorgängen im Meeresniveau etwa zwischen 985 und 1035 hPa (absolute Extremwerte sind etwa 880 und 1080 hPa).



Abkürzungen:

QFF = Die Luftdruckangabe wie sie normalerweise zum Beispiel in der Zeitung oder im Fernsehen beim Wetterbericht verwendet wird. Bei der Berechnung dieses Wertes wird der Ortsluftdruck, die Temperatur, die Luftfeuchte bzw. der Dampfdruck, ein Höhenfaktor und die Ortshöhe über Normal-Null in die Berechnung des Luftdrucks auf Meereshöhe einbezogen.

QFE = Der tatsächliche Luftdruck am Messort (aktueller Umgebungs-Luftdruck, oder Ortsluftdruck).

QNH = Luftdruckangabe in der Fliegerei. Um die Höhenmessung temperaturunabhängig zu machen, wird für die Berechnung des Luftdrucks QNH eine konstante Temperaturabnahme vom 0.65 Grad Celsius pro 100 Meter, eine Temperatur von 15 Grad Celsius bei einem Druck von 1013.25hPa und die jeweilige Ortshöhe über Normal-Null zugrunde gelegt, unabhängig davon, wie warm oder kalt es tatsächlich ist. Die Luftfeuchte und ein Höhenfaktor bleiben unberücksichtigt. Würde in der Fliegerei der Luftdruck QFF verwendet, käme bei der Höhenberechnung durch den Piloten eine Differenz von bis zu 27 Meter je nach Temperatur heraus. 11.0hPa Druckunterschied entsprechen in etwa 100 m Höhendifferenz. Der QNH-Wert ist der in der Höhe der Landebahnschwelle gemessene und auf NN reduzierte Luftdruck.

Anmerkung: der Begriff QNH ist keine Abkürzung, sondern ist historisch bedingt und gehört neben verschiedenen anderen Begriffen zur sog. «Q-Gruppe». Die Q-Gruppe stammt noch aus der Zeit, als bestimmte Informationen per Morsealphabet an die Flugzeuge übermittelt wurden. Es gibt auch noch die Begriffe QFF, QFE und QNE, die auch zu den Druckbegriffen gehören.


 

Bei einer Ortshöhe von 200 Meter über Meer (NN) und einem Dampfdruck von 1hPa ergeben sich bei einem Ortsluftdruck (QFE) von 980 hPa folgende Werte für den Luftdruck auf NN
Temperatur	QNH hPa	QFF hPa	Differenz	Abweichung Höhenunterschied
-20° C	1003.61	1006.79	3.18	27.40 m
-15° C	1003.61	1006.27	2.66	22.87 m
-10° C	1003.61	1005.76	2.15	18.51 m
-5° C	1003.61	1005.27	1.66	14.32 m
0° C	1003.61	1004.81	1.20	10.29 m
5° C	1003.61	1004.36	0.75	6.40 m
10° C	1003.61	1003.92	0.31	2.65 m
15° C	1003.61	1003.50	0.11	0.97 m
20° C	1003.61	1003.10	0.51	4.46 m
25° C	1003.61	1002.70	0.91	7.84 m
30° C	1003.61	1002.33	1.26	11.10 m
35° C	1003.61	1002.96	0.65	14.26 m
40° C	1003.61	1001.60	2.01	17.31 m

 

Quelle: MeteoSchweiz

 

GARMIN GPS-Geräte mit elektronischem Kompass

Ein GPS-Gerät hat zwei Möglichkeiten aus den empfangenen Satellitendaten die Himmelsrichtung zu ermitteln:

• Aus der Bewegung, d.h. das Gerät berechnet den Kurs aus vorheriger Position und aktueller Position

• Durch Ermittlung der Richtung von der aktuellen Position zu einem vorgegebenen Wegpunkt

Sind keine Wegpunkte vorgegeben und erfolgt keine Bewegung, so kann der GPS-Empfänger die Himmelsrichtung aus dem GPS-Signal nicht ermitteln. Um diesen Nachteil vorzubeugen, gibt es GPS-Modelle (z.B. Oregon, GPSmap 62, 78, Montana und weitere) mit einem integrierten elektronischen Kompass. Damit kann die Himmelsrichtung wie mit einem herkömmlichen Magnetkompass auch im Stand und ohne vorgegebenen Wegpunkt festgestellt werden.

Der im Gerät eingebaute Kompass ist ein Magnetkompass und ermittelt seine Werte anhand des Magnetfelds der Erde. Vor der ersten Benutzung, nach einem Batteriewechsel und nach zurücklegen grösserer Entfernungen bei ausgeschaltetem Gerät muss der Kompass neu kalibriert werden. Nach der Kalibrierung zeigt das GPS auf etwa +/- 2° genau die Nordrichtung an. Diese ist serienmässig magnetisch Nord, kann aber wahlweise auch geografisch Nord, Gitter Nord oder eine benutzerspezifische Einstellungen sein. 

Interessant ist die Möglichkeit, mit dem GPS-Gerät nicht nur wie mit einem herkömmlichen Peilkompass Peilungen vorzunehmen, sondern vom aktuellen Standort aus auch Kurse sowie Kurs und Entfernung abstecken zu können. Beim Absetzen eines Kurses wird eine Landmarke angepeilt und die Richtung bestimmt. Danach bewegt man sich entlang der festgehaltenen Peilung zum Ziel. Das Display zeigt auf der Grafik, ob man sich zu weit links, rechts oder genau auf Kurs befindet. Die Abweichungsdistanz wird als Wert angezeigt.

Zusätzlich kann man einen abgesetzten Kurs um eine Entfernung ergänzen. Durch projizieren eines Wegpunktes in Richtung des abgesetzten Kurses ergibt sich Kurs und Entfernung. Am Ende dieser Strecke wird rechnerisch ein Wegpunkt erzeugt. Das Gerät zeigt dann Kurs und Entfernung zum Wegpunkt. Beide Funktionen können unter bestimmten Bedingungen, z.B. einer Wanderung über einen Gletscher bei Nebel oder dem Überqueren eines Gewässers sehr nützlich sein.