NMEA - Technische Hochschule Wildau

NMEA – Stefan Wagner, Sarah Pleyer, Markus Waldow 

NMEA 

Implementierung und Funktion 

TM06 

Sarah Pleyer 

Stefan Wagner 

Markus Waldow


Inhalt 

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Einleitung 

Was ist NMEA? 

Bedeutung 

Welche Rolle spielt NMEA? 

Standardisierung 

Wie wurde NMEA standardisiert? 

Protokoll 

Welche Protokolle stellt der Standard bereit? 

Implementierung 

Wie kann man praktisch GPS-Geräte und derren Daten verwenden? 

Anwendungen 

Was kann man mit NMEA anstellen? 

Spielen mit GPS? 

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Einleitung 

● 

National Marine Electronics Association (NMEA) ist eine USamerikanische 

Non-Profit-Vereinigung von Elektronikherstellern und 

-händlern der Schifffahrtsindustrie 

● Gründung: 1957 

● Hauptziel: 

– Förderung von Standards und technischer Entwicklungen in der 

Marineelektronik 

● Seit 1980 Entwicklung des NMEA-Standards 

– Aufgabe: Weitergabe von Positionsdaten eines weltweiten 

Navigationssatellitensystems (auch kurz: GNSS) an andere 

Geräte. 

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Bedeutung 

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NMEA ist Quasistandardformat im Zusammenhang mit GPS- 

Ergebnissen 

es werden keine Rohdaten ausgegeben sondern Positionsangabe, 

Richtung und Geschwindigkeit, Informationen zum GPS-Status und 

-Qualität (HDOP, PDOP) 

Ausgabe von Positionen im NMEA-Format wird von nahezu allen 

bekannten Empfängern unterstützt (nicht nur von Navigations- sondern 

auch von geodätischen Empfängern) 

NMEA ist in Form von Protokollspezifikationen definiert 

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NMEA-Standard ist Übertragungsstandard im maritimen Bereich 

liegt in verschiedenen Versionen vor 

Hauptanwendung ist Weitergabe von Positionsdaten eines GNSS an 

andere Geräte über eine serielle Schnittstelle (RS232) 

1980 erste Fassung 

– NMEA 0180 definierte eine Übertragung mit 1200 Baud 

1982 zweite Fassung 

– NMEA 0182 (4800 Baud) 

1983 dritte Fassung 

– NMEA 0183 (4800 Baud) 

Versionen vor 0183 haben nur noch eine historische Bedeutung 

mit den neuesten Änderungen im Standard (0183-2.3) wurde die 

Rückwärtskompatibilität zu älteren Fassungen teilweise aufgegeben 

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weitere Entwicklung ist der NMEA 2000 Standard, der eine Anbindung 

über CAN-BUS spezifiziert 

für den Datenaustausch zwischen Steuergeräten im Schiff 

Vorteile des NMEA 2000 sind die Plug and Play-Kompatibilität und die 

deutlich höhere Übertragungsrate 

NMEA 2000 nicht weit verbreitet, da große Verbreitung von Geräten, 

die NMEA 0183 unterstützen 

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Protokoll 

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im Standard 0183 wird zwischen Geräten, die Daten senden ("talker") 

und Geräten, die Daten empfangen ("listener") unterschieden 

ein Sender kann mehrere Empfänger versorgen 

für die Verwendung mehrerer Sender für gemeinsame Empfänger ist 

ein Multiplexer/Hub notwendig 

Sender soll Daten nach dem RS-232-Standard (vom PC als 

Datenformat der COM-Schnittstellen bekannt) ausgeben 

es gibt insgesamt über 10 verschiedene NMEA-Protokolle, dessen 

Informationen sich überschneiden 

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Sendererkennung 

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gängige Senderkennungen sind: 

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GP - GPS Empfänger 

LC - Loran-C Empfänger (älteres Positionsbestimmungssystem) 

OM - Omega Navigations Empfänger (altes Radionavigationssyst.) 

II - Integrated Instrumentation (z.B. AutoHelm Seatalk System; Autopiloten) 

PXXX - Properitärer Sender (z.B. PGRM für Garmin) 

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Protokoll - Überblick 

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Datenübertragung läuft in kleinen Dateneinheiten, den sogenannten 

"sentences„ Datensätzen 

Daten werden im ASCII-Format übertragen 

alle druckbaren Zeichen sowie Carriage-Return (CR, Wagenrücklauf) 

und Line-Feed (LF, Neue Zeile) sind erlaubt 

jeder Datensatz beginnt mir dem Zeichen "$", einer zwei Zeichen 

langen Senderkennung, einer drei Zeichen langen Satzkennung und 

dann folgt eine Reihe von Datensätzen, die mit Kommas unterteilt 

werden 

Datensatz wird mit einer optionalen Prüfsumme und einer CR/LF 

abgeschlossen 

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● 

Jeder Satz kann inklusive des führenden "$" und den beiden CR/LF bis 

zu 82 Zeichen enthalten 

ist ein Datenfeld in einem Satz zwar vorgesehen aber nicht verfügbar, 

so wird er weggelassen 

das dazugehörige Komma zur Trennung der Datensätze wird ohne 

Leerzeichen beibehalten 

durch Zählen der Kommas kann ein Empfänger dann aus jedem Satz 

die entsprechenden Informationen richtig zuordnen 

optionale Prüfsumme besteht aus einem "*" und zwei 

Hexadezimalzahlen, die sich durch ein (bitweise) exklusiv- oder 

(1+1=0, 1+0=1, 0+0=0) aller Zeichen zwischen dem "$" und dem "*" 

berechnen 

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bei manchen Sätzen ist die Prüfsumme notwendig 

Standard erlaubt weiterhin einzelnen Herstellern eigene (proprietäre) 

Satzformate 

diese fangen mit "$P" an, gefolgt von drei Buchstaben langen 

Herstellerkennung, anschließend folgen Daten 

Datensätze der unterschiedlichen Geräte können sehr viele 

verschiedene Informationen beinhalten 

– z.B. Position, Geschwindigkeit, Richtung, Wassertiefe, 

Wassertemperatur, Wegpunkte, Windgeschwindigkeit 

Daten werden einmal alle zwei Sekunden über die Schnittstelle 

ausgegeben 

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● 

beispielhaft ein kompletter Block Daten, die Garmin etrex Vista 

(Software Version 2.41) ausgibt 

● 

Datensätze werden als sich wiederholdender Zyklus übertragen 

(unterschiedlich je nach Hersteller und Softwareversion) 

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Protokoll - GPRMC 

● 

GPRMC-Datensatz ist Empfehlung für Minimum, was ein GPS- 

Empfänger ausgeben soll 

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Protokoll 

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GPGGA-Datensatz enthält die wichtigsten Informationen zur GPS- 

Position und Genauigkeit 

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Protokoll 

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GPGSA-Datensatz enthält Informationen über die PRN-Nummern der 

Satelliten, deren Signale zur Positionsbestimmung verwendet werden 

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Protokoll 

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Dilution of Precision - DOP 

Beschreibung für den ausschließlich aufgrund geometrischer 

Gegebenheiten zustande kommenden Beitrag zur Ungenauigkeit der 

Positionsbestimmung 

– Standardbezeichnungen hierfür sind: 

● GDOP: Geometrisch (3 Positionskoordinaten plus die 

Zeitverschiebung der Lösung); 

● PDOP: Position (3 Koordinaten); 

● HDOP: Horizontal (Zwei horizintale Koordinaten); 

● VDOP: Vertikal (nur Höhe); 

● TDOP: Time (Zeit) (Nur die Uhrenabweichung); 

● RDOP: Relativ (Auf 60 Sekunden normiert) 

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Protokoll 

● 

GPGSV-Datensatz enthält Informationen über Satelliten, die zur Zeit 

möglicherweise empfangen werden können und Informationen zu 

deren Position, Signalstärke usw 

– da pro Satz nur die Informationen von vier Satelliten übertragen 

werden können (Beschränkung auf 82 Zeichen), kann es bis zu 

drei solche Datensätze geben 

● 

GPGLL-Datensatz ist ein Überbleibsel aus der Zeit, als es nur LORAN- 

C als Navigationssystem gab und enthält die geographische Position 

– das GPS-Gerät emuliert sozusagen den LORAN-C Empfänger 

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Protokoll 

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GPBOD-Datensatz gibt Informationen zur Richtung vom Startpunk 

zum Zielpunkt an 

– Kurs wird als wahrer (T=true) und magnetischer (M=magnetic) 

Kurs zum benannten Zielpunkt (hier 'Exit', da keiner angegeben 

ist) ausgegeben 

$GPBOD,221.9,T,221.5,M,Exit,*6B 

● 

GPVTG-Datensatz enthält Daten zur Bewegungs-Geschwindigkeit und 

Richtung 

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Protokoll 

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folgende drei Datensätze sind Garmin-eigene Datensätze 

P (proprietary), GRM (Garmin) 

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PGRME-Datensatz enthält den geschätzten Fehler der horizontalen 

und vertikalen Position (Angaben in Meter) 

$PGRME,24.7,M,23.5,M,34.1,M*1D 

● 

PGRMZ-Datensatz enthält die Höhe in Fuss 

$PGRMZ,1012,f*36 

● 

PGRMM-Datensatz enthält verwendetes Kartenbezugssystem 

(Kartendatum) 

$PGRMM,WGS 84*06 

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Protokoll 

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GPRTE-Datensatz enthält Angaben zur programmierten Route 

– zum Zeitpunkt des angebenen Datenblocks war keine Route 

definiert, ansonsten würde der Satz wesentlich mehr Informationen 

enthalten 

$GPRTE,1,1,c,*37 

HCHDG-Datensatz enthält Angaben vom Magnet-Kompass, den nur 

wenige GPS-Geräte besitzen (vista, summit, GPS76s) 

– es sind Daten zur Richtung (170.4°) und Deklination (auch als 

'deviation' bezeichnet; Abweichung von magnetisch Nord zu 

wahrem Nord) 

$HCHDG,170.4,,,0.4,E*03 

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Kartendatum 

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leichte Abflachung der Erde an den Polen resultiert in einem 

Unterschied von ca. 20 Kilometern zwischen dem durchschnittlichen 

Kugelradius und dem tatsächlich gemessenen Polradius der Erde 

für genaue Entfernungs- und Richtungsberechnungen über große 

Distanzen werden elliptische Modelle der Erde benötigt 

Loran-C und GPS Navigationsgeräte verwenden elliptische Modelle 

der Erde für Berechnung der Position und Wegpunktinformation 

elliptische Modelle definieren ein Ellipsoid über einen äquatorialen und 

einen polaren Radius 

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Kartendatum 

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die besten dieser Modelle können die Erdoberfläche auf etwa 100 m 

genau, bezogen auf eine geglättete Meeresoberfläche, beschreiben 

zur weiteren Verfeinerung können noch Unterschiede zwischen 

tatsächlichen Meeresoberfläche (wenn überall Meer wäre) und dem 

Ellipsoid angegeben werden 

so erhält man Geoide zur Beschreibung der Erde 

Geoid gibt also sozusagen Normal-Null für die gesamte Erde an 

so definiert das WGS-84 Geoid Höhen für jeden Punkt auf der 

gesamten Erde 

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Kartendatum 

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da Ellipsoide immer nur für kleine Bereiche der Erde passen,gibt es 

viele verschiedene Referenzellipsoide und damit auch 

Kartenbezugssysteme 

zum einen wurden bestehende Systeme verbessert, zum anderen 

verwenden verschiedene Länder und Behörden jeweils Ellipsoide, die 

für Ihren Aufgabenbereich oder ihr Land im besten passen, so wie im 

Bild oben die rote oder grüne Ellipse 

das Referenzellipsoid ist vom Kartenbezugssystem unabhängig, aber 

das Kartendatum beruht auf einem bestimmten Referenzellipsoid 

im Zusammenhang mit Ellipsoiden steht auch die Art, wie GPS-Geräte 

die Höhe bestimmen bzw. angeben 

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Kartendatum 

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● 

Ellipsoid soll ungefähr die Form der Erde widerspiegeln, wird darin 

jedoch durch die Möglichkeiten der Form eines Ellipsoids beschränkt 

Geoid gibt die Gestalt der Erde wieder, wenn sie komplett mit Wasser 

bedeckt wäre und nur die Gravitation einen Einfluss auf die Höhen an 

jedem Punkt hätte 

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Kartendatum 

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für Kartendatum WGS 84 wird das Ellipsoid WGS 84 unverändert 

übernommen, der Mittelpunkt des Ellipsoids und der Mittelpunkt des 

Koordinatensystems liegen im Schwerpunkt der Erde 

für andere Kartendaten wird zuweilen der Ellipsoidmittelpunkt 

gegenüber dem Erdschwerpunkt verschoben 

selbst mit gleichem Ellipsoid können unterschiedliche Koordinaten 

herauskommen, die vom Gebiet, das die Karte zeigt abhängig sind 

z.B. deutsches und das schweizer Koordinatensystem basieren auf 

dem Bessel 1841-Ellipsoid 

– schweizer CH-1903 Kartendatum unterscheidet sich vom 

Potsdam-Datum durch eine Verschiebung des 

Koordintenursprungs 

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Kartendatum 

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● 

falsches Kartendatum kann zu Fehlerhafter Positionsbestimmung von 

mehreren 100 m führen 

auch NMEA-Positionsdaten beschreiben die Position auf dem 

Ellipsoiden (Geoid) 

Karten und Positionen werden im Allgemeinen nach dem kartesischen 

System erstellt 

a,b,h sind Koordinaten 

nach Ellipsoid 

x,y sind Koordinaten 

nach kartesischer 

Darstellung 

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Allgemeine Herangehensweise 

1. Anbinden der RS232 Schnittstelle 

2. Auslesen/Abhören der Datensätze 

3. Filterung und Aufbereitung der Datensätze 

4. nach Bedarf Koordinaten konvertieren 

5. Bereitstellen der Daten 

- als Datenstrom 

- XML 

- ASCII-Datei 

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Beispiel: JAVA 

● 

Implementierung exemplarisch an der Programmiersprache JAVA 

● 

● 

● 

Anbindung des GPS-Gerätes nur über eine RS232-Schnittstelle (auch 

COM-Schnittstelle genannt) möglich 

USB-GPS-Geräte werden über eine virtuelle RS232-Schnittstelle 

angebunden 

In Java Anbindung realisiert über Package “javax.comm.*“, oä. 

– Anbindungsklasse muss als Thread realisiert werden 

– Datenport reservieren 

● baudrate: 9600 

● flowcontrol: none 

● databits: 8 

● stopbits: 1 

● parity: none 

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Beispiel: JAVA, Fortsetzung 

● 

– Datenaustausch über Input- und Outputstreams realisieren 

– Eventlistener einrichten, der den Port abhört und Daten puffert, 

um, nur Datenzeilen (also Datensätze) weiterzuleiten 

– Aufbereitungsklasse 

● StringTokenizer zerlegt Datensätze nach [KOMMA] 

● erster Token beschreibt die Protokoll-Art 

● dementsprechend die weiteren Token auswerten 

– Aufbereitete Daten nach Bedarf anderen Klassen/Programmen zur 

Verfügung stellen 

weitere Implementierungen analog möglich 

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Anwendungen 

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● 

● 

Datenaustausch zwischen verschiedenen Geräten aus der 

Marineelektronik 

mit Hilfe der NMEA-Daten können sehr leicht, die Daten praktisch 

jedes GPS-Geräts mit einem Navigations- und Kartenprogramm auf 

dem PC, Laptop oder Handheld verwendet werden 

GPS-Mäuse (GPS-Empfänger ohne Display nur mit serieller 

Schnittstelle) kommunizieren ausschließlich auf diese Art mit Ihrer 

Außenwelt 

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Anwendungen 

● 

● 

in der Seefahrt werden beispielsweise Kursplotter mit Hilfe von NMEA- 

Datensätzen mit Positionsdaten versorgt 

Kursplotter 

– ersetzt klassische Karten-Navigation 

– definierter Kurs wird mit 

der aktuellen Position abgeglichen 

und visualisiert 

– ermöglicht dynamische 

Kursanpassungen 

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Anwendung Positionsverfolgung auf Mobiltelefonen 

● 

Anwendung als Ganzes 

– Senden der 

GPS-Daten 

– Visualisierung der 

GPS-Daten 

– Statische Karte 

– Live-Karte 

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● Mobiltelefon muss ... 

– Java-fähig sein 

– eine Bluetooth-Schnittstelle besitzen 

– die Bluetooth-API für Java (JSR-82) besitzen 

● Mobiltelefon sollte ... 

– ein nicht zu kleines Farbdisplay besitzen 

– eine angemessen schnelle Anbindung an das Internet vorweisen 

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● 

die Anwendung kann... 

– GPS-Bluetooth-Receiver in der Umgebung suchen 

– sich mit einem GPS-Bluetooth-Receiver verbinden 

– NMEA-Daten empfangen und auswerten 

– die aktuellen Positionsdaten auf dem Display visualisieren 

– die ausgewerteten Daten an einen Server senden 

– manuell oder 

in Intervall oder 

in Echtzeit 

die Karte der aktuellen Position anzeigen 

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● 

Senden der GPS-Daten 

– durch zentrales Speichern der Positionsdaten über die 

Zeit kann eine Route erstellt werden (serverseitig) 

● Senden der Daten als HTTP-Request 

● Daten als POST-Parameter im XML-Format 

– Versendet wird... 

● Zeit des Datenerfassung 

● Zeit der Datensendung an den Server 

● Höhen-, Längen-, und Breitengrad 

● aktuelle Geschwindigkeit 

● aktuelle Richtung der Bewegung 

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● 

Visualisierung der GPS-Daten 

– Anzeigen der gewandelten NMEA-Daten 

● Theoretische Möglichkeit, alle Daten aus dem NMEA- 

Datenformat anzuzeigen 

● Es werden nur die Daten ausgelesen und auch angezeigt, die 

für das Versenden benötigt werden 

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● 

statische Karte 

– Ermittelt die aktuelle Position 

● Überträgt die Position, als XML gekapselt zu einem 

– Maps‘n‘Directions-Server 

● Extrahiert die Karten-URL aus der XML-Antwort 

● Lädt die Karte vom Server 

● Zeigt die Karte an 

● Navigation in der Karte möglich 

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● 

Holt sich die Karte wie die statische Karte 

– Zeichnet einen Punkt an der aktuellen Position ein 

– Wenn der Punkt den sichtbaren Bereich verlässt, wird der 

benötigte Kartenausschnitt automatisch geladen 

– Nur bedingte Navigation möglich 

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Anwendung GPS-Spiele 

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● 

● 

Zunehmend neues, nicht-kommerzielles Anwendungsgebiet 

der GPS-Spiele 

Geocaching = GPS-Schatzsuche 

– 1Liter-Dosen mit Log-Buch und Gegenständen überall auf der Welt 

verteilt – via Internet bekommt man Position und muss Schatz 

suchen 

– beim Finden Eintrag ins Logbuch, Gegenstand entnehmen und mit 

eigenem austauschen 

Nightcaching 

– abgewandelt von Geocaching 

– Gegenstände sind nur Nachts zu finden (akustisch oder via 

Reflektoren) 

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Anwendung GPS-Spiele 

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● 

Geodashing 

– Spielfeld: Die Welt 

– Ziel ist es, möglichst viele Waypoints während einer Spieldauer zu 

erreichen, die auf der ganzen Welt verstreut liegen 

Shutterspots 

– Teilnehmer schießen Digitalfotos auf der ganzen Welt und stellen 

zB. ein Foto online 

– Ziel ist es, exakt die gleiche Position des Fotografen 

herauszufinden und ein gleiches Foto als Beweis zu schießen 

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Geräte 

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● 

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Garmin 

Furuno 

Raymarine 

usw. 

einige Garminprodukte 

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Quellen 

● http://www.geoinformatik.uni-rostock.de/einzel.asp 

● http://www.kowoma.de/gps/zusatzerklaerungen/NMEA.htm 

● http://www.nmea.de 

● http://www.vector-informatik.comindex.php 

● http://kanadier.gps-info.de/a-hauptseite.htm 

● http://www.wesselhoeft.net/GPS2.htm 

● http://www.nacs.de/schiffel/nmea0183/ 

● http://www.geoinformatik.uni-rostock.de 

● http://www.pocketnavigation.de 

● http://www.kanadier.cc 

● http://vector-cantech.com/vi_nmea2000_de,,2816.html 

● iX 10/2006, Seite 160 

42


Fragen? 

● 

Noch Fragen??? 

43


Ende 

Vielen Dank! 

44

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