Die Zukunft der vertikalen GPS-Navigation: Ein Feldversuch im Klettergarten

Wenn GPS plötzlich durch den Fels führt

Wer nach einer Klettertour seinen aufgezeichneten Track betrachtet, erlebt häufig eine Überraschung. Die Spur verläuft nicht entlang der tatsächlich gekletterten Linie, sondern springt scheinbar wahllos über die Wand. Teilweise kreuzt sie benachbarte Routen, verschwindet im Fels oder zeigt Bewegungen an Stellen, an denen sich die kletternde Person niemals befunden haben kann.

Während ein Positionsfehler von einigen Metern auf einem Wanderweg oft kaum auffällt, hat derselbe Fehler an einer Felswand deutlich größere Auswirkungen. Viele Sportkletterrouten verlaufen nur wenige Meter voneinander entfernt. Bereits geringe Ungenauigkeiten können deshalb dazu führen, dass eine völlig andere Route angezeigt wird bzw. die gekletterte Route nicht rekonstruiert werden kann.

Warum GNSS am Fels an seine Grenzen stößt

Moderne Smartphones und Sportuhren liefern zwar beeindruckende Leistungen, doch die Bedingungen an steilen Felswänden gehören zu den schwierigsten Umgebungen für satellitengestützte Positionsbestimmung überhaupt.

Moderne GNSS-Systeme – also GPS, Galileo, GLONASS oder BeiDou – bestimmen ihre Position aus den Signalen mehrerer Satelliten. Unter freiem Himmel funktioniert dieses Prinzip erstaunlich gut. Je mehr Satelliten sichtbar sind und je günstiger deren räumliche Verteilung ist, desto genauer wird die berechnete Position. An einer Felswand ändern sich diese Bedingungen jedoch grundlegend.

Ein wesentlicher Faktor ist die sogenannte Abschattung. Große Teile des Himmels werden durch die Wand verdeckt. Satelliten, die sich hinter der Felsstruktur befinden, können nicht mehr empfangen werden. Die Zahl der verfügbaren Signale sinkt, und damit verschlechtert sich die Qualität der Positionslösung.

Hinzu kommt die Satellitengeometrie. Für eine präzise Positionsbestimmung sollten die empfangenen Satelliten möglichst gleichmäßig über den Himmel verteilt sein. An einer senkrechten Wand befinden sich die sichtbaren Satelliten jedoch oft nur in einem begrenzten Himmelsbereich. Die Positionsberechnung wird dadurch deutlich empfindlicher gegenüber Messfehlern.

Noch problematischer sind sogenannte Multipath-Effekte. Dabei erreicht ein Satellitensignal das Empfangsgerät nicht nur direkt, sondern zusätzlich über Reflexionen an Felsflächen. Das Signal legt dadurch einen längeren Weg zurück. Für den Empfänger sieht es so aus, als sei der Satellit weiter entfernt, als er tatsächlich ist. Bereits geringe Laufzeitfehler können zu Positionsabweichungen von vielen Metern führen.

Genau diese Kombination aus Abschattung, ungünstiger Satellitengeometrie und Signalreflexionen macht Felswände zu einer der schwierigsten Umgebungen für satellitengestützte Navigation.

Die eigentliche Herausforderung besteht also nicht darin, dass GNSS an Felswänden komplett versagt. Die Systeme liefern weiterhin Positionsdaten. Das Problem ist vielmehr, dass die verbleibende Unsicherheit plötzlich dieselbe Größenordnung erreicht wie die Abstände zwischen den Routen selbst.

Genau deshalb stoßen klassisch aufgezeichnete Tracks im vertikalen Gelände an ihre Grenzen. Und genau deshalb wird die Frage immer interessanter, wie sich Positionsdaten künftig mit zusätzlichen Informationen über Gelände, Höhe und Bewegungszusammenhang kombinieren lassen, um die tatsächliche Bewegung an einer Felswand besser zu verstehen.

Ein anderer Blick auf die Positionsbestimmung

Die eigentliche Schwierigkeit besteht nicht nur darin, dass einzelne Messungen ungenau werden. Vielmehr fehlt dem System der Zusammenhang. Ein GPS-Empfänger weiß nicht, dass sich eine Person an einer senkrechten Wand befindet. Er kennt weder die Geometrie des Geländes noch den Verlauf einer Route. Für einen Menschen hingegen sind diese Informationen selbstverständlich.

Genau dieser Gedanke führte zu einem anderen Blick auf die Positionsbestimmung. Anstatt die Position ausschließlich aus einzelnen GNSS-Messungen abzuleiten, lässt sich die Umgebung selbst als zusätzliche Informationsquelle betrachten. Geländeform  und Höhenverlauf zusammen mit statistischen Berechnungen liefern Hinweise darauf, welche Positionen wahrscheinlich sind und welche eher ausgeschlossen werden können.

Dadurch entsteht aus vielen unsicheren Einzelmessungen ein deutlich stabileres Gesamtbild der Bewegung entlang einer Route. Die genaue technische Umsetzung dieser Idee ist Gegenstand laufender Entwicklungsarbeiten und Feldversuche. Entscheidend ist jedoch das zugrunde liegende Prinzip: Die Position wird nicht mehr ausschließlich gemessen, sondern im Kontext der Umgebung interpretiert.

Der Blick verschiebt sich damit von der einzelnen Koordinate hin zur gesamten Bewegung. Nicht mehr die Frage: „Wo sagt das GNSS, dass ich mich befinde?“ steht im Mittelpunkt, sondern:„Wo befinde ich mich mit hoher Wahrscheinlichkeit innerhalb dieser Felswand?“

Gerade im Klettersport könnte dieser Perspektivwechsel zukünftig eine wichtige Rolle spielen. Denn die entscheidende Information ist häufig nicht der einzelne Punkt auf einer Karte, sondern die tatsächliche Linie einer Bewegung im vertikalen Raum.

Feldversuche im Klettergarten Stetten

Zur Untersuchung der Praxistauglichkeit unseres Verfahrens wurden mehrere Testläufe im Klettergarten Stetten im Remstal durchgeführt. Das Gebiet eignet sich besonders gut als Testumgebung, da die steilen Felsstrukturen typische Herausforderungen für GNSS-Systeme darstellen und die Routen dort eng beieinander liegen.

Die Messungen wurden mit handelsüblichen Smartphones durchgeführt. Ziel war es, die Unterschiede zwischen der reinen GNSS-Aufzeichnung und einer kontextbasierten Auswertung nach unserer entwickelten Methode sichtbar zu machen.

Im ersten Testlauf zeigte sich bereits deutlich, dass die Rohtracks erhebliche Unsicherheiten aufweisen. Der zweite Testlauf bestätigte zahlreiche Beobachtungen und lieferte zusätzliche Datengrundlagen für die Auswertung. Besonders interessant war dabei, dass sich bestimmte Muster reproduzieren ließen. Dies deutet darauf hin, dass die beobachteten Effekte nicht zufällig entstehen, sondern systematische Ursachen besitzen. Außerdem gelang es in beiden Testungen die gekletterten Routen mit unserem entwickelten Verfahren sehr präzise zu rekonstruieren.

Vom Track zum alpinen Informationssystem

Die Frage, die sich nach den ersten Feldversuchen in Stetten stellte, war überraschend einfach: Was passiert eigentlich, wenn sich eine Bewegung an einer Felswand tatsächlich zuverlässig rekonstruieren lässt? Zunächst scheint die Antwort offensichtlich. Der aufgezeichnete Track wird genauer.

Doch bei näherer Betrachtung wird schnell klar, dass die eigentliche Bedeutung weit darüber hinausgeht. Die letzten zwanzig Jahre des Outdoorsports wurden im Wesentlichen durch eine einzige Entwicklung geprägt: die digitale Karte.

Der Klettersport blieb dabei jedoch weitgehend außen vor. Die Ursache liegt nicht darin, dass Klettern weniger interessant wäre. Es fehlt schlicht die räumliche Grundlage.

Solange ein Track mehrere Meter Unsicherheit besitzt, kann eine Route nicht eindeutig erkannt werden. Ohne präzise Position gibt es keine objektive Route, keine Bewegungsanalyse und letztlich keinen digitalen Zwilling der Wand.

Eine präzisere Positionsbestimmung im vertikalen Gelände eröffnet zahlreiche Anwendungen:

Vision: Der digitale Zwilling eines Klettergebiets

Langfristig könnte aus solchen Verfahren ein digitales Abbild von Klettergebieten entstehen. Routen, Bewegungen und sicherheitsrelevante Informationen würden dabei nicht isoliert betrachtet, sondern im Zusammenhang mit der realen Geometrie des Geländes.

Denkbar wären digitale Karten für vertikale Aktivitäten, die ähnlich selbstverständlich genutzt werden wie heutige Wander- oder Radportale. Neben der Navigation könnten dabei auch Sicherheitsinformationen, Nutzungsanalysen und detaillierte Routendaten integriert werden.

Die in diesem Artikel vorgestellten Untersuchungen stellen einen wichtigen ersten Schritt in diese Richtung dar.

Fazit

GPS funktioniert im Gebirge erstaunlich gut – bis man an eine Felswand tritt. Dort werden Positionsfehler plötzlich sichtbar und können die Interpretation einer Kletterroute erheblich erschweren.

Die bisherigen Feldversuche im Klettergarten Stetten zeigen, dass die Kombination von Satellitendaten mit zusätzlichen Kontextinformationen vielversprechende Möglichkeiten zur exakten Routenrekonstruktion eröffnet. Bereits heute zeichnet sich ab, dass die Zukunft der Positionsbestimmung im Klettersport nicht allein in besseren Satellitensignalen liegen wird, sondern in der intelligenten Verknüpfung verschiedener Informationsquellen.