Berechnung

Handy-Kompass
Projektdokumentation von
Peter Ammon,
Michael Kaiser,
Thomas Zsebedits
im Fach
Navigations- und Ortungssysteme
WS05/06
Navigations- und Ortungssysteme
Handy-Kompass
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung....................................................................................................................... 3
2
Das Sun Java Wireless Toolkit ...................................................................................... 4
2.1
Installation.............................................................................................................. 6
2.2
Installation / Konfiguration von EclipseME.............................................................. 7
3
Klassen aus J2ME ........................................................................................................13
4
Grafische Benutzeroberfläche und Menüführung ..........................................................15
5
Berechnung ..................................................................................................................20
6
5.1
Exkurs Zeit ............................................................................................................20
5.2
Berechnung der Sonnenkoordinaten .....................................................................22
Referenzen ...................................................................................................................26
6.1
Quellen .................................................................................................................26
6.2
Download ..............................................................................................................26
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Navigations- und Ortungssysteme
1
Handy-Kompass
Einleitung
Wie kann man mit dem Handy navigieren, wenn es nicht mit GPS ausgestattet ist? Dieser
Fragestellung hat sich die im Folgenden beschriebene Projektarbeit gewidmet und einen
Handykompass entwickelt.
Die Entwicklung basiert auf dem System eines Sonnenkompasses, so dass man für die
Berechnung nur den Längengrad, an dem man sich gerade befindet, und die Uhrzeit benötigt, die aus dem Handy ausgelesen wird. Die Hauptstädte Europas sind mit ihren Längengraden in einer Auswahlliste hinterlegt; zusätzlich kann ein benutzerdefiniertes Längengrad
eingegeben werden.
Nach der Einstellung des Längengrades muss das Handy so gedreht werden, dass das auf
dem Display angezeigte Sonnensymbol in Richtung der Sonne zeigt. Wenn man das Handy
dabei waagrecht hält, ist die Kompassrose richtig ausgerichtet und man kann die vier Haupthimmelsrichtungen ablesen.
Für die Entwicklung wurde das Sun Java Wireless Toolkit 2.2 verwendet, das auch unter
dem Namen Java 2 Platform, Micro Edition (J2ME) Wireless Toolkit bekannt ist. Die
Installation des Toolkits und die zugehörige Konfiguration der Entwicklungsumgebung
Eclipse 3.1.1 wird ebenfalls im Folgenden beschrieben.
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Navigations- und Ortungssysteme
2
Handy-Kompass
Das Sun Java Wireless Toolkit
Das Java Wireless Toolkit von Sun ist kostenlos von Suns Website zu beziehen:
http://developers.sun.com/techtopics/mobility/downloads/index.html
Diese Version der Java-Platform ist eigens für Anwendungen auf mobilen Endgeräten
(Handys, Organizer, Smartphones etc.) gedacht und unterstützt den verfügbaren
Funktionsumfang. Fertige Java-Programme für solche mobilen Endgeräte werden MIDlets
genannt. Zur Implementierung solcher Java-MIDlets reicht prinzipiell das Java Wireless
Toolkit, da es sowohl einen Handy-Emulator, als auch ein Projekt-Kompilierungstool
beinhaltet. Der Java-Quellcode muss jedoch mit einem beliebigen Editor erstellt werden.
Danach erfolgt der Build-Prozess, wobei jeweils eine jad-Datei und eine jar-Datei im Ordner
bin des Projektordners erstellt wird. Diese beiden Dateien stellen das Java MIDlet dar, die
auch von den Endgeräten ausgeführt werden können. Die jad-Datei beinhaltet Informationen
wie die zu startende Klasse, die Größe der jar-Datei, den Namen, die Version uvm.
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Navigations- und Ortungssysteme
Handy-Kompass
Die Software kann über einen Run-Button mit Hilfe des Wireless Toolkit (KToolBar) emuliert
werden. Zudem besteht die Option, verschiedene emulierte Endgeräte auszuwählen.
Hiermit kann man, direkt ohne reelles Endgerät, die Bedienung mit einer 10er-Tastatur und
Displaytasten testen.
Leider hat dieses Konzept auch kleinere Schwächen; so unterstützt das emulierte Handy
stets die ganze Library von Java Wireless, was bei reellen Endgeräten jedoch oft nicht der
Fall ist. Somit ist ein zweiter Test darauf unerlässlich. Zudem ist leider die Entwicklung
mehrerer Packages mit vielen Klassen erschwerlich, wenn man keine vollwertige
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Handy-Kompass
Entwicklungsumgebung zur Verfügung hat. Wir entschieden uns daher für die Entwicklung
mit EclipseME (siehe Kapitel 2.2).
2.1
Installation
Die Installation des Wireless Toolkit verläuft typisch. Der Standard-Installationspfad ist
jedoch c:\WTK22 und nicht wie üblich im Programme-Ordner. Alle Einträge für die einzelnen
Tools werden im Startmenü erstellt. Empfehlenswert danach ist das Durchführen des
Tutorials auf http://developers.sun.com/techtopics/mobility/midp/articles/wtoolkit/, wobei ein
typisches „Hello“ Beispiel den kompletten Build- und Run-Prozess durchläuft. Hiermit kann
leicht die Funktion des Toolkits kontrolliert werden.
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2.2
Handy-Kompass
Installation / Konfiguration von EclipseME
Da die Entwicklungsumgebung Eclipse sehr verbreitet ist und vor allem im Studiengang
Software Engineering häufig Anwendung findet, entschieden auch wir uns bei diesem Projekt
dafür. Grundlage für EclipseME (die Mobile Edition von Eclipse) ist eine aktuelle installierte
Eclipse-Version (hier: V3.1.1).
Der
genaue
Installationsablauf
ist
unter
http://eclipseme.org/docs/installation.html
nachzulesen, so wird an dieser Stelle nur auf Besonderheiten bzw. wichtige Schritte
eingegangen. Zuallererst wäre die einfache Installation über das Software-Updatemodul von
Eclipse zu nennen. Starten kann man es im Menü über:
Help  Software Updates  Find and Install  Search for new features to install
Dort trägt man http://www.eclipseme.org/updates/ als eine neue Remote Site ein
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Handy-Kompass
Über einen einfachen Setupprozess verläuft die Installation von EclipseME und ist nach
einem Neustart der kompletten Entwicklungsumgebung verfügbar.
Danach müssen verschiedene Einstellungen getroffen werden. Ein wichtiger ist die Auswahl
des Wireless Toolkits, je nachdem ob verschiedene installiert sind oder ob ein anderer
Installationsordner gewählt wurde:
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Handy-Kompass
Daraufhin kann das Projekt erstellt und implementiert werden. Soll es nun über den Emulator
ausgeführt werden, so ist es wichtig, in den Project Properties eine geeignete Platform
ausgewählt zu haben:
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Handy-Kompass
Des Weiteren muss sich im root-Verzeichnis des Projekts eine konfigurierte jad-Datei
befinden. Hierin werden wichtige Einstellungen für das MIDlet getroffen, wie schon in
Kapitel 2 beschrieben.
Besonders wichtig hierbei ist der Eintrag, über welche Klasse das MIDlet gestartet wird, da
sonst das MIDlet weder auf dem Emulator, noch auf dem Endgerät lauffähig ist, was jedoch
während der Entwicklung über EclipseME noch nicht auffällt:
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Handy-Kompass
Möchte man während der Entwicklung das MIDlet testen, so muss man es als Emulated
J2ME Midlet starten:
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Handy-Kompass
Um das fertige Package (jad- und jar-Datei) zu erstellen, klickt man mit der rechten
Maustaste auf das Projekt  J2ME  Create Package. Im nun folgenden Build-Prozess wird
das Package im Ordner deployed abgelegt:
Dieses MIDlet kann nun entweder direkt aus dem Explorer ausgeführt werden – somit startet
der Emulator – oder per Bluetooth, Infrarot oder Datenkabel auf das Mobile Endgerät kopiert,
installiert und ausgeführt werden.
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3
Handy-Kompass
Klassen aus J2ME
Die Klassen in J2ME sind speziell auf die Handyprogrammierung zugeschnitten. Vom
Aufbau her unterscheidet sich das gewöhnliche Java SDK und J2ME kaum. Allerdings
enthält das J2ME eine viel geringere Anzahl an Klassen. Des Weiteren wird eine Applikation
nicht mit “public static void main(String args[ ])“ gestartet, sondern die Starterklasse muss
von der MIDlet-Klasse abgeleitet werden. In der abgeleiteten Klasse müssen die Methoden
startApp(), pauseApp() und destroyApp(boolean b) implementiert sein. Mit der startApp()Methode wird die Handy-Applikation gestartet und mit destroyApp(boolean b) beendet.
public class MobileStart extends MIDlet {
Display display;
ImageDemo compass;
public void startApp() { //startet Applikation
display = Display.getDisplay(this);
compass = new ImageDemo(this);
display.setCurrent(compass);
}
public void pauseApp () {}
public void destroyApp(boolean unconditional) { //beendet Applikation
notifyDestroyed();
}
}
Form
Form entspricht einem einzelnen Displayscreen und kann mit einem Panel in Java verglichen
werden. Einer Form kann mit append() ein String oder ein Image hinzugefügt werden.
Außerdem ist es möglich, dieser Klasse verschiedene GUI-Elemente hinzuzufügen zum
Beispiel Radiobuttons, Checkboxen, Textfelder usw.
Display
Dieser Klasse werden die verschiedenen Form-Objekte hinzugefügt und auf dem Display
abgebildet.
//Ausgeben einer Form auf dem Display
midlet.display.setCurrent(sp.getForm());
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Handy-Kompass
Command
Mit der Command-Klasse werden die verschiedenen Eingabebefehle definiert und dann der
gewünschten Form hinzugefügt.
//Commands für Softkey-Tasten erstellen
//EXIT COMMAND links, Rest wird zu einem Menu zusammengefasst
//Command(Name ,Command-Typ, Priorität)
cmdExit = new Command("Exit", Command.EXIT, 1);
cmdSelect = new Command("Select City", "Select City",Command.SCREEN, 1);
cmdInput = new Command("Input Degrees","Input Degrees", Command.SCREEN, 1);
cmdNight = new Command("Nightsky", "Nightsky", Command.SCREEN, 1);
cmdHelp = new Command("Help", "Help", Command.HELP, 1);
addCommand(cmdExit);
addCommand(cmdSelect);
addCommand(cmdInput);
addCommand(cmdNight);
addCommand(cmdHelp);
CommandListener
Der CommandListener ist ein Interface, das sich analog zum ActionListener in Java verhält.
Die einzelnen Commands müssen im CommandListener registriert werden. Beim Ausführen
eines Commands z.B “Drücken der Taste 5“ wird die commandAction()-Methode aufgerufen
und der entsprechende Code ausgeführt.
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4
Handy-Kompass
Grafische Benutzeroberfläche und Menüführung
Standartanzeige Handykompass
Breitengrad
Aktuelle Stadt
Stand der Sonne
Längengrad
Windrose mit
Himmelsrichtungen
Uhrzeit in der gerade
ausgewählten Stadt
Rechter und linker
Soft-Button
Der oben abgebildet Screenshot ist der Startbildschirm des Handykompasses. Er zeigt
standardmäßig den Sonnenstand für die Stadt Heilbronn an. Will man eine andere Stadt
auswählen, so kann man dies über den rechten Soft-Button (Menu) tun. Mit dem linken
Button (Exit) wird die Applikation beendet.
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Handy-Kompass
Menu
Auswahl einer
neuen Stadt
Eingabe eines
Längengrades
Navigation bei
Nacht
Sommer-/Winterzeit einstellen
Hilfe bezüglich
Applikation
Im oben abgebildeten Menu können die Menupunkte entweder mit der Select-Taste oder mit
Hilfe der Zifferntasten ausgewählt werden. Dabei entspricht die Zahl vor dem Menupunkt der
Taste auf dem Handy.
Stadtauswahl (Select City)
Auflistung der
Städte mit Angabe
des Längengrades
Mit Hilfe der Select-Taste kann die gewünschte Stadt ausgewählt werden. Abschließend
muss man noch mit “Ok“ bestätigen.
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Handy-Kompass
Eingabe eines Längengrades (Input Degrees)
In dieser Eingabemaske kann man einen bestimmten Längengrad eingeben, falls man
keinen entsprechenden Eintrag in der Städteliste gefunden hat. Die Eingabe muss sich
jedoch im Bereich von -180.0 bis 180.0 befinden. Abschließend muss das Ganze noch mit
“Ok“ bestätigt werden.
Kompass für die Nacht (NightSky)
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Navigations- und Ortungssysteme
Handy-Kompass
Der “NightSky“ soll die Kompass-Navigation bei Nacht ermöglichen. Das Display zeigt einen
Teil des Sternenhimmels, den großen Wagen und den kleinen Wagen sowie den Polarstern
an. Wenn man nun das Ende des großen Wagens in Richtung des Polarsterns (Teil des
kleinen Wagens) verlängert, erhält man die nördliche Himmelsrichtung. Jetzt muss man nur
noch das passende Sternenbild dazu finden.
Umstellen von Sommer/Winterzeit
Im obigen Menu kann man zwischen der Sommer- und Winterzeit wählen. Standardmäßig ist
die Winterzeit ausgewählt. Bei Aktivierung der Sommerzeit wird auf die aktuelle Ortszeit eine
Stunde aufaddiert.
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Handy-Kompass
Hilfe (Kurzerklärung des Handy-Kompasses)
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Navigations- und Ortungssysteme
5
Handy-Kompass
Berechnung
Die Berechnung, über die die Sonne auf dem Handykompass dargestellt wird, basiert auf der
Angabe des Längengrades, auf dem man sich gerade befindet, und der aktuellen Zeit, die
aus dem Handy ausgelesen wird.
5.1
Exkurs Zeit
Die UTC (Coordinated Universal Time – koordinierte Weltzeit) ist die Referenzzeit, von der
die verschiedenen Zeitzonen der Erde abgeleitet werden. Sie ist die eigentliche Nachfolgerin
der mittleren General Mean Time (GMT, auch Greenwich Mean Time). Der UTC wird eine
allgemeine Zeitzone zugeordnet, ausgehend vom Nullmeridian, der durch Greenwich
verläuft.
Der Nullmeridian ist ein senkrecht zum Äquator stehender und vom Nord- zum Südpol verlaufender Halbkreis, von dem aus die geografische Lage nach Osten und Westen bestimmt
wird. Die Festlegung des Nullmeridians als Basis des internationalen Koordinatensystems
erfolgte 1884 in Washington D.C. auf der internationalen Meridian-Konferenz, auf der 25
Nationen vertreten waren. Diese Festlegung ist willkürlich. Prinzipiell könnte der Nullmeridian
auch durch jeden anderen Ort der Welt laufen - so verläuft er jedoch durch die Sternwarte in
Greenwich. Die mittlere Sonnenzeit am Nullmeridian wurde maßgeblich für die Weltzeit
GMT.
Da die GMT unterschiedlich gehandhabt wurde und es dadurch immer wieder Verwirrungen
gab, wurde sie 1926 von der Universal Time (UT) abgelöst. Von dieser UT gibt es drei
Versionen:

UT0 – die direkt beobachtete und berechnete mittlere Ortszeit des Nullmeridians

UT1 – die Ortszeit mit rechnerisch korrigierten Ungenauigkeiten, die durch die Polschwankungen entstehen

UT2 – die UT1 mit weiteren korrigierten Ungenauigkeiten, die durch weitere kleinere
Schwankungen der Erdachse entstehen
Mit UT wird normalerweise UT1 bezeichnet – der Unterschied zu den anderen Versionen beträgt nur Millisekunden.
Heute wird die Definition der Einheit Sekunde nicht mehr durch astronomische Berechnungen gewonnen, sondern von einer Atomuhr abgeleitet. Die aktuelle Weltzeit UTC wird mit
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Handy-Kompass
dieser Atomuhr synchronisiert. Durch zusätzlich eingefügte Sekunden (Schaltsekunden) wird
gewährleistet, dass die Differenz zwischen UT1 und UTC nicht mehr als 0,9 Sekunden beträgt, und sie somit in der Nähe der mittleren Sonnenzeit bleibt.
Die Central European Time (CET, Mitteleuropäische Zeit) ist die für Mitteleuropa gültige
Zeitzone. Sie entspricht der mittleren Sonnenzeit des 15. Längengrades östlich vom Nullmeridian. Ihre Differenz zur UTC beträgt eine Stunde. Die Differenz der Mitteleuropäischen
Sommerzeit (MESZ, englisch CEST) zur Weltzeit beträgt zwei Stunden und entspricht somit
der mittleren Sonnenzeit des 30. Längengrades. Die CET wird in Europa auch von Ländern
genutzt, die rein geografisch nicht in der entsprechenden Zeitzone liegen, wie zum Beispiel
Spanien.
Karte der Zeitzonen in Europa - http://www.worldtimezone.com/time-europe24.php [2006-01-07]
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5.2
Handy-Kompass
Berechnung der Sonnenkoordinaten
Die Berechnung wird in den Methoden kreisbewegungSonne() und calculateSun() durchgeführt. Die Methode kreisbewegungSonne() erhält als Parameter eine Gradzahl zwischen 0
und 359, die sie in Koordinaten umrechnet, auf denen wiederum die Sonne auf das Display
gezeichnet wird. Der Parameter wird von der Methode calculateSun() berechnet. Auf diese
wird hier näher eingegangen.
Als Parameter erhält calculateSun() das aktuell ausgewählte Place-Objekt, das auch den zugehörigen Längengrad enthält, und ein neues Date-Objekt mit der aktuellen Zeit. Beim Start
der Anwendung ist das Place-Objekt null; in diesem Fall wird es mit den Daten von Heilbronn
initialisiert.
Es wird von der für die CET gültige mittlere Sonnenzeit ausgegangen – dies bedeutet dass
die Sonne auf dem 15. Längengrad östlich vom Nullmeridian um 12.00 Uhr mittags genau im
Süden steht. Die Methode erhält diese beiden Werte als Referenzen. Die Referenzzeit wird
auf 720 gesetzt, da 12.00 Uhr mittags 720 vergangenen Minuten seit Mitternacht entspricht.
// Referenzwert 15° östlicher Länge
int longitudeRef = 15;
// Referenzzeit 12.00 mittags = 720 min
long timeRef = 720;
// aktuelles Längengrad
int longitude = doubleToInt(place.getLongitude());
// aktuelle Tageszeit in Minuten - der erhaltene Wert in Millisekunden
// wird in Minuten umgerechnet und modulo 1440 genommen
long time = (date.getTime()/(1000*60))%1440;
Das aktuelle Längengrad wird aus dem Place-Objekt ausgelesen. Die aktuelle Zeit erhält
man aus dem Date-Objekt mit date.getTime() in Millisekunden. Da das Date-Objekt die Millisekunden seit Mitternacht des 1. Januar 1970 (GMT) enthält, erhält man durch die Berechnung von modulo 1440 (Anzahl der Minuten eines Tages) die aktuelle Tageszeit.
Bei dem Verrechnen der übergebenen Zeit kann man zum besseren Verständnis annehmen,
dass man sich immer auf dem selben (15.) Längengrad befindet. Dies würde bedeuten, dass
die Sonne sich um 12.00 Uhr mittags im Süden, um 18.00 Uhr im Westen, um 24.00 Uhr im
Norden und um 6.00 Uhr morgens im Osten befindet.
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Handy-Kompass
Da die Sonne sich an einem Tag (1440 min) um 360° bewegt, bedeutet dies, dass sie für 1°
vier Minuten (1440 min / 360) benötigt. Um herauszufinden, wo sie sich um die gegebene
Uhrzeit befindet, muss man also den Betrag zur Referenzzeit ermitteln.
if(time < timeRef) {
// Betrag zur Referenzzeit
time = timeRef - time;
// der Position Minutenzahl/4 dazuaddieren (1° --> 4 min)
pos = pos - longToInt(time/4);
}
else {
time = time - timeRef;
// der Position Minutenzahl/4 dazuaddieren (1° --> 4 min)
pos = pos + longToInt(time/4);
}
Ist der aktuelle Zeitwert kleiner als der Referenzzeitwert, wird ein Viertel des Betrags
(zurückgelegte Gradzahl in der Zeit) von der Referenzposition abgezogen, da der aktuelle
Zeitwert vor der Referenzzeit ist. Ist der Zeitwert größer als der Referenzzeitwert, wird ein
Viertel des Betrags dazuaddiert.
Zum Verständnis der Verrechnung des aktuellen Längengrades, auf dem man sich befindet,
kann man annehmen, dass es sich immer um die selbe Zeit handelt – entsprechend der Verrechnung der Zeit. Da die Sonne von Osten nach Westen wandert, kann man hier abschätzen, wie, die Längengrade verrechnet werden müssen.
Liegt das aktuelle Längengrad zwischen dem Nullmeridian und dem Referenzgrad (15° östlicher Länge), wird der Betrag der Differenz zwischen aktuellem Längengrad und Referenzlängengrad von der Referenzposition abgezogen. Dies ist der Fall, da das Referenzlängengrad weiter im Osten steht als das aktuelle und die Sonne sich somit erst später über dem
aktuellen Längengrad befindet. Sie muss also noch weiter im Osten stehen.
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Nullmeridian und Zeitzonen - http://uhrsucht.de/pics/zeitzone2.gif
Das selbe ist der Fall, wenn das aktuelle Längengrad kleiner als 0 ist. Da negative Längengrade vom Nullmeridian aus gesehen im Westen stehen, wird hier ebenfalls der Betrag der
Differenz von Referenzlängengrad und aktuellem Längengrad von der Referenzposition abgezogen.
// Verrechnen der Längengrade
// jeweils die Differenz in Bezug auf die Referenzgrade berechnen
if(longitude > 0 && longitude < longitudeRef) {
// Betrag zwischen Referenzgrad und Längengrad
longitude = longitudeRef - longitude;
pos = pos - longitude;
}
else if (longitude < 0) {
// Betrag zwischen Referenzgrad und Längengrad
longitude = longitudeRef + (-1)*longitude;
pos = pos - longitude;
}
else {
// Betrag zwischen Referenzgrad und Längengrad
longitude = longitude - longitudeRef;
pos = pos + longitude;
}
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Handy-Kompass
Im dritten Fall der Verzweigung, wenn das aktuelle Längengrad größer als das Referenzlängengrad ist, wird der Betrag der Differenz zur Referenzposition dazuaddiert. Hier ist die
aktuelle Position weiter im Osten, weshalb hier die Sonne früher steht.
// Zwischenschritt notwendig, da 0 bei Koordinatenberechnung im Süden
if(pos < 0) {
pos = 360 + pos;
}
Nun ist noch ein Zwischenschritt notwendig. Die Referenzposition wird zu Beginn der
Methode calculateSun() mit 0 initialisiert. Die nun errechnete Position kann zwischen -180
und +180 liegen. Da die Methode kreisbewegungSonne(), die die Koordinaten für die Sonne
berechnet, davon ausgeht, dass die Position 0 im Süden ist, muss die errechnete Position
umgerechnet werden – ist sie kleiner 0, wird 360 dazuaddiert.
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Navigations- und Ortungssysteme
6
6.1
Handy-Kompass
Referenzen
Quellen
Sonnenkompass
http://software.palmsource.de/product.php?pf=palmos&prod_id=4667 [2006-01-16]
http://www.wandernonline.de/html/sonnenkompass.html [2006-01-16]
J2ME
http://java.sun.com/j2me/index.jsp [2006-01-16]
http://java.sun.com/products/sjwtoolkit/ [2006-01-16]
http://eclipseme.org/docs/index.html [2006-01-16]
Zeit / Koordinaten
http://www.welt-zeit-uhr.de/ [2006-01-16]
http://www.jgiesen.de/sunearth/ [2006-01-16]
http://de.wikipedia.org/wiki/Nullmeridian [2006-01-16]
http://de.wikipedia.org/wiki/Weltzeit [2006-01-16]
http://de.wikipedia.org/wiki/Greenwich_Mean_Time [2006-01-16]
http://de.wikipedia.org/wiki/Koordinierte_Weltzeit [2006-01-16]
http://www.worldtimezone.com/time-europe24.php [2006-01-07]
http://uhrsucht.de/pics/zeitzone2.gif [2006-01-07]
6.2
Download
Der Handykompass wird hier zum Download angeboten:
http://www.michaelkaiser.net/kompass/mobileKompass.jad
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