Wir neigen dazu, „GPS“ zu sagen, um über Navigationssysteme zu sprechen. Wir dürfen jedoch nicht vergessen, dass hinter diesem Namen tatsächlich eine Reihe von Satellitenkonstellationen stehen, die das ordnungsgemäße Funktionieren der Geolokalisierung gewährleisten, einschließlich der Geschichte des amerikanischen GPS. Zu ihm gesellten sich der russische Glonass, der chinesische Beidou (ehemals Kompass) oder der europäische Galileo. Letztere ist in Betrieb, wird aber seit 2016 noch ausgebaut. Um herauszufinden, wo es sich befindet, seine Anwendungen und zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten, haben wir mit Jean Marshall gesprochen, der für das National Navigation and Localization Program verantwortlich ist. Zentrum für Weltraumstudien (CNES).

Engineering-Methoden: Wo entwickelt sich Galileo?

Jean Marshall: Der Einsatz von Galileo steht kurz vor dem Abschluss. Der nächste Start ist für den 2. Dezember 2021 geplant, zwei weitere folgen im Jahr 2022. In jedem Start sind 2 Satelliten enthalten. Mit diesen drei Starts erhöht sich die Konstellation auf 24 Nennsatelliten und 4 redundante Satelliten im Orbit. Diese letzten Satelliten ermöglichen nach Fertigstellung der Konstellation die Bereitstellung eines kostenlosen öffentlichen Dienstes bis Ende 2022. Wir sind dem Ziel schon sehr nahe und es wird für den Benutzer transparent sein …

Parallel zur Konstellation wird das bodengestützte System aktualisiert, um eine größere Robustheit zu bieten, um die Dienstverfügbarkeit zu gewährleisten. Es besteht aus einem weltweiten Netz von 16 Stationen, 2 Kontrollzentren in Italien und Deutschland und 2 Sicherheitszentren in Frankreich und Spanien. In einem Navigationssystem wie Galileo ist der Beitrag des Erdsegments entscheidend für die endgültige Leistung: Es synchronisiert alle Satelliten zwischen ihnen und berechnet ihre Umlaufbahn auf 25 cm genau in Echtzeit.

Mussten sich die eingebetteten Navigationssysteme an Galileo anpassen?

Ja, der GNSS-Chip (Global Navigation Satellite System) – historisch gesehen ein GPS-Chip – muss kompatibel sein und zu einer Multikonstellation werden. Galileo erfordert eine Reihe spezifischer Signalverarbeitungsaktivitäten, die sich von anderen Systemen dadurch unterscheiden, dass sie nicht auf die gleiche Weise codiert sind. Galileo-Signale sind etwas effizienter und werden auf einer Reihe von Frequenzen übertragen, von denen einige spezifisch für Galileo sind und die entschlüsselt werden müssen, um die Vorteile der Systemleistung voll auszuschöpfen.

Galileo-Signale sind mit GPS-Signalen und anderen Konstellationen kompatibel. Insbesondere verwenden sie zwei Frequenzen (L1-E1/L5-E5a) und mischen. Aber um sie zu verwirren, gibt es bestimmte mathematische Verfahren. Die Signalunterscheidung erfolgt dann aufgrund des Zugriffs mit Code-Identifikation. Einfacher: Der Receiver sucht mit einer Art Filter, der einen Satellitencode verwendet, unter allen anderen nach jedem Satellitensignal. Mit vier Konstellationen kann der Empfänger bei klarem Himmel bis zu dreißig Satelliten parallel verfolgen.

Und wenn der Chip nicht dafür ausgelegt ist, Galileo zu entschlüsseln, können wir ihn nicht einfach aktualisieren. Das muss sich ändern. Heute jedoch integrieren alle Hersteller von Satellitenempfängern Galileo. Jedes High-End- oder Mid-Range-Telefon empfängt Signale aus vier zum Standard gewordenen Konstellationen (GPS, Galileo, Glonass, Beidou).

Was sind die nächsten Schritte?

Zukünftige Galileo-Dienste, die für die kommenden Jahre geplant sind, umfassen einen Dienst für kritische Anwendungen: die Authentifizierung, auch bekannt als OS-NMA, zur Authentifizierung von Open-Service-Navigationsnachrichten. Wir werden in der Galileo-Botschaft eine Art Siegel haben, das zeigt, dass wir nicht auf ein falsches Signal, sondern auf Galileo hören. Ein nützliches Zertifikat zur legalen Verwendung und zum Schutz vor „Täuschung“. So wird der Dienst beispielsweise in künftige digitale Fahrtenschreiber integriert, die im Lkw den europäischen Vorschriften unterliegen. Sie sollten zumindest Galileo und seine Authentifizierungsfunktion nutzen, sobald diese verfügbar ist. Mit diesem Service können Sie nachweisen, dass der Lkw mit einer bestimmten Geschwindigkeit und zu einer bestimmten Zeit gefahren ist. Und um einen Missbrauch dieser Informationen zu vermeiden, werden wir sie mit Galileo-Signalen authentifizieren. Was GPS nicht bietet Die Tests laufen und der Dienst wird 2023 verfügbar sein.

Eine weitere Entwicklung ist die genaue Positionierung, die wir HAS für hochpräzisen Service nennen und die kostenlos sein wird. Heute sind wir einen Meter entfernt, aber für ein autonomes Fahrzeug beträgt die Zielgenauigkeit 20 cm oder noch weniger. Diese Genauigkeit ermöglicht beispielsweise die Position des Fahrzeugs in seiner Fahrspur. Die Arbeiten sind im Gange, die Funktion wird voraussichtlich bis 2023-24 gehen. Dieses Feature könnte beispielsweise die Navigationsfunktionen eines nahezu autonomen Fahrzeugs in einem Teil der Autobahn ergänzen. Die Sensoren fast autonomer Fahrzeuge sind heute hauptsächlich Kameras und Radar. Die Satellitennavigation wird mit diesen Sensoren hybridisieren, um zuverlässige und absolute Standortinformationen bereitzustellen, dh direkt relativ zur Karte berechnet.

Und schließlich bauen wir Satelliten der zweiten Generation. Mit Airbus und Thalès wurden in diesem Jahr zwei Großverträge unterzeichnet. Diese neuen Satelliten, die dreimal größer und flexibler sind, werden in der Lage sein, neue Signale zu übertragen, wie beispielsweise die Signale des Internets der Dinge (IoT). Tatsächlich verbraucht der Navigationsempfänger viel Strom, um die aktuellen Signale zu decodieren, was eine starke Einschränkung des IoT-Beacons darstellt. Deshalb entwickeln wir für diese zweite Generation neue grundlegende und stabile Signale.

Welche Anwendungen gibt es?

Galileo wurde zunächst für die Souveränität der Europäischen Union entwickelt. Also wirtschaftliche Souveränität, aber nicht nur das. Ein weiterer wichtiger Dienst ist das staatlich regulierte Signal für den staatlich regulierten PRS-Dienst. Dieser Dienst, der schwieriger einzurichten ist als der öffentliche Geolokalisierungsdienst, wird im Jahr 2024 verfügbar sein. Es ist verschlüsselt und sehr sicher. Es ist nur für die Verwendung durch die Regierung bestimmt und erfordert sehr spezielle Empfänger, die digitale Schlüssel verwenden, um die Signale zu entschlüsseln.

Weitere Anwendungen sind autonome Zug- und neue Zuggeolokalisierungskonzepte, Agrarrobotik sowie Präzisionslandwirtschaft. Letzteres nutzt systematisch möglichst viele Sterne und wird künftig das HAS nutzen. Es verwendet bereits zusätzliche kostenpflichtige Dienste, die Informationen zu GPS und Galileo für eine genaue Positionsbestimmung mit sehr spezifischen Empfängern und hochwertigen Mehrfrequenzantennen hinzufügen. Diese Empfänger sind in der Lage, anspruchsvollere Messungen durchzuführen, sodass die Positionsbestimmung innerhalb weniger Zentimeter erfolgt.

Warum ist die Genauigkeit in der Landwirtschaft genauer? Liegt es an den zusätzlichen Sensoren?

Für eine sehr feine Genauigkeit von etwa einem Zentimeter verwenden wir nicht nur die in den Signalen kodierten Botschaften (eine einfache Möglichkeit, Messungen mit einer Genauigkeit von ein oder zwei Metern durchzuführen), sondern auch die Boten selbst. Dies ist zweitens eine genauere Messung der Sinuswelle, die die Informationen trägt. Dies wird Phasenmessung genannt.

Aber es ist schwierig zu verwenden, weil es bei dieser Messung Verwirrung gibt: Sie wurde in einem Sinuswellenzyklus durchgeführt, aber wir wissen nicht, welcher! Beim Empfang von Korrekturen, die von zusätzlichen Systemen wie RTK (Echtzeitkinematik) oder PPP (Präzisionspositionierung) übertragen werden, gelingt es dem Empfänger, unscharfe Punkte zu eliminieren, um nur eine sehr genau zu halten. Je nach verwendeter Technologie und Preis des Dienstes kann dies sofort erfolgen oder bis zur Konvergenz einige Minuten dauern.

Diese Technologie eignet sich besonders für die Landwirtschaft, da der Satellitenempfang am Traktor hochwertig ist und nicht unterbrochen wird. Bei einem Auto ist dies komplizierter, da Signale manchmal durch Brücken, Gebäude oder Tunnel verdeckt werden. Aus diesem Grund werden die Informationen des Satellitennavigationsempfängers mit Informationen über andere, sehr unterschiedliche und sich ergänzende Sensoren verwechselt. Mit dieser hybriden Ortungsfunktion wissen Sie immer, wo Sie sich gerade befinden und passt Ihre Position dank Satellitennavigation regelmäßig im absoluten Bezugssystem an.

Diese Methoden müssen auch implementiert werden, um Galileo HAS-Messungen korrekt zu verwenden.