Globale Navigationssatellitensysteme. Zukunftsaussichten und Trends.

Satellitennavigationssysteme können einen Benutzer lokalisieren, indem sie die Entfernung zwischen diesem Benutzer und mindestens drei bekannten Positionen (der Satellitenkonstellation) messen. Der Abstand zu einem der Satelliten definiert eine Sphäre möglicher Lösungen, während der Schnittpunkt der drei Sphären diese auf die Position des Benutzers reduziert. Die Entfernungsmessung erfolgt durch Multiplikation der Differenz zwischen der Sendezeit des Satelliten und der Empfangszeit des Benutzers mit der Lichtgeschwindigkeit. Um die Anwenderuhr mit der Referenzzeit des Systems zu synchronisieren, muss eine vierte Unbekannte gelöst werden: der Fehler der Anwenderuhr. Diese 3-Parameter-Lokalisierung unserer Position zusammen mit dem einzigen Zeitparameter setzt voraus, dass mindestens vier Satelliten zur gleichen Zeit im Blickfeld sind.

Bereits 1973 wurde GPS vom Navy Navigation Satellite System (NNSS oder TRANSIT) der Vereinigten Staaten ins Leben gerufen; die ersten Satelliten wurden in den frühen achtziger Jahren gestartet; GPS als System ist seit den frühen neunziger Jahren in Betrieb. Die Geschichte der GNSS-Expertise von GMV reicht bis in die frühen neunziger Jahre zurück, beginnend mit Orbit- und Taktbestimmung, Empfängern und zivilen Anwendungen, hauptsächlich in der Luftfahrt. Seit Mitte der neunziger Jahre war GMV maßgeblich an der Konzeption und Entwicklung der europäischen Systeme EGNOS und Galileo beteiligt und entwickelte Schlüsselelemente beider Systeme. Gleichzeitig hat sich GMV zu einem Pionier von GNSS-Anwendungen entwickelt, die hauptsächlich auf den Transportsektor und andere Bereiche wie die Landwirtschaft ausgerichtet sind.

GMV hat sich zu einem GNSS-Innovationskraftwerk entwickelt, das alle folgenden Bereiche abdeckt: Entwicklung von GNSS- und Augmentierungssystemen (SBAS), Entwicklung von Empfängern, Entwicklung von Anwendungen, neue Positionierungstechnologie usw. Infolgedessen hat GMV sich eine weltweit führende Position bei GNSS erarbeitet und eine unvergleichliche Erfahrung in einer großen Anzahl von Bereichen aufgebaut.

Innovation impliziert unter anderem eine gewisse Fähigkeit zur Vorhersage, wie sich GNSS und die Anwendungen in Zukunft entwickeln werden. Bereits 2011 konnte GMV seine Vorstellung vom Zukunftstrend der Navigationssysteme in folgenden Konzepten zusammenfassen:

• Ein einziges GNSS, das sich aus den Beiträgen verschiedener Länder zusammensetzt.
• Eine Reihe von regionalen Satellitennavigationssystemen mit dem Ziel, die Geometrie zu verbessern, Navigationsinformationen zu übertragen und zusätzliche Dienste auf regionaler Ebene anzubieten.
• Ein Satz satellitengestützter Augmentierungssysteme (SBAS), die mit regionalen Systemen integriert sind, um Dienste bei potenziell lebensbedrohlichen Situationen bereitzustellen.
• Neue Positionierungsalgorithmen, die sich die Verfügbarkeit von Messwerten in verschiedenen Frequenzen, Phasenmessungen und fortschrittlichen Algorithmen zur präzisen Punktpositionierung (PPP) auf Benutzerebene zunutze machen.
• Integration mit anderen nicht auf Satelliten gestützten Positionierungstechnologien.

Zehn Jahre später können wir nun zurückblicken, wie sich GNSS tatsächlich entwickelt hat, und auch noch einmal einen Blick auf zukünftige Trends werfen.

Auf der Systemebene ist die Entwicklung hin zu einem Beiträge aggregierenden globalen System noch nicht gelungen, obwohl dies auf der Anwendungsentwicklung eindeutig geschehen ist. Die große Mehrheit der heutigen Empfänger integriert alle GNSS. Gegenwärtig stehen die Faktoren der nationalen Souveränität und Sicherheit dem Aufbau eines globalen Systems entgegen, das auf Inputs aus verschiedenen Ländern basiert, aber die verschiedenen Systeme sind so konzipiert, dass sie in hohem Maße kompatibel und interoperabel sind. Für den Anwender ist daher deutlich zu erkennen, dass die Positionsbestimmungen seiner Navigationsanwendung gewöhnlich aus den Messwerten mehrerer Konstellationen gewonnen werden. Die entscheidende wirtschaftliche Bedeutung der Satellitennavigation macht es heute sehr wahrscheinlich, dass die internationale Zusammenarbeit in Zukunft zunehmen wird.

Regionale Navigationssysteme haben sich in den letzten Jahren stark vermehrt. Sie wurden in Indien, Japan, China (regionale Komponenten von Beidou) eingerichtet und viele andere Länder oder Regionen denken auch über diese Möglichkeit nach. Regionale Systeme sind eine gute Alternative, wenn es darum geht, die Leistung zu verbessern und den Benutzern zusätzliche Dienste anzubieten. Es sieht so aus, als würden diese Dienste auch in den kommenden Jahren weitere Verbreitung finden.

Klassische SBASs-Phasenintegrität in globale Systeme. Sie haben sich jedoch noch nicht auf weltweiter Ebene durchgesetzt und sind nur für die größten Länder wie die USA und Russland oder für Blöcke relativ einheitlicher Länder wie die EU zugänglich. Schließlich erfordern sie komplizierte, kostspielige und schwerfällige politische Vereinbarungen, die für kleinere Länder nur schwer zu erreichen sind. In den letzten Jahren wurden fortschrittliche Systeme entwickelt, die auf dem Dienstleistungs-Konzept basieren und einen breiteren Benutzerkreis abdecken, der über den Luftfahrtbereich hinausgeht.

Dadurch werden sie viel erschwinglicher. Systeme wie Galileo, die das Navigationssignal in mehreren zivil genutzten Frequenzen übertragen, machen es möglich, dass ein weltweites SBAS innerhalb relativ kleiner Gebiete oder Länder durch einen Dienstleistungsbetreiber eingerichtet werden kann.

Ein Beispiel für diese Systeme ist der operative Prototyp, der unter Mitwirkung von GMV in Australien und Neuseeland entwickelt wurde. Wir erwarten, dass dieses dienstbasierte Global SBAS-Konzept, verbunden mit zusätzlichen Diensten wie PPP, die Anzahl dieser Systeme in den kommenden Jahren steigern wird.

PPP ist jetzt hier, um zu bleiben. Systeme wie Galileo nutzen es durch seinen High Accuracy Service (HAS) zum Vorteil vieler Anwendungen. Die Kombination von PPP mit Integrität wird für die Entwicklung von autonomen Fahrzeugen aufgegriffen. Diese Technologie ermöglicht es dem Anwender, seine Position auf wenige Zentimeter genau zu bestimmen und die Einschränkungen herkömmlicher Positionierungssysteme zu überwinden. PPP mit Integrität revolutioniert die Welt der GNSS-Anwendungen und wird dies in Zukunft noch mehr tun.

Die Integration anderer Positionierungstechnologien mit GNSS ist in vielen Anwendungen von entscheidender Bedeutung und wird sich in den kommenden Jahren mit dem Aufkommen neuer Technologien weiterentwickeln. GNSS ist wahrscheinlich die einzige Technologie, die in der Lage ist, ein absolutes Timing und eine absolute Positionierung zu liefern, während die übrigen Technologien diese Lösung mit relativen Positionsdaten verfeinern können. Beispielhaft sei das autonome Auto erwähnt, das GNSS mit Laser-Kameras, 5G, Kilometerzählern und Trägheitsnavigationssystemen usw. integriert.

Die schrittweise Einführung der Nicht-Positionierungstechnologie könnte GNSS noch mehr bereichern. Die neuen Mega-Konstellationen von Kommunikationssatelliten, die von Unternehmen wie SpaceX, OneWeb und Amazon gefördert werden, haben wahrscheinlich den Start Tausender von LEO- und MEO-Satelliten zur Folge, um weltweites Breitband bereitzustellen.

Dies wird die GNSS-Welt neu aufrütteln, vielleicht nicht direkt durch die Nutzung dieser Satelliten für Navigationsanwendungen, aber doch zumindest indirekt durch die Erhöhung der Kommunikationskapazitäten. Die Verschmelzung von Technologien wie der künstlichen Intelligenz und dem Internet der Dinge (IOT) könnte das Spektrum der Anwendungen erweitern, die von den durch GNSS bereitgestellten Positionsdaten profitieren.

Das System wird sich auch in Zukunft weiterentwickeln, um die immer anspruchsvolleren Anforderungen der Anwender erfüllen zu können. Entwicklungen, die in den nächsten Jahren zu erwarten sind, wie erhöhte Sicherheit, Störfestigkeit und ergänzende Positionierungssysteme, werden dazu beitragen, die Navigation in dem Maße, in dem sich das Bild vervollständigt, noch faszinierender zu machen.

Autor: Miguel Romay Merino.