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GalileoADAP

Galileo Advanced Applications (GalileoADAP)

Bild 1: Galileo-Anwendungen

Mit dem Aufbau von EGNOS und Galileo leistet Europa einen entscheidenden Beitrag zur globalen Bereitstellung von Navigationsinfrastrukturen, der durch die erhöhte Positionierungsgenauigkeit und Satellitenverfügbarkeit zu einer Vielzahl neuer Anwendungen sowohl im Massenmarkt als auch im professionellen Sektor führen wird. Die garantierte Systemintegrität macht die Anwendung der Satellitennavigation in sicherheitsrelevanten (SoL) Bereichen erstmals möglich und wird in der Folge die Entwicklung von neuen Endgeräten und Diensten auch in diesem Bereich nach sich ziehen. Vor diesem Hintergrund setzt sich das Institut für Kommunikation und Navigation (IKN) mit diesen Zukunftsthemen auseinander und betreibt anwendungsspezifische Forschung auf diesen Gebieten.

Im Projekt GalileoADAP wurden Demonstratoren für Indooranwendungen und für SoL-(Safety-of-Life)-Anwendungen entwickelt. Schwerpunkt für die Indooranwendungen war die Kombination von COM und NAV, für die SoL-Anwendungen lagen Schwerpunkte auf Störunterdrückung, Empfängerentwicklung, Integrität und lokale Elemente. Mit diesen Demonstratoren sollen Anwendungen gefördert werden, z. B. in gemeinsamen Projekten mit der Industrie.

Indoorpositionierung:

Die Ziele dieses Themenbereichs lagen in der Erarbeitung, Erprobung und Demonstration neuer Technologien für die Navigation innerhalb von Gebäuden. Sowohl der Entwurf neuer Konzepte als auch deren Umsetzung in Rechnersimulationen und als Prototypen wurden in GalileoADAP vorgenommen. Die neuen Konzepte umfassen die Integration unterschiedlicher Sensorik (z.B. Inertialsysteme, Kompass, GNSS, RFID), von Bewegungsmodellen und Karten. Die neuen Technologien sind neben der reinen Indoornavigation auch gut geeignet, die Navigation von Fußgängern außerhalb von Gebäuden, z. B. in Straßenschluchten zu verbessern und einen nahtlosen Übergang von Outdoor nach Indoor zu gewährleisten. In allen Phasen des Projektes wurden Demonstratoren entwickelt, die in realistischen Szenarien die Qualität und Praktikabilität der entwickelten Konzepte unter Beweis stellten. Die Demonstratoren integrieren auch die im Themenbereich „Galileo und Mobilfunk“ entwickelten Algorithmen. Damit sichert sich IKN das Alleinstellungsmerkmal, in Sachen Positionierung sowohl GNSS als auch Mobilfunk, Sensorik und Bewegungsmodelle zu beherrschen.

Galileo und Mobilfunk:

Bild 2:  Signalausbreitung in Gebäuden

Bedingt durch ihre grundsätzlich unterschiedlichen Aufgaben und Anforderungen wurden Navigations- bzw. Kommunikationssysteme lange Zeit getrennt betrachtet und entworfen. Ein Ziel des Projekts GalileoADAP war es daher, die Möglichkeiten zur Positionsbestimmung, die sowohl existierende als auch zukünftige Kommunikationssysteme (d.h. Mobilfunksysteme der 4. Generation, 4G; LTE) bieten, detailliert zu untersuchen und mit der Satellitennavigation zu verknüpfen. Als wichtiges Fundament zu Erreichung dieser Ziele führte IKN mehrere Kanalmesskampagnen durch, um die Ausbreitungseigenschaften der Mobilfunksignale zu erfassen und derart zu modellieren, dass die für Ortungszwecke relevanten Größen exakt beschrieben werden. Solche Modelle existierten vorher noch nicht. Mit Hilfe dieser Modelle wurde in der Computer gestützten Simulation die Genauigkeit Mobilfunk basierter Ortung ermittelt. Die Ergebnisse flossen auch in den 4G-Signaldesign ein. Dies erfolgt im Rahmen des WWRF (wireless world research forum) in enger Abstimmung mit Industriepartnern und Forschungseinrichtungen. Ferner wurden in GalileoADAP neue Algorithmen zur Positionsbestimmung entwickelt, die aus einer nahezu optimalen Fusion von GNSS und Mobilfunk gestützter Ortung bestehen und das von IKN entwickelte Soft Location Konzept nutzen. Als wesentliche Komponente des Indoordemonstrators wurde ein LTE-Testbed in HW aufgebaut.

SoL-Empfänger:

Bild 3: Integritätskonzept in der Luftfahrt . Bild 4: Interferenz und Mehrwegeunterdrückung mit Hilfe adaptiv gesteuerter Mehrkeulenantennen

Safety-of-Life-Anwendungen (SoL) stellen erhebliche Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit an Satellitennavigationsempfänger, insbesondere für den Einsatz in kritischen Operationen wie CAT II/III-Landeanflüge, aber auch in anderen Bereichen wie Bahn und Schifffahrt. Galileo bietet durch Aussendung mehrerer breitbandiger Signale auf unterschiedlichen Frequenzen und zusätzlicher Integritätsinformationen gute Voraussetzungen die hohen SoL-Anforderungen zu erfüllen. Im Rahmen des Projekts wurden bestehende Ansätze zur Integritätsgewinnung systematisch analysiert, aber auch neue Konzepte entwickelt.

Für hohe Verfügbarkeit und Integrität muss der Empfänger zusätzlich gegen Empfangsbeeinträchtigung durch reflektierte Signale und gegen äußere Störungen durch ungewollte oder bewusst ausgesendete Störsignale gehärtet werden (Interferenz und Jamming). Eine effektive Methode zur Ausblendung von Störsignalen ist der Einsatz von Gruppenantennen, deren Richtcharakteristik durch geeignete Algorithmen in der digitalen Signalverarbeitung adaptiv geformt wird. Dieser Ansatz wurde im Projekt besonders verfolgt und umgesetzt.

In GalileoADAP wurde eine Demonstrationsplattform geschaffen, mit der die Leistungsfähigkeit der oben genannten Algorithmen und Techniken im Labor und in Feldtests nachgewiesen werden konnte. Zentrale Einheit ist ein echtzeitfähiger Zweifrequenz- Galileo/GPS-Empfänger bestehend aus einem Digitalteil in FPGA-Technologie und einem nachgeschalteten SW-Empfänger. Der vollständigen SoL-Demonstrator (GALANT) beinhaltet zusätzlich eine Arrayantenne mit 4 Einzelstrahlern, ein Mehrkanal-HF-Frontend, sowie Schnittstellen zur Anbindung weiterer Sensoren, z.B. INS, und zur Nutzung der Informationen von lokalen Augmentierungseinrichtungen am Boden (lokale Elemente).

Interferenz und Jamming:

Bild 5: Beispiel einer Interferenzmessungen im Galileo E6-Band .

Die Robustheit des GNSS gegenüber Störsignalen ist für SoL-Anwendungen von großer Bedeutung. Wegen der niedrigen Empfangsleistung der GNSS-Signale können Ausfälle aufgrund unbeabsichtigter Störsignale leicht vorkommen. Auch besteht ein relativ hohes Potential und Risiko, dass Genauigkeit und Verfügbarkeit der GNSS-Signale bewusst durch äußere Eingriffe gestört werden. Das Ziel dieses Themenbereichs lag daher in der Ausarbeitung von Maßnahmen sowohl auf der Hardwareseite als auch im Algorithmenbereich, um Störungen zu erkennen und zu minimieren. Voraussetzung dafür ist eine gute Kenntnis der Signaleigenschaften der Störer und ein gutes Verständnis ihrer Auswirkung im Navigationsempfänger; dann können geeignete Algorithmen in der Signalverarbeitung zu ihrer Erkennung und Unterdrückung entwickelt werden. Schwerpunkte der durchgeführten Arbeiten waren daher:

• Die Modellierung von Interferenzquellen,
• die Entwicklung von Methoden zur Detektion und Identifikation von Störsignalen in der digitalen Signalverarbeitungsstufe sowie Methoden zur Unterdrückung für ausgewählte Arten von Störungen,
• die Entwicklung eines mehrkanaligen Empfänger-HF-Frontends mit Schwerpunkt auf Interferenzunterdrückung. Das Frontend ist modular aufgebaut und für den simultanen Empfang von zwei Galileo-Frequenzbändern (L1, E5a), aber auch für den gleichzeitigen Empfang von GPS und Galileo auf L1 geeignet.

Feldtests im GATE Testbed mit den SoL-Empfänger (GALANT) zeigten eine Erhöhung der Interferenzunterdrückung und Robustheit von 20 dB und mehr durch die implementierten Methoden im Vergleich zu einigen kommerziellen High-end Empfängern.

Lokale Elemente:

Bild 6: Konzept für Nutzung von lokalen Elementen

Eine Methodik, um erhöhte Genauigkeits- und Integritätsanforderungen für „Safety of Life“-Anwendungen im lokalen Kontext zu erreichen, ist der Einsatz von Lokalen Elementen. Dazu werden an Referenzstandorten GNSS/Galileo-Signale empfangen, hinsichtlich ihrer Qualität bewertet, daraus Ergänzungs- und Korrektursignale generiert und an die Nutzer verteilt. Welche Daten und Signale letztlich durch das jeweilige lokale Element bereitgestellt werden müssen, wird durch die spezifischen Nutzeranforderungen mitbestimmt. Ihre Spezifikation erfolgt z.B. im Bereich der Luftfahrt durch die ICAO und in der Schifffahrt durch die IMO. Um Genauigkeiten im Meter- und Submeterbereich zu erreichen und Fehlfunktionen innerhalb weniger Sekunden zu detektieren, müssen einzusetzende Algorithmen und Verfahren in Echtzeit mit hoher Stabilität arbeiten. Der durch zukünftige GNSS-Systeme wie Galileo ermöglichte Empfang von breitbandigen Navigationssignalen in mehreren Frequenzbändern ist eine notwendige Grundlage, um die Leistungsfähigkeit von Lokalen Elementen mittels weiterentwickelter Algorithmen und Verfahren zu steigern. Ein Themenschwerpunkt in GalileoADAP war die Entwicklung von Basisalgorithmen zum „Signal-in-Space“-Monitoring und zur Generierung und Verteilung von Ergänzungs- und Korrektursignalen, die anwendungsübergreifend eingesetzt werden können. Dabei wurde für das lokale Element als Entwicklungs- und Demonstrationsplattform das bereits beim DLR existierende Experimentier- und Verifikationsnetzwerk (EVnet) eingesetzt, dessen Infrastruktur an die zu erbringenden Service-Funktionalitäten und an die notwendigen Schnittstellen des SoL-Demonstrators angepasst und mit neuentwickelten Algorithmen erweitert wurde. Im Forschungshafen Rostock und im Forschungsflughafen Braunschweig wurden lokale Elemente aufgebaut, die zur experimentellen Validierung zugeordneter Entwicklungen dienen.

Link zum GalileoADAP-Flyer

...gefördert durch: Intern

Projektdauer: 2006-2011