Nautische Systeme

Ansteuerung Rostocker Hafen als Testgebiet des Forschungshafens Rostock

Die Abteilung Nautische Systeme hat ihre Arbeitsinhalte und Themen darauf ausgerichtet, Beiträge für einen sicheren und effektiven Schiffsverkehr auf den Weltmeeren und Binnenwasserstraßen zu leisten. Wir stellen uns dabei der Herausforderung, mit unseren Arbeiten vor allem dazu beitragen, das Risiko von Kollisionen und Grundberührungen auch bei zunehmendem Schiffsverkehr und immer komplexer werdenden Systemen weiter zu vermindern.

Dazu forschen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker in 3  Arbeitsgruppen an neuen Methoden und Technologien zur Verbesserung der Genauigkeit und Integrität der im maritimen Umfeld von Sensoren und Diensten gelieferten Daten. Die Arbeiten beziehen sich zum einen auf navigationsrelevante Daten zur Erfassung der Eigenbewegung eines Schiffes als auch auf die von einem Schiff bzgl. dessen Umfelds (d.h. umgebende Schiffe, Hindernisse) gewonnenen Daten.

Wir verfolgen mit den Arbeiten mittelfristig folgende Zielstellungen:

• Entwicklung eines robusten integrierten Positions-, Navigations- und Zeitsystems (PNT) unter Einbeziehung bordseitiger Sensoren sowie landseitiger und weltraumgestützter Ergänzungssysteme
• Beiträge zur Etablierung kooperativer Verkehrslagebestimmung zur Ableitung eines eindeutigen und zuverlässigen Verkehrslagebildes aller Verkehrsteilnehmer

Zur Umsetzung dieser Ziele kooperieren wir mit Partnern auf nationaler als auch internationaler Ebene. Einen wichtigen Kernpunkt unserer Arbeit sehen wir in der Unterstützung und partiellen Umsetzung von Zielen aus der e-Navigation Strategie der Internationalen Maritimen Organisation (IMO). Hierzu sind wir in Arbeiten auf nationaler Ebene eingebunden (u.a. Leitung der PNT-Arbeitsgruppe des BMVI) und bringen uns zudem als assoziiertes Mitglied in der IALA (konkret in der Arbeitsgruppe 5 des eNAV-Komitees) mit technischen Beiträgen ein.

Ein wichtiges Testfeld zur Erprobung unserer Technologien unter realen Einsatzbedingungen bildet der Forschungshafen Rostock, zu dessen Gründungsmitgliedern das DLR gehört und dessen Belange wir als Abteilung nach außen vertreten. Für Messkampagnen haben wir temporär Zugriff auf ein für Taucheinsätze spezialisiertes Schiff. Dieses Schiff verfügt neben üblicherer nautischer Standardsensorik wie Radar, Gyro, ECDIS, SpeedLog  und GPS Empfänger über eine Reihe weiterer  neuartiger nautischer Sensoren wie mehrere GNSS-Empfänger sowie inertiale Messeinrichtungen und ist zudem vollständig vermessen.

Am DLR Standort Neustrelitz ist unsere Abteilung eng in die Arbeiten der Forschungsstelle Maritime Sicherheit involviert. Zusammen mit dem DFD obliegt uns zudem die Leitung der Forschungsstelle. Inhaltlich werden hier die algorithmischen Arbeiten zur Entwicklung des integrierten maritimen PNT Systems und zur Integrität der Verkehrslage im Sinne der Entwicklung echtzeitfähiger Prozessoren und Demonstratoren weitergeführt.
 

Gruppe Multisensorsysteme Die Arbeitsgruppe Multisensorsysteme forscht an Ansätzen bzw. entwickelt Verfahren zur Datenfusion bordseitiger maritimer Systeme für die integre und zuverlässige Bestimmung von Positions-, Navigations- und Zeitinformationen (PNT). Aufgrund ihrer geringen Signalstärke ist die Nutzung von Globalen Satelliten Navigationssignalen störanfällig insbesondere in Bezug auf ungewollte und gewollte Interferenz (engl. Jamming). Weiterhin führen auch Abschattungseffekte und Mehrwegeausbreitungen speziell in Hafengebieten dazu, dass eine PNT Bestimmung, die nur auf der Nutzung von GNSS basiert, nicht die erforderliche Verfügbarkeit und Integrität sicherstellen kann. Deshalb besteht der Forschungsansatz der Arbeitsgruppe Multisensorsysteme in einer gemeinsamen Nutzung und Fusion von GNSS, Ergänzungssystemen sowie weiteren bordseitigen Sensoren, um eine vollständige und zuverlässige Bereitstellung der PNT-Daten erreichen zu können. Durch hard- und softwaretechnische Redundanz wird nicht nur die Verfügbarkeit aller PNT-Daten insbesondere bei einem Ausfall einzelner Sensoren erhöht, sondern auch eine Integritätsbewertung der PNT Daten ermöglicht. Die aktuellen Forschungsaktivitäten fokussieren sich auf die Entwicklung von zuverlässigen rekursiven Bayesschen Filtern, auf deren Basis Methoden entwickelt werden, welche die Anforderungen für sicherheitskritische Anwendungen, wie der Schiffsnavigation, erfüllen können. Hier geht es um die Fragestellung, wie man in hochdimensionalen Bayesschen Filtern eine Abschätzung des Fehlers im Sinne einer oberen Schranke unter Berücksichtigung eines Restrisikos erzielen kann. Hauptsächlich werden sogenannte eng gekoppelte (engl. tightly coupled) Filter entwickelt, welche es ermöglichen, innerhalb des Filters fehlerbehaftete Satellitensignale zu detektieren und von der Positionslösung auszuschließen. Mehr

Gruppe Maritime Dienste Die Forschungsaktivitäten der Gruppe „Maritime Dienste“ sind auf die Entwicklung und Erprobung von funknavigationsbasierten Diensten ausgerichtet, mit denen bordseitig eine störfeste Bereitstellung von Position , Navigations- und Zeitdaten (PNT) abgesichert werden kann. Maritime Dienste in diesem Sinne sind satelliten- und bodengestützte GNSS-Ergänzungssysteme, alternative Funknavigationssysteme sowie Monitoringdienste zur Bereitstellung von PNT-relevanten Sicherheitsinformationen. Seit den 90-er Jahren werden code-basierte Differentialverfahren genutzt, um mit Satellitennavigationssystemen der 1. Generation die Leistungsanforderungen für eine Schiffsnavigation in Küstenbereichen erfüllen zu können. Das initiale Maritime Ground Based Augmentation System (MGBAS) wurde durch die Gruppe entwickelt und im Forschungshafen Rostock aufgebaut, um zu demonstrieren, dass eine Integritätsüberwachung von phasenbasierten Ergänzungssystemen machbar ist und Positionsgenauigkeiten besser 10 cm erreicht werden können. Aktuelle Forschungsaktivitäten fokussieren sich auf komplementäre wissenschaftlich-technische Fragestellungen, die im Kontext einer störfesten Bereitstellung von PNT-Daten entstanden sind. Die erste fragt nach geeigneten Verfahren, um Störungen und Ausfälle in infrastrukturellen Teilen des maritimen PNT-Systems erkennen und kompensieren zu können. Die zweite widmet sich der experimentellen Bestimmung von Leistungskenngrößen, um Schwellwerte für die Integritätsüberwachung abzuleiten und um die technische Architektur des PNT-Systems auf der Grundlage von Soll-Ist-Vergleichen spezifizieren und konsolidieren zu können. Mit den Entwicklungsergebnissen im Servicebereich möchten wir in Zukunft sicherstellen, dass eine automatische Kompensation von Störungen und Fehlern im maritimen PNT-System zur Realität wird. Mehr

Gruppe Maritime Verkehrslageerfassung Die Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe maritime Verkehrslage sind auf die Entwicklung von Technologien zur zuverlässigen Erfassung der Verkehrslage unter Nutzung nautischer Sensoren und Systeme ausgerichtet. Das Ziel der Forschungsarbeiten liegt in der Entwicklung und Erprobung von Algorithmen und Methoden auf deren Basis ein kooperatives Verkehrslagebild zur eindeutigen Beschreibung einer Verkehrssituation erzeugt werden kann. Zur Umsetzung dieses Zieles nutzen wir Daten und Informationen, die vom automatischen Identifikationssystem von Schiffen (AIS), von Navigationssensoren eines Schiffes (siehe Arbeitsgruppe Multisensorsysteme) und vom maritimen Schiffsradar geliefert werden. Radar ist aufgrund der Fähigkeit, reflektierende Objekte zu detektieren und diese mit Hilfe des automatischen Radarplottsystems (ARPA – Automatic radar plotting aid) zu verfolgen, in der Schifffahrt der primäre Sensor zur Situationserfassung und Kollisionsverhütung. AIS wurde im Jahr 2004 Ausrüstungspflicht auf größeren Schiffen und liefert schiffsseitig Informationen, die hauptsächlich als Hilfsmittel für die landseitige Überwachung und Lenkung des Verkehrs gedacht sind. Beide Systeme unterstützen den Schiffsführer in der Bewertung der Verkehrssituation, verfügen aber auch über technische Schwachstellen. Um diese Schwachstellen zu beseitigen, fokussieren sich die aktuellen Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe auf z.B. solche Fragestellungen, wie man die Plausibilitätsprüfung von Daten weiter verbessern kann und welche Trackingverfahren für sich bewegende Objekte in Radarbildern mittlerweile geeignet sind, um Schiffe auch unter schwierigen Bedingungen (z.B. mehrere dicht beieinander liegende Zielobjekte, Einfluss von Clutter) verfolgen zu können. Darauf aufbauende Forschungsaktivitäten gehen der Fragestellung nach, welche Fusionsalgorithmen angewendet werden müssen, um in Kopplung beider Systeme einen Gewinn an Zuverlässigkeit bei der Verkehrslagebestimmung zu erzielen. Mehr

Aktuelle Projekte

• A++Set: Automated Aids for Safe and efficient vessel traffic processes
• DepNav: Dependable Navigation
• EMPONA: Implementation of EGNOS in the maritime domain as effective augmentation system for positioning in inland and pilot navigation
• EMS 2: Echtzeitdienste für die Maritime Sicherheit 2
• LAESSI -  Leit- und Assistenzsysteme zur Erhöhung der Sicherheit der Schifffahrt auf Inlandwasserstraßen
• MTCAS -  Maritime Traffic Alert and Collision Avoidance System
• StRout -  Strategische Routenplanung als Herausforderung für Fahrwasser querende Fähren

Abgeschlossene Projekte

• ALEGRO: Aufbau eines lokalen maritimen Ergänzungssystems zur Unterstützung hochpräziser Galileo-Anwendungen und –Dienste im Forschungshafen Rostock
• ANASTASIA: kombiniertes Kommunikations- und Navigationsgerät für die zivile Luftfahrt
• ASMS: Advanced Sailing Management System
• EMS-MVS: Echtzeitdienste für die maritime Sicherheit - Maritime Verkehrsführung und - sicherheit
• GalileoADAP: Galileo Advanced Applications
• GalileoNav: Galileo - Nutzung, Anwendung und Verifikation (internes Projekt)
• GSTB V1 STC APAF: Stand alone Test Case Atmospheric Performance Assessment Facility
• MVT: Maritime Verkehrstechnik E-Navigation Integrität
• MITRA: Monitoring & Intervention for the Transportation of Dangerous Goods
• NAVSIM: GNSS SW Simulation Tool
• PiLoNav: Precise and integer Localisation and Navigation in Rail and Inlandwater Traffic
• PRIS: Prediction of Ionospheric Scintillations
• RCAS: Rail Collision Avoidance System
• SaMariS: Satellitengestützte Maritime Sicherheit
• TAT: Neue Technolgieansätze für Automatisierbare Terminals im kombinierten Verkehr
• TOPGAL: Total Performance concept for GBAS based Automatic Landings
   

Thoralf Noack Abteilungsleitung Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Kommunikation und Navigation, Nautische Systeme Neustrelitz Tel.: +49 3981 480-136 Fax: +49 3981 480-123