Feldversuche sind für den Test von Navigationsgeräten überaus umständlich. Einfacher wäre es, wenn einzelne Empfangsbedingungen und Satellitenkonstellationen künstlich nachgestellt werden könnten. Genau das will das Fraunhofer IIS künftig anbieten. Schon jetzt verfügt es über hochgradig leistungsfähige Simulationsanlagen zur Satellitennavigation. Kommendes Jahr soll ein neuartiges 3D-Labor seine Arbeit aufnehmen.

»Am Ende der Straße bitte rechts abbiegen. Danach folgen Sie der Bundesstraße 31 Kilometer«. Eine Urlaubs- oder Dienstfahrt ist heute ohne Navigationsgerät kaum noch vorstellbar. Über 21 Millionen der schlauen Helfer sind allein in Deutschland im Einsatz. Jeder zweite Haushalt hört auf die Stimme von „Susi“, „Walter“ oder nutzt zumindest die Anzeige auf dem Display. Hinzu kommen die ebenfalls millionenfach eingesetzten Navigations-Apps auf den Smartphones. Sie alle unterstützen die Fahrer aber nicht nur dabei, ihren Weg zu finden. Sie informieren auch über Staus, berechnen Alternativrouten und geben zunehmend auch Tipps zum Kraftstoffverbrauch oder warnen vor Unfällen. Trotzdem ist die Intelligenz der leistungsfähigen Mitfahrer nur die eine Seite der Fahrkomfort-Medaille. Die andere fliegt hoch über unseren Köpfen. Rund 20.000 bis 36.000 Kilometer entfernt, um genau zu sein.

Insgesamt gibt es derzeit rund 80 Satelliten, die um die Erde kreisen und die Positions- und Richtungsbestimmung auf Straße, Wasser und in der Luft ermöglichen. In einigen Jahren werden es über 200 sein. Je nach Bauart und Herkunft halten sie die weltweit verfügbaren Navigations-Programme GPS (Global Positioning System; US-amerikanisch), GLONASS (Globalnaja nawigazionnaja sputnikowaja sistema, russisch), Beidou (Pinyin Běidǒu, chinesisch) und Galileo (europäisch) am Laufen.

Aber die Entwicklung der Navigationssatelliten noch längst nicht ihren Zenit erreicht. So schwebt Galileo mit momentan vier von später insgesamt 30 Satelliten erst in den Startlöchern. Aber auch die schon bestehenden Systeme wie GPS, GLONASS und das sich ebenfalls im Aufbau befindliche Beidou werden kontinuierlich verbessert. Das aber bedeutet, dass sich die Hersteller von Navigationsgeräten möglichst schon heute auf kommende Satellitentechniken einstellen müssen, um ihre Geräte den neuen Trends anzupassen, noch genauer und robuster zu machen und zeitgleich auf den Markt zu bringen.

Satellitennavigations-Simulationsanlagen werden deshalb immer wichtiger. Sie ermöglichen es den Herstellern, das Zusammenspiel zwischen Endgerät und Satelliten unter unterschiedlichsten Bedingungen zu testen und die Signalverarbeitung zu optimieren. Eine der größten dieser Anlagen steht seit Kurzem beim Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Nürnberg. »Entwickler können hier ihre Geräte über Kabel anschließen. Danach lässt sich jede beliebige Konstellation mit bis zu 48 gleichzeitig sichtbaren Satelliten simulieren. Unabhängig davon, welches Programm das Navigationsgerät nützt«, erklärt Projektleiter Alexander Rügamer vom IIS. Alltagssituationen, bei denen Satelliten bei der Stadtfahrt verdeckt sind, oder Sonderfälle durch partielle Systemausfälle lassen sich so überprüfen, ohne dass Messungen im Feld vorgenommen werden müssen. Und das gilt nicht nur für derzeit aktuelle Konstellationen. »Wir können beispielsweise eine Umgebung simulieren, die voraussichtlich erst in zehn Jahren unter freiem Himmel zur Verfügung steht«, betont Rügamer. Deshalb bauen auch weiterführende Forschungsprojekte der Fraunhofer-Institute auf den Möglichkeiten dieses Simulators auf.

Dank Satelliten-Simulationsanlagen können Entwickler von Navigationsgeräten diese am Himmel der Zukunft testen. Bild: Fraunhofer IIS

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, eine spezielle Signalkomponente zu simulieren, die nicht frei verfügbar ist: den Public Regulated Service von Galileo oder kurz: PRS. »Bei Galileo PRS handelt es sich um einen Dienst mit verschlüsselten Signalen, der ausschließlich autorisierten Nutzern zugänglich sein wird, wie etwa Polizei, Rettungskräften und Betreibern kritischer Infrastruktur, die hohe Sicherheitsanforderungen haben«, erklärt Rügamer. Bisher aber stehen weder die technischen Spezifikationen final fest, noch stehen fertige Endgeräte für den Empfang und die Entschlüsselung der PRS-Signale bereit. Die Satellitennavigations-Simulationsanlage ermöglicht es dem IIS nun aber trotzdem, die ersten PRS-Endgeräte zu entwickeln und zu testen.

Ein Problem allerdings löst die Nürnberger Anlage nicht: Denn nach wie vor müssen die Geräte fest mit dem System verbunden werden. Den Navigationsgeräten werden via Kabel also nur unterschiedlichste Szenarien ›vorgegaukelt‹. Ein eigenes »Erkennen« über die Antenne ist hier nicht möglich. Das ist vor allem deshalb ein Nachteil, weil bestimme Navigationsgeräte wie beispielsweise Smartphones nur über die Antenne angesprochen werden können. Zudem nutzen einzelne Systeme mehrere Antennen.

Deshalb bauen die Forscher gemeinsam mit Kollegen des IIS in Ilmenau zusätzlich an einer Over-the-Air-Testkammer, in dem der Empfang via Antenne auch bei räumlicher Bewegung von Satelliten getestet werden kann. »Dafür sind Dutzende Antennen auf einer Halbkugel angeordnet. In Verbindung mit einer weiteren Satellitennavigations-Anlage, die ähnlich der in Nürnberg arbeitet, können wir virtuell und in 3D alle Satelliten am Himmel ‚erscheinen‘ lassen. So wird ein sehr realitätsnaher Test von Gerät und Empfangseinheit möglich«, sagt Rügamer.

Dieser »Himmel auf Erden« ermöglicht also räumliche Konstellation, Bewegungen aufeinander zu und weg oder Bewegungen relativ zu weiten Objekten. Ähnlich einem Planetarium, in dem die Planeten sich bewegen und leuchten, bewegen sich hier virtuell die Antennensatelliten und funken – genauso, wie dies aktuell oder zukünftig am Himmel der Fall sein wird. »In dieser Kombination von einerseits einer extrem leistungsfähigen Satellitennavigations-Simulationsanlage und der eingesetzten Wellenfeldsynthese sind die Testmöglichkeiten hier weltweit einmalig«, sagt Rügamer.

Derzeit sind die Forscher noch in der Testphase, ab kommendem Jahr aber dürfte auch die 3D-Anlage für Testkunden aus der ganzen Welt offen stehen. (aku)

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