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Galileo – Verbesserung der Genauigkeit über 20 Jahre lang

Galileo Satellite Constellation by Lukas Rohr: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Galileo_sat_constallation.gif

Zwei Jahrzehnte nach seiner Konzeption stellt das globale Navigationssatellitensystem Galileo seine Signale auf der ganzen Welt zur Verfügung. u‑blox, einer der wenigen, in Europa beheimateten Hersteller von GNSS‑Empfängerchips, der dieses Jahr ebenfalls zwanzig Jahre alt ist, hat die Entwicklung von Galileo in ihrer gemeinsamen Geschichte eng begleitet.

Aber zuerst müssen wir die Frage klären, warum noch eine weitere GNSS‑Konstellation erforderlich ist? Was bietet Galileo, was GPS, GLONASS und BEIDOU nicht geliefert haben?

Die schnelle Antwort ist, dass verbaute Häuserschluchten in dicht besiedelten Städten ein Problem darstellen. Acht sichtbare Satelliten reichen zwar aus, um eine angemessene Positionsgenauigkeit in Vororten oder ländlichen Gebieten zu erreichen. Bei Strassenschluchten sieht das aber ganz anders aus. Dort wird die zusätzliche Sichtbarkeit der Galileo‑Satelliten zusammen mit BEIDOU, GLONASS und GPS die Wahrscheinlichkeit erhöhen, eine genaue Positionsbestimmung zu erreichen.

Aber noch wichtiger ist, dass Galileo das erste GNSS‑System ist, das für die zivilen Bedürfnisse der Europäischen Gemeinschaft entwickelt wurde und sich auf diese konzentriert – mit Vorteilen auf der ganzen Welt. Dagegen sind GPS, GLONASS und BEIDOU in erster Linie für militärische Zwecke bestimmt und bieten gleichzeitig Vorteile im zivilen Bereich. Das bedeutet, dass Regierungsbehörden jede dieser Konstellationen selektiv vom zivilen Gebrauch trennen könnten, wodurch Europa womöglich ohne einen kritischen Navigations- und Ortungsdienst dastehen könnte. Obwohl es derzeit keine Drohungen in dieser Richtung gibt, ist die Möglichkeit, die zivile Nutzung einzustellen, durchaus real. Galileo bietet ein solides, unabhängiges, europäisch gesteuertes Navigationssystem.

Galileo ist in mehrfacher Hinsicht einzigartig und bietet Dienstleistungen, die über die Grundfrage der Navigation „Wo bin ich?“ hinausgehen. Es bedient auch Nischenmärkte mit „dünnen“ Signalen, die für extrem stromsparende Empfänger in Wearables geeignet sind, und „reichhaltigen“ Signalen für leistungsstarke Produkte mit hoher Präzision, die in einer Umgebung arbeiten, in der Energie üppig zur Verfügung steht.

In den letzten zwei Jahrzehnten wuchs Galileo von mehreren unterschiedlichen Ideen im Jahr 1997 zu einem einzigen Konzept, das von der EU akzeptiert und als tragfähiges Projekt gestartet wurde. Konzeptions- und Finanzierungsfragen gefährdeten seine Fortsetzung im Jahr 2002. Aber das Galileo‑Designteam entwickelte die Technologie weiter, auch wenn die Implementierung des Galileo‑Raumsegments abgewürgt wurde. Trotz dieser Schwierigkeiten stellte das Team fortlaufend verfügbare technische Spezifikationen für Galileo‑Signale, Modulation und Nachrichtenstruktur zur Verfügung, um die Entwickler zu ermutigen, Galileo‑basierte Empfänger in Betracht zu ziehen. u‑blox, das eine schnelle Akzeptanz ihrer GPS‑Module erreicht hatte, hielt mit der Veröffentlichung der Spezifikationen Schritt.

Nachdem u‑blox jahrelang GPS‑Empfängerchips anderer Hersteller in ihre frühen Mikromodule integriert hatte, feierte das Unternehmen 2007 die Markteinführung eines eigenen GPS‑Empfänger‑Designs mit der u‑blox 5 Modulfamilie. In Erwartung des Fortschritts bei Galileo hatte das F&E‑Team eine vorläufige Galileo‑Software entwickelt, die mit Galileo‑Signalen getestet werden konnte.

Ursprünglich sollte Galileo dasselbe Frequenzband und dieselbe CDMA‑Modulationstechnik wie GPS verwenden, so dass u‑blox 5 Funkgeräte, digitale Signalverarbeitungshardware und Software zur Unterstützung von Galileo‑Signalen eingesetzt werden konnten. Dies bedeutete jedoch, dass im Fall einer Deaktivierung des zivilen GPS‑Signals durch die USA während Konflikten, feindliche Gegner immer noch mit Galileo‑Signalen auf ihr Ziel zusteuern konnten. Zwischen den USA und der EU kam es zu lebhaften, intensiven und gelegentlich turbulenten politischen Diskussionen, die schliesslich durch eine Änderung des Signalmodulationsverfahrens von Galileo gelöst wurden. Dies isolierte die Systeme und ermöglichte gleichzeitig die Koexistenz im gleichen Frequenzband.

Leider erlitt das Galileo‑Programm 2007 einen weiteren finanziellen Rückschlag, und die u‑blox‑Software für Galileo wurde von „testbereit“ auf „dekoratives Beiwerk“ zurückgestuft und verschwand in der Versenkung.

Während die Finanzierung von Galileo geklärt wurde, konnte das Kernteam des Designs durch die Terminverzögerungen das System um Funktionen und Verbesserungen erweitern. Diese stellten einen bedeutenden Fortschritt bei den Dienstleistungen für gewerbliche und private Kunden dar. In einer wichtigen Such- und Rettungsfunktion, beispielsweise, sendet Galileo eine Bestätigung eines Notrufs durch einen Notpeilsender. Die von den Galileo‑Satelliten übertragene Nachricht wird erfasst und vom Notsender angezeigt, um die Menschen in Not zu informieren, dass Hilfe unterwegs ist.

Die Ingenieure von u‑blox behielten die Änderungen und Aktualisierungen von Galileo weiterhin im Auge und sorgten dafür, dass auch die nächsten Generationen von u‑blox 6 im Jahr 2009, u‑blox 7 im Jahr 2013 und u‑blox M8 im Jahr 2014 Galileo‑fähig waren. Im Dezember 2016 genehmigte die ESA dann die Galileo Early Operational Capability. u‑blox veröffentlichte ihre Galileo‑fähige Software u‑blox M8 Version 3.01. Frühe Anwender auf der ganzen Welt versammelten sich um ihre PCs und beobachteten gespannt die Displays von u‑center von ihrem u‑blox M8‑Modul und brachen in lauten Jubel aus, als die ersten nutzbaren Galileo‑Signale erkannt wurden.

Hier mündete der verschlungene Weg zu Galileo endlich in den Erfolg. Die Zukunft erscheint nun einfacher.

Im Bereich der Sicherheit entwickelt Galileo Werkzeuge, um der Angst vor Spoofing entgegenzuwirken. Spoofing ist eine Methode, mit der der Standort eines Assets durch Manipulation der empfangenen GNSS‑Signale verfälscht wird. Bis 2020 sollte Galileo über „authentifizierte“ Signaltechnologie verfügen, um die Auswirkungen von Spoofing abzumildern.

Und auch GNSS mit hoher Präzision ist im Visier. Mit der Zeit wird Galileo Evolution drei GNSS‑Frequenzbänder für die gleichzeitige Multi‑Band-Übertragung unterstützen. Das erhöht die Positionierungsgenauigkeit deutlich, da es die grösste Quelle für Positionierungsfehler korrigiert: Ionosphären‑Fehler.

Dies allein reicht jedoch nicht aus, um die von V2X‑Fahrzeugsicherheitssystemen und zunehmend autonomen Fahrzeugen geforderte zentimetergenaue Positionierung zu erreichen. Hochpräzise GNSS‑Dienste existieren zwar bereits heute, gehen aber richtig ins Geld, da sie nur für mehrere Hundert US‑Dollar zu haben sind. Die damit verbundenen Korrekturdienste sind für Anwendungen im Massenmarkt nicht nutzbar.

Vor kurzem wurde Sapcorda von u‑blox und anderen Unternehmen gegründet und möchte diese Lücke durch die Entwicklung eines GNSS‑Korrekturdienstes schliessen, der speziell auf die Unterstützung hochpräziser Massenmarktanwendungen zugeschnitten ist und eine Zentimetergenauigkeit ermöglicht, wo Kommunikation und Quellen für Korrekturdaten verfügbar sind.

u‑blox wird weiterhin mit Galileo und anderen GNSS‑Systemen Schritt halten, um die Vielzahl neuer Anwendungen für Sicherheit, Schutz, Transport und einfach nur den Standort von „Dingen“ zu unterstützen.