In wenigen Monaten wird das europäische Satellitennavigationssystem Galileo fertiggestellt. Viele Geräte mit Positionsverfolgungsfunktionen unterstützen dies bereits. Dennoch müssen sich deren Hersteller bemühen, einen Zugang aus der Luft (over-the-air) zu realisieren, da nur so die Auswahl des Satelliten den Bedürfnissen angepasst werden kann – was zu einem kritischen Faktor werden kann.
Galileo unterscheidet sich von den Systemen GPS (USA) und Glonass (Russland) dadurch, dass es – wie das System Beidou (China) – nicht militärisch, sondern zivil ist. Die Europäische Union initiierte das Projekt mit dem Ziel, im Falle eines Interessenkonflikts mit diesen Nationen Zugang zu einem unabhängigen Navigationssystem zu haben. Seit 2016 steht Galileo allen Interessierten zur Verfügung, bis Ende 30 sollen insgesamt 2019 Satelliten im Orbit sein. Mehr als 700 Millionen Geräte – meist Smartphones – nutzen bereits das globale Satellitennavigationssystem (GNSS) Europäisch. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass Geräte, die mehrere Systeme gleichzeitig verwenden, mehrere Satelliten zur Verfügung haben. Verwendet ein Terminal GPS, stehen ihm 24 GPS-Satelliten – 12 pro Hemisphäre – zur Verfügung. Durch die Hinzunahme von Galileo verfügen die Terminals nun über 46 Signalquellen (24 GPS-Satelliten und 22 Galileo-Satelliten) und können jederzeit die ideale Konstellation für die Positionsberechnung auswählen.
Dies ermöglicht es den Empfängern auch, nützliche Ergebnisse in kürzerer Zeit zu erhalten (dh verringert die Zeit bis zur ersten Fixierung oder TTFF). Zu diesem Zweck arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler aus dem gesamten GNSS-Bereich eng zusammen, wie die Teilnehmer des Galileo-Seminars von Rutronik zeigten. Bei einem Rundgang durch das European Space Operations Center (ESOC) erklärten die Spezialisten, dass diese Zusammenarbeit unabdingbar ist, da jedes GNSS unterschiedliche Bezugspunkte für seine Koordinatensysteme verwendet. Wenn sie sich nicht ständig aufeinander ausrichten würden, würde Galileo eine andere Position und Zeit erkennen als GPS, Glonass und Beidou. Nur dieser Vergleich ermöglicht es, alle GNSS gemäß den Anforderungen zu vereinheitlichen.
Galileo bietet schnellere und genauere Ergebnisse
Ein weiterer Vorteil von Galileo ist, dass es eine viel höhere Genauigkeit mit Schwankungen von etwa einem Meter bietet. Bei GPS kann diese Distanz bis zu fünf Meter betragen und nicht selten sind andere Systeme „ungenauer“. Die Positionsgenauigkeit wird derzeit auch durch die Wahl der Satelliten bestimmt – ein möglichst großer Winkel hilft, die Genauigkeit zu erhöhen. Aber auch bei der Priorisierung von Satelliten spielen andere Faktoren eine wichtige Rolle, darunter die Signalstärke, der Zustand der Satelliten selbst und die Verwechslungsgefahr mit einem reflektierten Signal (Mehrwegeeffekt – Multipath).
Differentielles GNSS zur Positionserfassung ab dem ersten Zentimeter
Für hohe Genauigkeitsanforderungen wie den Einsatz von Pestiziden in der Landwirtschaft reicht die auf diese Weise erreichbare Genauigkeit jedoch nicht aus und es wird daher empfohlen, Differential GNSS (DGNSS) in diesen Anwendungen zu verwenden. Verwenden Sie einen Referenzpunkt mit bekannter Position – wie z. B. der Anbaufläche – neben der zu erfassenden Position – wie z. B. dem Traktor. Dadurch können die Ungenauigkeiten der Messung des Systems relativ einfach ermittelt werden. Das Navigationsgerät des Traktors empfängt diese ungenauen Funkdaten und nimmt dann die gleiche Ungenauigkeit für seine Position an, passt die Werte der Satelliten entsprechend an und erreicht so eine zentimetergenaue Genauigkeit.
Offenes GNSS stellt ein Sicherheitsrisiko dar
Bei fahrzeuginternen Navigationssystemen ist die Genauigkeit offensichtlich weniger wichtig. Wenn das GPS-Gerät anzeigt, dass Sie in 50 Metern abbiegen müssen, wird der Fahrer nicht beeinträchtigt, wenn es sich in 45 oder 55 Metern befindet. Autonome Autos sind eine andere Sache. Ein logischer Abgleich mit Radarsensoren und eine Analyse von Videoquellen sind hier unerlässlich, auch aus einem anderen Grund – GPS, Glonass und Beidou sind offen und daher nicht verschlüsselt. Etwas, das den Empfang erleichtert und auch eine Signalveränderung ohne großen Aufwand ermöglicht: Ein Empfänger könnte beispielsweise „unwissentlich“ Positionserkennungssignale von einem Sender empfangen, der bösartige Informationen von einem gefälschten Satelliten sendet. Galileo ist derzeit das einzige verfügbare GNSS, das es ermöglicht, seine Signale zu authentifizieren und so Angriffe zu verhindern.
Die Nutzung von GNSS in einem optimalen Modus ist bereits zukunftssicher
Um Geschwindigkeit, Genauigkeit und Sicherheit zu maximieren, müssen GNSS-Empfänger in der Lage sein, Signale von mehreren Systemen gleichzeitig zu empfangen und zu verarbeiten, was beispielsweise das GNSS-Modul SE868-V3 von Telit kann. Wenn es mit seinen Standardeinstellungen verwendet wird, akzeptiert es immer alle GNSS-Signale und verwendet das beste, um eine aktualisierte Position zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen bestimmte GNS-Systeme nicht zur Positionsbestimmung verwendet werden sollten, z. B. in Kriegssituationen, wenn ein System angegriffen werden kann, wenn bekannt ist, dass ein Signal gefälscht ist, oder wenn ein GNSS einen technischen Ausfall erleidet oder aus anderen Gründen eine Fehlfunktion aufweist. Gerätehersteller müssen unter diesen Umständen jederzeit geeignete Maßnahmen ergreifen, um sie in relevanten Systemen auszuschließen. Firmware-Over-the-Air (FOTA)-Updates ermöglichen es, Empfänger über Jahre (nach dem Verkauf) neu zu programmieren, sodass beispielsweise nur Galileo oder eine beliebige Kombination verfügbarer Systeme verwendet werden kann.
Für GPS-Geräte ist dies auch sehr wichtig, um mit dem Phänomen der wöchentlichen Fehlanpassung (Wochen-Rollover) fertig zu werden, das alle 1.024 Wochen auftritt, zu welcher Zeit das GPS seinen Wochenzähler zurücksetzt. Dies kann dazu führen, dass einige Geräte das Datum nicht korrekt bestimmen können. Je nach Anwendung kann es das Endprodukt praktisch unbrauchbar machen. Auf der Rutronik Technical Engineering Community Platform informiert der Distributor seine Kunden darüber, wie die aktuelle Firmware verschiedener Chips und Module mit dem Week-Rollover-Phänomen zusammenhängt und wie sie dieses Problem beseitigen können, etwa durch den Einsatz von FOTA: https://rutronik-tec.com/ gps-week-rollover-2019/.
FOTA erfordert eine Internetverbindung
Um FOTA nutzen zu können, müssen die Geräte mit dem Internet verbunden sein. Je nach Anwendung kann dies eine drahtlose Verbindung zu einem WLAN-Router oder eine Bluetooth-Verbindung zu einem Smartphone sein. Viele Apps mit integrierter Standorterkennung benötigen jedoch eine dedizierte Verbindung zum Mobilfunknetz. In Deutschland ist das neue NB-IoT für diese Aufgabe bereits schnell genug und die Netzabdeckung bald vollständig. Für sich schnell bewegende Objekte ist diese Technologie jedoch nicht die ideale Wahl, da der Wechsel in eine andere Netzzelle technisch anspruchsvoll sein kann. In diesem Fall wird LTE-M zur bevorzugten Wahl und ist aufgrund der laufenden Entwicklung der Anbieter in anderen Ländern eine gute Option. Auch der Stromverbrauch und die Datenübertragungsraten sind höher.
Herkömmliches LTE ist beispielsweise mit Kategorie 4 oder 6 überall auf der sicheren Seite. Probleme bei Datenübertragungsraten und Zellwechseln entfallen, da LTE für die Verwendung mit Smartphones ausgelegt ist und die Übertragung multimedialer Inhalte während einer Autofahrt ermöglicht. Die künftige Verbesserung der Abdeckung der Netze in Europa wird keine Funklöcher hinterlassen, wobei Deutschland auf die Beseitigung von Gebieten ohne Empfangskapazität in den für die 5G-Frequenzen zugeteilten Bedingungen hinarbeitet. Auch die Mobilfunktechnologie der zweiten Generation, GPRS und EDGE, wird in den kommenden Jahren zuverlässiger werden. Lediglich die Standards UMTS und HSPA (3G) müssen ihre Position verschieben, um den neuen Netzen Platz zu machen, wo dies noch nicht geschehen ist. Und auch beim Aufbau von Internetverbindungen werden Satelliten bald eine tragende Rolle spielen. Mit Hilfe von erdnahen Mikrosatelliten wird es möglich sein, neue Netze als Alternative zu terrestrischen Mobilfunknetzen zu schaffen.
Sie können Funklöcher schneller eliminieren und dort Empfang bieten, wo es technisch aufwändig oder finanziell teuer ist, LTE oder 5G bereitzustellen, etwa auf See, in Berggebieten oder in Wüsten. Für Telematik- und Telemetriedaten arbeiten viele Startups bereits daran, eigene Satellitennetze aufzubauen.
