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Die Bedeutung der GNSS-Technologie für die autonome und unbemannte Mobilität

| Autor / Redakteur: Peter Fairhurst* / Benjamin Kirchbeck

(Teil)autonome Autos, Roboter und unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs – Unmanned Aerial Vehicles oder einfach nur „Drohnen“), die alle Navigationsinformationen benötigten, lassen den Bedarf nach Positionierungslösungen mit maximaler Präzision erheblich ansteigen.
(Teil)autonome Autos, Roboter und unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs – Unmanned Aerial Vehicles oder einfach nur „Drohnen“), die alle Navigationsinformationen benötigten, lassen den Bedarf nach Positionierungslösungen mit maximaler Präzision erheblich ansteigen. (Bild: u-blox)

Die anstehende Zunahme von (teil)autonomen Autos und unbemannten Luftfahrzeugen beflügelt die Nachfrage nach Positionierungslösungen, die eine noch höhere Präzision als bisher bekannte Global Navigation Satellite Systeme (GNSS) bieten. Ein Überblick über bisherige Unzulänglichkeiten, aktuelle Entwicklungen und anstehende Revolutionen.

GNSS mit hoher Präzision ist nichts Neues: In speziellen Märkten wird sie bereits seit mehr als 10 Jahre eingesetzt. Jedoch sind diese herkömmlichen Lösungen ungeeignet für autonome Fahrzeuge oder andere Einsatzbereiche in Massenmärkten. Traditionelle GNSS-Systeme mit hoher Präzision sind nicht nur groß, schwer und teuer, sie können auch nicht skaliert werden. Das ist ein entscheidendes Manko, wenn man berücksichtigt, dass diese Fähigkeit vielleicht sehr bald in jedes Auto eingebaut sein muss, das vom Band rollt.

Diese Herausforderungen lassen sich durch zwei komplementäre Entwicklungen bewältigen, die auf den Markt drängen: eine neue Generation mit GNSS-Hardware und zukunftsweisende, neue Korrekturdaten-Dienste. Die Kombination dieser beiden wichtigen Komponenten ermöglicht kostengünstigere, kompaktere und wirklich skalierbare GNSS-Lösungen mit hoher Präzision, die reif für den Massenmarkt sind.

Unzulänglichkeiten herkömmlicher Positionierung mit hoher Präzision

Korrekturdaten sind schon lange bei GNSS-Diensten mit hoher Präzision unabdingbar. In herkömmlichen Anwendungen erkennt das Positionierungsgerät des Kunden seinen ungefähren Standort und sendet diese Daten an den Korrekturdienst-Anbieter. Dieser Anbieter setzt ein Netzwerk von Basisstationen zur Überwachung von GNSS-Fehlern ein, wobei die aus den Satellitensignalen berechneten Werte mit den bekannten festen Standorten der Stationen verglichen werden. Er nutzt diese Einblicke dazu, dem Gerät des Kunden angepasste Korrekturdaten auf Grundlage seines Standorts zu senden. Diese Technologie wird bereits erfolgreich in den Bereichen Vermessungswesen, Landwirtschaft und Maschinensteuerung für zentimetergenaue Präzision eingesetzt, aber die jährlichen Abonnementgebühren von bisweilen mehr als 1.000 USD pro Gerät haben sie auf spezialisierte Märkte eingeschränkt und sind daher nur gering verbreitet.

Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass herkömmliche Korrekturdaten-Dienste typischerweise nur in einem Land bzw. sogar nur in einem Bundesland funktionieren. Bei manchen Anwendungen mag dies unproblematisch sein (wie etwa lokal eingegrenzter Landwirtschaft), aber es gibt andere Einsatzmöglichkeiten, wo eine begrenzte Reichweite in der Tat ein großes Problem darstellt. Stellen Sie sich einmal vor, Sie müssten regelmäßig die Grenze eines Bundeslands oder eine Staatsgrenze in Ihrem (halb-) autonomen Fahrzeug überqueren bzw. UAV-basierte Vermessungen in einem anderen Land durchführen: Wenn Sie in diesen Fällen weiterhin Positionierung mit hoher Präzision erreichen wollen, so bedeutet das wahrscheinlich, dass Sie Roaming-Verträge abschließen müssten und weitere Kosten anfallen würden.

Das zweite Problem bei diesen herkömmlichen Diensten ist die Skalierbarkeit. Für die Übertragung der Daten zwischen dem Kundengerät und dem Korrekturdaten-Anbieter wird Zwei-Wege-Mobilfunkkommunikation genutzt. Das funktioniert bei relativ geringer Gerätedichte ganz gut. Steigt aber die Stückzahl auf Tausende oder sogar Millionen von Endbenutzer-Geräten, die alle versuchen, auf den Korrekturdaten-Dienst zuzugreifen, käme die aktuelle Mobilfunk-Infrastruktur an ihre Grenzen und hätte Schwierigkeiten, die erforderliche Zuverlässigkeit zu bieten. Insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen es lebensgefährlich sein könnte den Zugang zu Korrekturdaten-Diensten zu verlieren, ist dies völlig inakzeptabel.

Aktuelle Entwicklungen in der Positionierung mit hoher Präzision

Mit einer neuen Generation von GNSS-Korrekturdiensten verändert sich die Landschaft in diesem Bereich gerade. Die neuen Services beginnen, alte Hindernisse aus dem Weg zu räumen. Ein Teil der Lösung liegt darin, dass eine Zwei-Wege-Verbindung zwischen dem Kundengerät und dem Korrekturdaten-Dienst nicht mehr erforderlich ist. Statt jedem Gerät seine eigenen standortspezifischen GNSS-Korrekturdaten zu senden, erstellen die Services der neuen Generation ein Echtzeitmodell von maßgeblichen Fehlern in ihrem gesamten Territorium. Sie übertragen dies mit Broadcasting per Satellit und/oder Internet, und die Kundengeräte können diese Information abrufen (siehe Abbildung unten). Technologie, die SSR (State Space Representation) verwendet, ist eine Ausprägung dieser GNSS-Korrekturdaten-Dienste der neuen Generation.

Dieser Ansatz, modellierte GNSS-Fehlerdaten an Empfänger in einer kompletten Region zu übertragen – anstatt eine Zwei-Wege-Verbindung zu jedem einzelnen Gerät aufrechtzuerhalten – öffnet die Tür für großflächige Massenmarktanwendungen für GNSS mit hoher Präzision. Außerdem wird dadurch das Geschäftsmodell der oben beschriebenen, teuren Abonnementdienste unterlaufen.

Japan hat im Bereich GNSS-Fehler-Broadcasting die Richtung gewiesen. Es verwendet das L6-Signal seines QZSS-Satellitennetzwerks als Test für die Mainstream-Nutzung des Ansatzes. Obwohl es derzeit nur innerhalb von Japan verfügbar ist, weckt CLAS (Centimeter Level Augmentation Service) großes Interesse in den Branchen Automotive, Landwirtschaft und Maschinensteuerung. Beispielsweise nutzte Mitsubishi Electric den CLAS-Dienst bei einem Feldtest seines autonomen Fahrsystems.

In China bereitet Qianxun Spatial Intelligence Inc. (Qianxun SI) gerade den Weg für eine andere Technik. Anstelle der Datenübertragung per Broadcast nutzt Qianxun SI seinen besonderen Zugang zu den chinesischen GNSS-Referenz-Basisstationen, um die Grenzen des mit der herkömmlichen Technik Machbaren zu verschieben. Das Unternehmen bietet Kunden, darunter auch Einzelpersonen, Systemintegratoren und OEMs (Original Equipment Manufacturers), angepasste Korrekturdaten-Dienste. Während dies in China erfolgreich war, ist der Ansatz für OEMs, die ihre Produkte weltweit ausliefern, weniger attraktiv, denn er bedeutet, dass ihre Kunden sich irgendwie ihre eigenen, lokalen GNSS-Korrekturdaten beschaffen müssen.

Ein weiterer, wichtiger Fortschritt ist das Aufkommen von Multi-Band-GNSS-Empfängern, die die Standalone-Positionierungsgenauigkeit verbessern, was wiederum für eine bessere Kundenerfahrung in einer Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten sorgt. Allerdings können selbst Multi-Band-Empfänger die zentimetergenaue Präzision nicht erreichen, die in der Robotik und bei autonomen Fahrzeugen erforderlich ist: Diese Geräte müssen immer mit einem Korrekturdienst ergänzt werden.

GNSS-Korrekturdaten auf Kontinenten

Besonders in Europa mit den vielen grenzüberschreitenden Reisen und wirtschaftlichen Aktivitäten würden unkomplizierte, kontinentweite GNSS-Korrekturdienste eine riesige Wertschöpfung schaffen. Sapcorda, beispielsweise, ein vor Kurzem gestartetes Joint Venture von Bosch, Geo++, Mitsubishi Electric und u blox, erstellt einen GNSS-Korrekturdaten-Dienst der nächsten Generation, der Europa und die USA abdeckt und auf den in Japan gewonnenen Erkenntnissen aufbaut. Sapcorda sendet seine Broadcasts mit Hilfe von Mobilfunknetzwerken über den gesamten Kontinent, anstatt sich auf Satellitenverbindungen zu verlassen. Und die Kunden sind nicht auf einen speziellen GNSS-Hersteller festgelegt. Die Daten werden in einem offenen Format verteilt, sodass Gerätehersteller genau diejenigen Lösungen erstellen können, die ihre Kunden nachfragen.

Der Zugriff auf kontinentweite GNSS-Korrekturdienste hat das Potenzial, die Positionierung mit hoher Präzision in ein Mainstream-Angebot umzuwandeln, wobei diverse IoT-Anwendungen sowie Drohnen und (halb-) autonome Fahrzeuge unterstützt werden.

Die verbleibenden Herausforderungen angehen

GNSS-Korrekturdienste mit hoher Präzision, die auf den Massenmarkt abzielen, sind noch relativ neu, wobei unterschiedliche Anbieter unterschiedliche Geschäftsmodelle verfolgen. Der Dienst von Trimble beispielsweise verwendet kein offenes Korrekturdaten-Format und ist nur kompatibel zu Geräten, die die GNSS-Empfänger von Trimble nutzen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass das Unternehmen eine nahtlose, voll integrierte Lösung bieten kann mit kompletter Interoperabilität im gesamten Produktspektrum von Trimble (vorausgesetzt, die betreffende Region hat gute Abdeckung). OEMs mit Kunden in geografisch weiter gefassten Märkten müssen hier gegenüber den Vorteilen von globaler Abdeckung abwägen, gegenüber den Angeboten einer Reihe von Korrekturdaten-Anbietern, welche Daten mit offenem Format anbieten.

Wie bereits zuvor erwähnt, muss ein Korrekturdaten-Dienst bei sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen die Genauigkeit des Standorts unabdingbar ist, der Aufgabe auch wirklich gewachsen sein. Dazu gehört auch sicherzustellen, dass das Versenden von Daten-Broadcasts auch bei einer starken Frequentierung der Mobilfunknetze nicht behindert wird. Deshalb haben u-blox und die 3GPP-Initiative gemeinsam an der Entwicklung von Standards gearbeitet, die dafür sorgen sollen, dass der Dienst entsprechende Service Level Agreements einhält.

Und schließlich ist Sapcorda der erste Versuch, kontinentweite Services mit hoher Präzision zu bieten, wenngleich es inzwischen sowohl in China als auch Japan immerhin landesweite Abdeckung gibt. Wenn dieses Joint Venture ein Erfolg wird, so wäre es das erste System, das die Herausforderungen von Landesgrenzen und länderbasierten Mobilfunkanbietern hinter sich lässt. Bislang ist noch nicht klar, wie bereits etablierte Korrekturdaten-Dienstanbieter darauf reagieren werden.

Zufriedenheit der Kunden steht an erster Stelle

Damit GNSS-Dienste mit hoher Präzision auch als Mainstream-Systeme Erfolg erreichen können, müssen sie nicht nur breitere Abdeckung bieten und wirklich offen sein, sondern auch die Innovation erleichtern und sicherstellen, dass sie die Attraktivität dieser Fähigkeit über ein Nischendasein hinaus stärken können. Wie in jeder Branche ist die Zufriedenheit der Kunden der Schlüssel zum Erfolg. Die Komplexität, die sich aus Grenzen von Bundesländern, Staaten, widersprüchlichen Vorschriften oder Abonnements ergibt, muss gegenüber den Endbenutzern automatisch behandelt und vorher bereinigt werden. In manchen Bereichen geschieht das bereits, wenn Gerätehersteller mit Korrekturdaten-Dienstanbietern kooperieren, was ihnen ermöglicht, die Kosten für den Dienst in die Gerätekosten zu bündeln, die die Endbenutzer bezahlen.

Eine Revolution im Bereich Positionierung

GNSS-Dienste mit hoher Präzision der neuen Generation helfen dabei, einige der automatisierten Navigationslösungen zu realisieren, die sich momentan in der Entwicklung befinden. Daneben treiben diese Dienste tektonische Verschiebungen in der gesamten Branche voran. u-blox ist bereit, seinen Beitrag bei der Formung dieses neuen Ökosystems zu leisten mit der Beteiligung an Sapcorda, die dem Wunsch Nachdruck verleiht, offene, zuverlässige Ortungsdienste mit hoher Präzision zu liefern. Außerdem arbeiten u-blox aktiv an der Senkung der Gesamtkosten in dem Spektrum an GNSS-Hardware für den Massenmarkt.

Der Einzug innovativer GNSS-Technologie mit hoher Präzision kombiniert mit Geschäftsmodellen, die in Aussicht stellen, dass hohe Präzision zur Realität auf dem Massenmarkt wird, macht die kommenden Jahre ausgesprochen spannend. Die neue Technologie mischt den vorhandenen Markt neu. Das bedeutet neue Chancen für diejenigen, die sie zu nutzen wissen.

Mehr über Positionierungsdienste mit hoher Präzision erfahren Sie auf der speziell dafür eingerichteten Seite von u-blox.

* Peter Fairhurst ist bei u-blox als Director Product Line Management, Product Center Positioning, tätig.

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