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Satellitennavigation – Auch in der Stadt spurgenau positioniert

| Autor / Redakteur: Richard Oed / Benjamin Kirchbeck

Um die hohe Genauigkeit zu erzielen, integriert das Dead Reckoning-Modul ein 3D-Gyroskop, einen 3D-Beschleunigungssensor und einen Radumdrehungszähler.
Um die hohe Genauigkeit zu erzielen, integriert das Dead Reckoning-Modul ein 3D-Gyroskop, einen 3D-Beschleunigungssensor und einen Radumdrehungszähler. (Bild: Clipdealer)

Autonomes Fahren, das Notrufsystem eCall, Navigations- und V2X-Kommunikationssysteme oder Fahrerassistenzsysteme: Sie alle benötigen die spurgenaue Position des Fahrzeuges, um zu funktionieren. Nun hat u-blox einen GNSS-Empfänger vorgestellt, mit dem in wenigen Sekunden eine dezimetergenaue Positionierung erreicht wird.

Die höchsten Anforderungen an die Genauigkeit der Position eines Fahrzeuges stellen dabei das autonome Fahren und die Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Sie setzen eine Zeit und Positionsreferenz mit einer Präzision von wenigen 10 Zentimetern voraus, um nicht nur die Position auf einer Straße genau abzubilden, sondern auch, um die jeweilige Fahrspur identifizieren zu können.

Für eine Real-Time Kinematik (RTK), der Darstellung in Echtzeit, wird im städtischen Umfeld freie Sicht auf mindestens neun Satelliten benötigt. Dazu ist es notwendig, dass ein GNSS-(Global Navigation Satellite System-)Empfänger Signale von mehreren Satellitenkonstellationen und in mehreren Bändern empfangen und auswerten kann. Derzeit befinden sich Satelliten des amerikanischen GPS (Global Positioning System), des europäischen Galileo, des russischen Glonass, des chinesischen Baidus (BDS) und des japanischen QZSS (Quasi-Zenit-Satellite-System) in verschiedenen Umlaufbahnen. Sie senden in den L1, L2 und L5-Bändern. Eine größere Anzahl von Satelliten sorgt außerdem für kürzere Konvergenzzeiten nach einer Unterbrechung des Empfangs.

Für moderne Fahrerassistenzsysteme ist zudem eine geringe Latenz der Positionsbestimmung notwendig, um Alarme zu vermeiden, die bei einer größeren Latenzzeit zu spät kommen würden, wie beispielsweise bei einfädelnden Fahrzeugen. Würde ein Auto bei einer Latenz von 10 ms und einer Geschwindigkeit von 30 km/h nur 8,3 cm und bei 120 km/h 33 cm zurückgelegt, wären dies bei einer Latenz von 100 ms 83 cm respektive 3,33 m. Die Warnung würde also den Fahrer unter Umständen erst erreichen, wenn die Gefahrenstelle bereits durchfahren beziehungsweise ein Unfall passiert wäre. Die Update-Rate der Position spielt gegenüber der Latenz eine geringere Rolle, sollte aber immer noch groß genug sein, um den Echtzeitanforderungen Genüge zu tun.

Empfänger mit 0,1 m Genauigkeit

Diese Anforderungen will u-blox mit dem kürzlich vorgestellten Multi-Band-GNSS-Module ZED-F9K mit integrierten Inertial-Sensoren erfüllen. Das Modul ist mit der neuesten Empfängertechnologie ausgestattet und verfügt über Algorithmen für die digitale Signalverarbeitung. Zudem verwendet es verschiedene GNSS-Korrekturdienste, mit denen innerhalb von Sekunden eine dezimetergenaue Positionierung erreicht werden kann.

Um diese Genauigkeit zu erzielen, integriert das Dead Reckoning-Modul außerdem ein 3-D-Gyroskop, einen 3-D-Beschleunigungssensor und einen Radumdrehungszähler zur Messung der zurückgelegten Wegstrecke. Die Kompatibilität mit verschiedenen Korrekturdiensten verbessert die Positionierungsgenauigkeit durch den Ausgleich von Ionosphären- und anderen Fehlern zusätzlich. Das Multi-Band-RTK-Empfängermodul empfängt die GNSS-Signale aller derzeitigen Satellitenkonstellationen in den L1, L2 und L5-Bändern.

Die Inertial-Sensoren überwachen laufend Veränderungen an der Raumkurve eines sich bewegenden Fahrzeugs und sorgen selbst dann für eine spurgenaue Positionierung, wenn die Satellitensignale schwach oder durch Hindernisse blockiert sind. Dies ist beispielsweise in einem Parkhaus, im Tunnel, in Straßenschluchten oder in bewaldeten Gebieten der Fall. Stehen die Signale wieder zur Verfügung, kombiniert das Modul die Daten der Sensoren mit den Daten der Satelliten, um eine kürzere Konvergenzzeit und eine hohe Verfügbarkeit der Positionierung zu erzielen.

Die Kombination GNSS-Technologie, Korrekturdienste und Inertial-Sensoren bewirkt nach Herstellerangaben im Vergleich zu Lösungen mit Standardpräzision eine Verbesserung um bis das Zehnfache. Laut u-blox erreicht das ZED-F9K eine Latenzzeit von 10 ms bei einer Update-Rate von 30 Hz. Zudem belastet das Modul dank der integrierten Verarbeitungsblöcke die Host-Ressourcen nicht.

Durch die Bereitstellung von spurgenauen Positionierungsdaten erfüllt das ZED-F9K laut Hersteller die Anforderungen heutiger Fahrerassistenzsysteme, von Anwendungen für das autonome Fahren sowie von modernen Navigationssystemen. Aufgrund seiner hohen Genauigkeit und der geringen Latenz eignet sich das Modul für Automotive-OEMs und Tier-1-Hersteller, die V2X-(Vehicle-to-Everything-) Kommunikationssysteme entwickeln. Erste Muster des Multi-Chip-Modules sind voraussichtlich ab Juli 2019 auf Anfrage erhältlich.

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

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31.10.18 - 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. lesen

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