Navigationssystem Auf zehn Zentimeter genaue Ortung ohne Satelliten

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Niederländische Wissenschaftler haben ein von Satelliten unabhängiges Navigationssystem entwickelt, das auf Basis einer irdischen Atomuhr und Mobilfunksystemen funktioniert und eine Genauigkeit von ±10 cm erreicht.

Eindruck von Experimenten, die mit einem Straßenfahrzeug durchgeführt wurden, wobei das Prototypsystem im Green Village auf dem Campus der TU Delft eingesetzt wurde.
Eindruck von Experimenten, die mit einem Straßenfahrzeug durchgeführt wurden, wobei das Prototypsystem im Green Village auf dem Campus der TU Delft eingesetzt wurde.
(Bild: TU Delft)

Forscher der Technischen Universität Delft, der Vrije Universiteit Amsterdam und des Nationaal Metrologisch Instituut (VSL) haben ein alternatives Positionierungssystem entwickelt, das vor allem in städtischen Gebieten robuster und genauer ist als GPS und ohne Satelliten auskommt.

Der funktionierende Prototyp, der diese neue mobile Netzwerkinfrastruktur demonstrierte, erreichte eine Genauigkeit von zehn Zentimetern. Diese neue Technologie ist wichtig für die Umsetzung einer Reihe ortsbezogener Anwendungen, darunter automatisierte Fahrzeuge, Quantenkommunikation und Mobilfunksysteme der nächsten Generation. Die Ergebnisse wurden heute in Nature veröffentlicht.

Satellitengestützte Systeme haben Grenzen und Schwachstellen

Viele unserer lebenswichtigen Infrastrukturen hängen von globalen Satellitennavigationssystemen wie dem US-amerikanischen GPS und dem EU-Galileo ab. Doch diese satellitengestützten Systeme haben ihre Grenzen und Schwachstellen. Ihre Funksignale sind schwach, wenn sie auf der Erde empfangen werden, und eine genaue Positionsbestimmung ist nicht mehr möglich, wenn die Funksignale reflektiert oder von Gebäuden blockiert werden. „Dadurch kann GPS beispielsweise in Städten unzuverlässig werden“, erklärt Christiaan Tiberius von der Technischen Universität Delft und Koordinator des Projekts, „was ein Problem darstellt, wenn wir automatisierte Fahrzeuge einsetzen wollen. Außerdem sind die Bürger und unsere Behörden bei vielen ortsbezogenen Anwendungen und Navigationsgeräten auf GPS angewiesen. Außerdem hatten wir bisher kein Back-up-System.“

Alternatives Ortungssystem nutzt das Mobilfunknetz

Ziel des Projekts mit dem Titel SuperGPS war es, ein alternatives Ortungssystem zu entwickeln, das das Mobilfunknetz anstelle von Satelliten nutzt und das robuster und genauer als GPS sein könnte. Wir erkannten, dass sich das Telekommunikationsnetz mit ein paar bahnbrechenden Innovationen in ein sehr genaues, von GPS unabhängiges alternatives Ortungssystem verwandeln lässt“, sagt Jeroen Koelemeij von der Vrije Universiteit Amsterdam. „Es ist uns gelungen, ein System zu entwickeln, das Konnektivität wie die bestehenden Mobilfunk- und Wi-Fi-Netze sowie eine genaue Positionsbestimmung und Zeitverteilung wie GPS bietet.“

Perfektes Timing dank Atomuhr

Eine dieser Innovationen besteht darin, das Mobilfunknetz mit einer sehr genauen Atomuhr zu verbinden, so dass es perfekt getimte Nachrichten zur Positionsbestimmung senden kann, so wie es die GPS-Satelliten mit Hilfe der an Bord befindlichen Atomuhren tun. Diese Verbindungen werden über das bestehende Glasfasernetz hergestellt. „Wir hatten bereits Techniken erforscht, um die von unseren Atomuhren erzeugte nationale Zeit über das Telekommunikationsnetz an andere Nutzer zu verteilen“, sagt Erik Dierikx vom VSL. „Mit diesen Techniken können wir das Netz in eine landesweit verteilte Atomuhr verwandeln - mit vielen neuen Anwendungen wie z. B. einer sehr genauen Positionsbestimmung über Mobilfunknetze. Mit dem hybriden optisch-drahtlosen System, das wir jetzt demonstriert haben, kann im Prinzip jeder drahtlos auf die am VSL erzeugte nationale Zeit zugreifen. Es bildet im Grunde eine extrem genaue Funkuhr, die bis auf eine Milliardstelsekunde genau ist.

Aufbau des Netzes für eine Ortung im Dezimeterbereich in städtischen Umgebungen.
Aufbau des Netzes für eine Ortung im Dezimeterbereich in städtischen Umgebungen.
(Bild: Stefan Timmers, TU Delft)

Große Bandbreite blendet Reflexionen aus

Darüber hinaus verwendet das System Funksignale mit einer viel größeren Bandbreite als üblich. „Gebäude reflektieren Funksignale, was Navigationsgeräte verwirren kann. Die große Bandbreite unseres Systems hilft, diese verwirrenden Signalreflexionen auszusortieren, und ermöglicht eine höhere Positionsgenauigkeit“, erklärt Gerard Janssen von der Technischen Universität Delft. „Gleichzeitig ist die Bandbreite im Funkspektrum knapp und daher teuer. Wir umgehen dies, indem wir eine Reihe von zusammenhängenden Funksignalen mit geringer Bandbreite verwenden, die über eine große virtuelle Bandbreite verteilt sind. Das hat den Vorteil, dass nur ein kleiner Teil der virtuellen Bandbreite tatsächlich genutzt wird und die Signale denen von Mobiltelefonen sehr ähnlich sein können.“

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