Navigation ohne Satellit Optische Gyroskope als Alternative zur GPS-Ortung

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Das GPS-Signal wird immer wieder gestört. Eine neu entwickelte Gyroskoptechnik soll eine präzise und gleichzeitig störungsfreie Alternative für die Navigation sein. Sie kommt ohne Satelliten aus und lässt sich nicht nur an Land, sondern auch in der Schifffahrt einsetzen.

Satellitenunabhängige Navigation gewinnt zunehmend an Bedeutung, da GPS-Anwendungen anfällig für Störungen und Spoofing sind. Beim Spoofing handelt es sich um eine Täuschungsmethode, bei der gefälschte GPS-Signale gesendet werden, um Navigationssysteme in die Irre zu führen. In Konfliktzonen wie der Ukraine und dem Nahen Osten wurde wiederholt dokumentiert, wie militärische Operationen durch GPS-Interferenzen beeinträchtigt wurden. Besonders Drohnen sind auf eine präzise Positionsbestimmung angewiesen – ein Signalverlust kann fatale Folgen haben.

Optische Gyroskope als Alternative zur satellitengestützten Navigation

Seit den 1970er-Jahren sind optische Gyroskope wie Ringlasergyroskope eine etablierte Technologie zur präzisen Drehratenerfassung. Die Miniaturisierung dieser Sensoren stellte jedoch eine große Herausforderung dar, da die Signaldämpfung und das Signal-Rausch-Verhältnis mit abnehmender Baugröße problematisch wurden. Während mikroelektronische Systeme entlang der Moore’schen Skalierung immer kompakter wurden, blieben optische Gyroskope sperrig und energiehungrig.

Ein technologischer Durchbruch gelang 2018 dem Elektrotechnik-Professor Ali Hajimiri vom Caltech mit der Entwicklung eines rein optischen Chip-Gyroskops, das die Sagnac-Interferometrie nutzt. Dieser Effekt, erstmals 1913 vom französischen Physiker Georges Sagnac beschrieben, beruht darauf, dass zwei gegenläufig umlaufende Lichtstrahlen bei Rotation des Systems eine Laufzeitdifferenz aufweisen. Das Verfahren ist immun gegen elektromagnetische Störungen, Vibrationen und Cyberangriffe – ideale Eigenschaften für Anwendungen in GPS-gestörten oder -verbotenen Bereichen.

Hochintegrierte Gyroskop-Systeme

Aufbauend auf diesen Entwicklungen haben zwei Unternehmen – Anello Photonics aus Kalifornien und One Silicon Chip Photonics (OSCP) aus Montreal – hochintegrierte Gyroskop-Systeme auf den Markt gebracht. Anello setzt auf verlustarme Siliziumnitrid-Wellenleiter, die das Licht länger im Resonator halten, wodurch die Signalamplitude erhöht und Messfehler reduziert werden. Zudem sorgt eine effektive Rauschunterdrückung dafür, dass selbst mit kleineren Wellenleitern präzise Drehratenmessungen möglich sind.

Mario Paniccia, CEO von Anello Photonics, stellte 2024 auf der CES eine Inertialmesseinheit (IMU) vor, die aus drei chipbasierten Gyroskopen sowie weiteren Sensoren besteht. Das System ist kompakt genug, um in eine Handfläche zu passen, und liefert eine hohe Präzision, beispielsweise in der Landwirtschaft. Autonome Traktoren können damit bis zu 800 Meter lange, exakt gerade Furchen ziehen. Laut Paniccia beträgt der Positionsfehler nur 0,1 Prozent der zurückgelegten Distanz – also 100 Meter auf 100 Kilometer Fahrstrecke.

OSCP hat auf der CES 2025 eine weiterentwickelte IMU präsentiert, die gegenüber dem Vorgänger nur noch halb so groß ist und gleichzeitig weniger Energie verbraucht. OSCP-Gründer Kazem Zandi betonte, dass diese Gyroskope eine Totnavigation mit Zentimetergenauigkeit ermöglichen.

Kombination mit GPS und maritime Anwendungen

Die IMUs von Anello und OSCP sind für den Hybridbetrieb mit GPS ausgelegt. Erkennt das System eine GPS-Störung, übernimmt eine KI-gesteuerte Umschaltung die Navigation allein mit den Gyroskopen. Paniccia erläutert: „Wenn Sie in New York sind und die Gyroskope eine 100-Meter-Bewegung registrieren, während das GPS plötzlich Texas anzeigt, entscheidet das System autonom, der inertialen Messung zu vertrauen.“

Besonders relevant sind solche Systeme für unbemannte maritime Fahrzeuge. Auf hoher See fehlen markante Orientierungspunkte, und Strömungen erschweren die Navigation. Während landgestützte IMUs eine Genauigkeit von 0,1 Prozent erreichen, liegt die Fehlerquote auf See typischerweise bei 3 bis 4 Prozent der zurückgelegten Strecke.

Zukunftsperspektiven: Gyroskope in Handgeräten

CEO Paniccia sieht weitere Anwendungen in tragbaren Geräten. Feuerwehrleute könnten sich damit in verrauchten Gebäuden orientieren, selbst wenn Treppenhäuser und Notausgänge nicht mehr sichtbar sind. Diese tragbaren Systeme würden im Wesentlichen eine elektronische Variante eines Magnetkompasses darstellen – jedoch mit weit höherer Präzision und Unabhängigkeit von externen Signalen. (heh)

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