Störfreie Navigation

Labor für Nachrichtentechnik der FH Münster entwickelt Gerät für verbesserten Satellitenempfang.

© FH Münster | Jana Schiller

Münster/Steinfurt/Greven, 6. Mai 2021. Ob im Straßenverkehr, in der Seefahrt oder bei einer Wanderung in der Natur – sogenannte globale Navigationssatellitensysteme (kurz: GNSS) helfen weltweit bei der räumlichen Orientierung. Das erste funktionsfähige und zugleich bekannteste von ihnen, das GPS, wurde bereits in den 1970er-Jahren in den Vereinigten Staaten entwickelt.

Die Projektpartner*innen

In einem Forschungsprojekt in Kooperation mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), der RWTH Aachen und dem Grevener Unternehmen trilogik untersuchen Prof. Dr. Götz Kappen vom Labor für Nachrichtentechnik (NTLab) der FH Münster sowie sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Markus Biermann, wie man GNSS-Empfänger in zwei Bereichen verbessern und somit an die Herausforderungen der Gegenwart anpassen kann: Sie sollen vor äußeren Störsignalen geschützt werden und gleichzeitig eine noch genauere Echtzeitnavigation im Zentimeterbereich ermöglichen.

Datenübermittlung

„Die ersten GNSS-Empfänger waren in der Lage, die Signale von wenigen Satelliten zu empfangen. Heute kann jedes Smartphone rund 60 Satelliten empfangen“, erklärt Kappen. „Die technischen Anforderungen an die Empfangsgeräte sind mit der Zeit enorm gestiegen. Problematisch ist, dass sie für heutige Verhältnisse sehr unsicher und störanfällig sind. Man kann mühelos Daten fälschen oder Signale umleiten.“ So sei es zum Beispiel denkbar, Schiffe oder Flugzeuge unbemerkt vom richtigen Kurs abzubringen. Außerdem ließe sich der Standort bei den meisten GNSS-Empfängern nur relativ ungenau im Meterbereich bestimmen. Kappen und Biermann kombinierten nun zwei Technologien, um beide Probleme zu lösen. Das RTK-Verfahren (Real Time Kinematic) ermöglicht eine hochpräzise Zentimetermessung in Echtzeit. Voraussetzung ist ein ungestörter Signalempfang von mehreren Satelliten. Für die Störsicherheit sorgt wiederum ihre Kombination von vier Antennen, die mögliche Störsender orten. Mithilfe eines bestimmten Algorithmus lässt sich die Störung dann über programmierbare Logikbausteine, sogenannten Field Programmable Gate Arrays (FPGA), herausrechnen.

Der Prototyp des Projekts

Der Prototyp ihrer neuen Hardware hat ungefähr die Größe von einem Schuhkarton. Das Design und den Bau der dreistöckigen Box übernahm vor allem Biermann. Er konzipierte außerdem das sogenannte Antennenarray, indem er in mehreren Testläufen unterschiedliche Geometrien der Antennen-Grundflächen analysierte. „Die Positionierung der Antennen bedingt die Wellenlänge, die die Antenne empfangen kann“, erklärt er. Runde Metallplatten in symmetrischer Anordnung erwiesen sich schließlich als die bessere Lösung. Die empfangenen Signale werden über die Antennenkabel in den Empfänger geleitet, der eine störfreie und hochpräzise Positionsbestimmung erlaubt.

Die Einsatzgebiete dieses Empfängers sind vielfältig: „Zum Beispiel für Messstationen wie GPS-Uhren, als festinstallierte Bodenstation, um konstant eine bestimmte Position auszugeben, oder für landwirtschaftliche Geräte, die autonom über einen vorgegebenen Kurs aussäen“, listet Kappen auf. Er betont: „Unser Wunsch ist es, die Technik vor allem an mittelständische Unternehmen in der Region weiterzugeben.“ In einem nächsten Schritt ist geplant, das Gerät weiter zu verkleinern. Das Forschungsprojekt „SecRTK“ läuft noch bis Ende September dieses Jahres. Es wird mit rund 800.000 Euro vom „Navigation Innovation and Support Programme“ (NAVISP) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) gefördert.

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