Navigieren ohne GPS: Funksignale von Radio, Fernsehen oder Handy reichen
Wissenschaftler der University of California, Riverside (UCR) basteln an autonomen Fahrzeugen und unbemannten Flugobjekten, die ohne GPS-Navigation auskommen. Stattdessen nutzen sie alle möglichen Signale aus der Umgebung, um exakt zu navigieren – wie Funksignale von Mobilfunk- Radio- oder Fernsehstationen.
Eine unbemannte Drohne bei einem Simulationsflug über Los Angeles: Die rote Linie zeigt die wirkliche Flugbahn, die gelbe Linie gibt die Ortung durch GPS-Signale wieder. GPS-Signale und Signale aus der Umgebung kombiniert verfeinern die Ortung, wie die blaue Linie erkennen lässt.
Foto: Aspin Laboratory/UC Riverside
Herkömmliche Navigationssysteme in autonomen Fahrzeugen oder Drohnen kombinieren ein Globales Navigationssatellitensystem – meistens das amerikanische Global Positioning System, kurz GPS, mit einem Trägheitsnavigationssystem oder inertialen Navigationssystem (INS). Das arbeitet mit einer zentralen Sensoreinheit aus Beschleunigungs- und Drehratensensoren. GPS basiert auf mindestens drei Satelliten, die ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit senden. GPS-Empfänger berechnen aus den Signallaufzeiten ihre eigene Position und Geschwindigkeit.
GPS-Systeme sind störanfällig und ungenau
Doch GPS-Systeme sind erfahrungsgemäß störanfällig und neigen zu Ungenauigkeiten. In bestimmten Umgebungen – zum Beispiel in Tälern oder (Häuser-)Schluchten kann der Empfang der Signale schwächer werden oder ganz ausfallen. Außerdem seien zivile GPS-Signale unverschlüsselt und nicht authentifiziert und könnten leicht gehackt und gefälscht werden, heißt es in einem Beitrag in UCR Today (https://ucrtoday.ucr.edu/40675). Da der Ausfall des GPS-Systems ein Notfall ist, der einkalkuliert werden muss, verlassen sich die Entwickler von Navigationssystemen für autonome Fahrzeuge nicht nur auf das GPS/INS System, sondern ergänzen es mit weiteren Sensoren wie Kameras oder Sonar.
Exakter Navigieren mit Kommunikationssignalen
Ein Team von Wissenschaftlern der University of California, Riverside (UCR) geht das Problem anders an. „Unser Ansatz war, die Signale zu nutzen, die schon in der Umgebung vorhanden sind“, erklärt Teamleiter Zak Kassas. Die Wissenschaftler setzen auf so genannte Signals of Opportunity (SoP). Das sind per Definition Signale, die nicht zur Navigation gedacht sind, aber dafür genutzt werden: TV- und Radiowellen zum Beispiel oder Mobilfunksignale wie LTE-Signale, die von einer festen Station ausgehen.
Testdrohne, die sowohl GPS-Daten als auch Umgebungssignale für die Navigation nutzt.
Quelle: UCR
Die Wissenschaftler um Kassas erkunden und analysieren solche SOPs in der Umgebung, in der ein autonomes Fahrzeug oder ein unbemanntes Flugobjekt eingesetzt werden soll, bauen dafür „Software-definierten Radios“ (SDRs), die die relevanten Informationen von den SOPs aufnehmen, entwickeln praktikable Navigationsalgorithmen und testen das System schließlich in den fahrerlosen Autos und Drohnen.
Die Wissenschaftler präsentierten ihre Arbeit im September in Portland auf der „ION GNSS+ Conference“ im Oregon Convention Center, dem laut Veranstalter weltweit größten Meeting für GNSS Technologie, – Produkte und Dienstleistungen. Sie konnten zeigen, dass ihr SOP-System das GPS-System sowohl ergänzen als auch ersetzen kann. Wurden GPS/INS- mit ihrem SOP–System kombiniert, hielten die Testfahrzeuge sogar genauer Kurs als ohne SOP.
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