TU Braunschweig

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SATNAB II

SatellitennavigationsgestütztesNavigations-Bodenexperiment, Phase II

Projektbearbeiter: Gert Bikker, Lorenz Däubler, Bohdana Filova, Ilona Illgen, Marita Koch, Harald Schrom, Uwe Becker, Lothar Ganzelmeier, Frank Hänsel, Eckehard Schnieder
Auftraggeber: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Standort Oberpfaffenhofen,
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Projektpartner: Spektra GmbH,
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Standort Oberpfaffenhofen,
Astrium GmbH (ehemals Dornier Satellitensysteme GmbH)

Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. unter den Förderkennzeichen 50NC9805 und 50NA9917 gefördert. Kooperationspartner des Instituts für Regelungs- und Automatisierungstechnik in diesem Vorhaben sind die Astrium GmbH (ehemals Dornier Satellitensysteme GmbH), das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen und die Spektra GmbH

Im Rahmen der Studie ist ein Messverfahren entwickelt worden, das die genaue Positionsbestimmung eines mobilen Nutzers mit Hilfe eines einzelnen Navigations-Satelliten ermöglicht. Dieser Ansatz wird u.a. deshalb verfolgt, um in einer frühen Ausbaustufe des zukünftigen europäischen Satellitennavigationssystems GALILEO, in der vorerst einmal nur einige Satelliten verfügbar sein werden, Aussagen über die Navigationsqualität bei bewegten Landfahrzeugen vornehmen zu können.

Mit einem einzelnen Satellitensignal kann die Schrägentfernung zu einem mobilen Nutzer gemessen werden, wenn dieser eine mit der Satellitenuhr synchronisierte sehr genaue Uhr (Atomuhr) besitzt. Bewegt sich der Nutzer entlang einer genau definierten Trajektorie, beispielsweise entlang einer exakt vermessenen Schiene, dann kann im Falle geeigneter geometrischer Verhältnisse seine Position ermittelt werden. Für eine genaue Ortung muss die Blickrichtung zum Navigationssatelliten in etwa der Schienenausrichtung entsprechen ( < +/- 30° Azimutwinkel, > 30° Elevation ).

Im Rahmen eines Schienenexperiments sollten auf Basis dieses Konzeptes die Leistungsfähigkeit eines einzelnen Navigationssatelliten bezüglich mobiler Anwendungen unter realistischen Umweltbedingungen und genau definierten Bewegungen des Empfängers überprüft werden. Es wurden zwei Szenarien definiert und durchgeführt:

  1. Im ersten Szenario wurde die Genauigkeit der Schrägentfernungsschätzung durch Messung von Satellitensignallaufzeiten mittels einer Atomuhr unter dynamischen Bedingungen untersucht. Dazu wurde die Position eines Kraftfahrzeuges während der Fahrt zwischen genau vermessenen Referenzpunkten durch Laser- und Ultraschallsensorik mit einer Unsicherheit von ca. 3 cm bestimmt. Aus der Fahrzeug- und Satellitenposition wurde dann die wahre Schrägentfernung ermittelt und mit der geschätzten verglichen.

    Messfahrzeug

  2. Das Ziel beim Szenario 2 war die Ermittlung einer statistischen Verteilung der Entfernung zwischen genau vermessenen Referenzpunkten auf der Trajektorie und der Kugeloberfläche. Diese Verteilung ist ein Maß für die Genauigkeit der Positionsbestimmung.

    Eisenbahnwagen

Das erste Verfahren kann in erweiterter Form auch für spätere operationelle Anwendungen im spurgebundenen Verkehr genutzt werden - bereits mit zwei verfügbaren Satellitensignalen ist eine hochgenaue Positionsbestimmung entlang einer bekannten Trajektorie möglich. Im Empfangsgerät ist dann keine Atomuhr erforderlich. Trotzdem könnte eine Ortungslösung für kleine Zeitabschnitte durch eine wenig präzisere Uhr gestützt werden. Im praktischen Betrieb wird die Ortung vorzugsweise auf der Basis einer räumlichen Abfrage von einem digitalen Streckenatlas (map matching) erfolgen.

Verschiedene Untersuchungen dieser konventionellen Satellitennavigation haben gezeigt [z.B. RailOrt], dass die oprationellen Anforderungen des Betriebes in Hinsicht auf Genauigkeiten insbesondere längs des Gleises hinreichend erfüllt werden können. Nachweislich widerspricht aber einer Einführung gerade im sicherheitsrelevanten Bereich die reduzierte Verfügbarkeit der Satelliten-Navigation basierten Ortung. Diese wird durch die Erweiterung auf komplementäre Sensorsysteme (z.B. Gyro und Odometrie) erhöht. Diese Multisensorsysteme repräsentieren jedoch technisch komplexe Einrichtungen, die einen nicht unbeträchtlichen Installationsaufwand auf den Schienenfahrzeug hervorrufen. Das vorab skizzierte Verfahren in Hinblick auf die Reduzierung der notwendigen sichtbaren Anzahl von Satelliten in Richtung der Trajektorie kann eine wirtschaftliche Alternative repräsentieren, der gerade in der Einführung eines zukünftigen europäischen Satellitennavigationssytems eine gute Chance zuzurechnen ist.
Das im Rahmen der SATNAB-Studie erarbeitete Verfahren soll in Zukunft für die Überprüfung der Systemeigenschaften einzelner Navigationssatelliten (GALILEO) herangezogen werden.

Handout: SATNAB II - Voruntersuchung für ein Satellitengestütztes Navigations- Bodenexperiment


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