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VeNaDU 2: Verbesserte Positionierung und Navigation durch Uhrmodellierung

VeNaDU 2: Verbesserte Positionierung und Navigation durch Uhrmodellierung

Leitung:  Prof. Dr.-Ing. Steffen Schön
E-Mail:  schoen@ife.uni-hannover.de
Team:  M.Sc. Thomas Krawinkel, Dr. Ankit Jain
Jahr:  2017

Motivation

Uhren haben einen entscheidenden Anteil bei der GNSS-basierten Positionierung. Da Sender und Empfänger nicht synchronisiert sind, wird nur eine sogenannte Pseudo-Strecke gemessen und bei der Positionierung muss epochenweise ein Empfängeruhrfehler bestimmt werden. Alternativ können Verfahren der relativen Positionierung verwendet und die Uhrfehler beispielsweise durch Doppeldifferenzen eliminiert werden. Beide Vorgehen erlauben es sehr preisgünstige Quarz-Oszillatoren im Empfängersegment zu verwenden; allerdings auf Kosten der maximal erzielbaren Genauigkeit und der Tatsache, dass die Höhenkomponente immer schlechter bestimmbar ist als die Lagekomponente.

Insbesondere in der absoluten kinematischen Positionierung und Navigation ermöglicht das Konzept der Empfängeruhrmodellierung eine verbesserte Performance hinsichtlich der erzielbaren Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Integrität (Robustheit der Navigationslösung) sowie Verfügbarkeit und Kontinuität (Positionierung und Navigation mit nur drei Satelliten). Hierbei profitieren die Höhenkomponente und vertikale Geschwindigkeit mit Verbesserungen von bis zu 60% bei der Code-basierten Navigation. Allerdings bleiben die Möglichkeiten der Uhrmodellierung mit Meter- bis Sub-Meter-Genauigkeit recht beschränkt. Darüber hinaus sind geodätische GNSS-Empfänger erforderlich um das Signal der hochgenauen externen Atomuhren einspeisen zu können. In diesem Vorhaben soll das große Potential der Uhrmodellierung erstmals für terrestrische Navigationsaufgaben mit Trägerphasenbeobachtungen (kinematisches Precise Point Positioning) untersucht und damit für neue Anwendungsfelder eröffnet werden, wie beispielsweise fahrspurgenaue Positionierung oder Präzisionslandeanflug im Zentimeter- bis niedrigen Dezimeter-Bereich. Neben geodätischen Empfängern soll auch eine Kombination aus Atomuhr und preisgünstigen Einfrequenzempfänger umgesetzt und getestet werden.

Ziele

1) Performance-Verbesserung für kinematisches Precise Point Positioning (PPP) durch externe Frequenznormale

Derzeit stehen mit verschiedenen passiven Wasserstoff-Masern Uhren zur Verfügung, die auch die Navigation mit Trägerphasenbeobachtungen verbessern können. Durch die schnell fortschreitende Entwicklung der Uhrtechnologie ist zu erwarten, dass in Zukunft weitere hochstabile transportable Uhren auf dem Markt sind, die dies erlauben. Hierzu sollen geeignete Konzepte entwickelt werden. Es soll aufgezeigt werden welcher Performance-Gewinn bei Nutzung hochstabiler und präziser Frequenznormale in Genauigkeit, Kontinuität, Integrität und der Navigation mit weniger als vier Satelliten, das sog. Clock Coasting (Sturza, 1983), für kinematisches PPP erzielt werden kann.

2) Hardware-technische Umsetzung für Einfrequenz-Empfänger

Bisherige Untersuchungen wurden ausschließlich mit geodätischen Empfängern durchgeführt, die einfach ein 5 MHz oder 10 MHz Signal der externen miniaturisierten Atomuhren (CSACs) aufnehmen können. Für eine Code-basierte Navigation sind jedoch einfachere Empfänger bis hin zu Low-Cost-Empfänger ausreichend. Eine entsprechende hardwaretechnische Umsetzung soll im Vorhaben entwickelt und erprobt werden.

3) Untersuchung des Performance-Gewinns für die Flugnavigation am Beispiel des Bildflugs

Beim Bildflug wird die Erdoberfläche mittels Stereo-Kamera oder Laserscanning aufgenommen. Hierbei sind die Position und Lage des Projektionszentrums bzw. Ausnahmeortes entscheidend. Bisherige Verfahren nutzen hierfür die relative Positionierung in einem Referenzstationsnetz. In diesem Arbeitspakt soll theoretisch betrachtet und empirisch in Zusammenarbeit mit IGI mbh evaluiert werden, welcher Genauigkeitsgewinn in der Höhenkomponente durch Nutzung von Atomuhren erzielt werden kann.