Welches ist das am häufigsten verwendete integrierte GNSS-Navigationssystem?

Die Navigation ist eine der grundlegendsten Technologien der modernen Gesellschaft. Von Flugzeugen und Schiffen bis hin zu autonomen Fahrzeugen und Mobiltelefonen ist die genaue Positionsbestimmung in fast allen Bereichen eine Notwendigkeit geworden. Das Herzstück der globalen Positionsbestimmung ist GNSS (Globales Navigationssatellitensystem)ist ein Sammelbegriff, der Systeme wie GPS (Vereinigte Staaten), GLONASS (Russland), Galileo (Europäische Union) und BeiDou (China) umfasst.

GNSS hat zwar die Positionsbestimmung revolutioniert, indem es eine globale Abdeckung und Genauigkeit auf Meterebene bietet, aber es ist nicht fehlerfrei. Straßenschluchten, Tunnel, Signalstörungen oder Störsender können die Satellitensignale beeinträchtigen oder sogar blockieren. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben die Ingenieure das integrierte GNSS-Navigationssystem entwickelt - eine Fusion von GNSS mit anderen Navigationstechnologien wie INS (Inertial Navigation System), IMU (Inertial Measurement Unit) und anderen unterstützenden Sensoren.

Was ist ein integriertes GNSS-Navigationssystem?

Ein integriertes GNSS-Navigationssystem ist eine Lösung, die GNSS mit ergänzenden Sensoren kombiniert, um die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Kontinuität der Navigationsdaten zu verbessern. Die häufigste Integration ist GNSS + INSDabei liefert GNSS absolute Positions- und Geschwindigkeitsinformationen, während INS relative Bewegungsdaten auf der Grundlage von Beschleunigungsmessern und Gyroskopen liefert.

Die Fusion erfolgt in der Regel durch Algorithmen wie die Kalman-Filterdie die Stärken beider Systeme kombiniert und ihre Schwächen ausgleicht. Zum Beispiel:

• GNSS ist genau, aber anfällig für Signalblockaden.

• INS ist in sich geschlossen und immun gegen Signalstörungen, leidet aber unter einer zeitlichen Drift.

• Wenn GNSS integriert ist, korrigiert es die Drift von INS, während INS die Kontinuität der Navigation bei GNSS-Ausfällen gewährleistet.

Diese Synergie macht integrierte Systeme äußerst zuverlässig, weshalb sie für sicherheitskritische Anwendungen wie Luftfahrt, Verteidigung und autonomes Fahren unverzichtbar geworden sind.

Warum integrierte Navigation anstelle von reinem GNSS?

Obwohl GNSS allein eine hervorragende Abdeckung bietet, stößt es an mehrere Grenzen:

• Blockierung von Signalen - Hochhäuser, Tunnel oder dichte Wälder können Satellitensignale blockieren.

• Mehrweg-Fehler - Reflektierte Signale von Oberflächen wie Gebäuden oder Wasser beeinträchtigen die Ortungsgenauigkeit.

• Atmosphärische Störungen - Ionosphärische und troposphärische Verzögerungen verringern die Genauigkeit.

• Anfälligkeit für Jamming/Spoofing - GNSS-Signale sind relativ schwach, was sie anfällig für Störungen macht.

Durch die Integration von GNSS mit INS oder anderen Sensoren werden diese Probleme entschärft. INS gewährleistet eine kontinuierliche Navigation auch ohne Satellitensignale, während GNSS INS regelmäßig kalibriert, um Drift zu verhindern. Diese Komplementarität macht die integrierte Navigation zum Goldstandard in vielen Branchen.

Die meistgenutzten integrierten GNSS-Navigationssysteme

1. GPS + INS (Klassische Kombination)

Die Kombination von GPS mit einem Trägheitsnavigationssystem ist die traditionellste und am weitesten verbreitete integrierte Lösung. Sie ist in der Luftfahrt, der Schifffahrt und bei militärischen Anwendungen weit verbreitet. GPS sorgt für die absolute Positionierung, während INS die Kontinuität bei Signalverlusten sicherstellt, z. B. bei Flugzeugmanövern oder Unterwassernavigation.

2. GNSS + MEMS-IMU

Für kostenempfindliche Anwendungen wie Drohnen, Smartphones und Bodenfahrzeuge, GNSS kombiniert mit kostengünstigen MEMS-basierten IMUs ist die häufigste Lösung. Obwohl MEMS-Sensoren weniger genau sind als hochwertige INS, sind sie kompakt, erschwinglich und für viele Verbraucher- und Industrieanwendungen ausreichend.

3. Multi-GNSS (GPS + GLONASS + Galileo + BeiDou) + INS

Das modernste und am weitesten verbreitete System ist heute Multi-GNSS integriert mit INS. Durch den gleichzeitigen Zugriff auf Signale aus mehreren Konstellationen bietet dieses System eine bessere Genauigkeit, eine schnellere Initialisierung und eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Signalblockaden. Zum Beispiel:

• Die Luftfahrtindustrie verlässt sich bei der globalen Flugnavigation in hohem Maße auf Multi-GNSS + INS.

• Autonome Fahrzeuge nutzen dieses System, um bei der Fahrspurerkennung eine Genauigkeit im Zentimeterbereich zu erreichen.

• Vermessungs- und Geodäsieanwendungen profitieren von der Redundanz und Zuverlässigkeit, die mehrere Konstellationen bieten.

Daher ist das am häufigsten verwendete integrierte GNSS-Navigationssystem heute Multi-GNSS (GPS + GLONASS + Galileo + BeiDou) in Kombination mit einem INS oder einer IMU. Es bietet eine globale Abdeckung, hohe Zuverlässigkeit und Robustheit in schwierigen Umgebungen.

Anwendungen von integrierten GNSS-Navigationssystemen

Die weit verbreitete Nutzung integrierter Systeme erstreckt sich über mehrere Bereiche:

• Luft- und Raumfahrt und Luftfahrt - Flugzeuge nutzen GNSS + INS für die präzise Navigation in allen Flugphasen, einschließlich Start, Flugstrecke und Landung. Auch Satelliten und Raumfahrzeuge verlassen sich bei der Bestimmung der Umlaufbahn auf diese Systeme.

• Maritim - Schiffe und Offshore-Plattformen nutzen die integrierte Navigation, um sichere Routen auch dann beizubehalten, wenn GNSS-Signale durch Wetter oder Gelände behindert werden.

• Autonome Fahrzeuge - Selbstfahrende Autos benötigen Genauigkeit auf Fahrspurebene. GNSS + INS gewährleistet eine zuverlässige Navigation in städtischen Gebieten, Tunneln oder unter Brücken.

• Militär und Verteidigung - Raketen, U-Boote und Kampfflugzeuge nutzen die GNSS/INS-Integration, um eine genaue Navigation zu erreichen und gleichzeitig gegen Störungen gewappnet zu sein.

• Vermessungswesen und Geodäsie - Hochpräzise Kartierungs- und Bauprojekte hängen von GNSS + INS für zentimetergenaue Genauigkeit ab.

• Drohnen und Robotik - Kompakte GNSS- und MEMS-IMU-Systeme steuern Drohnen und Roboter in Umgebungen mit GPS-Problemen.

Vorteile der Verwendung von integrierten GNSS-Navigationssystemen

1. Genauigkeit - Die Integration mehrerer Sensoren reduziert Positionierungsfehler.

2. Kontinuität - Die Navigation wird auch dann fortgesetzt, wenn die Satellitensignale blockiert sind.

3. Verlässlichkeit - Fusionssysteme sind resistent gegen Mehrwegeffekte und Interferenzen.

4. Flexibilität - Je nach Anwendung können verschiedene Arten von INS oder IMUs gewählt werden.

5. Skalierbarkeit - Von Drohnen für Privatanwender bis hin zu Militärflugzeugen ist die integrierte Navigation für zahlreiche Bereiche geeignet.

Zukünftige Trends

Im Zuge des technischen Fortschritts entwickeln sich die integrierten GNSS-Navigationssysteme in verschiedene Richtungen:

• Integration von Künstlicher Intelligenz (KI) - Algorithmen des maschinellen Lernens werden eingesetzt, um die Sensorfusion und Fehlererkennung zu verbessern.

• Quanten-Navigation - Neue Quantensensoren können die Abhängigkeit von GNSS verringern, indem sie eine driftfreie Trägheitsnavigation ermöglichen.

• Integration mit 5G/6G - Mobilfunksignale können mit GNSS und INS verschmolzen werden, um eine nahtlose Navigation in städtischen Umgebungen zu ermöglichen.

• Miniaturisierung - Kostengünstige INS-Einheiten im Chipmaßstab werden die integrierte Navigation in der Unterhaltungselektronik erweitern.

• Erhöhte Sicherheit - Anti-Jamming- und Anti-Spoofing-Funktionen werden für die Verteidigung und den kommerziellen Einsatz immer wichtiger.

Zur Beantwortung der zentralen Frage - Welches ist das am häufigsten verwendete integrierte GNSS-Navigationssystem?

Die Antwort liegt in der Kombination von Multi-GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) mit INS (Inertial Navigation System). Diese integrierte Lösung bietet globale Abdeckung, hohe Präzision und robuste Leistung in Umgebungen, in denen GNSS allein versagen würde.

Von Flugzeugen und Schiffen bis hin zu autonomen Fahrzeugen und Drohnen ist dieses System zum Rückgrat der modernen Navigation geworden. Mit Blick auf die Zukunft wird die Integration von KI, Quantensensoren und 5G seine Rolle weiter stärken und dafür sorgen, dass integrierte GNSS-Navigationssysteme weiterhin führend in der Positionierungstechnologie sind.