Ein Navigationssystem ohne GPS

Ortung auch bei GPS-Ausfall: Eine neue Technik könnte künftig eine präzise Navigation auch ohne GPS-Satelliten ermöglichen. Denn das von US-Forschern entwickelte System nutzt Signale zur Ortung, die ohnehin um uns herum vorhanden sind – Mobilfunk, TV und Radio sowie WiFi. Durch Kombination all dieser Signale könnten Drohnen oder autonome Autos künftig ausfallsicherer und präziser navigieren als nur mit GPS, wie die Forscher berichten.

Ob im Smartphone oder im Auto: Die meisten Navigationssysteme nutzen das Global Positioning System (GPS) als Ortungshilfe. Ihre GPS-Empfänger werten die Laufzeit der Signale von mehreren GPS-Satelliten aus und ermitteln dadurch die eigene Position. Unter optimalen Bedingungen ist diese Ortung beim Navi auf rund zwei Meter genau. Doch in Schluchten oder zwischen Hochhäusern kann der Empfang blockiert sein.

Hinzu kommt: GPS-Signale können von Hackern auch gezielt geblockt, gehackt oder gefälscht werden. Durch ein solches Hacking lassen sich beispielsweise autonome Drohnen aus ihrer geplanten Flugbahn bringen und sogar entführen, wie Experimente bereits belegten. Soll ein autonomes Fahrzeug oder eine Drohne allein auf GPS-Basis navigieren, kann das daher problematisch werden.

Alternative Signale

Aus diesem Grund haben Zak Kassas und sein Team von der University of California in Riverside nach Möglichkeiten gesucht, eine genaue Ortung auch ohne GPS-Satelliten zu erzielen. Ihre Idee: Warum nicht Signale nutzen, die ohnehin fast überall in der Umgebung vorhanden sind? TV-und Radiowellen, Mobilfunksignale und auch WLAN-Netze aus umgebenden Gebäuden bilden ein unsichtbares Netz aus elektromagnetischen Signalen.

Diese Simulation zeigt die geplante Route (rot) einer Predator-Drohne und ihren tatsächlichen Flugpfad unter Nutzung von Zusatzsignalen (SOP, blau) und nur nur mit GPS (gelb) © ASPIN Laboratory/ UC Riverside

„Diese Signals of Opportunity (SOPs) nutzen eine große Bandbreite an Frequenzen und Richtungen“, erklären die Forscher. „Dadurch sind sie oft auch dort präsent, wo GPS-Signale nicht hinkommen.“ Allerdings: Um aus diesen Signalen die für die Ortung nötigen Informationen wie die Standorte der Quellen und Laufzeit der Signale zu bekommen, benötigt die Empfänger-Software noch die Hilfe des GPS.

Weniger Abweichungen bei GPS-Ausfall

Wie das System konkret funktioniert, demonstrierten Kassas und sein Team mit Hilfe eines autonomen Fahrzeugs, das sie mit einem ihrer SOP-Empfänger ausrüsteten. In der Anfangsphase der Messungen nutzt das System die Informationen aus dem GPS-System und den Beschleunigungsmessern des Fahrzeugs, um die eigene Position festzustellen.

Auf dieser Basis kann das SOP-System nun aus den Signalen beispielsweise naheliegender Mobilfunkmasten die für die Ortung wichtigen Zustandsdaten ableiten, wie die Forscher erklären. Wird nun das GPS blockiert oder fällt aus, reichen diese Umgebungssignale aus, um das Fahrzeug auf Kurs zu halten. Im Experiment wich das Auto dadurch nur um wenige Meter vom seiner Route ab. Ohne das SOP-System lag das Navi dagegen um gut 23 Meter falsch.

Sinnvoll für autonome Vehikel

Nach Ansicht der Forscher könnten solche alternativen Ortungssysteme die Navigation vor allem von autonomen Fahrzeugen und Drohnen erheblich sicherer und verlässlicher machen. Sie springen immer dann ein, wenn keine Satelliten verfügbar sind. Modellsimulationen ergaben, dass SOP-Systeme unter günstigen Umständen ähnlich präzise arbeiten können wie das GPS – und bestehende GPS-Systeme noch präziser machen können.

Kassas und seine Kollegen haben ihr alternatives Navigationssystem bereits zum Patent angemeldet. Sie wollen die Präzision der Software und Empfänger nun noch weiter verbessern und weitere Tests mit Drohnen und autonomen Fahrzeugen durchführen. „Unser Ziel ist es, solche autonomen Vehikel so weit zu bringen, dass sie für längere Zeit ohne Eingreifen des Menschen operieren können“, sagt Kassas.

(University of California – Riverside, 17.10.2016 – NPO)