Autonomes Fahren: Präzise Positionierung mit GNSS-Ergänzungsdaten

Autonome Geräte verändern auch heute schon viele Branchen grundlegend – vom autonomen Roboter in der Smart Factory bis hin zum autonomen Rasenmäher zu Hause. Die Erfahrungen, die die Branche schon heute macht, werden auch für autonome Straßenfahrzeuge in Zukunft immer wichtiger, denn auch sie mausern sich zum Massenmarkt. Untersuchungen der britischen Regierung sagen beispielsweise voraus, dass der weltweite Markt für vernetzte und autonome Straßenfahrzeuge mit dem höchsten Automatisierungsgrad (L3 bis L5) im Jahr 2035 einen Wert von 890 Milliarden US-Dollar haben wird. Davon wird der Markt für die vernetzten und autonomen Technologien, die diese Fahrzeuge ermöglichen, auf 137 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Sollen derartige Zahlen Realität werden, müssen autonome Systeme für den Massenmarkt tauglich sein. Genau hier kommt die Positionierung mit hoher Präzision ins Spiel. Nur wenn der Zugriff auf diese kritische Technologie für Hersteller einen Sprung nach vorn macht, lassen sich autonome Systeme auf dem Massenmarkt etablieren. Denn die autonomen Geräte müssen jederzeit wissen, wo sie sich befinden – auf unter 10 cm genau. Außerdem müssen diese Standortinformationen zuverlässig und kostengünstig für zahlreiche Systeme verfügbar sein.

Standortinformationen werden in der Regel anhand von Daten eines der globalen Satellitennavigationssysteme (GNSS) wie GPS oder Galileo berechnet. Die Verwendung von GNSS-Daten allein kann jedoch nicht die für hochpräzise Geräte erforderliche Genauigkeit liefern. Faktoren wie Fehler in Satellitentakt und -umlaufbahn, Signalvorspannungen sowie ionosphärische und troposphärische Effekte führen dazu, dass der Standort eines Systems lediglich auf 2 bis 5 m genau bestimmbar ist.

Um die für die Systeme der nächsten Generation erforderliche Genauigkeit von unter 10 cm zu erreichen, muss ein GNSS-Korrektur- oder Ergänzungsdatendienst (GNSS Correction oder Augmentation Data Service) Verwendung finden.

Diese Dienste nutzen ein Netz von festen Bodenstationen, um Daten von GNSS-Satelliten zu sammeln. Sie berechnen die Position der Station aus den Satellitendaten und vergleichen diese mit dem bekannten Standort der Station. Auf diese Weise kann der Dienst etwaige Ungenauigkeiten bei Fahrzeugen in der Nähe erkennen und korrigieren. Diese Daten werden dann an Geräte in der Nähe weitergegeben, die sie zur Verfeinerung ihrer eigenen GNSS-basierten Positionsberechnungen verwenden.

Ergänzungsdatendienste sind nichts Neues, aber herkömmliche Ansätze haben ihre Grenzen. Diese verursachen erhebliche Kosten, Komplexität und Verzögerungen für die Produktteams bzw. können dazu führen, dass der Ergänzungsdatendienst für bestimmte Anwendungen nicht in Frage kommt.

Nachhaltige Skalierung ist nicht möglich

Die erste große Herausforderung besteht in der Skalierung, um zahlreiche Geräte zu unterstützen, ohne übermäßige Kosten zu verursachen. RTK-Ergänzungsdienste (Real-Time Kinematic) beispielsweise benötigen eine Bandbreite von etwa 4,5 Kbit/s und sind auf bidirektionale Kommunikation zwischen dem Dienst und jedem Endgerät angewiesen. PPP-Dienste (Precise Point Positioning) hingegen verwenden Kommunikation in nur eine Richtung, benötigen aber immer noch zwischen 2,5 und 5 Kbit/s. In beiden Fällen können die Netzwerkkosten bei großen Mengen schnell unerschwinglich werden.

Schwierig zu integrieren und zu verwalten

Die zweite Herausforderung besteht in der einfachen Integration der Ergänzungsdaten in die laufende Verwaltung zahlreicher Geräte. Einige Dienste verwenden beispielsweise proprietäre Nachrichtenformate, während das HTTP-basierte NTRIP 1.0 (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), das von anderen Diensten verwendet wird, von den Kommunikationsmodulen nicht nativ unterstützt wird.

Die Nutzung beider Arten von Diensten führt daher zu einem erheblichen und kontinuierlichen Mehraufwand für die Engineering- und Produktmanagementteams, wodurch diesen weniger Zeit für hochwertige Innovationsarbeit zur Verfügung steht.

Zuverlässigkeit und Serviceabdeckung

Viele der Anwendungen, für die eine Genauigkeit von unter 10 cm erforderlich ist, sind geschäftskritisch, d. h. der Zugriff auf den Ergänzungsdatendienst muss schnell und zuverlässig sein. Außerdem muss Abdeckung überall dort vorhanden sein, wo das Gerät potenziell zum Einsatz kommt.

Einige Ergänzungsdatendienste benötigen zwischen einigen Minuten bis zu einer halben Stunde, um eine erste Ortung unter 10 cm zu erreichen. Das ist für Anwendungsfälle wie autonome Fahrzeuge nicht schnell genug. Andere Ergänzungsdienste basieren dagegen ausschließlich auf IP-basierter Kommunikation und funktionieren daher nur dort, wo ein mobiler Internetzugang verfügbar ist.

Andernorts kann die Genauigkeit variieren, wenn der Dienst Ergänzungsdaten sendet, die ausschließlich von der nächstgelegenen Referenzstation eines Geräts berechnet werden. Je weiter das Gerät von der Station entfernt ist, desto ungenauer ist der berechnete Standort.

GNSS-Ergänzungsdienst der nächsten Generation

Um diese Herausforderungen zu meistern, hat u-blox einen SSR-Ergänzungsdatendienst der nächsten Generation entwickelt. SSR steht hier für State Space Representation. Dreh- und Angelpunkt des Korrekturdienstes sind die Anforderungen der Entwickler der autonomen Systeme von morgen.

Der unter dem Namen PointPerfect bekannte Dienst bietet in der Regel eine Genauigkeit von 3 bis 6 cm und Aufstartzeiten von 10 bis 30 s. Er funktioniert mit GNSS-Modulen von u-blox und anderen kommerziell erhältlichen, präzisen GNSS-Modulen, die das SPARTN-Datenformat unterstützen.

Um PointPerfect zu einer praktikablen Lösung für Unternehmen mit autonomen Systemen in beliebiger Anzahl zu machen, ist das erste Grundprinzip die Effizienz. Nachrichten mit Ergänzungsdaten werden über das offene Datenformat SPARTN (Secure Position Augmentation for Real Time Navigation) über das MQTT-Nachrichtenprotokoll gesendet, das im Vergleich zu HTTP bei großen Mengen deutlich effizienter sein kann. Die Verwendung von MQTT macht es für die Nutzer daher einfach, Ergänzungsdaten optimal zu verwenden, unabhängig davon, ob sie nun 100 oder 1.000.000 autonome Systeme betreiben.

Die Kommunikation erfolgt über einen einzigen ausgehenden Broadcast-Stream, den die autonomen Systeme abonnieren, im Gegensatz zu einer bidirektionalen Kommunikation mit jedem vernetzten Endpunkt. Dies führt zu einem maximalen Bandbreitenbedarf von lediglich 2,4 Kbit/s und minimiert die Netzwerkübertragungskosten.

Weitverbreitete Verfügbarkeit von zuverlässigen Ergänzungsdaten

Die breite und zuverlässige Verfügbarkeit ist das zweite Grundprinzip. Dies ist ein Muss, da viele autonome Systeme in Gebieten ohne mobilen Internetzugang in Betrieb sind. PointPerfect-GNSS-Ergänzungsdaten werden sowohl über L-Band-Satellitensignale als auch über mobile IP übertragen. Das Entwicklungsteam hat diese Satellitenfähigkeit in einigen extremen Umgebungen getestet. Die doppelten Kommunikationskanäle tragen dazu bei, die Endgeräte mit der 99,9-prozentigen Betriebszeitgarantie des PointPerfect-Dienstes in allen Regionen, in denen er verfügbar ist, in Einklang zu bringen. Derzeit funktioniert er in den meisten europäischen Ländern und den zusammenhängenden Vereinigten Staaten von Amerika sowie bis zu 22 km vor den Küsten. Außerdem erhalten die Geräte Ergänzungsdaten, die auf mehreren Referenzstationen basieren, um die Positionsgenauigkeit zu erhöhen.

Die L-Band-Satellitenverbindung auf dem Prüfstand

In Gebieten mit schlechter oder nicht vorhandener Internetabdeckung ist ein zweiter Kanal für die Übertragung von GNSS-Ergänzungsdaten unerlässlich. PointPerfect nutzt zu diesem Zweck die satellitengestützte L-Band-Kommunikation. Tests haben gezeigt, dass selbst unter schwierigsten Bedingungen innerhalb des PointPerfect-Abdeckungsgebiets die über das L-Band empfangenen Ergänzungsdaten erfolgreich nutzbar sind, um den Standort jederzeit innerhalb der erforderlichen Grenzen zu bestimmen. Beim Test war nachzuweisen, dass PointPerfect effektiv funktioniert, ohne dass hochspezialisierte (und daher teure) Geräte, wie geodätische Empfänger, notwendig sind. Deshalb kam eine Standard-Automobilantenne des Typs TWA928L von Tallysman auf dem Dach eines Fahrzeugs zum Einsatz, um die L-Band-Satellitensignale zu empfangen. Dazu kam die GNSS-Technologieplattform u-blox F9 mit Multi-Band-Fähigkeit. Der wichtigste Test bestand darin nachzuweisen, dass die über das L-Band empfangenen Daten kontinuierlich, vollständig und verwertbar waren, um die Position zu bestimmen.

Prüfung unter schweren Bedingungen

Die Routen wurden so geplant, dass sie in Gebiete führen, in denen der Empfang von Satellitensignalen schwierig sein kann. Dazu gehört auch die Fahrt zum Polarkreis in Nordschweden. Hier wurde getestet, ob der Satellitenempfang auch bei sehr geringer Höhe der Satelliten am Himmer ausreichend ist. Am nördlichsten Punkt der Reise – 66° nördlich des Äquators – sank die Satellitenhöhe auf nur 16°. Im Vergleich: in Helsinki liegt sie bei 21,8° und in Rom bei 40°. Auch in Gebieten wie den Wüsten im Südosten Kaliforniens, den ausgedehnten Gebirgszügen im Bundesstaat Washington und in dicht bebauten Stadtgebieten wie Seattle und San Diego, wo Hochhäuser den Empfang von Satellitensignalen beeinträchtigen können, wurde das System getestet.

Trotz der schwierigen Bedingungen war das empfangene L-Band-Signal stark genug, um den Ergänzungsdatendienst erfolgreich zu empfangen. Infolgedessen war die Bestimmung des Standorts mit einer horizontalen Genauigkeit von weniger als 10 cm innerhalb von 2 Sigma oder 95 Prozent Konfidenzintervall während des gesamten Prozesses möglich.

Self-Service-Zugang und Benutzerfreundlichkeit

Das dritte Grundprinzip von PointPerfect ist die einfache Integration und die unkomplizierte Verwaltung von zahlreichen autonomen Systemen. SPARTN ist ein offenes Datenformat, und das MQTT-Nachrichtenprotokoll wird von den meisten handelsüblichen Modems von Haus aus unterstützt. Deshalb müssen Ingenieure keine proprietäre Client-Software integrieren oder maßgeschneiderte Modemintegrationen erstellen. Zusammengenommen bedeutet dies eine Verringerung des Risikos und der Entwicklungszeiten.

Darüber hinaus wird PointPerfect über eine Cloud-Plattform der Unternehmensklasse mit dem Namen Thingstream bereitgestellt. Diese bietet Entwicklungsteams eine Self-Service-Umgebung, in der sie ihre Systeme nach Belieben implementieren und verwalten können. Die Plattform umfasst einen grafischen Datenflussmanager zum Erstellen von Nachrichten und Verbindungen zu Geräten sowie eine API für die Integration mit anderen Diensten. (na)