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Verbesserte Echtzeit-Positionierungsdaten durch Augmentierungs-Systeme auf PikeOS-Basis

Wenn man an Satellitengestütztes GPS denkt, dann hat man ein High-Tech Satelliten-Navigationssystem vor Augen, das weltweit bis auf wenige Meter genau den Standort erkennen kann. Doch Globale Navigationssysteme (GNSS) wie das amerikanische GPS oder das europäische Galileo kämpfen mit vielen Umwelt-Störeinflüssen. Sogenannte Satellite-based Augmentation Systems (SBAS) verbessern die Leistung dieser Navigationssysteme, indem sie ihre Daten korrigieren. Ab 2022 wird nun auch die koreanische Halbinsel von dem PikeOS-gestütztem SBAS Korea Augmentation Satellite System (KASS) profitieren, womit sich viele neue Anwendungsfelder in der Aviation, dem Transportwesen und im Automotive-Bereich erschließen lassen.

2013 beauftrage die südkoreanische Regierung das Korea Space Research Institute (KARI) damit ein SBAS für die koreanische Halbinsel herzustellen. Nach Jahren der Planung engagierte KARI den französischen Aerospace-Konzern Thales Alenia Space (TAS) um nach dem europäischem Vorbild European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) das Korea Augmentation Satellite System (KASS) zu erstellen.

Das Augmentierungssystem KASS verbessert die Lokalisierung von GPS-Empfängern deutlich und macht dadurch insbesondere den Flugverkehr sicherer. KASS beinhaltet einen sogenannten Safety-of-Life-Service (SoL), der unter anderem Landeprozeduren sicherer macht und etwaige bestehende Instrumentallandesysteme (ILS) ergänzt. Der SoL-Service ist eine kostengünstige Alternative für Flughäfen, die kein kostenintensives ILS betreiben. SoL meldet innerhalb weniger Sekunden, wenn Positionierungsdaten fehlerhaft sind und gibt damit entscheidende Handlungshinweise. Zwar kann grundsätzlich auch ohne SBAS zentimetergenau lokalisiert werden, aber weder ist das in Echtzeit möglich, noch bei Bewegung. Mit Hilfe von KASS werden Satellitendaten für sich bewegende Objekte in Echtzeit korrigiert und soweit wie möglich von Störfaktoren befreit. Gerade dieser Anspruch an eine sichere Echtzeitfähigkeit war ein entscheidender Grund für Thales Alenia Space sich für SYSGOs hypervisorbasiertes Echtzeitbetriebssystem PikeOS zu entscheiden. PikeOS erfüllt harte Echtzeitanforderungen besser als andere Echtzeitbetriebssysteme durch ein ausgeklügeltes Scheduling und einer Multicore-Unterstützung die CAST32-A-Anforderungen erfüllt. Es ist hoch performant bei Virtualisierungsaufgaben und erfüllt zuverlässig Anforderungen an mixed criticality, also unterschiedliche Safety levels pro Partition. So können sicherheitskritische Aufgaben mit unkritischen Aufgaben wie z.B. Monitoring auf einem System ausgeführt werden. PikeOS hat mehrfach seine Reife in Avionik-Zertifizierungsprojekten unter Beweis gestellt und wurde erst kürzlich wieder in einem Projekt nach DO-178 DAL A zertifiziert.

Funktionsweise von Globalen Navigationssystemen wie GPS und Galileo

Ohne Augmentierungssystem arbeiten GNSS wie GPS oder Galileo nach dem Prinzip zeitlicher Ortung. Die Signale ihrer Satelliten – alle auf gleicher Erdumlaufbahn – enthalten die Information über deren Position und den Zeitpunkt des Signalversendens. Erreicht das Signal nun einen Empfänger auf der Erde, kann dieser über die zeitliche Differenz bestimmen, wie weit der Satellit entfernt ist. Zur Bestimmung der Position des Empfängers werden weitere Satelliten benötigt, damit sich ein radialer Schnittpunkt ergibt, aus dem die genaue Position berechnet werden kann. Je mehr Satelliten empfangen werden, desto genauer die Position.

Die Ortung ist aber aus mehreren Gründen recht ungenau. Zum einen ändert sich die Position der Satelliten unentwegt (sie bewegen sich mit 4 Km/sec auf ihrer Erdumlaufbahn), zum anderen trifft das Signal bei Eintritt in die Ionosphäre auf Teilchen, die das Signal bei Eintritt in die Troposphäre ableiten. Auch die Zeitpunktbestimmung ist problematisch, denn während in den Satelliten Atomuhren verbaut sind, haben Empfänger in aller Regel nur Quarzuhren. Hinzu kommen irdische Hindernisse wie Berge, Häuser, Schluchten oder Bäume, die das Signal durch Umleitung verlängern oder abschatten. Die Hindernisse verursachen somit eine zeitliche Varianz des Signalempfangs, die im Ergebnis den Empfänger eine falsche Streckenlänge errechnen lässt.

KASS öffnet neuen Anwendungen das Tor zur Präzision

KASS wird wie EGNOS nach dem Prinzip der Bodenpositionskorrektur arbeiten: Über die koreanische Halbinsel hinweg werden Basisstationen errichtet, deren bekannte und unveränderliche Position dazu dient die exakte Entfernung in Echtzeit zwischen Station und Satellit zu bestimmen. Das funktioniert, indem das unkorrigierte GNSS-Signal (und der damit verbundenen Standortbestimmung) mit dem tatsächlichen Standort abgeglichen wird. Die Differenz aus errechneter GNSS-Position und tatsächlichem Standort bildet die Grundlage für eine genaue Positionierung von Empfängern (auch Rover genannt) in einem Umkreis von 100 Kilometern. In diesem Bereich ist die Differenz bzw. der Positionierungsfehler gleich und erlaubt Empfängern dadurch eine viel genauere Positionierung. Die Technik wird Differentielles GPS (DGPS) genannt und erlaubt mit vielen verteilten Stationen eine flächendeckende Verbesserung der Positionsbestimmung.

Schematic structure and mode of operation of EGNOS (similar to KASS)

Abbildung 1: Schematischer Aufbau und Funktionsweise von EGNOS (ähnlich zu KASS)

Echtzeitbetriebssystem & Hypervisor PikeOS dient KASS als sichere Softwaregrundlage

Die Berechnung der Korrekturdaten wird automatisch in einem Rechenzentrum durchgeführt, das unkorrigierte GNSS-Signale empfängt. Dieses Rechenzentrum ist mit den Basisstationen über Ethernet verbunden, die das vom Rechenzentrum korrigierte GNSS-Signal an Satelliten weiterleiten. Diese speziell als Verteiler vorgesehenen GEO-Satelliten speisen mit dem Korrektursignal u.a. Flugzeuge, sollen aber künftig auch Drohnen und zukunftsweisenden Industrien und weiteren Innovationen, die präzisere Positionierung benötigen, dienen. Im Rechenzentrum arbeitet ein auf Kontron Hardware basierendes Embedded Modul, auf dem das Echtzeitbetriebssystem und Hypervisor PikeOS läuft. PikeOS dient als Hostsystem für die Gastsysteme POSIX (Portable Operating System Interface) und SYSGOs eigenes embedded Linux ELinOS. Die POSIX-Partition fungiert als Gateway und nutzt SYSGOs certifiable IP stack (CIP), welcher verschiedene Safetynormen erfüllen kann und POSIX ein Socket Interface zur Kommunikation bereitstellt. POSIX dient ebenso für die Berechnung der Korrekturdaten und ist nach der Avionik-Safetynorm DO-178B DAL C zertifiziert, während die ELinOS-Partition unkritischere Monitoring-Aufgaben erfüllt. Das System bietet eine hohe Verfügbarkeit und ist für Applikationen gemischter Kritikalität geeignet.

Architecture data center

Abbildung 2: Architektur Rechenzentrum

Fazit

Eine Genauigkeitsverbesserung von 10 auf bis zu 1 Meter in der Luft erschließt Anwendungsgebiete, die das Potenzial haben nicht nur die Luftfahrt sicherer zu machen, sondern auch der autonomen Mobilität zum Durchbruch zu verhelfen. Derzeit wird daran gearbeitet künftige EGNOS-basierte Systeme auf bis zu unter einem Meter Genauigkeit für Echtzeit zu ermöglichen.

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