Galileo News and the ESA Programme for Business Incubation

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1 Galileo News and the ESA Programme for Business Incubation Dr. Zimmermann, Geschäftsführer cesah GmbH Darmstadt Robert-Bosch-Str. 7 Tel cesah.com Präsentation August

2 Übersicht Einführung Prinzip der Satellitennavigation Global Positioning System (GPS) European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) Das europäische Satellitennavigationssystem Galileo Anwendung der Satellitennavigation zur präzisen Bahnbestimmung von Satelliten (POD) Anwendungen der Satellitennavigation im Luftverkehr (GBAS) Das Centrum für Satellitennavigation Hessen 2

3 Prinzip der Satellitennavigation Satelliten befinden sich in hoher Erdumlaufbahn > km. Empfänger bestimmt den Abstand zwischen Satellit und Empfänger durch Messung der Signallaufzeit. Atomuhren sind zwar hoch genau, dennoch gibt es Abweichungen im Nanosekundenbereich (10-9 s). (x,y,z) 1 (x,y,z) 2 r 2 (x,y,z) 3 Empfängeruhren sind wesentlich ungenauer. r 1 r 3 Daher sind Signale von mindestens 4 Satelliten erforderlich zur Bestimmung der eigenen Position. Quelle: ESA 3

4 Global Positioning System (GPS) Ursprünglich 24 Satelliten, damit zu jedem Zeitpunkt immer mindestens 4 sichtbar km Bahnhöhe, d.h. 2 Umkreisungen pro Sternentag 6 Bahnebenen, 55 gegen die Äquatorebene geneigt und 60 gegeneinander verdreht Mittlerweile über 30 Satelliten verfügbar, diese setzen sich aus mehreren Generationen zusammen. Signal L1 L2 L5 Trägerfrequenz [MHz] Sendeleistung [W] regelbar - 4

5 GPS - Navigationsdienste Standard Positioning Service (SPS) Ist für jedermann verfügbar und erreichte ursprünglich eine Positionierungsenauigkeit von 100 m in 95 % der Messungen. Seit Mai 2000 ist die künstlich eingeprägte Ungenauigkeit abgeschaltet; seitdem beträgt die Positionierungsenauigkeit ca. 15 m. Precise Positioning Service (PPS) Ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ursprünglich auf eine Positionierungsenauigkeit von 22 m in 95 % der Messungen ausgelegt worden; die aktuelle Genauigkeit ist unbekannt. Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt. Eine Erhöhung der Genauigkeit in der Positionsbestimmung auf unter 5 m kann derzeit nur durch Einsatz von Differential-GPS (DGPS) erreicht werden, bzw. eine Verbesserung der Genauigkeit und Überwachung der Systemintegrität durch SBAS. 5

6 EGNOS - Überblick Satellitenbasiertes Überwachungssystem (SBAS), ergänzt GPS, GLONASS und zukünftig Galileo Beobachtung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Systeme Übermittlung geeigneter Korrekturen an den Nutzer in Echtzeit (Ionosphäre) dadurch Positionsbestimmung im Meterbereich möglich Entwickelt im Auftrag und mit Beteiligung der ESA, der EC und EUROCONTROL Besteht aus drei geostationären Satelliten und einem Netzwerk von 34 Bodenstationen, INMARSAT AOR & IOR W und ARTEMIS (PRN120, 124 & 126) Experimenteller Betrieb bereits im Juli 2005 begonnen, zeigte eine herausragende Leistungsfähigkeit bezüglich der erreichten Genauigkeit (geringer als 2 m) und Verfügbarkeit (über 99%), operationeller Betrieb seit 1. Oktober 2009 (open service) Zertifizierung und Zulassung des EGNOS-Systems für die Nutzung in sicherheitskritischen Anwendungen (Safety of Life) erfolgte am 2. März Terrestrischer Datenzugang über EGNOS Data Access Service (EDAS) / EGNOS SDK 6

7 EGNOS - Sichtbarkeit 7

8 EGNOS - Leistungsfähigkeit Exemplarische Darstellung der Genauigkeitschranke (horizontal) zeigt bekannte, noch eingeschränkte Nutzbarkeit in Süd-Ost-Europa kann durch zusätzliche Referenzempfänger in diesem Bereich gesteigert werden Quelle: IMAGEtech/perfect/real_time/images/ (abgerufen am 30. Mai 2007, 27. Oktober 2010 und am 23. Januar 2013) 8

9 Space Based Augmentation Systems (SBAS) Quelle: ESA Navipedia 9

10 Europäisches Satellitennavigationssystem Galileo 30 Satelliten in 3 Bahnebenen um 56 gegen Äquator geneigt, 120 versetzt km Bahnhöhe, Umlaufzeit 14 Stunden 40 Sende- und Empfangsstationen und 3 Kontrollzentren voraussichtlich bis 2014 betriebsbereit mit zunächst 18 Satelliten und interoperabel mit GPS globale Abdeckung und Nutzung bei hoher Genauigkeit, Integrität und Verfügbarkeit Signal L1 E5a E5b E6 Trägerfrequenz (MHz) Sendeleistung (W)

11 Galileo-Testsatelliten ESA ESA GIOVE-A (Surrey Satellite Technology) gestartet am 28. Dezember 2005 Signal empfangen am 12. Januar 2006 Frequenzsicherung GIOVE-B (Astrium) gestartet am 26. April 2008 Signal empfangen am 7. Mai 2008 Passiver Wasserstoffmaser mit 1ns Genauigkeit pro Tag Nicht mehr in Betrieb, aber mittlerweile ersetzt durch 4 IOV-Satelliten (Astrium) 11

12 Galileo In Orbit Validation (IOV) Phase Doppelstart mit Sojus ST-B-Rakete, Platzierung im Zielorbit durch Fregat MT-Oberstufe in 23,222 km Höhe am 21. Oktober 2011 bzw. 12. Oktober 2012 ESA ESA S. Corvaja,

13 Galileo In Orbit Validation (IOV) Phase Konstellation aus 4 Satelliten reduziertes Bodennetzwerk im Mittel nur ein Satellit sichtbar Verifizierung der Systemgenauigkeit auch in Kombination mit GPS erfordert gründliche Testplanung, Vorabbewertung und Ergebnisanalyse Testinfrastruktur bestehend aus Software und Hardware 13

14 Galileo-Kontrollzentren ESA ESA Galileo-Kontrollzentren Das Galileo-Kontrollzentrum GCC in Oberpfaffenhofen wird betrieben durch die DLR Gesellschaft für Raumfahrtanwendungen (DLR GfR) einem Unternehmen des DLR Ein weiteres Kontrollzentrum befindet sich in Fucino in Italien (Telespazio). Das European Space Operations Centre (ESOC) der ESA in Darmstadt und das Satellitenkontrollzentrum der französischen Raumfahragentur CNES in Toulouse sind für die Überwachung während der Launch and Early Orbit -Phase zuständig. 14

15 Zeitsynchronisation und Bahnvorhersage Precision Time Facility (PTF) Die Unterschiede zwischen den Atomuhren der Satelliten werden durch das Bodensegment ermittelt. Information steht dem Nutzer über die Galileo-Satelliten als Teil des Navigationssignals zur Fehlerkorrektur zur Verfügung. Orbit Synchronisation Processing Facility (OSPF) Passiver Wasserstoffmaser Die genauen Satellitenpositionen werden am Boden berechnet. Hierzu werden Messdaten aus einem Netzwerk von Empfängern sowie Laserdistanzmessungen genutzt. Diese Information wir in regelmäßigen Abständen and die Galileo-Satelliten übertragen und über das Navigationssignal an den Nutzer weitergegeben. Hier liegen am ESOC fundierte Erfahrungen mit GPS vor, die eine Prognose für Galileo von 10 cm Bahnbestimmungsgenauigkeit in Empfängerrichtung erlauben. 15

16 Integrität Integrity Processing Facility (IPF) Integrität bezieht sich auf das Vertrauen in die Richtigkeit der durch das Navigationssystem bereitgestellten Information. Fehlerhafte Satelliten werden in Echtzeit erkannt und im Navigationssignal für den Nutzer identifiziert (in 6 Sekunden bei Überschreiten von 12 m horizontal, 20 m vertikal). Navigationssignal liefert weitere Daten (SISMA), welche im Empfänger zur Bestimmung einer Kenngröße (PHMI) dienen, welche die Wahrscheinlichkeit bezeichnet, dass der Nutzer über einen Ausfall nicht informiert wird. Ursprünglich als entscheidender Vorteil von Galileo gegenüber GPS benannt, derzeit nicht mehr vorgesehen, wird durch EGNOS erbracht. höhere Genauigkeit, größere Verfügbarkeit und Integrität (EGNOS) 16

17 17

18 Galileo - Dienste Offener Dienst (OS) - frei und kostenlos empfangbar, keine garantierte Verfügbarkeit Kommerzieller Dienst (CS) - kostenpflichtig, verschlüsselt, zusätzliche Sendefrequenzen, höhere Übertragungsraten, erlaubt Empfang von Korrekturdaten zur Steigerung der Positionsgenauigkeit um ein bis zwei Größenordnungen, Garantien geplant Safety-of-Life (SoL) - für sicherheitskritische Anwendungen, z.b. dem Luft- und dem Schienenverkehr, liefert Integritätsinformationen, welche den Nutzer vor Systemausfällen warnt wird durch EGNOS bereitgestellt. Öffentlich Regulierter Dienst (PRS) - für hoheitliche Aufgaben, verschlüsselt, weitgehend gegen Störungen und Verfälschungen gesichert, hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit, auch im Krisenfall Such- und Rettungsdienst (SAR) - unterstützt bestehende satellitenbasierte Rettungssysteme, schnelle und weltweite Ortung von Notsendern 18

19 Navigationsgenauigkeit mit GPS auf L1 19

20 Navigationsgenauigkeit Galileo auf E5a&L1 20

21 Galileo-Verfügbarkeit (Forderung >99.5%) Nominell (27 Satelliten, P0: ) 1 Ausfall (26 Satelliten, P1: ) 2 Ausfälle (25 Satelliten, P2: ) min. 4 m horizontale Genauigkeit min. 8 m vertikale Genauigkeit 21

22 Galileo Implementation Plan Quelle: W. Enderle ESA und die europäischen Satellitennavigationssysteme Galileo und EGNOS, Global Navigation meets Geoinformation 2013 Full Operational Capability Full services, 30 satellites Galileo is implemented in a step-wise approach Initial Operational Capability Early services for OS, SAR, PRS, and demonstrator for CS 2014 In-Orbit Validation 4 fully operational satellites and ground segment 2013 GIOVE A/B 2 test satellites 2005/2008 Galileo System Testbed v1 Validation of critical algorithms 2003 Global Navigation meets Geoinformation 2013 ESNC 2013 Kick- off at ESOC 12/04/2013 Page 22

23 Global Navigation meets Geoinformation - ESNC KO Navigation Support Office 14/04/2011 Page 23

24 Anwendungen der Satellitennavigation Flugführung (Landung unter Schlechtwetterbedingungen) Unterstützung von Bahn-, Schiff- und Straßenverkehr (multimodale Verkehrsführung) Logistikanwendung in der Verfolgung von Frachtgütern (Gefahrguttransporte, Flottenmanagement) Unterstützung hoheitlicher Aufgaben (Polizei, Feuerwehr, Krankenwagen in Notfallszenarien) Positionsbasierte Dienstleistungen (Reiseführer, Fluggastinformation) Landwirtschaft (Führung von Landmaschinen) Vermessungswesen und Geoinformation Raumfahrt (Positionsbestimmung von Satelliten), Technical Excellence. Pragmatic Solutions. Proven Delivery Präsentation August

25 International GNSS Service (IGS) seit 1994 offizieller Service der Internationalen Assoziation der Geodäsie (IAG) Produkte: Satellitenbahnen Uhrkorrekturen Erdrotationsparameter Stationskoordinaten und -geschwindigkeiten Troposphärenparameter Ionosphärenkarten Code Biases Nutzung von GPS & GLONASS Quelle: The IGS Tracking Network / Permanentnetz mit über 380 Stationen ( 25

26 ESA Sensor Station Network Quelle: ESA/ESOC 26

27 Bahnbestimmung GPS-Satelliten durch IGS Quelle: 27

28 Satellitennavigation im Luftverkehr Motivation: Schlechte Sichtbedingungen primär in den Morgenstunden in Spätsommerund Herbstmonaten Klassifizierung durch ICAO in Kategorien Cat I Entscheidungshöhe 200 ft, Sichtweite > 550 m Cat II Cat III Entscheidungshöhe 100 ft, Sichtweite > 350 m Entscheidungshöhe < 100 ft, Sichtweite < 350 m 28

29 Satellitennavigation im Luftverkehr Technische Hilfsmittel Instrumentenlandesystem (ILS) Mikrowellenlandesystem (MLS) Weiterentwicklung des ILS nur sehr wenige Anlagen in Betrieb Nachteile ILS Schutzzonen am Boden erhöhte Sicherheitsabstände Verringerung der nutzbaren Start- und Landebahnkapazität gradliniger Gleitpfad und starrer Gleitwinkel hohe Anschaffungs- und Wartungskosten (pro Landebahn und Richtung) 29

30 Satellitennavigation im Luftverkehr Ground-Based Augmentation System (GBAS) Präzisionsanflüge und -landungen stellen hohe Systemanforderungen an Genauigkeit, Verfügbarkeit, Kontinuität und Integrität. Neben dem bekannten ILS gewinnt GBAS immer mehr an Interesse. Im Rahmen eines Forschungsprojekts HETEREX* wurden neue Präzisionsanflugverfahren mittels GBAS entwickelt, analysiert und erprobt. Neben Kosteneinsparungen insbesondere hinsichtlich Anschaffung, Wartung und Flugvermessung wird auch eine Lärmminderung erwartet. Funktionsprinzip GBAS, Quelle: Eurocontrol * Das Vorhaben HETEREX wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie durch den Projektträger Luftfahrt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) unter dem Förderkennzeichen 20V0901A gefördert. 30

31 Satellitennavigation im Luftverkehr Ground-Based Augmentation System (GBAS) Herausforderung trotz Korrektur kann die Positionsbestimmung fehlerbehaftet sein Integrität kann gefährdet sein Lösungsansätze Atmosphärische Störung Überwachungsalgorithmen sichere Erkennung von Störungen schnelle Reaktion auf Störungen sehr geringe Fehlerrate Unterschiedliche GBAS-Klassen wurden definiert. GBAS Bodenstation Korrekturdaten 31

32 Satellitennavigation im Luftverkehr Lärmmindernde Anflugverfahren mögliche GBAS-Servicegebiete Quelle: DLR Deutsche Verkehrsflugplätze mit möglichen GBAS-Servicegebieten auf Basis einer derzeitigen Cat I- oder Cat II/III-Ausrüstung 32

33 Centrum für Satellitennavigation Hessen cesah ist Kompetenz-, Informations- und Gründerzentrum für Satellitennavigation Gründung beruht auf gemeinsamer Initiative der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und des Landes Hessen Schaffung eines Zentrums für Satellitennavigation in Darmstadt in unmittelbarer Nähe zum Europäischen Satellitenkontrollzentrum ESOC Ansiedelung im Technologie- und Innovationszentrum Darmstadt zur Ausnutzung von Synergieeffekten mit über 100 jungen (IT-)Unternehmen Förderung und Beschleunigung der Marktentwicklung für Anwendungen der Satellitennavigation, Schaffung von Hochtechnologie-Arbeitsplätzen 33

34 Satellitennavigation am ESOC 15 Jahre Erfahrung in der Verarbeitung und Veredelung GPS- und GLONASS-Daten International GNSS Service (IGS): Stationsnetzwerk und Datenzentrum Analysezentrum für hochpräzise Datenprodukte Management Eines der wenigen Zentren in der Welt für die hochpräzise Lokalisierung im Rahmen von Wissenschaftsanwendungen ESOC leistet seit 2000 einen wesentlichen technologischen Beitrag zum Europäischen Satellitennavigationssystem Galileo 34

35 Umfeld der ESA-Gründungsinitiative 35

36 Unsere Leistungen Gründerzentrum: cesah unterstützt technische Entwicklung, Realisierung und Markteinführung neuer Produkte und Dienstleistungen der Satellitennavigation. Kompetenz- und Informationszentrum: cesah ist zentrale Wissensquelle zum Thema Satellitennavigation und deren Anwendungen. cesah betreibt das ESA BIC Darmstadt und ist direkter Ansprechpartner für innovative Gründungsideen im Bereich der Satellitennavigation mittels permanenter Ausschreibung und standardisiertem Auswahlverfahren cesah organisiert sowohl fach- als auch anwendungsspezifische Veranstaltungen zum Thema Satellitennavigation und ist regionale Kontaktstelle für die hessische Teilnahme an der European Satellite Navigation Competition (ESNC). Wesentlicher Erfolgsfaktor ist Einbindung in ein Expertennetzwerk der ESA und der cesah-gesellschafter in enger Zusammenarbeit mit regionalen und internationalen Partnern, z.b. Hessen Agentur, European Space Incubators Network (ESINET) cesah unterstützt Zugang zum Open Sky Technologies Fund der ESA. 36

37 Innovative Gründungen ESA BIC Darmstadt etamax space GmbH ANLU Navigation GmbH Samango GmbH Verimatic GmbH Punchbyte e.k. IPAYMO IP Wetter MAVinci UG LatitudeN GmbH ALL4IP GmbH & Co. KG Mobile Life UG PosiTim UG INTEND Services Flinc AG benjamin systems wer_denkt_was GmbH embia GmbH Solenix Deutschland GmbH EM Electronic Machines woistwer24 Socratec Engineering and Services UG GPASS convinum MapCase GmbH Treevolution.de GmbH L-One Systems GmbH Tales Augmentation Industries GmbH Isofleet GmbH Spotcrackr NavQuest UG SellNews GmbH GeoMon Free-Linked GmbH easyvineyard ebuggy GmbH Potentailspaces AppInvest 37

38 Internationale Gesamtsieger erhält EUR Regionalsieger Hessen erhält EUR (Hessen-IT & ITS Hessen e.v.)

39 Global Navigation meets Geoinformation 2013 jährliche Fachkonferenz am 12. April 2013 am ESOC in Darmstadt hessischer Auftakt zur ESNC 2013 und Preisverleihung Hessen Natur App 9 Gründer stellen aus, insgesamt 213 Teilnehmer hochrangige Vertreter aus Wirtschaft und Politik sehr guter Rückmeldung und Medienecho zur Veranstaltung 39

40 Regionalsieger - ESNC in Hessen Platz Dr. Manfred Baumgärtner, ebuggy a global solution for electric long-distance mobility 2. Platz Adrian Göttfried, Green Parking 3. Platz Dr. Robert Lokaiczyk, Tipster: Smartphone-based hint giving of leads for sales and distribution 40

41 Regionalsieger ESNC 2009 und ESA-Spezialpreis Vielzahl permanenter Empfängernetze zur Unterstützung der Positionsbestimmung (regional & global). Hochentwickelte GNSS-Analysesoftware als Ergebnis einer langjährigen Entwicklung am ESOC Bestimmung hochgenauer Satellitenbahndaten und Uhrenkorrekturen in Echtzeit, Übermittlung an Nutzer für Positionsbestimmung im mm-bereich Erste Kunden aus dem maritimen Bereich Seismische Bewegungen, Frühwarnsysteme für Vulkanismus, Erdbeben &Tsunami, Wettervorhersage Erlaubt Verbesserung des Angebots der Netzbetreiber an ihre Kunden (Genauigkeit und Qualität) Potential für Verkehrsanwendungen 41

42 Beispiele für Gründungen am cesah Autonome Micro Air Vehicles (MAVs) zur Gewinnung von georeferenzierten Daten aus der Luft mit hoher Genauigkeit einfache Missionsplanung autonom und GPS-gesteuert automatische Landung geeignet für diverse Nutzlasten, wie Infrarotkamera und andere Sensorik kostengünstig und effektiv 42

43 MapCase - 2. Regionalsieger Hessen 2011 Mittlerweile registrierte Nutzer 43

44 Beispiele für Gründungen am cesah Mängelmelder Sieger im Wettbewerb Hessen Natur App 44

45 Dynamic Ridesharing Services Regionalsieger Hessen 2010 durch Kombination aus Satellitennavigation Sozialen Netzwerken mobilem Internet 45

46 Dynamic Ridesharing Services Regionalsieger Hessen 2010 Partnernetzwerk: March 2011 March 2012 Ende Mai 2013: > Nutzer 16 Mitarbeiter March

47 Dynamic Ridesharing Services Regionalsieger Hessen 2010 Unternehmen, die flinc einsetzen: flinc als Mobilitätslösung soll den Mitarbeitern unseres Unternehmens dabei helfen, den heutigen und zukünftigen Arbeitsweg mit einem intelligenten System organisieren zu können und damit gleichzeitig Kosten, Zeit und CO2 zu sparen Sabrina Fendrich - Human Resources Procter & Gamble Darmstadt 47

48 Willkommen - wir freuen uns auf Sie! cesah GmbH Centrum für Satellitennavigation Hessen Robert-Bosch-Straße Darmstadt Tel.: +49 (0) 6151 / info@cesah.com incubation@cesah.com