Warum bleibt GPS in Städten hängen? Lösung gefunden

Forscher der Technisch- Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens (NTNU) haben ein neues Navigationssystem entwickelt, das durch die Korrektur von GPS-Fehlern in Städten eine zentimetergenaue Genauigkeit bietet. Laut ScienceDaily gilt das SmartNav genannte System als bedeutender Fortschritt, insbesondere für die Technologie für selbstfahrende Fahrzeuge. SmartNav kombiniert Satellitenkorrekturdaten, Radiowellenanalyse und Googles 3D-Gebäudemodelle. Auf diese Weise überwindet es Probleme bei der Standortbestimmung in sogenannten „Straßenschluchten“, in denen hohe Gebäude die Satellitensignale stören. „Städte sind für die Satellitennavigation eine Herausforderung“, erklärt Ardeshir Mohamadi, Doktorand an der NTNU. Mohamadi weist darauf hin, dass Glas- und Betonoberflächen GPS-Signale reflektieren und so Verzögerungen und Standortfehler verursachen. „Ein System, das auf einer Autobahn einwandfrei funktioniert, funktioniert nicht in der Innenstadt“, so Mohamadi. In städtischen Umgebungen können GPS-Signale mehrmals von Gebäuden reflektiert werden, bevor sie den Empfänger erreichen. Dies erschwert die genaue Berechnung des tatsächlichen Standorts und kann den virtuellen Standort des Benutzers um mehrere Meter verschieben. Mohamadi betonte, dass diese Fehlertoleranz für autonome Fahrzeuge nicht akzeptabel sei: „Bei fahrerlosen Fahrzeugen definiert dieser Unterschied die Grenze zwischen sicherem und stabilem Fahren und zögerlichem und unsicherem Verhalten. Aus diesem Grund haben wir SmartNav als Positionierungstechnologie entwickelt, die speziell für ‚Straßenschluchten‘ konzipiert ist.“

Das Team entwickelte eine Software, die Satellitenkorrekturdienste und neue Rechenalgorithmen kombiniert und so selbst in dicht besiedelten städtischen Umgebungen eine präzise Positionsbestimmung ermöglicht. MEHRSCHICHTIGE TECHNOLOGIE Die hohe Genauigkeit von SmartNav beruht auf der Integration mehrerer Technologien. Herkömmliche GPS-Systeme verwenden codierte Signale von Satelliten, doch diese Codes können in Städten leicht verfälscht werden. Stattdessen verwendeten die Forscher eine „Trägerphasenmethode“, die die Bewegung des Signals auf seinem Weg zum Empfänger analysiert. Während die Trägerphasenanalyse eine hohe Genauigkeit bietet, erfordert sie normalerweise, dass der Empfänger mehrere Minuten lang stationär bleibt. SmartNav überwindet dieses Problem durch die Kombination von Daten aus verschiedenen Korrektursystemen. Zu diesen Systemen gehört Real-Time Kinematics (RTK), das lokale Basisstationen zur Korrektur von Satellitensignalen verwendet. Anstelle dieser Netzwerke, deren Installation teuer ist und deren Abdeckung begrenzt ist, nutzte das NTNU-Team jedoch den europäischen PPP-RTK-Dienst (Precise Point Positioning-Real-Time Kinematics), der von Galileo-Satelliten betrieben wird. Dieser Dienst veröffentlicht Korrekturdaten kostenlos und senkt so die Benutzerkosten erheblich. GOOGLE 3D-DATEN ERHÖHEN DIE GENAUIGKEIT Die Arbeit des NTNU-Teams wird durch Googles 3D-Stadtmodelldienst unterstützt, der rund 4.000 Städte weltweit abdeckt. Diese Modelle verbessern die Genauigkeit des Systems, indem sie vorhersagen, wie Satellitensignale zwischen Gebäuden hin- und herspringen. Mithilfe dieser Daten kann SmartNav Signalverzerrungen korrigieren, die oft dazu führen, dass GPS-Apps Nutzern die falsche Straßenseite anzeigen.

Mohamadi teilte die Informationen mit: „Google kombiniert Daten von Sensoren, WLAN-Netzwerken, Mobilfunknetzen und 3D-Gebäudemodellen, um flüssige Standortschätzungen zu erstellen, die robust gegenüber Reflexionsfehlern sind.“ 10-ZENTIMETER-PRÄZISION IN TESTS In Feldtests im norwegischen Trondheim erreichte SmartNav in 90 Prozent der Fälle eine Standortgenauigkeit von innerhalb von 10 Zentimetern. Laut den Forschern macht diese Präzision die städtische GPS-Navigation sowohl zuverlässig als auch wirtschaftlich. „Durch die Verwendung von PPP-RTK werden dichte Basisstationsnetze und teure Abonnements weniger benötigt. Dadurch wird die Technologie mit günstigen und weit verbreiteten Empfängern verfügbar“, fügte Mohamadi hinzu. Das Forschungsteam ist überzeugt, dass der Ansatz von SmartNav, der öffentlich verfügbare Satellitenkorrekturen, Wellenanalysen und kommerzielle Kartendaten kombiniert, die Stadtnavigation sowohl für autonome Fahrzeuge als auch für alltägliche Smartphone-Benutzer revolutionieren könnte.