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Laurent Lestarquit, José Ángel Ávila Rodríguez and team (Frankreich, Spanien)

Gewinner des European Inventor Award 2017

Gewinner Laurent Lestarquit, José Ángel Ávila Rodríguez and team

Kategorie: Forschung

Sektor: Satellitennavigation

Organisation: Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) (Frankreich)

Patentnummern: EP1570287, EP1836778

Erfindung: Funksignale zur Verbesserung der Satellitennavigation

Satellitengestützte Funknavigations- und Ortungssysteme haben in den letzten Jahrzehnten rasante Fortschritte gemacht. Mit Galileo, dem europäischen globalen Satellitennavigationssystem (GNSS) wird jetzt ein weiterer Quantensprung eingeleitet. Dank der von einem Team europäischer Ingenieure entwickelten Signalübertragungstechnik erzielt Galileo nicht nur eine höhere Genauigkeit und bessere Unterdrückung unerwünschter Störsignale, sondern hebt darüber hinaus die Satellitennavigation und deren Merkmale auf eine neue Ebene.

lestarquit-side-visualEin europäisches Team unter Leitung des französischen Ingenieurs Laurent Lestarquit und seines spanischen Kollegen José Ángel Ávila Rodríguez, dem außerdem der Deutsche Günter Hein und der Belgier Lionel Ries angehören, hat sich auf etwas ganz Besonderes spezialisiert: die Übertragung störungsfreier Signale aus dem All. Die derzeit mehr als 50 im Umlauf befindlichen Navigations- und Ortungssatelliten - dazu gehören diejenigen des US-geführten Global Positioning Systems (GPS), des russischen GLObal NAvigation Satellite Systems (GLONASS) und des neueren europäischen Galileo-Systems - senden eine wahre Kakophonie von Funksignalen aus. Die Arbeit dieses Teams trägt dazu bei, dass diese Signale sich nicht gegenseitig stören und dass Nutzer und Entwickler gleichermaßen von der nächsten Generation der Ortungstechnologie profitieren können, die ihnen mit Galileo zur Verfügung steht.

Die vom Team entwickelten Modulations- und Frequenzspreizungstechnologien für die Signalübertragung sind ein Kernbestandteil des gemeinsamen europäischen Satellitennavigationssystems. Sie verbessern die Genauigkeit der Signale, senken den Energieverbrauch der Satelliten und gewährleisten die Kompatibilität mit GLONASS und dem aktuellen GPS-System und dessen eventuellen Upgrades.

Wenn das System 2020 voll in Betrieb ist, wird Galileo mit einer horizontalen und vertikalen Positionsgenauigkeit von einem Meter bei Standardsignalen - und bei Verwendung von High-End-Signalen und Präzisionsortungstechnologien sogar bis zu wenigen Zentimetern - das modernste und präziseste Satellitensysteme weltweit sein. Außerdem bietet das System bessere Ortungsdienste in hohen geographischen Breiten, leistungsstarke Funktionen für globale Such- und Rettungsdienste (SAR) und eine Vielzahl weiterer Merkmale.

Gesellschaftlicher Nutzen

Abgesehen von der bereits von Anfang an erzielten besseren Navigations- und Ortungsgenauigkeit bietet Galileo seinen Nutzern weitere Vorteile: Sein zukunftsorientiertes Konzept ist auf eine Zusammenarbeit mit kommenden Technologien ausgelegt, angefangen vom autonomen Fahren und der Fahrtoptimierung bis hin zur Kommunikation zwischen Maschinen und dem Internet der Dinge.

In der nicht allzu fernen Zukunft wird GNSS mit hoher Wahrscheinlichkeit einen unmittelbaren Einfluss auf das Transportwesen haben, zu einer Senkung von Zeitaufwand und Kraftstoffverbrauch sowie zur Verbesserung der Verkehrssicherheit beitragen. Galileo kann zum Beispiel in nationale Mautsysteme integriert werden, oder die Landwirtschaft auf intelligente Weise bei einer besseren Bodennutzung unterstützen und eine genauere Landvermessung ermöglichen.

Längerfristig ist zu erwarten, dass moderne "Smart Cities" in Europa die von Galileo gelieferten Daten für ein besseres Stadtmanagement und eine effizientere Stadtplanung nutzen werden. Bereits heute verwenden Transportunternehmen GNSS-basierte Lösungen im Rahmen einer multimodalen Logistik zur besseren Verfolgung und zeitlichen Planung von Sendungen. Auch für drängende internationale Fragen wie Klimawandel, Umweltschutz oder Naturkatastrophen könnten Satellitenortungssysteme künftig innovative Lösungen anbieten.

Galileo bereichert eine breite Palette von Anwendungen im öffentlichen und privaten Sektor und in der Forschung, weil dieses System - anders als GLONASS und GPS, deren Wurzeln im militärischen Bereich liegen - speziell für die zivile Nutzung konzipiert wurde. Das System hält ein gesichertes Signal für strategische und Sicherheitsanwendungen bereit, alle anderen stehen der Öffentlichkeit zur Verfügung und gewährleisten damit Nutzern in Europa und anderswo den Zugriff auf ein unabhängiges Satellitennavigationssystem.

Wirtschaftlicher Nutzen

Galileo soll den Anteil Europas am internationalen Markt für GNSS-Systeme erhöhen, der bis zum Jahre 2020 geschätzte Umsätze von 350 Mrd. EUR pro Jahr generieren soll. Ein Bericht der Agentur für das Europäische GNSS aus dem Jahre 2015 sagt voraus, dass der globale nachgelagerte GNSS-Markt (d. h. der volle Einzelhandelspreis von Geräten mit GNSS-Chipsets) innerhalb dieses Zeitraums insgesamt um jährlich 7 Prozent und damit schneller wachsen wird als das BIP.

GNSS-Technologien beflügeln die Entwicklung in vielen Unternehmen - angefangen von den großen Herstellern von Mobiltelefonen und mobilen Endgeräten bis hin zu den kleinen Spezialisten im Bereich der Satellitennavigation. Laut AZO, einem Beratungsunternehmen für Start-ups, werden Galileo-Signale allein im Bundesland Bayern von 119 Start-up-Unternehmen, implementiert oder genutzt. Diese beschäftigen 1600 Mitarbeiter an hoch qualifizierten Arbeitsplätzen und generieren einen Gesamtumsatz von schätzungsweise 130 Mio. EUR.

Wenn Galileo 2020 mit insgesamt 30 geplanten Satelliten - einschließlich der 6 Reservesatelliten - seine volle Einsatzfähigkeit erreicht hat, ist ein erheblicher wirtschaftlicher Nutzen zu erwarten. Dazu gehören z. B. auch Investitionen in die Forschung und Entwicklung aufseiten des Luftfahrtsektors, die eine soziale Rendite von ca. 70 Prozent generieren werden. Mit anderen Worten: Pro 100 Mio. EUR, die in die Forschung und Entwicklung investiert werden, ist zu erwarten, dass das BIP in anderen Bereichen langfristig um 70 Mio. EUR wächst.

Es wird damit gerechnet, dass Galileo nach Erreichen der vollen Einsatzfähigkeit innerhalb der kommenden 20 Jahre wirtschaftliche Auswirkungen in Höhe von 90 Mrd. EUR haben wird.

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    Lionel Ries, Günter Hein und Jean-Luc Issler (von links nach rechts)

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    José Ángel Ávila Rodríguez (links) und Laurent Lestarquit mit Satellitenmodell

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    Günter Hein (links) und Lionel Ries

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    Laurent Lestarquit, Lionel Ries, José Ángel Ávila Rodríguez, Jean-Luc Issler und Günter Hein (von links nach rechts)

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    Jean-Luc Issler, Lionel Ries und José Ángel Ávila Rodríguez (von links nach rechts)


Funktionsweise

Laurent Lestarquit hat eine patentgeschützte Modulationstechnik mit der Bezeichnung "Alternative Binary Offset Carrier Modulation" (Alt-BOC) entwickelt, bei der effektiv vier Signale zu einem großen Signal zusammengefasst werden: zwei hochgenaue Signale für den offenen Dienst (Open Service, OS) des Galileo-Systems - den kostenlosen Kanal für Verbraucheranwendungen - und zwei Signale seines sicherheitskritischen Dienstes (Safety-of-Life Service, SOL) - des kostenpflichtigen Diensts für Anwendungen wie z. B. den Luftverkehr, bei denen Menschenleben von der Signalintegrität abhängen. Die Alt-BOC-Technologie bietet nicht nur eine extrem hohe Genauigkeit für spezielle Empfänger, sondern trägt auch zu einer Senkung des Energiebedarfs des Satelliten bei.

Außerdem entwickelte das Team eine innovative Frequenzspreizungstechnik, bei der eine einzelne neue Wellenform mit der Bezeichnung "Composite Binary Offset Carrier" (CBOC) erzeugt wird. Dieses Signal ermöglicht High-End-Empfängern eine präzise Berechnung von Positionen, ist aber gleichzeitig auch mit älteren, weniger komplexen Geräten und anderen GNSS-Signalen kompatibel. Das CBOC-Patent umfasst ein neuartiges Konzept, das eine Kombination von offenen CBOS-Signalen und gesicherten Signalen für den "Public Regulated Service" (PRS) in einer einzigen Frequenz ermöglicht. PRS-Signale werden von Zivilbehörden verwendet, z. B. von Polizei, Küstenwache oder Zollbehörden. PRS ist verschlüsselt und beinhaltet auch Anti-jamming-Funktionen.

Die Erfinder

Laurent Lestarquit, der Erfinder der Alt-BOC-Modulation und Miterfinder der CBOC-Wellenform, interessierte sich bereits zu einem Zeitpunkt für die GNSS-Technologie, als diese noch ein neu entstehendes Forschungsgebiet war, das an den Universitäten noch gar nicht gelehrt wurde. Er schloss sein Studium am französischen Institut für Luft- und Raumfahrt (ISAE-SUPAERO) 1996 ab, ein Jahr nachdem das unter amerikanischer Führung entwickelte Satellitennavigationssystem GPS in Betrieb ging. Neben seiner Arbeit an Alt-BOC und CBOC arbeitete er auch an der Entwicklung des PRS-Signals mit und war Mitglied der französischen Delegation bei den GPS- und Galileo-Verhandlungen, bei denen die Parameter für die Kompatibilität der beiden Systeme festgelegt wurden. Die Aktivitäten von Laurent Lestarquit im Bereich der Navigation reichen jedoch über seine berufliche Tätigkeit hinaus: Er nahm auch an hochkarätig besetzten Orientierungsläufen mit konventionellen Mitteln ohne Unterstützung durch Satellitennavigation teil. Außerdem war er als Copilot Teilnehmer der internationalen Off-Road-Rallye "Camel Trophy".

José Angel Ávila Rodríguez promovierte an der Universität der Bundeswehr in München in Luft- und Raumfahrttechnik und war in den letzten 15 Jahren in verschiedenen Funktionen auf dem Gebiet der GNSS tätig. Er arbeitete außerdem als leitender Consultant und als Leiter oder Teammitglied zahlreicher GNSS-bezogener Programme. Ávila Rodríguez ist Verfasser oder Mitverfasser von mehr als 60 wissenschaftlichen Veröffentlichungen im Bereich der Satellitennavigation und hat seit 2015 auch die Position eines Leitenden Ingenieurs für GNSS-Entwicklungen für Signale und Sicherheit bei der Europäischen Weltraumagentur (ESA) inne. Für seine Arbeit im Bereich der globalen Satellitennavigation hat er bereits zahlreiche Auszeichnungen erhalten.

Unterstützt wurden Ávila Rodríguez und Lestarquit durch Jean-Luc Issler (FR), Mitglied der Galileo Signal Task Force und Miterfinder des CBOC-Patents, der nicht nur bei der Zusammenstellung des Teams mithalf, sondern auch eines der anderen von Galileo verwendeten Frequenzbänder entwickelte; durch den deutschen Wissenschaftler Günter Hein, der über sein 40-jähriges Arbeitsleben hinweg Navigationstechnologie entwickelte und konstruierte und auf diesem Gebiet lehrte; sowie den Franco-Belgier Lionel Ries, der Autor oder Mitautor von mehr als 25 Patenten und ca. 100 wissenschaftlichen Veröffentlichungen überwiegend auf dem Gebiet der Satellitennavigation ist.

Wussten Sie das?

Die globale Ortung mithilfe von Satelliten hat unzählige Anwendungen, und eine ganz spezielle besteht darin, dass man mit dieser Technik einen zusätzlichen Nachweis der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein führen kann. Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass die Zeit auf einem Objekt relativ zu einem sich langsamer bewegenden Objekt umso langsamer vergeht, je schneller sich das Objekt bewegt. Die allgemeine Relativitätstheorie sieht die Gravitation als Krümmung der "Raumzeit": Objekte mit einer höheren Masse krümmen Zeit und Raum um sich herum.

Beides lässt sich mit Hilfe der GNSS-Technologie messen. Sich schnell bewegende Navigationssatelliten mit einer Atomuhr weisen aufgrund ihrer Bahngeschwindigkeiten von ungefähr 14.000 km/Std. eine relative Zeitverschiebung von ca. 7 zusätzlichen Mikrosekunden (Millionstel Sekunden) pro Tag auf. Umgekehrt jedoch sorgen die Auswirkungen einer geringeren Gravitationskraft (geringere Krümmung der Raumzeit) tatsächlich dafür, dass die Uhren der Satelliten ca. 40 Mikrosekunden schneller laufen als sie es auf der Erde tun würden.

Die Atomuhren des Galileo-Systems berücksichtigen diese Effekte und darüber hinaus weitere Phänomene, die die Zeit beeinflussen, wie z. B. den Sagnac-Effekt, der von der Erdrotation verursacht wird. Dazu wird die Geschwindigkeit der Uhren geringfügig verlangsamt und die Uhren werden ungefähr alle 100 Minuten synchronisiert. Es ist aber sicher interessant zu wissen, dass man mit der Technologie in unseren GNSS-Geräten nachweisen kann, dass Einstein recht hatte. Lesen Sie nach, wie Raumfahrt- und Satellitentechnologien auf vielfältige Weise Wissenschaft und Industrie unterstützen.

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