Navigation Die Zeit nach GPS

Entwickelt für militärische Zwecke hat sich das GPS-System in sämtlichen Bereichen als Hilfsmittel der Navigation für jedermann durchgesetzt und Karte und Kompass obsolet gemacht.

Während das zivile Satellitennavigationssystem Galileo nach offiziellen Verlautbarungen im Jahr 2015 die ersten Dienste anbieten soll und 2020 vollständig einsatzfähig sein soll, denken die Experten der Darpa seit einigen Jahren über Alterna­tiven zur satellitengestützten Navigation nach.

Wegen der offensichtlichen Einschränkungen beim GPS, das stets eine freie Sicht auf mindestens drei Satelliten erfordert und daher nicht unter Wasser, unter der Erde und mit Einschränkungen in Gebäuden oder auch Häuserschluchten genutzt werden kann, hat die Darpa (Defense Advanced Research Projects Agency) das PNT-Programm (Postioning, Navigation & Timing) aufgelegt, das fünf Forschungslinien umfasst.

Ziel: autonome ­Navigation

Das Forschungsprogramm Adaptable Navigation Systems (ANS) umfasst die Entwicklung neuer Algorithmen und Architekturen für eine rasche Integra­tion von PNT-Sensoren nach dem Motto „Plug & Play“ in unterschiedliche Plattformen. Damit soll die Zeit bis zur Einsatzbereitschaft erheblich reduziert werden; von Monaten bis hin zu Tagen. Die neuen Sensoren sollen Ergebnisse der Interferometrie mit „kalten Atomen“ nutzen, bei der relative Beschleunigung und Drehbewegungen mit Atomen in einer Ionenfalle bestimmt werden. Das Entwicklungsziel besteht also darin, die quantenphysikalischen Eigenschaften der Atome für die Realisierung ex­trem genauer Inertial-Messsysteme zu nutzen, mit denen sich über lange Zeit­räume hinweg navigieren lässt, ohne dass diese externe Daten zur Bestimmung von Zeit und Position benötigen. Zudem wird in dem Projekt versucht, nicht für die Navigation bestimmte elektromagnetische Signale für eine Verbesserung der Positionsbestimmung zu nutzen: Signale kommerzieller Satelliten, Radio- und Fernsehsignale und sogar Blitzeinschläge.

Beim Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASaR) besteht das Ziel darin, die weltweit genauesten Atomuhren herzustellen. Heute stehen solche Uhren in den Laboratorien; die künftigen Entwicklungen sollen tragbar und robust sein. Bereits heute können die QuASaR-Wissenschaftler Atomuhren bauen, die in 5 Milliarden Jahren um 1 Sekunde falsch gehen. Wenn solche Uhren so weit miniaturisiert werden könnten, dass sie tragbar werden, könnten sie nicht nur die Genauigkeit von GPS verbessern, sondern möglicherweise auch den Bau völlig neuer Radar-Systeme ermöglichen.

 

Das Programm Microtechnology for Positioning, Navigation and Timing (Micro-PNT) nutzt die Technologien für eine extreme Miniaturisierung mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), die im Rahmen von Darpa-Forschungsprogrammen entwickelt wurden. Die Micro-PNT-Aktivitäten umfassen die Entwicklung hochstabiler und präziser MEMS-Gyroskope, Taktgeneratoren und vollständig in­te­grier­ter Inertial-Messsysteme (IMD – Inertial Measurement Devices). Im Rahmen des Projekts wurde der Prototyp eines IMD realisiert, der drei Gyroskope, drei Beschleunigungssensoren und ­einen hochgenauen Taktgeber auf ­einem Chip integriert, der auf einer Cent-Münze Platz hat (Bild). Die von der Darpa entwickelten Sensoren kalibrieren sich zudem selbst und bieten in den Dis­zi­pli­nen Größe, Gewicht und Leistungsbedarf (SWaP – Size, Weight and Power) deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen IMDs.

 

Kleiner und dabei genauer

Das Program in Ultrafast Laser Science and Engineering (PULSE) nutzt die neuesten Entwicklungen in der Laser-Technik, um die Genauigkeit der Atomuhren und Mikrowellengeneratoren zu verbessern und deren Abmessungen deutlich zu verkleinern. Damit soll die Synchronisation von Zeit und Frequenz über große Distanzen hinweg verbessert werden. Dies wiederum ist eine Voraussetzung dafür, die Eigenschaften der supergenauen Atomuhren, die im QuASaR-Programm entwickelt werden, überhaupt nutzen zu können. Mit den unter PULSE entwickelten Bausteinen, und Verfahren ließen sich die Signale dieser Atomuhren weltweit mit der erforderlichen Genauigkeit verteilen.

Schließlich sollen in dem Programm Spatial, Temporal and Orientation Information in Contested Environments (STOIC) PNT-Systeme entwickelt werden, die eine unabhängige Positionsbestimmung und Navigation in Kampfgebieten mit einer den GPS-Signalen vergleichbaren Genauigkeit ermöglicht. Dafür greift STOIC auf die Entwicklungen der anderen Darpa-Projekte zurück und integriert diese in ein System, das auf lange Sicht das GPS-System einmal entbehrlich machen könnte.