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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.

Gut zu wissen:
Decca operierte mit einer Genauigkeit von rund 200 Metern, was für die Schifffahrt ausreichend war und deswegen noch (obwohl seit dem zweiten Weltkrieg im Einsatz) bis zum Jahr 2000 genutzt wurde. Über das erste GNSS Transit I, das noch recht ungenau, aber dafür eben satellitengestützt arbeitete, führte der Weg zu modernen GNSS wie dem amerikanischen GPS oder dem europäischen Galileo, die Genauigkeiten von wenigen Zentimeter bei statischer Anwendung und bis zu 10 Metern in Bewegung und Echtzeit ermöglichen.

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

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 EGNOS das Korea Augmentation Satellite System (KASS) zu erstellen. Im Juni 2022 hat Südkorea erfolgreich einen Präzisionssatelliten für die Luftfahrt gestartet. Als erster Satellit für KASS wird er die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von GPS-Signalen für Piloten verbessern und damit die Flugsicherheit der Fluggesellschaften insgesamt erhöhen. Weitere Satelliten sind in Planung.

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.

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.

Abbildung 2: Architektur Rechenzentrum

Fazit

Erweiterungssysteme wie KASS verbessern die Ortung erheblich und machen damit das Fliegen besonders sicher. KASS wird auch über einen so genannten Safety-of-Life (SoL)-Dienst verfügen, der unter anderem Landeverfahren sicherer macht und eventuell vorhandene Instrumentenlandesysteme (ILS) ergänzt. SoL meldet innerhalb weniger Sekunden, wenn Positionsdaten fehlerhaft sind und gibt damit entscheidende Handlungsanweisungen. Eine zentimetergenaue Ortung ist zwar prinzipiell auch ohne SBAS möglich, aber weder in Echtzeit noch während der Bewegung des Flugzeugs. Mit Hilfe von Systemen wie KASS werden Satellitendaten für bewegte Objekte in Echtzeit korrigiert und weitestgehend von Störeinflüssen befreit. Die Verbesserung der Genauigkeit von 10 Metern auf bis zu 1 Meter eröffnet Anwendungsbereiche, 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 mit einer Genauigkeit von weniger als einem Meter für die Echtzeit zu ermöglichen.