Damit rückt eine Technologie wieder stärker in den Fokus, die seit Jahrzehnten das Rückgrat hochpräziser Navigation bildet: die Inertialnavigation.

Navigation unabhängig von externen Signalen

Im Gegensatz zu satellitengestützten Verfahren benötigen inertiale Navigationssysteme keine externen Signale. Sie bestimmen Position, Geschwindigkeit und Orientierung allein auf Basis von Drehraten- und Beschleunigungsmessungen.

Die dafür eingesetzten Sensoren bilden das Herzstück moderner Inertialsysteme. Ihre Leistungsfähigkeit entscheidet maßgeblich darüber, wie lange ein System auch ohne GNSS-Unterstützung präzise navigieren kann.

Bei LITEF entstehen diese Schlüsseltechnologien vollständig am Standort Freiburg. Rund 140 Spezialistinnen und Spezialisten aus Physik, Ingenieurwissenschaften, Informatik und weiteren naturwissenschaftlichen Disziplinen entwickeln dort inertiale Sensoren und Navigationsalgorithmen für zivile und militärische Anwendungen. Die Produkte werden vollständig ITAR-frei und auf Basis einer europäischen Supply Chain gefertigt und weltweit eingesetzt.

Faseroptische Kreisel: Wenn Präzision und Bandbreite oberste Priorität hat

Eine der wichtigsten Technologien für hochgenaue Inertialsysteme sind faseroptische Kreisel (Fiber Optic Gyroscopes, FOG). Sie basieren auf dem Sagnac-Effekt, bei dem gegenläufig durch eine Faserspule geführte Lichtstrahlen auf Drehbewegungen reagieren.

Der besondere Vorteil dieses Messprinzips liegt in seiner physikalischen Stabilität. Da keine beweglichen Teile vorhanden sind, reagieren FOG-Sensoren äußerst unempfindlich auf Vibrationen und mechanische Belastungen. Gleichzeitig erreichen sie Bandbreiten von mehreren zehn Kilohertz und eignen sich damit für hochdynamische Anwendungen.

Die Leistungsfähigkeit eines FOG-Sensors hängt dabei entscheidend von der Qualität seiner optischen Komponenten und Fertigungsprozesse ab. Bereits minimale Verluste beim Ein- oder Auskoppeln des Lichts beeinflussen die Messgenauigkeit. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Automatisierung und Präzision der Produktion.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Skalierbarkeit des Konzepts. Durch die Anpassung der Faserspule lassen sich unterschiedliche Genauigkeitsklassen realisieren – von kompakten Navigationssensoren bis hin zu Systemen für höchste Präzisionsanforderungen.

MEMS: Vom Kostenvorteil zur Hochleistungssensorik

Parallel dazu hat sich die MEMS-Technologie in den vergangenen Jahren rasant weiterentwickelt. MEMS-Kreisel nutzen die Corioliskraft, um Drehbewegungen über mikromechanische Strukturen zu erfassen.

Lange Zeit wurden MEMS-Sensoren vor allem dort eingesetzt, wo geringe Größe, niedriges Gewicht und niedrige Kosten im Vordergrund standen. Dank erheblicher Fortschritte in Sensorarchitektur, Auswerteelektronik und Signalverarbeitung verschieben sich diese Grenzen jedoch zunehmend.

Heute erreichen moderne MEMS-Systeme Genauigkeiten, die neue Anwendungsfelder erschließen. So ermöglichen aktuelle Entwicklungen die Bestimmung der Nordrichtung allein durch die Messung der Erdrotation mit einer Genauigkeit von weniger als einem Grad.

Für diese Leistung müssen Bewegungen innerhalb des MEMS-Sensor im Pikometerbereich detektiert werden. Die Anforderungen an die Auswerteelektronik bewegen sich damit nahe an fundamentalen physikalischen Grenzen.

Gleichzeitig bleiben die klassischen Vorteile erhalten: MEMS-Sensoren sind kompakt, energieeffizient und können in Halbleiterprozessen wirtschaftlich in hohen Stückzahlen gefertigt werden.

Die eigentliche Herausforderung liegt in der Sensorfusion

So leistungsfähig einzelne Sensoren auch sein mögen – moderne Navigation entsteht erst durch die intelligente Verknüpfung unterschiedlicher Informationsquellen.

Alle inertialen Sensoren unterliegen einer Drift. Ohne externe Referenzen wächst der Positionsfehler mit der Zeit kontinuierlich an. Deshalb werden inertiale Systeme traditionell mit GNSS-Daten kombiniert.

Unter den heutigen Einsatzbedingungen reicht dieser Ansatz jedoch nicht mehr aus. Navigationssysteme müssen erkennen können, ob GNSS-Daten tatsächlich vertrauenswürdig sind. Sie müssen Störungen identifizieren, manipulierte Signale ausschließen und Ausfälle überbrücken können.

Genau an dieser Stelle werden Navigationsalgorithmen zum entscheidenden Leistungsfaktor.

Moderne Sensorfusionsverfahren bewerten kontinuierlich die Qualität aller verfügbaren Datenquellen und erzeugen daraus eine konsistente Navigationslösung. Ziel ist nicht nur maximale Genauigkeit, sondern vor allem Integrität – also die Fähigkeit, dem Nutzer jederzeit belastbare Informationen über die Vertrauenswürdigkeit der bereitgestellten Daten zu liefern.

Resilienz wird zum neuen Leistungsmaßstab

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit alternativer Sensoren und Datenquellen erweitert sich auch das Spektrum möglicher Navigationslösungen. Neben klassischen GNSS-Empfängern können beispielsweise weitere Lage-, Bewegungs- oder Umweltsensoren zur Stabilisierung der Navigation beitragen.

Die Herausforderung besteht darin, neue Sensorkonzepte effizient zu bewerten und in bestehende Systeme zu integrieren. Hierfür setzt LITEF auf die eigens entwickelte Simulationsumgebung LIONESS, mit der sich neue Sensoren und Algorithmen unter realitätsnahen Bedingungen testen lassen, bevor sie in Produkte übernommen werden.

Fazit

Die Zukunft der Navigation wird nicht durch eine einzelne Technologie bestimmt. Entscheidend ist vielmehr das Zusammenspiel unterschiedlicher Sensorprinzipien und intelligenter Algorithmen.

Während faseroptische Kreisel höchste Präzision und Dynamik ermöglichen, bieten moderne MEMS-Sensoren neue Freiheitsgrade bei Größe, Gewicht und Energiebedarf. Erst die intelligente Fusion dieser Daten schafft die Grundlage für resiliente Navigationssysteme, die auch unter schwierigen Einsatzbedingungen verlässliche Informationen liefern.

In einer Welt, in der die Verfügbarkeit von GNSS-Signalen nicht mehr selbstverständlich ist, wird genau diese Resilienz zum entscheidenden Maßstab moderner Navigationstechnologie.