Erfolgsgeschichte im DLR: 50 Jahre Kommunikations- und Navigations-Forschung
Das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) feiert in diesem Jahr sein 50-jähriges Bestehen. Fünf Jahrzehnte in denen für die Mitarbeiter des Instituts das Credo galt: gemeinsam loten wir Neues aus, verschieben Grenzen und sind Vorreiter für neue Technologien. Wie erfolgreich dies dem Institut seit seiner Gründung gelang, zeigt die Beteiligung an zahlreichen bahnbrechenden Entwicklungen und Projekten der Luft- und Raumfahrt. Am 09. Juni 2016 feierten die Mitarbeiter zusammen mit zahlreichen Gästen den goldenen Geburtstag des Instituts, das in Oberpfaffenhofen und in Neustrelitz beheimatet ist. Neben einem Kolloquium zu Ehren des Institutsgründers Philipp Hartl und der Möglichkeit sich bei einem Laborrundgang von den aktuellen Projekten des Instituts zu überzeugen, rundete ein offizieller Festakt mit einem Grußwort aus dem Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie die Feierlichkeiten ab. Im Rahmen des Festaktes unterzeichneten die Vorstandsvorsitzende des DLR Prof. Pascale Ehrenfreund und der Vorsitzende der Geschäftsführung der Firma Tesat Spacecom einen Kooperationsvertrag. Gegenstand der Kooperation ist die Zusammenarbeit bei der Weiterentwicklung optischer Freiraumkommunikationstechnologien für Weltraumanwendungen.
Von Beginn an richtungsweisend
Im Rahmen des Raumfahrtprojektes AZUR wurde bereits 1964 die Arbeitsgruppe Raumfahrtsysteme unter Leitung von Dr. Philipp Hartl ins Leben gerufen. Nur zwei Jahre später, 1966, wurde die Arbeitsgruppe in das Institut für Satellitenelektronik umgewandelt. Mit einer Schiffskampagne 1968 kam erstmals das Gebiet der satellitengestützten Kommunikation zum Forschungsfeld der Wissenschaftler um Hartl dazu. Bereits damals bewies das Institut, dass es zu zukunftsweisenden Technologien beitragen kann. Aus den Ansätzen dieser ersten Kommunikationsmission ging ein satellitengestütztes Seenotrufsystem hervor, das später als INMARSAT-Standart-E weltweit in Betrieb ging.
In den 50 Jahren seines Bestehens konnte das Institut noch zahlreiche weitere erfolgreiche Entwicklungen vorweisen. In den 70ern war das Institut maßgeblich an der HELIOS-Mission zur Sonne und dem Bau des ersten Europäischen Fernmeldesatelliten Symphonie beteiligt. Der Soft-Output-Viterbi-Algorithmus war 1989 im Gebiet der Codierungsverfahren eine Innovation und hat die Kodierungstheorie nachhaltig verändert. Grundlegende Bedeutung für den Mobilfunk der 4. Generation (4G) hat das 1996 patentierte Mehrträger-Spread-Spektrum-Verfahren. Anfang der 80er Jahre wurde am Institut der erste europäische GPS-Empfänger entwickelt. Mit der optischen Freiraumkommunikation griff das Institut bereits in den 90er Jahren ein weiteres Zukunftsthema auf und zählt heute zu den führenden Forschungseinrichtungen in diesem Bereich. Die Liste ließe sich noch beliebig lange fortsetzen, zeigt aber schon jetzt den Anspruch des Instituts: die Grenzen des Möglichen ausloten und neue Ansätze erstmalig demonstrieren.
Kommunikation und Navigation als Erfolgsthema
Das Millenniumsjahr brachte viele Neuerungen. Das Themenfeld Navigation wurde dem Institut neu zugeordnet. Durch Umgliederungen an den DLR-Standorten Oberpfaffenhofen und Neustrelitz vergrößerte sich die Mitarbeiterzahl signifikant. Mit der Umgestaltung an den Standorten kam auch ein neuer Name und die Einrichtung hieß von nun an Institut für Kommunikation und Navigation.
Seit 2003 leitet Prof. Dr. Christoph Günther das Institut. Rund 160 Mitarbeiter arbeiten heute an den fünf, in Missionen unterteilten Forschungsbereichen der Einrichtung. Dies sind die flächendeckende und verlässliche Vernetzung von Menschen und Maschinen, neue Kommunikationslösungen für Wissenschafts-, Erdbeobachtungs- und Aufklärungsmissionen, zuverlässige Kommunikations- und Navigationsverfahren für Flugzeuge, Schiffe und Landfahrzeuge, die Weiterentwicklung von globalen Navigationssystemen sowie die autonome Navigation ohne Satelliten und die Schwarmexploration.
Globale Vernetzung
Die flächendeckende Anbindung an das Internet ist nicht nur für viele Bürger unverzichtbar. Ein verlässlicher und breitbandiger Internetzugang ist auch Voraussetzung für eine Vielzahl wirtschaftlicher Tätigkeiten. Was in Ballungszentren selbstverständlich ist, ist im ländlichen Gebieten oft noch Zukunftsmusik. Um eine flächendeckende Vernetzung gewährleisten zu können, forscht das Institut für Kommunikation und Navigation an verschiedenen Lösungsansätzen. Dabei steht die Kommunikation mit Satelliten im Fokus. Um auch mit Datenmengen im Terabit-Bereich arbeiten zu können, forschen die Wissenschaftlicher intensiv an optischen Übertragungsverfahren. Um mögliche Datenverluste bei der Übertragung wieder zu rekonstruieren, wurden beispielsweise besonders schnell decodierbare "packet-level codes" entwickelt.
Neue Kommunikationslösungen
Nicht nur für den Internetzugang sind optische Verfahren zur Datenübertragung interessant. Bei wissenschaftlichen Missionen auf Flugzeugen, Raumsonden oder Satelliten fallen, dank immer besserer Technik, oft riesige Datenmengen an. Die optische Freiraumkommunikation ermöglicht eine sichere und schnelle Übertragung großer Datenvolumen. Das Institut hat dafür eine fest auf dem Dach des Institutsgebäudes installierte und eine transportable optische BodenstationTransportable Optische Bodenstation (TOGS) entwickelt. Bei Versuchen in den letzten Jahren wurden erste Maßstäbe gesetzt. Eine Übertragung von bis zu 1,25 Gigabit pro Sekunde von einem Flugzeug zum Boden über eine Distanz von 120 Kilometer ist für das Team inzwischen kein Problem mehr. Selbst wenn die Informationen bei Mach 0,7 von einem Kampflugzeug versendet werden.
Im Rahmen des Instituts-Geburtstages wurde ein Kooperationsvertrag mit dem Unternehmen Tesat-Spacecom geschlossen, der die Zukunftstechnologie im Fokus hat. Im Auftrag des DLR Raumfahrtmanagements hat die Firma Tesat-Spacecom bereits die sogenannte Laser Communication Terminals (LCT) entwickelt, die heute als kommerzielle Produkte angeboten werden und auf Arbeiten des DLRs in diesem Bereich basieren. Unter anderem kommen die LCTs im European Data Relais System (EDRS) zum Einsatz. Die zukünftige Zusammenarbeit mit dem DLR umfasst unter anderem einen stetigen Wissensaustausch und gemeinsame Forschungsprojekte in der Freiraumkommunikation für Weltraumanwendungen. "Die Technologie der optischen Freiraumkommunikation eröffnet eine neue Dimension bei den verfügbaren Übertragungskapazität in der Satellitenkommunikation." so Institutsdirektor Professor Günther, "Tesat-Spacecom ist dabei der ideale Partner, um unseren eigenen Anspruch, wegweisende Technologien zu entwickeln, gerecht zu werden."
Sicherer Verkehr zu Land, Luft und Wasser
Mit der steigenden Zahl von Verkehrsteilnehmern – egal ob dies in der Luft, an Land oder auf dem Wasser ist – steigt der Bedarf nach verlässlichen Navigationshilfen und Kommunikationsverbindungen für die einzelnen Akteure. Im Luftfahrtbereich liegen die Schwerpunkte der Arbeiten des Instituts auf dem zukünftigen digitalen Flugfunkstandard LDACS sowie auf Systemen für die Landung bei schlechter Sicht. Sie basieren auf GPS und Galileo. Im maritimen Bereich ist Allwettertauglichkeit ebenso wichtig. Sowohl die eigene Position als auch die der anderen Schiffe ist nicht immer verlässlich und auch nicht immer verfügbar. Durch neue Auswerteverfahren von GPS-Signalen und einer Reihe weiterer Sensoren wird die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der eigenen Position gesteigert. Ein Abgleich mit Radarmessungen bringt weitere Sicherheit. Darüber hinaus ist das Ziel des Instituts die Schaffung eines Standardsystems für die zuverlässige Ermittlung der maritimen Verkehrslage.
Mehr Sicherheit soll auch RCAS bringen. Das "Railway Collision Avoidance System" soll dank einer präzisen Lokalisierung und eines zuverlässigen Informationsaustauschs zwischen den Zügen dafür sorgen, dass Kollisionen bald der Vergangenheit angehören.
Globale Navigationssysteme
Satellitennavigation ist für viele Wirtschaftszweige in Europa unerlässlich geworden. Deshalb war die Entwicklung des europäischen, zivilen Navigationssystems Galileo nur eine logische Konsequenz. Das Institut für Kommunikation und Navigation unterstützt den Aufbau des Systems. Mit Hilfe der Großantenne am DLR-Standort Weilheim können die Galileo-Signale hochpräzise vermessen und Störfaktoren rechtzeitig erkannt werden. Zudem wird am Institut bereits an der nächsten Generation der Galileo-Satelliten gearbeitet. So unterstützt es die europäische Raumfahrtbehörde ESA beispielsweise durch die Entwicklung neuer Zeitsysteme, die Eigenbewertung der Signale und die Verbesserung der Satellit-Nutzer-Kommunikation. Ein zusätzliches Augenmerk liegt auf der Auswirkung der Ionosphäre auf die Navigationssignale. Um mögliche Störungen durch Sonnenstürme richtig bewerten zu können, werden Vorhersage-Modelle entwickelt.
Autonome Navigation
Trotz stets besser werdender Satellitentechnik wird es immer Bereiche geben in denen eine Navigation mit dieser nicht möglich ist. Die Orientierung in komplexen Bürogebäuden, Einkaufszentren oder Bahnhöfen kann zum Beispiel eine Herausforderung sein. Basierend auf Inertialsensoren und Magnetometern kann ein Nutzer auch innerhalb eines Gebäudes seine Position bestimmen. Diese Entwicklungen sind bereits auf großes industrielles Interesse gestoßen. Ein weiteres Feld ist die Schwarm-Exploration, wobei die Kooperation von mehreren robotischen Systemen eine besondere Rolle spielt. Rover oder Krabbler, die zum Beispiel für die Erforschung des Planeten Mars eingesetzt werden könnten, müssen autonom die Umgebung erfassen und kartieren können. Die Robotergruppe tauscht dabei ständig ihre Position sowie weitere Daten aus, so dass sie gemeinsam möglichst effizient agieren können ohne dabei zusammen zu stoßen.
Zuverlässiger Forschungspartner
Die Entwicklungen des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation sollen nicht nur in der Theorie funktionieren. Die tatsächliche Umsetzung und Anwendung der Ergebnisse ist von großer Bedeutung für das Institut und seine Mitarbeiter. Deshalb wird bei zahlreichen Projekten mit wissenschaftlichen Partnern aus Industrie und Forschung eng zusammengearbeitet. Zudem werden Ausgründungen aus dem Institut unterstützt, was bereits zu drei erfolgreichen Start-Ups geführt hat: Die Firma TriaGnoSys hat sich im Bereich der Passagierkommunikation in Flugzeugen etabliert und rüstet verschiedene Fluglinien und Flugzeughersteller mit Ihren Produkten aus. Im Jahr 2013 wurde TriaGnoSys von der Firma Zodiac Aerospace übernommen. Die Firma Intelligence on Wheels (IoW) vermarktet das im Institut entstandene Railway Collision Avoidance System (RCAS) und konnte mit der Harzer Schmalspurbahn unlängst einen ersten Kunden gewinnen. Die Firma ViaLight Communications positioniert sich stark im Bereich der optischen Freiraumkommunikation ViaLight lizensiert Knowhow und Entwicklungen des Instituts im Bereich der optischen Datenverbindungen von und zu Flugträgern.
Auch nach 50 Jahren Forschung gibt es für die Wissenschaftler der Forschungseinrichtung noch viel zu tun. Die wissenschaftliche Methode hat sich in dieser Zeit nicht groß geändert. Die Inhalte haben sich dagegen stark gewandelt. Eins steht auf jeden Fall fest: Auch in 50 Jahren wird es wieder völlig Neues, heute noch nicht Vorstellbares zu berichten geben.