Die Europäischen Satellitennavigationssysteme Galileo und ... · Safety-of-Life (SoL) - für...

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Präsentation August 2007 1 © cesah GmbH Centrum für Satellitennavigation Hessen · 64293 Darmstadt · Robert-Bosch-Str. 7 · Tel. +49- 6151- 39 21 56 10 · info @ cesah.com Die Europäischen Satellitennavigationssysteme Galileo und EGNOS Entwicklungsstand und Anwendung Dr. Zimmermann, Geschäftsführer cesah GmbH

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Die Europäischen Satellitennavigationssysteme Galileo

und EGNOS – Entwicklungsstand und Anwendung

Dr. Zimmermann, Geschäftsführer cesah GmbH

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Übersicht

Einführung – Prinzip der Satellitennavigation

Global Positioning System (GPS)

European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)

Das europäische Satellitennavigationssystem Galileo

Anwendung der Satellitennavigation zur präzisen Bahnbestimmung von Satelliten (POD)

Anwendungen der Satellitennavigation im Luftverkehr (GBAS)

Das Centrum für Satellitennavigation Hessen

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Prinzip der Satellitennavigation

Satelliten befinden sich in hoher

Erdumlaufbahn > 20.000 km.

Empfänger bestimmt den Abstand

zwischen Satellit und Empfänger

durch Messung der Signallaufzeit.

Atomuhren sind zwar hoch genau,

dennoch gibt es Abweichungen im

Nanosekundenbereich (10-9 s).

Empfängeruhren sind wesentlich

ungenauer.

Daher sind Signale von mindestens

4 Satelliten erforderlich zur

Bestimmung der eigenen Position.

r1

r2

r3

(x,y,z)1

(x,y,z)2

(x,y,z)3

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Global Positioning System (GPS)

Ursprünglich 24 Satelliten, damit zu jedem

Zeitpunkt immer mindestens 4 sichtbar

20183 km Bahnhöhe, d.h. 2 Umkreisungen

pro Sternentag

6 Bahnebenen, 55° gegen die Äquator-

ebene geneigt und 60° gegeneinander

verdreht

Mittlerweile über 30 Satelliten verfügbar,

diese setzen sich aus mehreren

Generationen zusammen.

Signal L1 L2 L5

Trägerfrequenz [MHz] 1575.42 1227.60 1176.45

Sendeleistung [W] 12.70 regelbar -

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GPS - Navigationsdienste

Standard Positioning Service (SPS)

Ist für jedermann verfügbar und erreichte ursprünglich eine Positionierungsenauigkeit

von 100 m in 95 % der Messungen.

Seit Mai 2000 ist die künstlich eingeprägte Ungenauigkeit abgeschaltet; seitdem

beträgt die Positionierungsenauigkeit ca. 15 m.

Precise Positioning Service (PPS)

Ist der militärischen Nutzung vorbehalten und ursprünglich auf eine

Positionierungsenauigkeit von 22 m in 95 % der Messungen ausgelegt worden;

die aktuelle Genauigkeit ist unbekannt.

Diese Signale werden verschlüsselt ausgestrahlt.

Eine Erhöhung der Genauigkeit in der Positionsbestimmung auf unter 5 m kann

derzeit nur durch Einsatz von Differential-GPS (DGPS) erreicht werden, bzw. eine

Verbesserung der Genauigkeit und Überwachung der Systemintegrität durch SBAS.

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EGNOS - Überblick

Satellitenbasiertes Überwachungssystem (SBAS), ergänzt GPS, GLONASS und

zukünftig Galileo

Beobachtung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Systeme

Übermittlung geeigneter Korrekturen an den Nutzer in Echtzeit (Ionosphäre)

dadurch Positionsbestimmung im Meterbereich möglich

Entwickelt im Auftrag und mit Beteiligung der ESA, der EC und EUROCONTROL

Besteht aus drei geostationären Satelliten und einem Netzwerk von 34 Boden-

stationen, INMARSAT AOR & IOR W und ARTEMIS (PRN120, 124 & 126)

Experimenteller Betrieb bereits im Juli 2005 begonnen, zeigte eine herausragende

Leistungsfähigkeit bezüglich der erreichten Genauigkeit (geringer als 2 m) und

Verfügbarkeit (über 99%), operationeller Betrieb seit 1. Oktober 2009 (open service)

Zertifizierung und Zulassung des EGNOS-Systems für die Nutzung in

sicherheitskritischen Anwendungen (Safety of Life) erfolgte am 2. März 2011.

Terrestrischer Datenzugang über EGNOS Data Access Service (EDAS) / EGNOS SDK

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EGNOS - Sichtbarkeit

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EGNOS - Leistungsfähigkeit

Exemplarische Darstellung der

Genauigkeitschranke (horizontal)

zeigt bekannte, noch eingeschränkte

Nutzbarkeit in Süd-Ost-Europa

kann durch zusätzliche

Referenzempfänger in diesem

Bereich gesteigert werden

Quelle: http://www.egnos-pro.esa.int/

IMAGEtech/perfect/real_time/images/

(abgerufen am 30. Mai 2007,

27. Oktober 2010 und am

23. Januar 2013)

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Space Based Augmentation Systems (SBAS)

Quelle: ESA Navipedia

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Europäisches Satellitennavigationssystem Galileo

30 Satelliten in 3 Bahnebenen um 56° gegen Äquator geneigt, 120° versetzt

23000 km Bahnhöhe, Umlaufzeit 14 Stunden

40 Sende- und Empfangsstationen und 3 Kontrollzentren

voraussichtlich bis 2015 betriebsbereit mit zunächst 18 Satelliten und interoperabel mit GPS

globale Abdeckung und Nutzung bei hoher Genauigkeit, Integrität und Verfügbarkeit

Signal L1 E5a E5b E6

Trägerfrequenz (MHz) 1575.42 1176.45 1207.14 1278.75

Sendeleistung (W) 89.12 25.58 26.79 64.43

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Galileo-Testsatelliten

ESA

GIOVE-A (Surrey Satellite Technology)

gestartet am 28. Dezember 2005

Signal empfangen am 12. Januar 2006

Frequenzsicherung

GIOVE-B (Astrium)

gestartet am 26. April 2008

Signal empfangen am 7. Mai 2008

Passiver Wasserstoffmaser mit

1ns Genauigkeit pro Tag

ESA

Nicht mehr in Betrieb, aber mittlerweile ersetzt durch 4 IOV-Satelliten (Astrium)

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Galileo – In Orbit Validation (IOV) Phase

Doppelstart mit Sojus ST-B-Rakete, Platzierung im Zielorbit durch Fregat MT-Oberstufe

in 23,222 km Höhe am 21. Oktober 2011 bzw. 12. Oktober 2012

ESA

ESA–S. Corvaja, 2012

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Galileo – In Orbit Validation (IOV) Phase

Konstellation aus 4 Satelliten

reduziertes Bodennetzwerk

im Mittel nur ein Satellit sichtbar

Verifizierung der Systemgenauigkeit auch in Kombination mit GPS

erfordert gründliche Testplanung, Vorabbewertung und Ergebnisanalyse

Testinfrastruktur bestehend aus Software und Hardware

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Galileo-Kontrollzentren

ESA ESA

Galileo-Kontrollzentren

Das Galileo-Kontrollzentrum GCC in Oberpfaffenhofen wird betrieben durch die DLR

Gesellschaft für Raumfahrtanwendungen (DLR GfR) einem Unternehmen des DLR

Ein weiteres Kontrollzentrum befindet sich in Fucino in Italien (Telespazio).

Das European Space Operations Centre (ESOC) der ESA in Darmstadt und das

Satellitenkontrollzentrum der französischen Raumfahragentur CNES in Toulouse sind

für die Überwachung während der „Launch and Early Orbit“-Phase zuständig.

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Zeitsynchronisation und Bahnvorhersage

Precision Time Facility (PTF)

Die Unterschiede zwischen den Atomuhren der

Satelliten werden durch das Bodensegment ermittelt.

Information steht dem Nutzer über die Galileo-Satelliten

als Teil des Navigationssignals zur Fehlerkorrektur zur

Verfügung.

Orbit Synchronisation Processing Facility (OSPF)

Die genauen Satellitenpositionen werden am Boden berechnet.

Hierzu werden Messdaten aus einem Netzwerk von Empfängern sowie Laserdistanz-

messungen genutzt.

Diese Information wir in regelmäßigen Abständen and die Galileo-Satelliten über-

tragen und über das Navigationssignal an den Nutzer weitergegeben.

Hier liegen am ESOC fundierte Erfahrungen mit GPS vor, die eine Prognose für

Galileo von 10 cm Bahnbestimmungsgenauigkeit in Empfängerrichtung erlauben.

Passiver Wasserstoffmaser

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Integrität

Integrity Processing Facility (IPF)

Integrität bezieht sich auf das Vertrauen in die Richtigkeit der durch das

Navigationssystem bereitgestellten Information.

Fehlerhafte Satelliten werden in Echtzeit erkannt und im Navigationssignal für den

Nutzer identifiziert (in 6 Sekunden bei Überschreiten von 12 m horizontal, 20 m

vertikal).

Navigationssignal liefert weitere Daten (SISMA), welche im Empfänger zur

Bestimmung einer Kenngröße (PHMI) dienen, welche die Wahrscheinlichkeit

bezeichnet, dass der Nutzer über einen Ausfall nicht informiert wird.

Ursprünglich als entscheidender Vorteil von Galileo gegenüber GPS benannt,

derzeit nicht mehr vorgesehen, wird durch EGNOS erbracht.

höhere Genauigkeit, größere Verfügbarkeit und Integrität (EGNOS)

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Galileo - Dienste

Offener Dienst (OS) - frei und kostenlos empfangbar, keine garantierte Verfügbarkeit

Kommerzieller Dienst (CS) - kostenpflichtig, verschlüsselt, zusätzliche

Sendefrequenzen, höhere Übertragungsraten, erlaubt Empfang von Korrekturdaten zur

Steigerung der Positionsgenauigkeit um ein bis zwei Größenordnungen, Garantien

geplant

Safety-of-Life (SoL) - für sicherheitskritische Anwendungen, z.B. dem Luft- und dem

Schienenverkehr, liefert Integritätsinformationen, welche den Nutzer vor Systemausfällen

warnt – wird durch EGNOS bereitgestellt.

Öffentlich Regulierter Dienst (PRS) - für hoheitliche Aufgaben, verschlüsselt,

weitgehend gegen Störungen und Verfälschungen gesichert, hohe Genauigkeit und

Zuverlässigkeit, auch im Krisenfall

Such- und Rettungsdienst (SAR) - unterstützt bestehende satellitenbasierte

Rettungssysteme, schnelle und weltweite Ortung von Notsendern

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Navigationsgenauigkeit mit GPS auf L1

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Navigationsgenauigkeit Galileo auf E5a&L1

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Galileo-Verfügbarkeit (Forderung >99.5%)

Nominell (27 Satelliten, P0: 0.9456)

1 Ausfall (26 Satelliten, P1: 0.0534)

2 Ausfälle (25 Satelliten, P2: 0.0010)

min. 4 m horizontale Genauigkeit

min. 8 m vertikale Genauigkeit

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Galileo Implementation Plan Quelle: W. Enderle “ESA und die europäischen Satellitennavigationssysteme

Galileo und EGNOS“, Global Navigation meets Geoinformation 2013

Galileo System Testbed v1 Validation of critical algorithms

GIOVE A/B 2 test satellites

In-Orbit Validation 4 fully operational satellites and

ground segment

Initial Operational Capability Early services for OS, SAR, PRS,

and demonstrator for CS

2003

2005/2008

2013

2014

Full Operational Capability Full services, 30 satellites

Galileo is implemented

in a step-wise approach

Global Navigation meets Geoinformation 2013| ESNC 2013 Kick- off at ESOC | 12/04/2013 | Page 21

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Präsentation August 2007 23

Anwendungen der Satellitennavigation

Technical Excellence . Pragmatic Solutions . Proven Delivery

Flugführung (Landung unter Schlechtwetterbedingungen)

Unterstützung von Bahn-, Schiff- und Straßenverkehr (multimodale Verkehrsführung)

Logistikanwendung in der Verfolgung von Frachtgütern (Gefahrguttransporte, Flottenmanagement)

Unterstützung hoheitlicher Aufgaben (Polizei, Feuerwehr, Krankenwagen in Notfallszenarien)

Positionsbasierte Dienstleistungen (Reiseführer, Fluggastinformation)

Landwirtschaft (Führung von Landmaschinen)

Vermessungswesen und Geoinformation

Raumfahrt (Positionsbestimmung von Satelliten), …

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International GNSS Service (IGS)

seit 1994 offizieller Service der Internationalen Assoziation der Geodäsie (IAG)

Produkte:

– Satellitenbahnen

– Uhrkorrekturen

– Erdrotationsparameter

– Stationskoordinaten und

-geschwindigkeiten

– Troposphärenparameter

– Ionosphärenkarten

– Code Biases

Nutzung von GPS & GLONASS

Quelle: The IGS Tracking Network / Permanentnetz

mit über 380 Stationen (http://acc.igs.org)

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ESA Sensor Station Network

Quelle: ESA/ESOC

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Bahnbestimmung GPS-Satelliten durch IGS

Quelle: http://acc.igs.org

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Satellitennavigation im Luftverkehr

Motivation: Schlechte Sichtbedingungen

primär in den

Morgenstunden

in Spätsommer-

und Herbstmonaten

Klassifizierung

durch ICAO in

Kategorien

Cat I Entscheidungshöhe 200 ft, Sichtweite > 550 m

Cat II Entscheidungshöhe 100 ft, Sichtweite > 350 m

Cat III Entscheidungshöhe < 100 ft, Sichtweite < 350 m

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Satellitennavigation im Luftverkehr

Technische Hilfsmittel

Instrumentenlandesystem (ILS)

Mikrowellenlandesystem (MLS)

Weiterentwicklung des ILS

nur sehr wenige Anlagen in Betrieb

Nachteile ILS

Schutzzonen am Boden

erhöhte Sicherheitsabstände

Verringerung der nutzbaren Start- und Landebahnkapazität

gradliniger Gleitpfad und starrer Gleitwinkel

hohe Anschaffungs- und Wartungskosten (pro Landebahn und Richtung)

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Satellitennavigation im Luftverkehr

Ground-Based Augmentation System (GBAS)

Präzisionsanflüge und -landungen stellen hohe Systemanforderungen an

Genauigkeit, Verfügbarkeit, Kontinuität und Integrität.

Neben dem bekannten ILS gewinnt

GBAS immer mehr an Interesse.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts

HETEREX* wurden neue Präzisionsanflug-

verfahren mittels GBAS entwickelt, analysiert

und erprobt.

Neben Kosteneinsparungen insbesondere

hinsichtlich Anschaffung, Wartung und

Flugvermessung wird auch eine

Lärmminderung erwartet.

* Das Vorhaben HETEREX wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie durch den Projektträger Luftfahrt des Deutschen

Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) unter dem Förderkennzeichen 20V0901A gefördert.

Funktionsprinzip GBAS, Quelle: Eurocontrol

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Satellitennavigation im Luftverkehr

Ground-Based Augmentation System (GBAS)

Herausforderung

trotz Korrektur kann die Positionsbestimmung fehlerbehaftet sein

Integrität kann gefährdet sein

Lösungsansätze

Überwachungsalgorithmen

– sichere Erkennung von Störungen

– schnelle Reaktion auf Störungen

– sehr geringe Fehlerrate

Unterschiedliche GBAS-Klassen

wurden definiert.

Atmosphärische Störung

Korrekturdaten

GBAS Bodenstation

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Satellitennavigation im Luftverkehr

Lärmmindernde Anflugverfahren mögliche GBAS-Servicegebiete

Quelle: DLR

Deutsche Verkehrsflugplätze mit möglichen GBAS-Servicegebieten

auf Basis einer derzeitigen Cat I- oder Cat II/III-Ausrüstung

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Satellitennavigation im Luftverkehr

Fluglärm Einzelergebnis, Flughafen Nürnberg

Vergleich Lärmkontur LAmax

von Einzelanflügen B737-800

Verkleinerung des Lärm-

teppichs durch besseres

Vertikalprofil beim

RNP AR APCH.

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Centrum für Satellitennavigation Hessen

cesah ist Kompetenz-, Informations- und

Gründerzentrum für Satellitennavigation

Gründung beruht auf gemeinsamer Initiative der

Europäischen Raumfahrtagentur ESA und des

Landes Hessen

Schaffung eines Zentrums für Satellitennavigation

in Darmstadt in unmittelbarer Nähe zum

Europäischen Satellitenkontrollzentrum ESOC

Ansiedelung im Technologie- und Innovations-

zentrum Darmstadt zur Ausnutzung von Synergie-

effekten mit über 100 jungen (IT-)Unternehmen

Förderung und Beschleunigung der Marktent-

wicklung für Anwendungen der Satellitennavigation,

Schaffung von Hochtechnologie-Arbeitsplätzen

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Umfeld der ESA-Gründungsinitiative

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Satellitennavigation am ESOC

15 Jahre Erfahrung in der Verarbeitung und

Veredelung GPS- und GLONASS-Daten

International GNSS Service (IGS):

– Stationsnetzwerk und Datenzentrum

– Analysezentrum für hochpräzise

Datenprodukte

– Management

Eines der wenigen Zentren in der Welt für die

hochpräzise Lokalisierung im Rahmen von

Wissenschaftsanwendungen

ESOC leistet seit 2000 einen wesentlichen

technologischen Beitrag zum Europäischen

Satellitennavigationssystem Galileo

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Unsere Leistungen

Gründerzentrum: cesah unterstützt technische Entwicklung, Realisierung und

Markteinführung neuer Produkte und Dienstleistungen der Satellitennavigation.

Kompetenz- und Informationszentrum: cesah ist zentrale Wissensquelle zum Thema

Satellitennavigation und deren Anwendungen.

cesah betreibt das ESA BIC Darmstadt und ist direkter Ansprechpartner für innovative

Gründungsideen im Bereich der Satellitennavigation mittels permanenter Ausschreibung

und standardisiertem Auswahlverfahren

cesah organisiert sowohl fach- als auch anwendungsspezifische Veranstaltungen zum

Thema Satellitennavigation und ist regionale Kontaktstelle für die hessische Teilnahme

an der European Satellite Navigation Competition (ESNC).

Wesentlicher Erfolgsfaktor ist Einbindung in ein Expertennetzwerk der ESA und der

cesah-Gesellschafter in enger Zusammenarbeit mit regionalen und internationalen

Partnern, z.B. Hessen Agentur, European Space Incubators Network (ESINET)

cesah unterstützt Zugang zum Open Sky Technologies Fund der ESA.

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Innovative Gründungen ESA BIC Darmstadt

etamax space GmbH

ANLU Navigation GmbH

Samango GmbH

Verimatic GmbH

Punchbyte e.K.

IPAYMO

IP Wetter

MAVinci UG

LatitudeN GmbH

ALL4IP GmbH & Co. KG

Mobile Life UG

PosiTim UG

INTEND Services

Flinc AG

benjamin systems

wer_denkt_was GmbH

embia GmbH

Solenix Deutschland GmbH

EM Electronic Machines

woistwer24

Socratec Engineering and Services UG

GPASS

convinum

MapCase GmbH

Treevolution.de GmbH

L-One Systems GmbH

TaleTekk UG

Augmentation Industries GmbH

Isofleet GmbH

Spotcrackr

NavQuest UG

SellNews GmbH

GeoMon

Free-Linked GmbH

easyVineyard

ebuggy GmbH

Potentailspaces

AppInvest / iognos

Notificatio UG

TrACkTICS

SENSOVO

moove-in

Newcon

EMTech

graphmasters

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Unsere Gründer nutzen Satellitennavigation

Quellen: ESA, GSA, DLR, Eurocontrol, SAPOS

Space-Based Augmentation System (SBAS) Global Satellite Navigation System (GNSS)

Ground-Based Augmentation System (GBAS)

EDAS

Differential GNSS (D-GNSS)

SAPOS

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Gemeinsame Messeteilnahmen

InterGeo 2013 8. bis 10. Oktober in Essen

Gemeinschaftstand ESA BICs, SatNav-Forum und GSA

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www.hesse.galileo-masters.eu

Internationale Gesamtsieger erhält 20.000 EUR Regionalsieger Hessen erhält 3.000 EUR (Hessen-IT & ITS Hessen e.V.)

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Global Navigation meets Geoinformation 2013

jährliche Fachkonferenz am 12. April 2013 am ESOC in Darmstadt

hessischer Auftakt zur ESNC 2013 und Preisverleihung „Hessen Natur App“

9 Gründer stellen aus, insgesamt 213 Teilnehmer

hochrangige Vertreter aus Wirtschaft und Politik

sehr guter Rückmeldung und Medienecho zur Veranstaltung

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Regionalsieger der ESNC 2013 in Hessen

(alle mittlerweile am ESA BIC Darmstadt)

1. Platz: AlarmApp - Location based emergency notification (3000 EUR)

2. Platz: Sensovo Navipal: A New Way to Feel Directions with a Wearable Tactile

Navigation Systems (Gewinner ESA-Spezialpreis und zweiter Platz der

internationalen Gesamtwertung)

3. Platz: Compact and Low-Cost Electronic Beam Steering Antenna for Mobile Satellite

Communications by Using Liquid Crystal Technology (Dr. Karabey, TU DA)

Vorstellung der Projekte im Rahmen der „Global Navigation meets Geoinformation 2014“

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„Global Navigation meets

Geoinformation 2014“

Fachkonferenz & hessische

Auftaktveranstaltung der

ESNC, am 1. April 2014,

10:00 bis 17:00 Uhr

am Europäisches Satelliten-

kontrollzentrum (ESOC)

der ESA in Darmstadt

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Regionalsieger ESNC 2009

und ESA-Spezialpreis

Vielzahl permanenter Empfängernetze zur Unter-

stützung der Positionsbestimmung (regional & global).

Hochentwickelte GNSS-Analysesoftware als Ergebnis

einer langjährigen Entwicklung am ESOC

Bestimmung hochgenauer Satellitenbahndaten und

Uhrenkorrekturen in Echtzeit, Übermittlung an Nutzer

für Positionsbestimmung im mm-Bereich

Erste Kunden aus dem maritimen Bereich

Seismische Bewegungen, Frühwarnsysteme für

Vulkanismus, Erdbeben &Tsunami, Wettervorhersage

Erlaubt Verbesserung des Angebots der Netzbetreiber

an ihre Kunden (Genauigkeit und Qualität)

Potential für Verkehrsanwendungen

http://www.PosiTim.com

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Beispiele für Gründungen am cesah

Autonome „Micro Air Vehicles (MAVs)“ zur Gewinnung

von georeferenzierten Daten aus der

Luft mit hoher Genauigkeit

einfache Missionsplanung

autonom und GPS-gesteuert

automatische Landung

geeignet für diverse Nutzlasten, wie

Infrarotkamera und andere Sensorik

kostengünstig und effektiv

www.mavinci.de

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Beispiele für Gründungen am cesah

Mängelmelder

www.werdenktwas.de www.AppJobber.com

Sieger im Wettbewerb

Hessen Natur App

werdenktwas ist Preisträger im Wettbewerb “Land der Ideen” (Bundesregierung und BDI)

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Dynamic Ridesharing Services

durch Kombination aus

Satellitennavigation

Sozialen Netzwerken

mobilem Internet

Gewinner des Greentec Award 2013 (ProSieben und Wirtschaft Woche) in der Kategorie Automobilität

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Dynamic Ridesharing Services

Partnernetzwerk:

16 Mitarbeiter

Mitte 2013:

> 150.000 Nutzer

March 2011 March 2012

March 2013

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MapCase - 2. Regionalsieger Hessen 2011

Mittlerweile 25.000 registrierte Nutzer

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Nachhaltiges Konzept zur Gründungsförderung

cesah betreibt ESA BIC Darmstadt seit 2007

bis heute Betreuung von mehr als 40

Unternehmen

feierliche Vertragsverlängerung mit ESA am

11. September 2013 am ESOC über weitere

6 Jahre von 2014 bis 2019

Zusage von Fördermitteln seitens ESA/DLR

und Kofinanzierung durch das Land Hessen

(Gründungsprojekte und Betrieb des

Zentrums)

Bereitstellung technischer Beratungsleistung

an Gründer seitens ESA/ESOC

Betreuung von insgesamt 60 weiteren

Gründungsvorhaben (50 TEUR + 80 h

pro Gründer)

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Kontakt

cesah GmbH Centrum für

Satellitennavigation Hessen

Robert-Bosch-Straße 7

64293 Darmstadt

Tel.: +49 (0) 6151 / 392156 10

Email: [email protected]

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www.cesah.com

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www.esa.int/ttp