Chip-Scale Atomic Clock (CSAC) verbessert die GPS-Sicherheit

Moderne Autos sind ohne fortschrittliche Sensortechnologie kaum vorstellbar. Diese "Sinnesorgane" erfassen eine Vielzahl von Daten, wie Reifendruck, Abstand zu umliegenden Objekten und Beschleunigung bei einem Aufprall, um beispielsweise den Airbag auszulösen. Besonders im Bereich des automatisierten Fahrens spielen Sensoren eine zentrale Rolle. Diese Fahrzeuge sind mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, die ihre Umgebung präzise erfassen und charakterisieren – sowohl an einem sonnigen Sommertag als auch in einer verregneten Nacht. Die Kombination verschiedenster Sensoren ermöglicht bereits heute eine nahezu vollständige Erfassung der Umgebung. 

Ein Test aus dem Jahr 2019 zeigte, welche schwerwiegenden Folgen Störungen in der GNSS-Kommunikation für hochautomatisierte Fahrzeuge bewirken können: Ein Tesla Model S wurde durch manipulierte (GNSS Spoofing) Signale von der Straße abgelenkt. Eine effiziente Möglichkeit, diesen Problemen entgegenzuwirken, bieten Quantensensoren. Diese hochpräzisen Sensoren können nicht nur unabhängig von GNSS arbeiten, sondern auch gespoofte GNSS-Signale erkennen und somit eine zuverlässige Alternative bieten. Beim GNSS-Spoofing wird der Empfänger dazu gebracht, sich auf das Signal eines sogenannten Spoofers einzustellen anstatt des echten Satellitensignals, wodurch dieser von seiner wahren Position abgelenkt wird. Heute werden solche gespooften Signale durch den Abgleich mit zusätzlichen Sensordaten (z. B. LiDAR, Radar) und durch die Analyse des empfangenen Signals (z. B. ungewöhnlich hohe Signalstärke) erkannt. Beim GNSS-Spoofing wird der Empfänger dazu gebracht, sich auf das Signal eines sogenannten Spoofers einzustellen anstatt des echten Satellitensignals, wodurch dieser von seiner wahren Position abgelenkt wird. Heute werden solche gespooften Signale durch den Abgleich mit zusätzlichen Sensordaten (z. B. LiDAR, Radar) und durch die Analyse des empfangenen Signals (z. B. ungewöhnlich hohe Signalstärke) erkannt.

Chip-Scale Atomic Clocks (CSACs): eine kompakte, energieeffiziente Lösung für präzise Zeitmessung

Der Einsatz von Chip-Scale Atomic Clocks (CSACs) bringt nun eine neue Sicherheitsstufe in das System: Um den Empfänger vom realen GNSS wegzuziehen, bauen Spoofer schrittweise kleine Verzögerungen ein, welche von der geschätzten Taktverzerrung im Empfänger absorbiert werden. CSACs erkennen solche Taktverzerrungen und schützen so vor Spoofing.
Ein weiterer Bereich, in dem Quantensensoren eine entscheidende Rolle spielen, ist die präzise Zeitmessung. Hier kommen Chip-Scale Atomic Clocks (CSACs) und kompakte Atomuhren (CACs) ins Spiel. Diese Geräte sind Weiterentwicklungen der traditionellen Atomuhren und bieten eine kompakte, energieeffiziente Lösung für eine präzise Zeitmessung. Ihre hohe Genauigkeit ist besonders für die Navigation autonomer Fahrzeuge von entscheidendem Vorteil, da sie eine genaue Zeitmessung und somit eine hochgenaue Positionsbestimmung über Laufzeit-Triangulation ermöglichen.
Für die globale Positionsbestimmung mittels der üblichen Einweglaufzeitmessungen von GNSS-Signalen müssen die Zeitskalen der Satelliten mit denen des Empfängers synchronisiert werden. Aufgrund der geringen Genauigkeit der in den Empfängern verbauten Quarzoszillatoren muss der Uhrfehler im Empfänger mithilfe der Koordinaten von mindestens vier Satelliten geschätzt werden. Die hohe Genauigkeit von CSACs in Verbindung mit Uhrmodellierung ermöglicht eine genaue Positionsbestimmung mit nur drei Satelliten, wodurch insbesondere auch in Häuserschluchten und Tunnel eine GPS-Bestimmung möglich ist. Dies verbessert die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Navigation erheblich, was für die Sicherheit von Fahrzeugen von entscheidender Bedeutung ist.

Für die lokale Navigation autonomer Fahrzeuge sind präzise Laser-Entfernungsmessungen unerlässlich. Bei diesem Messverfahren wird ein Lichtimpuls ausgesendet, von umliegenden Objekten reflektiert und kehrt anschließend zum Empfänger zurück. Durch die Messung der Laufzeit kann die Entfernung zu den Objekten bestimmt werden. Je genauer die Zeitangabe, desto präziser ist die Messung. Diese Technologie ermöglicht es, dass hochautomatisierte Fahrzeuge, Hindernisse in Echtzeit erkennen und sicher um sie herum navigieren können.

Weiterhin können CSAC auch genutzt werden, um eine GNSS-freie Navigation zu ermöglichen. Im Zusammenspiel mit einem Quantenträgheitssensor ist es im Vereinigten Königreich gelungen, ein Flugzeug ganz ohne GPS-Signal zu navigieren. Dies ermöglicht einerseits eine genaue Navigation in entlegenen Regionen, gleichzeitig werden Systeme damit robust gegenüber GNSS-Jamming, bei dem die GNSS-Kommunikation aktiv gehindert wird.
Chip-Scale Atomic Clocks (CSACs) bieten mit ihrer Energieeffizienz und Kompaktheit großartige Möglichkeiten für mehr Navigationssicherheit im Bereich des hochautomatisierten Fahrens. Ihre Fähigkeit, präzise Zeitmessungen durchzuführen und GNSS-freie Navigation zu ermöglichen, macht sie zu einer wertvollen Ergänzung für zukünftige Fahrzeuge. Darüber hinaus erhöhen sie die Robustheit gegenüber GNSS-Jamming und Spoofing, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit der autonomen Navigation erheblich verbessert.

Allerdings liegen die Kosten für CSACs derzeit noch bei einigen tausend Euro pro Bauteil, was ihre breite Anwendung einschränkt. Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung ist jedoch zu erwarten, dass über Miniaturisierung, Hochintegration und Produktions-Stückzahlen die Kosten sinken.