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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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
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
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
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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