R&S®ESMD Zeitstempelgenauigkeit in TDOA-Applikationen erhöhen

Ihre Anforderung

In einem Laufzeitdifferenznetzwerk (TDOA) wird die Zeitdifferenz der Signalankunft an drei oder mehr Empfängerstandorten gemessen. Die gemessenen Zeitdifferenzen ermöglichen die Bestimmung des geographischen Ursprungs des Signals. Aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen besteht die größte Herausforderung für die Empfänger darin, einen hochpräzisen Zeitstempel in den I/Q-Datenstrom zu setzen. Deshalb ist eine geeignete Methode zur Zeitsynchronisation in den Empfängern erforderlich. Für eine maximale Systemflexibilität benötigt man absolute Zeitstempel, die unabhängig von den Empfängereinstellungen sind.

Überwachungslösung

Die Option R&S^®ESMD-IGT fügt dem R&S^®ESMD ein internes GPS-Modul hinzu. Sobald man eine GPS-Antenne anschließt, liefert das Modul die Zeit und Position des GPS an den R&S^®ESMD.

Das Sekundenpulssignal (PPS) des GPS wird dazu verwendet, die interne 10 MHz-Referenzfrequenz im R&S^®ESMD zu synchronisieren. Eine durch Software gesteuerte Schleife minimiert den Einfluss des dem PPS-Signal häufig eingeprägten Jitters und erhöht dabei merklich die Frequenzstabilität und die Zeitgenauigkeit des R&S^®ESMD.

Die Lösung von Rohde & Schwarz bietet ohne zusätzlichen Aufwand einen hochpräzisen, absoluten Zeitstempel im Basisbanddatenstrom (für detaillierte Werte siehe R&S^®ESMD Datenblatt, PD 5213.9863.22).

Bei TDOA-Applikationen können geringste Fehler beim Setzen des Zeitstempels zu falsch berechneten Positionen führen. Änderungen bei unterschiedlichen Einstellungen (z. B. Mittenfrequenz, Bandbreite, Darstellbreite) beeinflussen die Signallaufzeit im Empfänger. Ignoriert man diese Tatsache, kann dies zu signifikanten Fehlern bei der Positionsbestimmung führen, die durch ungenaue Zeitstempel verursacht werden. Der R&S^®ESMD berücksichtigt genau diesen zeitlichen Einfluss all dieser Elemente in der Verarbeitungskette. Der in den I/Q-Datenstrom gesetzte Zeitstempel entspricht genau dem Zeitpunkt, an dem das Signal den Antenneneingang des R&S^®ESMD erreicht. Deshalb ist es möglich, ein heterogenes TDOA-Netzwerk einzurichten, das für verschiedene Standortanforderungen unterschiedliche Empfänger enthält (Großsignalfestigkeit, Empfindlichkeit, Echtzeitbandbreite, etc.). Konventionelle TDOA-Systeme müssen mit identischen Empfängern eingerichtet werden, die zum Zeitpunkt der Messung mit den gleichen Einstellungen konfiguriert sind. Dies erschwert merklich die Umsetzung und die eigentliche Messung und schränkt die Flexibilität signifikant ein.

Applikation

Wenn ein R&S^®ESMD zusammen mit der Option R&S^®ESMD-IGT an einen neuen Standort gebracht wird, der uneingeschränkte Sicht auf mindestens vier GPS-Satelliten hat, benötigt das GPS-Modul ungefähr 26 s, um die aktuelle Position zu bestimmen. Nach einer Betriebszeit von 20 min erreicht der beheizte Quarzoszillator (OCXO) im Synthesizer seine optimale Betriebstemperatur. Der durch das GPS-Modul bereitgestellte Sekundenpuls erhöht zusätzlich die Genauigkeit der internen Referenzfrequenz. Der R&S^®ESMD überwacht während des Betriebs kontinuierlich die Genauigkeit. Sobald die Synchronisation der internen Referenzfrequenz mit dem Sekundenpuls abgeschlossen ist, erhält der Nutzer eine Nachricht auf der grafischen Bedienoberfläche.

Das interne GPS-Modul kann abhängig von den Anforderungen in drei verschiedenen Betriebsarten eingesetzt werden:

Free Run-Modus

Im Free Run-Modus ist die Zeitgenauigkeit am geringsten. Die durch das GPS-Modul bestimmte Position unterliegt einem beträchtlichen Jitter, der auch das Zeitverhalten beeinflusst. Jedoch benötigt man keine Mittelungszeit, und die Position muss nicht bekannt sein.

Averaging-Modus

Im Averaging-Modus mittelt der R&S^®ESMD die Positionsdaten bis eine benutzerdefinierte minimale Positionsgenauigkeit und die minimale Mittelungszeit erreicht sind. Sobald die gemittelten Positionsdaten die erforderliche Genauigkeit aufweisen, wechselt der Empfänger automatisch in den Fixed-Modus.

Fixed-Modus

Im Fixed-Modus verwendet der R&S^®ESMD eine statische Position als Referenz. Das bedeutet, dass das Zeitverhalten ebenso eine maximale Genauigkeit erreicht. Wenn ein Empfänger an einen Standort mit genau bekannten Koordinaten gebracht wird, können diese im Fixed-Modus voreingestellt werden. Stimmen die Positionsdaten nicht mit dem aktuellen Standort überein, wechselt der R&S^®ESMD in den Free Run-Modus. Für genaue Positionsdaten und präzise Zeitstempel ist in allen Fällen ein guter Satellitenempfang notwendig.

R&S®ESMD-Bedienoberfläche mit ESMD-IGT-GPS-Modul und externer GPS-Antenne

Grafische Anzeige

Verwendung der internen Referenzfrequenz (synchronisiert mit dem PPS), Synchronisation abgeschlossen. Diese Anzeige erscheint, nachdem der OCXO aufgeheizt und die PPS-Regelschleife eingeschwungen ist. Sobald die Synchronisation abgeschlossen ist, wird die maximale Zeitstempelgenauigkeit an einer festen GPS-Position (Fixed-Modus) erreicht.