Pocket Guide Satellitennavigation

Einführung in Navigationssatellitensysteme

Navigationssatellitensysteme sind für eine genaue Navigation und Positionsbestimmung unerlässlich. Sie liefern wichtige Daten für viele Anwendungen, wie zum Beispiel:

• Autonomes Fahren
• Unbemannte autonome Systeme (UAS)
• Transport
• Luftfahrt
• Landwirtschaft
• Zeitdienste
• Katastrophenmanagement
• Sicherheitsdienste
• Wissenschaftliche Forschung

Globale Navigationssysteme umfassen eine Vielzahl von Satelliten, die auf verschiedene Umlaufebenen verteilt sind, um eine weltweite Abdeckung und Verfügbarkeit sicherzustellen. Satellitenumlaufbahnen können auch gezielt für eine regionale Abdeckung ausgelegt und optimiert werden, sodass der Positionsdienst auf bestimmte Gebiete beschränkt ist.

Satellitengestützte Positionsbestimmung

Die satellitengestützte Positionsbestimmung basiert auf dem Prinzip der Trilateration. Ein Navigationssatellitenempfänger empfängt Signale von mehreren Satelliten, die jeweils die aktuelle Zeit sowie ihre augenblickliche Position übermitteln. Der Empfänger kann dann anhand der Signalankunftszeit (Time of Arrival, ToA) die Entfernung zum Satelliten berechnen, da sich das Signal mit einer bekannten Geschwindigkeit ausbreitet – nämlich der Lichtgeschwindigkeit. Sobald die Entfernungen zwischen Empfänger und drei Satelliten bekannt sind, kann der Empfänger per Trilateration seine Position im dreidimensionalen Raum bestimmen (Breiten- und Längengrad sowie Höhe).

Zusätzlich zu diesen drei Satelliten ist ein vierter Satellit erforderlich, um Zeitabweichungen zwischen dem Empfängertakt und den hochpräzisen Atomuhren der Satelliten zu kompensieren. Dieses Prinzip ist die Grundlage aller Funknavigationssatellitensysteme (RNSS).

Verschiedene GNSS-Positionsbestimmungsverfahren sind bekannt:

• Standalone GNSS
• Augmented GNSS
• High-Precision-GNSS

Alle diese Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich der Art der Korrekturdaten (OSR oder SSR), der Art der Beobachtungsgrößen (Code oder Träger), des Versorgungsgebiets (lokal, regional oder global), ihrer Möglichkeiten zur Fehlerkompensation sowie der daraus resultierenden Positionsgenauigkeit. Wird eine Positionsgenauigkeit im Submeterbereich benötigt, ist eine trägerbasierte Positionsbestimmung unverzichtbar. High-Precision-GNSS-Methoden bieten unterschiedliche Genauigkeiten. PPP-Dienste erreichen eine Genauigkeit von einigen Dezimetern, PPP-RTK-Dienste hingegen ermöglichen Werte unter 10 cm. RTK bietet die höchste Genauigkeit, die im Zentimeterbereich liegt. Hierfür muss sich jedoch eine Referenzstation in räumlicher Nähe befinden. Für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Genauigkeit und Infrastrukturkomplexität ist PPP-RTK oft die beste Wahl, da es hohe Genauigkeiten bei potenziell globaler Abdeckung ermöglicht.

Globale und regionale Navigationssatellitensysteme

GNSS steht für „Global Navigation Satellite System“. Es gibt verschiedene Arten von GNSS-Systemen, die oft von unterschiedlichen Regierungsbehörden betrieben werden.

Beispiel:

• GPS: Betrieben von den Vereinigten Staaten, genauer dem US-Verteidigungsministerium. Ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt, wurde es später auch für zivile Anwendungen freigegeben.
• Galileo: Betrieben von der Europäischen Union. Es ist für die zivile Nutzung konzipiert und ergänzt die Systeme GPS und GLONASS.
• GLONASS: Wird von den russischen Luft- und Weltraumkräften betrieben. Es wurde für den autonomen Betrieb unabhängig von anderen Navigationssystemen entwickelt.
• BeiDou: Betrieben von China. Es umfasst Satelliten in geostationären und nicht geostationären Umlaufbahnen.
• NavIC/IRNSS: Wird von der Indian Space Research Organisation betrieben. Es bedient in erster Linie den indischen Subkontinent.
• QZSS: Betrieben von Japan. Es ergänzt GPS und verbessert die Verfügbarkeit und Genauigkeit in der Region Asien-Ozeanien, insbesondere in Ballungsgebieten mit hoher Bebauung.

Ein satellitengestütztes Augmentierungssystem (SBAS) stellt Korrekturdaten für GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou bereit, um deren Genauigkeit zu verbessern. Es nutzt bodengestützte Referenzstationen, um differenzielle Korrekturdaten für GNSS-Satelliten zu erzeugen, und überträgt diese über geostationäre Satelliten.

GNSS-Empfängertechnologie

Die grundlegende Architektur eines GNSS-Empfängers lässt sich in folgende Funktionsblöcke unterteilen:

• Antenne: GNSS-Antennen verwenden eine rechtsdrehende zirkulare Polarisation (RHCP) und arbeiten im Frequenzbereich des L-Bands. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den Empfang von Signalen von Satelliten mit hohen Elevationswinkeln zu optimieren und gleichzeitig den Einfluss von Mehrwegsignalen zu reduzieren, die häufig aus niedrigen Elevationswinkeln eintreffen.
• Vorverstärker: Die Vorverstärkerstufe kann Bestandteil der Antennenhardware sein und umfasst einen rauscharmen Verstärker (LNA), Filter zur Unterdrückung von Jamming- und Störsignalen sowie einen Schutz vor zu hohen Eingangsleistungen.
• Frontend: Diese Komponente übernimmt alle analogen Signalverarbeitungsaufgaben, wie die Filterung (Unterdrückung von Außerband-Störsignalen), die weitere Verstärkung sowie die Heruntermischung auf eine Zwischenfrequenz (ZF).
• A/D-Wandlung: In der A/D-Wandlerstufe wird das analoge ZF-Signal digitalisiert.
• Signalverarbeitung: Die digitale Signalverarbeitung umfasst die Entfernung des Doppleranteils, die Korrelation des Signals mit den Ranging-Codes sowie die Akkumulation von Abtastwerten zur Ermittlung von Korrelationswerten. Die Signalverarbeitungseinheit liefert Pseudo-Entfernungen, Trägerphasen und Delta-Ranges als grundlegende GNSS-Beobachtungsgrößen.
• PVT-Verarbeitung: Die grundlegenden GNSS-Beobachtungsgrößen dienen zur Berechnung der PVT-Lösung (Position, Geschwindigkeit und Zeit). Dies kann durch die Lösung der GNSS-Beobachtungsgleichungen mit Hilfe einer Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate oder durch fortschrittlichere Verfahren wie Kalman-Filterung erfolgen.

Optional können externe Sensoren und weitere Datenquellen in die Berechnung der PNT-Daten einbezogen werden.

Es gibt verschiedene Arten von GNSS-Empfängern, die für spezielle Anwendungen entwickelt wurden:

• Empfänger für Vermessungsanwendungen: Geodäsie, Bauwesen und andere Anwendungen, die eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erfordern
• Empfänger für Kartierungsanwendungen: GIS-Datenerfassung, Land- und Forstwirtschaft
• GNSS-Empfänger für marine Anwendungen: speziell für maritime Navigation und Fischereianwendungen
• GNSS-Empfänger für Luftfahrtanwendungen: Flugzeugnavigation, Landung und andere Flugvorgänge
• Automotive-Empfänger: Integrierte Navigation für Autos und andere Fahrzeuge
• Persönliche/tragbare Empfänger: Smartphones, Fitnessuhren und andere tragbare Geräte
• Zeitreferenzempfänger: Genaue Zeitreferenzen für Telekommunikation, Stromnetze und andere Infrastrukturen
• Weltraumgestützte Empfänger: Orbitalnavigation und Zeitsynchronisation in Satelliten sowie Unterstützung wissenschaftlicher Missionen

Die Art des GNSS-Empfängers bestimmt seine genauen Funktionen und Leistungsmerkmale. Typische Spezifikationen für GNSS-Empfänger umfassen Kanäle, Frequenzabdeckung, Empfindlichkeit, Genauigkeit, Aktualisierungsrate, Zeit bis zur ersten Positionsbestimmung (Time to First Fix, TTFF) und GNSS-Kompatibilität.

GNSS-Schwachstellen und -Bedrohungen

Störungen und Einflüsse verschiedener Art können zu Signalverschlechterungen und Fehlern bei der Berechnung von PVT-Informationen führen. In bestimmten Gebieten kann es sogar zu einem vollständigen Ausfall des Diensts kommen.

Signalverschlechterungen lassen sich nach ihrer Ursache in drei Kategorien einteilen:

• Systembedingte Signalverschlechterungen verursacht durch Satelliten, Infrastruktur und Architektur
• Signalverschlechterungen entlang des Ausbreitungspfads, verursacht durch Atmosphärenschichten, Dopplerverschiebungen und Weltraumwetterphänomene
• Signalverschlechterungen in der Nutzungsumgebung – verursacht etwa durch Gebäude und Bäume, außerdem durch Mehrwegeausbreitung und Jamming-Signale

Signalverschlechterungen in der Nutzungsumgebung können hinsichtlich Art, Ursache und Wirkung weiter differenziert werden. Die Ursache kann in absichtliche und unabsichtliche Störungen unterteilt werden, die zu einer Verschlechterung des Signals oder zu einem Ausfall des Diensts führen. Andererseits gibt es auch Bedrohungen, die darauf abzielen, die Position eines Empfängers zu manipulieren. Dies wird als Spoofing bezeichnet.

Spezielle GNSS-Anwendungen

Spezielle GNSS-Anwendungen umfassen fortschrittliche Techniken zur verbesserten Navigation und Positionsbestimmung:

1. Mehrfrequenz- und Mehrkonstellations-Anwendungen nutzen Signale verschiedener Satellitensysteme und Frequenzbänder, um eine höhere Positionsgenauigkeit zu erzielen.

2. Multi-Fahrzeug-Anwendungen ermöglichen die kooperative Navigation.

3. Mehrantennenanwendungen verbessern den Signalempfang.

4. Erweiterte Störsignalanwendungen adressieren Signalstörungen und stellen eine genaue und zuverlässige GNSS-Funktionalität in unterschiedlichen Umgebungen sicher.

GNSS-Simulation und Empfängertests

GNSS-Tests sind während der Empfängerentwicklung und der Chipsatz-/Geräteproduktion von entscheidender Bedeutung, um eine optimale Performance zu erzielen. Sie erlauben die Charakterisierung der Empfänger-Performance sowie die Bewertung der Empfängerfunktionen und der Widerstandsfähigkeit gegenüber GNSS-Bedrohungen wie Störungen, Spoofing und Koexistenzproblemen. Durch umfassende Tests lassen sich zuverlässige und präzise Positions-, Navigations- und Zeitinformationen sicherstellen.

GNSS-Tests können mit realen Signalen durchgeführt werden. Dieser Ansatz ist jedoch mit Einschränkungen verbunden, etwa unbekannten Systembedingungen, begrenzten Anpassungsmöglichkeiten und fehlender Testwiederholbarkeit. Solche Tests sind außerdem zeitaufwändig und teuer.

Hier kommt die Simulation ins Spiel. In einer Simulation sind die Systembedingungen genau definiert, und die Testszenarien können nach Belieben wiederholt werden. Auch die Testparameter lassen sich nach Benutzeranforderungen konfigurieren.

Bei einer GNSS-Simulation müssen sieben Elemente berücksichtigt werden:

1. Stör- und Interferenzsignale: Zur realistischen Simulation einer GNSS-Umgebung gehören auch äußere Einflüsse wie Stör- und Interferenzsignale. Das Vorhandensein zusätzlicher Signale kann dann simuliert werden, und so lässt sich beurteilen, wie es sich auf den Empfang der GNSS-Signale auswirkt.

2. Simulation der Entfernung: Die Bestimmung der Strecke zwischen dem Satelliten und der Empfangsantenne entspricht der Messung, die ein GNSS-Empfänger durchführt, um seine Position zu berechnen. Für eine realistische Simulation müssen die (a) ionosphärischen und troposphärischen Effekte, (b) systembedingte Fehler wie Taktfehler und (c) unerwartete Fehler bei der Entfernungsmessung berücksichtigt werden.

3. Satellitenorbitsimulation: Eine realistische GNSS-Simulation muss die Simulation verschiedener Klassen von Satellitenorbits (LEO/MEO/GEO/IGSO) beinhalten, einschließlich möglicher Umlaufbahnfehler und Störungen.

4. Systeme und Signale: Ein GNSS-Simulator muss heute Mehrfachkonstellations- und Mehrfrequenz-Szenarien unterstützen, in denen alle relevanten Systeme und Signale in allen GNSS-Frequenzbändern gleichzeitig simuliert werden.

5. Signalabschattung: Insbesondere in städtischen Umgebungen werden GNSS-Signale oft durch Gebäude beeinträchtigt. In vielen Fällen muss die Signalabschattung mit einer Mehrwegesimulation kombiniert werden, da die Sichtlinie unter Umständen vollständig versperrt ist und der Empfänger ausschließlich Mehrwegekomponenten verarbeiten kann.

6. Fahrzeugbewegung: Viele Tests erfordern die Simulation eines bewegten Empfängers unter Berücksichtigung der Fahrzeuglage. Um Empfänger in Bewegung mit hoher Signaldynamik zu testen, muss der GNSS-Simulator Szenarien unterstützen, in denen der simulierte Benutzer hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ausgesetzt ist.

7. Mehrwegesimulation: Um das Verhalten des Empfängers in einem Mehrwegeszenario zu testen, bietet ein GNSS-Simulator typischerweise verschiedene Möglichkeiten zur Simulation derartiger Einflüsse. Dazu gehören beispielsweise ein gedämpftes Verzögerungsglied oder bodenbasierte Mehrwegemodelle, statistische Kanalmodelle oder deterministische Mehrwegemodelle.

GNSS-Testlösungen zur Verbesserung der PNT-Zuverlässigkeit

Rohde & Schwarz bietet Signalgeneratoren und Software für die GNSS-Simulation, die ein breites Spektrum an Anwendungen abdecken – von einfachen Szenarien mit einem einzelnen Satelliten bis hin zu komplexen Mehrsatellitenkonstellationen sowie Mehrkanal-, Mehrfrequenz- und Störungsszenarien. Darüber hinaus bieten wir GNSS-Testautomatisierungslösungen für unsere Signalgeneratoren an. Damit können Sie vollautomatisierte Tests unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen im Labor und an der Fertigungslinie durchführen.

Unsere Vektornetzwerkanalysatoren (VNA) sind unverzichtbare Werkzeuge für die Entwicklung von GNSS-Empfängern. VNA unterstützen bei folgenden Aufgaben:

• Testen und Optimierung der Antennen-Performance
• Bewertung von Filtern und Verstärkern hinsichtlich Frequenzgang, Gewinn und Linearität
• Prüfung der richtigen Impedanzanpassung
• Messen der Rauschzahl (einer wesentlichen Leistungskennzahl)
• Charakterisierung von Signalwegen innerhalb des Empfängersystems
• Ermitteln der Isolation zwischen den verschiedenen Anschlüssen, um Störungen zu vermeiden

Für Testzwecke in Entwicklung, Qualifizierung und Produktion bieten wir eine breite Palette von Oszilloskopen an.