Die Hardware-in-the-Loop-Optionen für die R&S®SMBV100B und R&S®SMW200A GNSS-Simulatoren ermöglichen realistische, kostengünstige und flexible Tests in einer vom Anwender kontrollierten Umgebung.
Abb. 1: Messaufbau für Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL)
Die Entwicklung neuer, integrierter GNSS-basierter Systeme für Anwendungen in den Bereichen Automotive sowie Aerospace & Defense ist keine einfache Aufgabe. Diese Systeme müssen zuverlässig, exakt und unter widrigen Bedingungen arbeiten, sodass umfangreiche Tests und Maßnahmen zur Verifizierung erforderlich sind. Bedauerlicherweise sind Feldtests in den wenigsten Fällen eine Option für diese komplexen Systeme. Versuche im realen Umfeld sind langwierig und kostspielig. Zudem sind den Tests aus Sicherheitsgründen Grenzen gesetzt. Beispiele dafür sind die Entwicklung und die Prüfung von neuen Avioniksystemen, die auf GNSS angewiesen sind, z. B. Flight-Management- und Autopilot-Systeme, da sie alle angesprochenen Probleme mit sich bringen. Flugtests sind nicht nur teuer, das Testen von neuen, unerprobten Systemen in der Luft ist auch mit nicht hinnehmbaren Risiken verbunden. Stattdessen ist es erstrebenswert, die Tests in einer Laborumgebung durchzuführen.
Hardware-in-the-Loop-Testsysteme (HIL) betten das Messobjekt in eine realistische Anwendungsumgebung ein, sodass man dessen Performance im Gesamtsystem in einem geschlossenen Kreislauf in Echtzeit auswerten kann.
Abb. 1 zeigt ein HIL-System, das zum Testen eines Autopilot-Systems verwendet werden kann. Der HIL-Simulator berechnet die Position und Ausrichtung des Messobjekts, der GNSS-Simulator erzeugt die entsprechenden Satellitensignale – all dies geschieht in Echtzeit. Der GNSS-Empfänger liefert Positionsdaten an das Autopilot-System (Messobjekt), das auf Basis dieser Daten die Eingaben für die Flugsteuerung berechnet. Die Ausgaben des Autopilot-Systems werden wiederum im HIL-Simulator validiert.
R&S®SMBV100B integriert in HIL-Messaufbau
Die R&S®SMBV100B und R&S®SMW200A GNSS-Simulatoren können mit einer GNSS-Echtzeitschnittstellen-Option ausgestattet werden. Diese ermöglicht eine einfache Integration in ein HIL-Testsystem, um das Messobjekt mit GNSS-Signalen zu versorgen. Abb. 2 zeigt einen typischen HIL-Messaufbau mit einem R&S®SMBV100B.
Einfache Integration dank flexibler Schnittstelle
Um innerhalb des Messaufbaus maximale Flexibilität zu erreichen, lassen sich Fernsteuerbefehle über eine LAN-, USB- oder GPIB-Schnittstelle übertragen. Trajektoriendaten werden mit Hilfe von SCPI- bzw. UDP-Befehlen an den GNSS-Simulator gesendet. Der GNSS-Simulator akzeptiert Echtzeit-Trajektoriendaten mit sechs Freiheitsgraden (DOF) einschließlich Daten zu Empfängerposition, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Fluglage (Gieren, Nicken und Rollen). Die Aktualisierung der Position erfolgt mit einer schnellen Update-Rate von bis zu 100 Hz. In Verbindung mit der niedrigen Latenz des R&S®SMBV100B (bis minimal 20 ms) werden eine geringe Latenz des Gesamtsystems und eine hohe Verarbeitungs- und Signalgenauigkeit erreicht.
Bei einer HIL-Simulation ist eine exakte Synchronisation aller Geräte unabdingbar. Die GNSS-Simulatoren von Rohde & Schwarz liefern ein 1-PPS- (Sekundenpuls) bzw. 10-PPS-Signal, um eine zuverlässige Zeitsynchronisation mit dem HIL-Simulator sicherzustellen. Für eine komfortablere Bedienung und einen optimierten Aufbau bieten die GNSS-Simulatoren umfassende Statistik- und Fehlersuchfunktionen.
Tests unter realistischen Bedingungen
Die GNSS-Simulatoren von Rohde & Schwarz unterstützen eine große Anzahl an GNSS-Kanälen (bis zu 144) sowie Mehrkonstellations- und Mehrfrequenzkonfigurationen, sodass sich auch die komplexesten Testszenarien erzeugen lassen. Die simulierte Bewegung wird kontinuierlich in Echtzeit angepasst. Zusätzlich lassen sich die Sichtbarkeit der Satelliten und die Leistungspegel spontan ändern. Somit stehen im Rahmen von Systemtests zusätzliche Möglichkeiten zur Verfügung, beispielsweise die Modellierung von abgeschatteten und blockierten GNSS-Signalen.
Um die Simulationen so realistisch wie möglich zu gestalten, kann der GNSS-Simulator die Position, die Ausrichtung und den Typ der Antenne berücksichtigen. Die Antennenposition lässt sich in allen sechs Freiheitsgraden konfigurieren. Signaldämpfung und Abschattungen, die sich aus der Montageposition der Antennen ergeben, können vom Anwender in sogenannten Body-Mask-Dateien spezifiziert werden. Darüber hinaus lässt sich ein spezifisches Antennendiagramm importieren, um den exakten Typ der verwendeten Antenne zu modellieren. Speist man Flugdaten in den GNSS-Simulator ein, so werden das Antennendiagramm und die Body Mask dazu verwendet, für jeden Satelliten die Änderungen des Empfangssignals exakt zu berechnen – genau wie es in einem echten, dynamischen Szenario der Fall wäre.
Bedienoberfläche des GNSS-Simulators: Visualisierung der Trajektorie in Echtzeit
Komfortable Bedienoberfläche
Im hier besprochenen Beispiel wird der R&S®SMBV100B mit einem Flugsimulator verbunden, um die Eingabe der Echtzeit-Trajektoriendaten in den R&S®SMBV100B zu demonstrieren. Der Flugsimulator liefert in Echtzeit Informationen zu Position, Kinematik und Fluglage an den GNSS-Simulator, der GNSS-Simulator berechnet die entsprechenden GNSS-Signale in Bezug auf die Trajektorie. Weiter unten wird die Trajektorie eines Flugzeugs neben weiteren wichtigen Parametern wie Position und Geschwindigkeit auf der Bedienoberfläche des GNSS-Simulators in Echtzeit dargestellt.
Die Informationen zur Fluglage lassen sich auf einem künstlichen Horizont und einem Kompass visualisieren, sodass man die simulierten Parameter leicht überprüfen kann. Dies ist insbesondere nützlich, wenn ein Antennendiagramm zum Einsatz kommt, um einen bestimmten Typ von Empfängerantenne zu simulieren. Die aktuelle Ausrichtung der Antennen lässt sich mit beiden Geräten augenblicklich bestimmen.
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