Satellitennavigation und Software Defined Radio

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) bezieht sich auf Systeme, die Satelliten im Orbit verwenden, um erdgebundene Geräte bei der Bestimmung von Navigationsinformationen zu unterstützen. Empfänger verwenden typischerweise Multilaterationsalgorithmen, um ihre Position relativ zu den umlaufenden Satelliten abzuleiten. Diese Informationen bestehen typischerweise aus verschiedenen Timing- und Orbitalparametern, aus denen ein Empfänger auf seine Position in Bezug auf die umlaufenden Satelliten schließen kann. Obwohl diese Technologie ursprünglich für Verteidigungszwecke entwickelt wurde, wird sie heute in einer Vielzahl von Verbraucher-, Handels- und Industrieprodukten eingesetzt.

Das ursprüngliche und bekannteste GNSS-System ist das Global Positioning System, das der Regierung der Vereinigten Staaten gehört und von ihr betrieben wird. Die Wirkung, Nützlichkeit und der Nutzen von GPS reichen von der persönlichen Navigation über Mobiltelefone über die Flugzeugnavigation bis hin zu Bauvermessungen und Logistik. Die strategische und wirtschaftliche Bedeutung des Systems hat auch andere Länder und Allianzen motiviert, eigene, alternative Systeme wie Galileo, Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) und BeiDou zu entwickeln.

Zu den kritischen Kriterien zur Bewertung der Leistung von Empfängern gehören die räumliche Genauigkeit, Empfindlichkeit und Integrität. Dies ist wichtig, da GNSS-Satelliten die Erde in einer Höhe von ungefähr 20.000 km mit einer Sendeleistung zwischen 20 und 240 W umkreisen; dies entspricht einer gemessenen empfangenen Signalstärke auf der Erdoberfläche von etwa -130dBm (oder etwa 0,05% der Stärke eines Handysignals). Darüber hinaus werden die Signale auch auf derselben Frequenz übertragen und die Empfänger auf der Erde müssen nicht nur das Signal erkennen, sondern auch die codierten Informationen wiederherstellen, um die Daten zu verarbeiten.

Dies erfordert, dass GNSS-Empfänger gleichzeitig die konkurrierenden Anforderungen einer hohen Empfindlichkeit gegenüber schwachen Signalen ausgleichen und auch Signale außerhalb des angegebenen Bereichs aggressiv herausfiltern. Die Empfindlichkeit eines Empfängers ist eine Schlüsselmetrik für die Leistung und bezieht sich auf die minimale Signalstärke, die empfangen werden kann, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die codierten Daten erfasst und decodiert werden können. Obwohl eine hohe Empfindlichkeit der Schlüssel zu einer hohen Leistung ist, müssen Empfänger auch ein Verfahren zum Filtern der eingehenden Daten enthalten. Diese Filter sind erforderlich, um sicherzustellen, dass der Empfänger nicht durch unerwünschte Interferenzen beschädigt wird, und können verwendet werden, um die gewünschten Signale zu verstärken. Sobald das Signal empfangen und gefiltert wurde, müssen die codierten Daten für die spezifische Anwendung decodiert werden; dies erfordert, dass der Empfänger über Verarbeitungsfähigkeiten verfügt.

Jede der obigen Funktionen wird normalerweise durch dedizierte, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ICs) erreicht. Diese ICs werden überall dort eingesetzt, wo GNSS erforderlich ist; von der Fahrzeugnavigation über Mobiltelefone bis hin zu Tracking-Logistikanwendungen, die eine Standortverfolgung erfordern. Herkömmliche GNSS-Empfänger werden mit diesen ICs entworfen, sind jedoch in der Regel unflexibel und können nicht aufgerüstet werden, was dazu führt, dass nur die Anforderungen für eine bestimmte Konstellationsfrequenz, beispielsweise GPS L1, erfüllt werden können. Dies stellt viele Herausforderungen und Kosten für diejenigen dar, die Flexibilität über mehrere Konstellationen und Frequenzen hinweg benötigen und ihre Empfänger mit dem Fortschritt der Technologie aufrüsten möchten.

Herkömmliche GNSS-Empfänger sind oft auf bestimmte Konstellationen und damit auf Abstimmbereiche beschränkt. Es gibt jedoch erhebliche Vorteile für Multi-GNSS-Fähigkeiten, wenn mehrere Frequenzen und/oder Konstellationen verwendet werden. Mehr Satelliten verbessern nicht nur die Kontinuität und Verfügbarkeit des Systems, sie verkürzen auch die Zeit bis zur ersten Fehlerbehebung und unterstützen den Betrieb in schwierigen Gebieten wie Polar- oder Bergregionen, in denen die Topographie Sichtbarkeitsprobleme zwischen dem Empfänger und dem Satelliten verursacht. .

Die Integrität von GNSS-Systemen ist bei weitem nicht gewährleistet – diese Systeme unterliegen nicht nur natürlichen Störquellen und atmosphärischen Phänomenen, sondern auch Funkstörungen aus künstlichen Quellen. Diese Interferenz kann eine einzelne oder mehrere Frequenzen beeinflussen und auf Stör- oder beabsichtigte Emissionen zurückzuführen sein. Im Falle von Störinterferenzen hilft die Empfängerredundanz, den korrekten Betrieb sicherzustellen.

Herkömmliche Empfänger sehen sich jedoch ernsthaften Einschränkungen gegenüber, wenn sie in absichtlich umstrittenen Umgebungen betrieben werden, beispielsweise in solchen, in denen bestimmte Bänder gestört oder mit falschen oder irreführenden Informationen versorgt werden können. In diesen Fällen müssen die Empfänger oft störende oder falsche Emissionen und das tatsächlich zugrunde liegende Signal identifizieren und unterscheiden. Für geschäftskritische Anwendungen ist die Fähigkeit, den Betrieb in einer umkämpften Umgebung zu erkennen, eine wesentliche Voraussetzung.

In solchen Fällen ist der Empfang von Daten aus mehreren Konstellationen und Frequenzen und die Überprüfung der Ergebnisse zwischen erwarteter und tatsächlicher Position ein wichtiges Merkmal. Da herkömmliche GNSS-Empfänger im Allgemeinen für den Betrieb in unumstrittenen Umgebungen entwickelt wurden, sind die Kosten und Ausfallzeiten nicht trivial, wenn diese Systeme aufgerüstet werden, um diesen Bedarf zu decken. Software Defined Radios (SDR) bieten zunehmend die Flexibilität, robuste Algorithmen zu implementieren, die nicht nur verschiedene umkämpfte Umgebungen identifizieren, sondern auch erfolgreich Sperr- und Navigationsinformationen verwalten können.

Softwaredefinierte Funkempfänger sind von Natur aus flexibel und ermöglichen, dass traditionell hardwaredefinierte Funktionen jetzt mithilfe von Software geändert werden können. Die softwaredefinierte Empfängerhardware besteht aus zwei Teilen, die sie zu einer attraktiven Lösung als GNSS-Empfänger machen. Das erste ist das flexible Radio-Frontend, das es dem Benutzer ermöglicht, auf verschiedene Frequenzen zu schalten und in vielen Fällen gleichzeitig. Diese Funk-Frontends können auch eine analoge Filterung bieten, um die durch nahegelegene Quellen verursachten Störungen zu reduzieren. Dies kann über mehrere Frequenzen und Konstellationen gleichzeitig erfolgen, vorausgesetzt, der SDR-Empfänger verfügt über genügend Funkkanäle. Der zweite Teil von SDR-Empfängern, der sie zu einer attraktiven Lösung macht, ist die integrierte digitale Signalverarbeitung (DSP). Viele SDRs haben eine Form von DSP an Bord, die die Verarbeitung der empfangenen Signale ermöglicht. Dieser DSP ermöglicht auch eine zusätzliche digitale Filterung des eingehenden Signals, um die Qualität weiter zu verbessern.

Zusammen bilden diese Fähigkeiten eine Plattform, die in der Lage ist, die Funktionalität herkömmlicher GNSS-Empfänger wirtschaftlich bereitzustellen und gleichzeitig die Verwendung wesentlich größerer Bandbreiten zu ermöglichen. Zusammen ermöglichen sie die Implementierung komplexerer Algorithmen auf Empfängern und bieten auch die Möglichkeit, diese schnell zu aktualisieren, wenn neue Verarbeitungstechniken und -technologien entwickelt werden. Diese softwaredefinierten Systeme schaffen völlig neue Möglichkeiten für GNSS und sollten für jedes GNSS-Projekt in Betracht gezogen werden.