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2-2023

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Verteilte

Messtechnik Verteilte Sendeantennen in einem reflexionsarmen Testraum, um das DUT mit realitätsnahen Signalen zu testen Frequenzen anderen Diensten zugewiesen werden. • Spoofing GNSS-Spoofing (das Aussenden gefälschter, aber für den Empfänger täuschend echter GNSS-Signale) war früher eine seltene Störtechnik, ist aber mit dem Aufkommen von Software- Defined-Radios (SDR) einfacher und billiger geworden. Ein kostengünstiges Spoofing- Gerät kann aus Komponenten aus dem Internet und heruntergeladenem Open-Source-Code gebaut werden. • Obskuration GNSS-Signale, die nach dem Prinzip der Sichtlinie funktionieren, werden durch Objekte am Boden wie hohe Gebäude, Hänge und dichtes Laubwerk blockiert. Ein GNSS-gestütztes System ist nicht nur verwundbar, wenn es keine Satellitensignale empfangen kann, sondern auch, wenn es einen verdeckten Bereich verlässt, wie etwa einen Tunnel oder eine Tiefgarage. Bei dem Versuch, ein Signal wieder zu empfangen, kann es einem Spoofing-Angriff ausgesetzt sein, der dazu führt, dass es sich auf das gefälschte Signal einstellt und nicht auf ein echtes. • Multipath Zusätzlich zu den direkten (Sichtlinie) Signalen vom Satelliten können die Signale mehrere Wege nehmen: Sie werden von Gebäuden oder anderen Objekten in der Umgebung reflektiert oder gebeugt. Diese Signale haben einen etwas längeren Weg zurückzulegen und kommen daher etwas später beim Empfänger an als Signale mit Sichtverbindung. Ohne Entschärfung können Mehrwegsignale dazu führen, dass der Empfänger eine ungenaue Entfernungsmessung ausgibt, die sich in einer falschen Position niederschlägt. Welche Testmethoden werden angewendet? Man kann auf verschiedene Weise testen: • kabelgebundene Tests mit simulierten Signalen und Störungen • Live-Sky-Tests auf einem Freigelände • Absorberkammer mit fester Antennengruppe • Zonenkammer mit Simulation der GNSS-Satelliten in der Umlaufbahn Kabelgebundene Tests mit simulierten Signalen und Störungen Bei einer leitungsgebundenen Prüfung werden alle relevanten Elemente der HF-Umgebung über ein Koaxialkabel direkt an die Antennenelektronik übertragen. Die Signale einer einzelnen oder mehrerer Satellitenkonstellationen werden von einem HF- Konstellationssimulator (RFCS) erzeugt, der optional Mehrweginterferenzen und Signalverdeckungseffekte sowie atmosphärische Störungen einbezieht. Nachteil: Die physische Antenne wird umgangen, sodass die Auswirkungen des Antennenverhaltens auf den Empfänger nicht bewertet werden. Live-Sky-Tests auf einem Freigelände Die Tests erfolgen mit Live- Satellitensignalen und mit echter Stör- und Spoofing-Ausrüstung (mit den entsprechenden behördlichen Genehmigungen), um die Signale aus dem Weltraum zu stören. Die Reichhaltigkeit und Authentizität der realen Umgebung bietet einen zuverlässigen Anhaltspunkt für die reale Leistung der Antenne und des Empfängers in Gegenwart von HF-Störungen. Bei Tests unter freiem Himmel besteht jedoch das Risiko von Kollateralschäden an GNSSabhängigen Systemen in der Nähe des Testbereichs. Daher muss die Leistung der Störsender und Spoofer oft reduziert werden. Die Leistung der Antenne und der Antennensteuerungssysteme kann dann immer noch bewertet werden, aber da der Maßstab des Aufbaus beeinträchtigt ist, sind die Winkelmessungen möglicherweise weniger genau als wünschenswert. Darüber hinaus können Feldversuche unter freiem Himmel erhebliche Kosten in Bezug auf Zeit, Ressourcen und Ausrüstung verursachen. Die reale HF-Umgebung ändert sich ständig, und Bedingungen wie die In Zonen eingeteilter reflexionstoter Raum mit GNSS-Simulatoren, die den Antennen der Zonen zugeordnet sind 50 hf-praxis 2/2023

Messtechnik 31 Zonen im Vergleich zu 13 Zonen für eine „Zoned Chamber“ Satelliten in Sichtweite, Mehrwegeffekte und Temperatur können nicht kontrolliert werden, was bedeutet, dass die Testbedingungen nie exakt wiederholbar sind. Dies führt zu Problemen bei Genauigkeit und Zuverlässigkeit, wenn die Tests iterativ durchgeführt werden. Absorberkammer mit fester Antennengruppe Die herkömmliche Methode zur Konfiguration eines reflexionsarmen Raums für CRPA-Tests besteht darin, eine Sendeantenne (Tx) im gleichen Azimut und in der gleichen Höhe wie dem zu emulierenden Satelliten aufzustellen. Die Antenne sendet dann die Signale dieses Satelliten mit einem Einkanal-GNSS-Signalsimulator pro Antenne. Störquellen wie Störsender und Spoofer können in der Kammer platziert werden. Für zusätzliche Realitätsnähe in dynamischen Szenarien kann die Rx-Antenne auf einem Drehtisch/3D-Positionierer montiert werden, der die Lageänderungen der simulierten Fahrzeugplattform nachbildet. Für Einheiten wie Handgeräte können Gegenstände wie Reflektoren und Signalabschwächer (z.B. ein menschlicher Kunstkopf) neben dem DUT platziert werden, um eine realistische Umgebung zu simulieren. Mehrwegeffekte, Verdunkelungen und atmosphärische Interferenzen können mithilfe fortschrittlicher 3D-Umgebungsmodellierung und Strahlenverfolgung eingeführt werden. Von Vorteil ist die vollständige Kontrolle über die Testumgebung, sodass dieselben Bedingungen wiederholt werden können, um verschiedene Antennen, Antennen-Designs oder -anordnungen zu testen. Die Antennen- Hardware wird in den Test einbezogen, zusammen mit dem Potenzial für unterschiedliche Ankunftswinkel der Signale auf der Hardware. Die Beschränkungen des Kammer-Designs machen es jedoch schwierig, die Geometrie einer bestimmten GNSS-Konstellation genau nachzubilden oder eine Umgebung mit mehreren Konstellationen zu simulieren. Feste Sendeantennen sind nicht in der Lage, die Bewegung von Satelliten in der Umlaufbahn abzubilden, sondern repräsentieren vielmehr einen bestimmten festen Standort, eine bestimmte Uhrzeit und ein bestimmtes Datum. Es sind nur sehr kurze Testszenarien möglich (etwa 30 min), da die Umgebung schnell unrealistisch wird. So lässt sich die Fähigkeit des Empfängers bewerten, GNSS-Signale zu erfassen und zu verfolgen, und es kann die Strahlformungsfähigkeiten des CRPA belegen, aber es ist keine wirksame Methode zum Testen eines aktiven oder reaktionsfähigen Antennensystems. Zonenkammer mit Simulation der GNSS-Satelliten in der Umlaufbahn Eine Zonenkammer verwendet ebenfalls feste Antennen, die in einem regelmäßigen Muster von Azimut- und Elevationswinkeln verteilt sind. Im Gegensatz zu Konfigurationen, die eine feste Sendeantenne und einen Einkanalsimulator pro Satelliten erfordern, wird in der Zonenkammer jedoch eine Sendeantenne pro Zone verwendet, von der aus alle Signale in dieser Zone ausgestrahlt werden. Die Signale eines bestimmten Satelliten werden in einer Zone ausgestrahlt, bevor sie in dieser Zone abgeschaltet werden und sofort in die nächste übergehen, wodurch das Muster der Satellitenbewegung in der Umlaufbahn emuliert wird. Durch die realistische Simulation bestimmter Satellitenkonstellationen, die die Erde umkreisen, stellt das Konzept der Zonenkammer den neuesten Stand der Technik bei OTA CRPA-Tests dar. Die Größe der Zonen kann je nach den Testanforderungen und den Abmessungen der Kammer angepasst werden. Die Erfahrung von Spirent mit bereits erstellten Zonenkammern hat gezeigt, dass 31 Zonen die optimale Konfiguration darstellen. Eine geringere Anzahl Zonen in niedrigeren Höhenlagen und eine höhere Zonendichte oberhalb von 10° kann eine bessere Darstellung der Orbitalbahnen bieten. Eine kleinere Zonengröße ermöglicht eine bessere Darstellung der Orbitalpfade. Der Grund dafür ist, dass der Signalwinkel mit zunehmender Umlaufbahn zum Zonenrand hin ungenauer wird und eine kleinere Zonengröße den Abstand zwischen der Bohrstelle (im Zentrum der Zone) und dem Zonenrand verkürzt. Der Nachteil kleinerer Zonen in höheren Lagen besteht jedoch darin, dass es mehr Übergänge oder Übergaben von Zone zu Zone gibt. Jedes Satellitensignal wird unabhängig bewertet. Zwar kommt es zu einer kleinen Signalunterbrechung, wenn Signale aufgrund einer unvermeidlichen Diskontinuität in der Trägerphase die Zonen wechseln, doch wirkt sich dies nur auf das Signal des betreffenden Satelliten aus. Dies kann zu einem kurzzeitigen Verlust der Trägerverriegelung des betroffenen Satelliten führen, aber diese Ereignisse treten nur selten auf und es ist unwahrscheinlich, dass mehr als ein Satellit gleichzeitig betroffen ist. Das Ausmaß hängt von der Qualität der Kalibrierung ab. Die Häufigkeit des Wechsels nimmt mit der Anzahl der Zonen zu; bei einem System mit 31 Zonen wäre ein typischer Rhythmus alle zwei bis drei Stunden für ein statisches Fahrzeug. Wie bei der festen Kammer können Störquellen wie Störsender und Spoofer an beliebiger Stelle in der Kammer platziert werden. Ein Rate Table/3D-Positioner, Reflektoren und Signalabschwächer können verwendet werden, um zusätzlichen Realismus zu schaffen. Realistische Mehrwegeffekte, Verdunkelungen und atmosphärische Interferenzen können mithilfe einer fortschrittlichen 3D-Umgebungsmodellierung gestaltet werden, die die Ankunftswinkelinformationen der Signale berücksichtigt und entsprechend manipuliert. Eine zonierte Kammer ermöglicht es, die Bewegung echter GNSS-Konstellationen in der Umlaufbahn zu simulieren. Einzelne Konstellationen (z.B. GPS, Galileo, Glonass) können simuliert werden, aber auch Kombinationen von Konstellationen (z.B. GPS + Galileo + Glonass). Die Testszenarien können länger laufen, ohne an Realitätsnähe zu verlieren. Dadurch eignet sich die zonierte Kammer für die Validierung aller Aspekte des CRPA-Systems einschließlich Strahlformung, Nullsteuerung und SFAP/STAP-Verarbeitung. Azimut und Elevation jedes Satelliten lassen sich realistisch nachbilden und somit Peil- und Antispoofing-Fähigkeiten zuverlässig bewerten. Das Zonenkammer-Konzept wurde 2014 von Spirent unter dem Titel „Over the air GNSS testing using multi-channel generators to create spatially dispersed signals” (USPTO patent no. 8854260) patentiert. ◄ hf-praxis 2/2023 51

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