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Grundlagen SDR und

Grundlagen SDR und GPS/GNSS – ein überzeugendes Konzept Dieser Artikel befasst sich mit GPS/GNSS und damit, wie SDR hier vorteilhaft eingesetzt werden kann. schen der Satellitenantenne und der Antenne des Empfängers verwendet wird. Bei der gebräuchlichsten GNSS-Empfängerarchitektur gibt es Einfrequenz- und Mehrfrequenzempfänger (d.h. Empfänger, die PNT-Signale von verschiedenen GNSS-Konstellationen empfangen können), wie in Bild 1 dargestellt. Quelle: Software Defined Radio Use Case for GPS/GNSS www.everythingrf.com/ community/sdr-use-cases-1- gps-gnss Per Vices Team, November 2021 Es wird erörtert, wie Software Defined Radios (SDR) die Funkkommunikationsfähigkeiten von Global Positioning Systems (GPS) und Global Navigation Satellite Systems (GNSS) bereitstellen und wie die verschiedenen von den Satellitenkonstellationen stammenden Signale genutzt werden. Der Grund dafür: Mit der zunehmenden Zahl von Satellitenkonstellationen in der Erdumlaufbahn wird die Aufrechterhaltung der Funkkommunikation zu einer besonderen Herausforderung. Was ist GPS/GNSS? GNSS bezieht sich auf jede Satellitenkonstellation, die Positionierungs-, Navigations- und Zeitinformationen (PNT) für Nutzer auf der Erde bereitstellt. Ein Beispiel ist GPS, ein marktführender funkgestützter PNT- Dienst, der für militärische und zivile Zwecke entwickelt wurde. Es gibt weitere GNSS-Konstellationen wie BeiDou, Galileo, Glonass, NavIC und QZSS. Die Verwendung mehrerer Satellitenkonstellationen und -bänder erhöht die Genauigkeit, Redundanz und Verfügbarkeit. Das International Committee of GNSS Provider‘s Forum hat Anstrengungen unternommen, um GNSS-Dienste unter Verwendung von L1C-Signalen interoperabel zu machen und die Empfängerkosten für die Endnutzer sowie die Komplexität zu verringern. Jeder GPS-Satellit in der Konstellation ist mit einer Reihe von Atomuhren ausgestattet, um eine hochpräzise Zeit zu gewährleisten. Dies trägt zur Aufrechterhaltung der Referenzuhr und der Synchronisation bei, die für die Übertragung/den Empfang verschiedener Entfernungs-Codes und Navigationsmeldungen erforderlich sind. Was sind GNSS-Empfänger? Was tun sie? Man benötigt einen speziellen GNSS-Empfänger, um die von den GPS-Satelliten gesendeten Funksignale zu interpretieren. Es werden fortschrittliche Algorithmen angewandt, um den aktuellen Standort (z.B. Breitengrad, Längengrad) aus den Signalen zu bestimmen. Die Informationen, die ein solcher Empfänger liefert, können für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden. Die meisten davon beruhen auf der Navigationslösung des Empfängers, d.h. der vom Empfänger berechneten Position, Geschwindigkeit und Zeit. Heutzutage sind die Empfänger auf miniaturisierte Plattformen, Chipsätze, Mikroprozessoren, integrierte Chips, FPGAs und Handheld-Geräte ausgedehnt worden einschließlich der Integration in die meisten Mobiltelefone. Jeder GPS-Satellit sendet einen einzigartigen Pseudo-Random- Noise-Code (PRN) aus, der zur Schätzung der Entfernung zwi- Viele Chipsätze und Module unterstützen derzeit mehrere Satellitenkonstellationen, die eine bessere Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit von Signalen in städtischen Umgebungen bieten, in denen es häufig zu Signalbehinderungen kommt. Die GNSS-Empfänger führen kontinuierlich Schätzungen und Korrekturen durch, hauptsächlich für drei beobachtbare Parameter: Die Code-Verzögerung quantifiziert den Versatz zwischen der lokalen PRN-Code- Replik im Empfänger und dem eingehenden PRN-Code im Funksignal des Satelliten. Carrier Phase misst die scheinbare Entfernung zwischen Satelliten und Empfänger auf der Grundlage der zirkularen Polarisation der elektromagnetischen Signale. Die Dopplerverschiebung spiegelt die relative Bewegung zwischen der Antenne des Satelliten und der Antenne des Empfängers wider, zuzüglich eines gemeinsamen Offsets, der proportional zum Taktfrequenzfehler des Empfängers ist. Wofür werden GNSS-Empfänger verwendet? Die GPS-Funknavigation wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, darunter: • Transportwesen Verfolgung von rollendem Material, Lokomotiven und Waggons, Wartungsfahrzeugen, Streckenausrüstung usw. • Luftfahrt an Bord von Flugzeugen zum Austausch genauer Positions- 20 HF-Einkaufsführer 2022/2023

Grundlagen Bild 1: Mehrkonstellations- und Mehrfrequenzempfänger daten mit der Flugsicherung am Boden, auf Flughäfen, um Start, Anflug und Landung von Flugzeugen zu unterstützen • Telekommunikation zur Ortung entfernter Anlagen, für Außendienstmitarbeiter und zur Durchführung von Tests zur Verbesserung der Netzabdeckung sowie zur Zeitsynchronisation • Verteidigung zur Navigation von Drohnen/ UAVs, die bei der militärischen Überwachung/Aufklärung und im Kampf eingesetzt werden, sowie u.a. zur Steuerung von Raketen Was sind GNSS- Erweiterungssysteme? GPS-Signale sind anfällig für verschiedene Arten von Fehlern. Während die Fehlerkorrektur in Echtzeit mithilfe bekannter bodengestützter Referenzstationen üblich ist, könnte die absolute oder relative Genauigkeit der Positionsdaten weiter verbessert werden. Zu diesem Zweck werden die folgenden Kategorien von Erweiterungsdiensten angeboten: Informationserweiterung durch ein bodengestütztes Verfolgungsnetz, das Signalfehlerkorrekturen und Integritätsinformationen berechnet. Anschließend HF-Einkaufsführer 2022/2023 werden die Daten über das Internet oder über Satellitenkommunikationskanäle an die Nutzer übertragen. Die Signalerweiterung hingegen bezieht sich auf Systeme, die zusätzliche Entfernungssignale liefern, um die bereits vom GPS gelieferten Signale zu ergänzen. Die Internationale Zivilluftfahrt- Organisation ICAO unterscheidet zwischen satellitengestützten (SBAS) und bodengestützten Systemen. Die verschiedenen Arten von Augmentierungssystemen werden für unterschiedliche Zwecke eingesetzt (Bild 2). Erweiterungsdienste bieten differenzielle GPS-Korrekturen (DGPS) und Integritätsprüfungen in der Nähe von Flughäfen, die nicht über ein Instrumentenlandesystem (ILS) verfügen. Der Wide Area Augmentation Service beispielsweise ist ein Navigationshilfsmittel zur Verbesserung der Genauigkeit, Integrität und Verfügbarkeit von GPS. Er ermöglicht es Flugzeugen, alle Flugphasen sicherer zu durchfliegen. Der Local Area Augmentation Service ist ein Allwetter-Landesystem, das auf DGPS-Korrekturen basiert, die über omnidirektionale VHF- Datenübertragung in kritischen Gebieten für das Terminal-, Anflug- und Landesegment der Flugroute bereitgestellt werden. Andere Länder haben ihre eigenen Ergänzungssysteme, wie z.B. China BDSBAS, Europa EGNOS, Russland SDCM, Indien GAGAN, Japan MSAS, Kanada CDGPS, Australien SouthPAN, Südkorea KASS und Afrika ASECNA. Wie werden GNSS- Leistungskennzahlen bewertet? Die Zivilluftfahrt hat Anforderungen an GNSS in Form von RNP-Normen (Required Navigation Performance) aufgestellt. Sie umfassen: • Genauigkeit Diese wird ausgedrückt in NVE als Differenz zwischen der tatsächlichen Position des Flugzeugs und der von der GPS-Ausrüstung in der Luft gelieferten Position. SBAS stellt die Einhaltung der Genauigkeitsanforderungen sicher, indem es dem Nutzer Korrekturen der Satellitenbahn- und Taktfehler sowie der ionosphärischen Ausbreitungsfehler zur Verfügung stellt. • Integrität Diese wird ausgedrückt durch den User Differential Range Error (UDRE), die Kovarianzmatrix der Uhrenephemeriden und den Ionosphären-Vertikalfehler (GIVE). Der Dual Frequency Range Error (DFRE) ist ein kritischer Parameter bei SBAS. • Kontinuität Diese wird ausgedrückt in der Wahrscheinlichkeit, dass die Betriebsleistung über einen bestimmten Zeitraum aufrechterhalten wird. Es ist die Fähigkeit des Gesamtsystems, seine Funktionen ohne Unterbrechung während des vorgesehenen Betriebs zu erfüllen. • Verfügbarkeit Diese wird ausgedrückt als prozentualer Anteil der Zeit, in der die GPS-Dienste innerhalb des festgelegten Abdeckungsbereichs für den Navigator nutzbar sind. Sie ist abhängig von den physikalischen Eigenschaften der Umgebung und den technischen Möglichkeiten der Sender. Und wie passt ein SDR in ein GNSS? Da SDR-Geräte den Empfang von Funksignalen unterstützen können, die von jeder GNSS-Konstellation stammen, sind sie flexibel genug, um für den Aufbau eines Empfängers mit mehreren Konstellationen verwendet zu werden. Was ist software-definierter Funk? Eine SDR-Plattform, wie die in Bild 3 gezeigte, ist ein Funkkommunikationssystem, bei dem Software viele Funktionen wie Mischen, Filtern, Modulation usw. übernimmt, die traditionell in analoger Hardware stattfanden und jetzt mit digitalen Komponenten und eingebetteter System-on-a-Chip-Technologie ausgeführt werden. Sie bietet eine längere Lebensdauer der Geräte und Anpassungsfähigkeit an sich ändernde GPS/ GNSS-Übertragungsverschlüsselungsstandards, Wellenformen, Protokolle und mehr. SDR kann man sich als programmierbare Hardware vorstellen, die auf kostengünstigen Mehrzweckprozessoren, verschiedenen Mikrowellen-Chips und FPGAs aufgebaut ist. Das System enthält ein Radio Frontend (RFE) für eine breite Bandbreitenabdeckung und ein digitales Backend für die Verarbeitungsfunktionen. 21