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Real-World-Tests

Simulation von Satellitensignalen

12. März 2013, 14:49 Uhr | Markus Lörner, Produktmanager Signalgeneratoren Rohde & Schwarz

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Licht und Schatten

In städtischer Umgebung erhalten GNSS-Empfänger die Signale selten direkt. In der Regel werden die Signale durch Effekte wie Abschattungen und Mehrwegeausbreitungen verändert. Um die Qualitäten eines GNSS-Empfängers realistisch in einer Stadtumgebung simulieren zu können, müssen diese besonderen Effekte möglichst realistisch nachgestellt werden.

Abschattungen können durch Gebäude, Bäume, Fahrzeuge oder andere Objekte entstehen. Die Simulation von vollständiger Abschattung ohne Reflexionen, Obscuration genannt, erreicht man durch Anwendung eines Elevation- und Azimut-Filters auf alle Satelliten des kompletten GNSS-Signals mit. Die Eigenschaften des Filters bestimmen sich aus den geometrischen Gegebenheiten der zu simulierenden Umgebung. Dabei sind in der Simulation für jeden Satelliten einzeln der Einfallswinkel und die Einfallsposition zum Empfänger zu bestimmen und mit den Objekten um den Empfänger abzugleichen, die die Abschattung hervorrufen.

Da sich die Satelliten auf ihren Umlaufbahnen bewegen, muss dieser Abgleich fortlaufend ausgeführt werden. Je höher dabei die Updaterate inklusive der Abschattungsberechnung ist, umso realistischer ist das erzeugte Signal für den Empfänger. Für die Simulation der Effekte ist eine Updaterate von 1 Hertz in der Regel vollkommen ausreichend, da die Änderung des Einfallswinkels der Satelliten deutlich kleiner als 1 Grad pro Minute ist. Die Berechnung des Abschattungsfilters ist bei einem statischen Empfänger eindeutig, wenn alle Effekte rund um den simulierten Ort einbezogen werden. Im Simulator bildet man die Objekte auf einen Kreis um den Empfänger ab und überlagert diesen Filter mit den Einfallswinkeln der Satelliten. Simuliert man dagegen einen bewegten Empfänger, ist die Situation komplexer. Die Objekte und der daraus resultierende Filter verändern sich laufend. Idealerweise verfährt man wie bei dem statischen Fall, aber durch die Bewegung muss der Filter über die Zeit laufend angepasst werden. Zur Vereinfachung verwendet man deshalb häufig bei der Simulation von Abschattungen bei einem sich bewegenden Empfänger nur Objekte rechts und links der Bewegungsrichtung.

Eine wichtige Kenngröße ist hierbei die Updaterate im GNSS-Simulator, um die Effekte realistisch abbilden zu können. Während im Fall des statischen Empfängers die Updaterate größer als 1 Hz bereits ausreichend ist, muss man beim bewegten Empfänger auch die Veränderung durch dessen Geschwindigkeit berücksichtigen. Die Updaterate der Simulation muss größer sein als das Verhältnis aus Geschwindigkeit zu Länge des Objektes, um bei der Simulation alle Effekte abzubilden. Ein Beispiel: Geht man von einer maximalen Geschwindigkeit von 100 Meter pro Sekunde aus, kann man mit einer Updaterate von 100 Hertz noch den Einfluss eines Objektes von mindestens 1 Meter simulieren.

Abschattung ist nur ein Effekt, den Gebäude verursachen. Ebenso muss die Mehrwegeausbreitung der einzelnen Satellitensignale berücksichtigt werden, die durch Reflexionen an unterschiedlichen Objekten wie Hausfassaden aus Glas oder Beton hervorgerufen wird. Jedes Signal hat dabei ganz unterschiedliche Bedingungen, da der Signalpfad jeweils anders läuft. Es können vier verschiedene Szenarien auftreten: