40-Element-Antennen-Array-System zur Lokalisierung
Die Nutzung neuer Signale für die Lokalisierung und Navigation ist ein aktueller Trend in der Forschung, um z.B. die Genauigkeit und Verfügbarkeit der Lokalisierung in städtischen Umgebungen zu verbessern. Dazu muss der Empfänger die Signalstruktur (sogenannte PRN-Codes und Modulation) der Satellitensignale kennen. Bei Nicht-GNSS-Satellitenmissionen ist diese Information nicht verfügbar und muss mit Hilfe einer hochempfindlichen Antenne geschätzt werden.
Daher wurde im Rahmen eines Forschungs- und Entwicklungsprojekts am Institut DIGITAL ein Konzeptdemonstrator (CD) für ein 40-Elemente-Antennensystem entwickelt, das auf kostengünstigen Software-defined-Radio-Plattformen (SDR) und handelsüblichen Komponenten basiert. Dieser Ansatz hat im Vergleich zu einer Parabolantenne den großen Vorteil, dass eine Rundstrahlantenne mit hoher Verstärkung in der Lage ist, alle Satelliten im Blickfeld zu verfolgen.
Die so genannte "Antennenplattform" besteht aus einem Array von 40 identischen handelsüblichen Low-Cost-GNSS-Antennen, die mit 20 Zweikanal-Low-Cost-SDRs und 20 Low-Cost-PCs zur Datenspeicherung verbunden sind. Alle lose synchronisierten Daten werden in einer einzigen Datenbank gesammelt und gemeinsam mit einem Software-Tool synchronisiert und verarbeitet, das speziell für die Wiederherstellung unbekannter Code-Chipsequenzen entwickelt wurde und auf einem High-End-PC mit einer 32-Kern-CPU läuft. Das System wurde so konzipiert, dass die Chipfehlerrate für die verschlüsselten GNSS-Dienste von GPS, BeiDou und damit auch für Galileo ausreichend niedrig ist - vorausgesetzt, die Satelliten befinden sich oberhalb einer bestimmten Mindestelevation. Um den erreichbaren Gewinn bei niedrig stehenden Satelliten zu erhöhen, wurde ein Kippmechanismus für das Antennen-Array implementiert. Schließlich wurde ein bestehender GNSS-Softwareempfänger aufgerüstet, um die hybride Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitlösung durch die Kombination offener Signale mit den blind getrackten Signalen der Antennengruppe zu implementieren. Zu diesem Zweck wurde eine "Empfängerplattform" gebaut, die aus vier handelsüblichen, kostengünstigen Antennen besteht, die mit zwei kostengünstigen Zweikanal-SDRs und einem handelsüblichen GNSS-Empfänger verbunden sind.
Algorithmen und Software wurden zunächst mit Signalen aus einem GNSS-Simulator verifiziert. Anschließend wurden zahlreiche Experimente durchgeführt, um die Leistung mit den Signalen im Weltraum - insbesondere dem GPS M-Code - zu testen. Das gesamte System wurde durch einen Quervergleich mit Signalen verifiziert, die von einer 2,4 m langen, steuerbaren Parabolantenne erfasst wurden. Dabei zeigte sich, dass die schließlich erzielten Verfolgungsergebnisse (C/N0, Code/Träger-Pseudobereich, etc.) den Erwartungen entsprechen.
Schließlich wurden verschlüsselte M-Code-Signale (unter Verwendung der blind geschätzten Chipsequenzen unseres Systems) als potenzielle unbekannte L-Band-Signale zur Lokalisierung verwendet.
Die Aktivität wurde unter der Koordination von DIGITAL mit den Partnern IGASPIN und Universität der Bundeswehr München durchgeführt.
Dieses Array ermöglicht eine Vielzahl von F&E-Aktivitäten, wie z.B. die Lokalisierung mit Signalen von Gelegenheiten, die Überwachung der Signalqualität, die Peilung, die Strahlformung, Antennen mit kontrolliertem Empfangsmuster. Mögliche zukünftige LEO-Navigations-Satellitensysteme, die im L1-Band senden, können ebenfalls mit diesem System bedient werden. Für die Nutzung anderer Frequenzbänder müssen nur die Antennen und LNAs ausgetauscht werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass auch für diese anderen Satellitensysteme eine zuverlässige Chip-Schätzung durchgeführt werden kann und diese Signale erfasst und verfolgt werden können, z. B. zum besseren Verständnis von BOC-Modulationsverfahren höherer Ordnung.
Fotos: JOANNEUM RESEARCH
