Bildergalerie
Bild 1: Frequenzspektrum der GNSS-Signale.
Bild 2: Der Universal Receiver Tester für den mobilen Einsatz.
Bild 3: Neuartiges Record- und Playback-Tool für 2-Kanal-Aufzeichnung von RF-Signalen kombiniert mit Video, Audio, GPS und CAN-Signalen.
Bild 4: Simulationsoberfläche einer generierten Fahrroute mit RDS/TMC-basierter Verkehrslagemeldung in Fürstenfeldbruck.
Bild 5: Modularer Aufbau der laborgestützten Validierungsplattform für dynamische Navigationssysteme einschließlich Drehtelleranbindung.

Bis vor nicht allzu langer Zeit wurde die Satellitennavigation häufig mit dem Begriff Global Positioning System (GPS) gleichgesetzt. Im Jahre 2011 ist die Welt der Globalen Navigationssatellitensysteme – kurz GNSS – doch deutlich komplexer und bedeutsamer. Neben den Satelliten des GPS befinden sich aktuell 23 Satelliten des Glonass (Quelle: Russische Weltraumorganisation) im Weltall. Ebenfalls nimmt die Anzahl der Satelliten anderer Systeme stetig zu. Dazu gehören u.a. Galileo und das chinesische Compass.

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Astrium/EADS

Die Einsatzbereiche von Satellitennavigation sind sehr vielfältig und dadurch für den Anwender nicht mehr wegzudenken. Neben dem Einsatz im Automobil oder im Handy wird Satellitennavigation auch in Bereichen eingesetzt, in denen lokale Präzision eine große Rolle spielt. Dazu zählen die Luftschifffahrt, die Wasserschifffahrt, aber auch Bereiche wie Landvermessung und das Militär.

Speziell in den Bereichen, in denen sehr genaue Positionsbestimmungen durch die GNSS-Signale gefordert sind, verbessern sich generell die Möglichkeiten durch Einsatz mehrerer Satellitensysteme. Was viele Endanwender auf ihrem Gerät jedoch nicht sehen, ist die reale Welt der Radiofrequenzen, in der viele verschiedene Quellen Signale aussenden. Dies führt zu einer überladenen Welt, in der die verschiedenen RF-Signale koexistieren müssen. GNSS-Empfänger sind beispielsweise anfällig für Interferenzen, die von verschiedenen Quellen erzeugt werden. Dazu gehören harmonische Oberwellen von FM- und TV-Transmittern, Mobilfunknetze, AM-Transmitter, Service-Transmitter, usw.

Frequenzspektrum von GNSS-Signalen erfassen

Der Universal Receiver Tester für den mobilen Einsatz erfasst in Verbindung mit dem Record- und Playback-Tool zweikanalig die RF-Signale kombiniert mit Video-, Audio-, GPS- und CAN-Signalen. Hilfreich dabei ist eine Simulationsoberfläche zum Generieren einer Fahrroute mit RDS/TMC-basierter Verkehrslagemeldung und der modulare Aufbau der laborgestützten Validierungsplattform für dynamische Navigationssysteme einschließlich Drehtelleranbindung. Schließlich bietet die Universelle Tester-Plattform (UTP) eine skalierbare Lösung, die sich nach Kundenwunsch zusammenstellen lässt.

Um die Auswirkung durch koexistierende Signale und zudem den Einfluss der Atmosphäre reproduzieren zu können, setzen viele Entwickler Aufnahme- und Wiedergabetools ein, die Signale direkt auf HF-Level aufzeichnen und wiedergeben können. Gerade im Bereich der Satellitennavigation und den hochpräzisen Empfängern reicht es aber nicht aus, nur einzelne Frequenzen oder Frequenzbänder aufzuzeichnen. Die wirkliche Position wird aus Signalen verschiedener Frequenzen bestimmt und berechnet. Das Bild 1 verdeutlicht das Spektrum der aktuellen GNSS-Signale:

Nur um das gesamte GPS-Signal, bestehend aus L1-, L2- und L5-Frequenz aufnehmen zu können, ist eine theoretische Bandbreite von etwa 400 MHz notwendig. Eine Alternative bietet nur die Aufzeichnung mit mehreren Kanälen, die jedoch synchronisiert werden müssen.

HF-Aufzeichnung optimiert für den GNSS-Präzisionsmarkt

Noffz bietet im Rahmen der Partnerschaft mit dem kanadischen Unternehmen Averna Inc. den Universal Receiver-Tester (URT) an. Mit diesem Instrument können sowohl Radio-, Video- und GNSS-basierte Broadcast-Signale standardkonform generiert, als auch auf der HF-Ebene aufgezeichnet und wiedergegeben werden.

Das URT-3200 ist dabei speziell auf die Abbildung heutiger Anforderungen für GNSS-Empfänger ausgerichtet. So ist es möglich, das modulare System mit bis zu drei Kanälen auszustatten und parallel jeweils 50 MHz aufzuzeichnen. Die Frequenz ist variabel, so dass sich sämtliche GNSS-Signale aufzeichnen lassen. Durch parallele dreikanalige Aufzeichnung erweitern sich die Testmöglichkeiten signifikant, da es hiermit möglich ist, nahezu alle wichtigen GNSS-Frequenzen parallel aufzuzeichnen und so die Anzahl der Testfälle, die weiterhin im Feld durchgeführt werden müssen, zu minimieren. Die Verzögerung zwischen den Kanälen liegt dabei unter einer Nanosekunde.

GNSS-Signale sind im Vergleich zu anderen RF-Signalen aus dem Bereich Audio- und Video-Rundfunk sehr schwach. Beispielsweise liegt die nominale Leistung für das GPS L1-C/A-Signal bei -130 dBm am Erdboden. Um diese Signale trotzdem in einem hohen dynamischen Bereich aufzeichnen zu können, verwendet der Universal Receiver Tester (Bild 2)  einen Schwachsignalverstärker und einen zusätzlichen Vorverstärker. Durch ein gegen Vibrationen und Störeinflüsse geschütztes Chassis und einer 12 V Versorgungsspannung ist das System durchaus für den mobilen Einsatz, sei es im Fahrzeug, im Schiff oder gar im Flugzeug, geeignet.

Durchgeführte Tests und Analysen zur Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von GPS-Aufzeichnungen zeigen Abhängigkeiten zur aufgezeichneten Bandbreite und generell Unterschiede zwischen einzelnen GPS-Empfängern.

So ist beispielweise die Reaktion der GPS-Receiver auf die einstellbare Bandbreite nicht vergleichbar bei verschiedenen Empfängern. Qualitativ hochwertige GPS-Empfänger, wie beispielsweise der Novatel DL-V3, reagieren empfindlich auf Änderungen der aufgezeichneten Bandbreite. Hier ist die aufgezeichnete Bandbreite antiproportional zur ermittelten Abweichung bei der Positionsbestimmung. Somit macht es gerade bei Präzisionsempfängern Sinn mit hoher Bandbreite aufzuzeichnen.

Bei preisgünstigen Empfängern, die beispielsweise in mobilen Navigationssystemen eingesetzt werden, ist die Abhängigkeit von Abweichung bei der Positionsbestimmung zur aufgezeichneten Bandbreite nur sehr gering. Insofern reicht es bei der Evaluierung dieser Geräte aus, mit geringerer Bandbreite aufzuzeichnen.

HF-Aufzeichnung optimiert für den Automobilbereich

Wie auch in den Tests ermittelt, ist es nicht in allen industriellen Bereichen notwendig, dreikanalig mit Bandbreiten von 50 MHz aufzuzeichnen. Besonders im Automobilbereich, in dem beispielsweise das FM-Band nur eine Breite von 20 MHz hat und zudem für die Ortung nur die GPS L1-Frequenz verwendet wird, kann ein Großteil von Testfällen mit bis zu zwei Kanälen und reduzierter Bandbreite abgedeckt werden. Um außerdem auch den wachsenden Anforderungen bezüglich Transportabilität gerecht zu werden, bietet das Record- und Playback-Tool URT-5120 (Bild 3) eine reduzierte Größe und reduziertes Gewicht. Die RF-Performance ist sowohl für die Aufzeichnung von GPS-Signalen als auch von FM-Phasendiversität und RDS-Switching ausreichend und kann somit für den Test von Navigationseinheiten aber auch für Tunertests eingesetzt werden. Da es im Bereich Infotainment nicht ausreichend ist, nur GPS-Signale aufzuzeichnen, können mit dem RP-5120 auch parallel und synchron zu den RF-Signalen Audio-, Video- und CAN-Signale aufgezeichnet und reproduktiv im Labor wiedergegeben werden. Somit bietet das RP-5120 die Möglichkeit im Feld aufgetretene Fehler der Infotainment-Systeme zur Fehlerbehebung im Labor wiederzugeben. Gerade für Testfahrten in anderen Ländern vereinfacht das System die Fehlerbehebung aufgrund der Reproduzierbarkeit für die Entwickler.

Fahrzeugumfeldsimulation für den Test inertialer Navigation

Die Software NAVASIM ist ein Teil der Navigationsprodukte des Universal Receiver Testers mit dem der Signalempfang von Infotainment- und Navigationssystemen überprüft und charakterisiert werden kann. Dazu werden auf Basis einer gewählten Fahrstrecke und eines dynamischen Fahrzeugmodells, das ein realitätsgetreues Fahrverhalten berechnet, die zur GPS-Position passenden HF-Signale generiert. Hierbei können ergänzend auch RDS/TMC-basierte Verkehrslagemeldungen eingebunden werden, die dann über einen separaten HF-Ausgang an das Navigationssystem gekoppelt werden (Bild 4).

Dadurch, dass der Benutzer selbst die Route sowie Geschwindigkeiten und Haltepunkte einfügen kann, können Einflüsse der Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung überprüft werden.

Immer mehr Navigationssysteme, zum Beispiel im Automobilbereich, verbessern ihre Positionsgenauigkeit durch Datenfusion und den Einsatz inertialer Sensorik mit GPS, CAN und Drehteller. Die Sensorik soll kurzfristig die Genauigkeit im Submeterbereich verbessern. Zu den durch die inertiale Sensorik erfassten Signalen gehören Informationen über Drehbewegungen der Räder, die typischerweise über den CAN-Bus oder als Speed-Impulse an das Navigationssystem übertragen werden. Zusätzlich werden in der Regel Sensoren ins Navigationssystem integriert, die die Drehbewegung des Fahrzeugs erfassen.

Zur Validierung der Genauigkeitsverbesserung durch die Datenfusion können diese Signale parallel und synchron zu den GPS- und TMC-Signalen erzeugt und generiert werden. Dazu stellt die Software Navasim eine API bereit, die für die Erzeugung kundenspezifischer CAN-Signale oder Speed-Impulse genutzt werden kann. Um die Drehbewegungen real und unabhängig von den Herstellern der Navigationssysteme erzeugen zu können, kann ein Drehteller, der äußerst präzise (beispielsweise 0,1° Genauigkeit) und langzeitstabil Drehungen ausführt, angedockt werden.

Die Anbindung der verschiedenen Systeme durch die Noffz ComputerTechnik GmbH wurde bereits mehrfach erfolgreich bei Automobilentwicklern vorgenommen, so dass den Entwicklern ein schlüsselfertiges System für die Validierung inertialer Navigation zur Verfügung gestellt wird.

Für die HF-Signalgenerierung werden Breitbandsignalgeneratoren von National Instruments eingesetzt, die CAN-Signalgenerierung erfolgt über die National Instruments XNET-Karten (Bild 5), die neben CAN-Signalen beispielsweise auch LIN-Signale erzeugen können (siehe auch Bild 3).

Vorteil der Lösung, basierend auf National Instruments PXI-Komponenten, ist die Erweiterbarkeit und die Integrität weiterer notwendiger Signale. So ist es auch dem Kunden möglich, selber weitere eigene Signale, beispielsweise mit Digital- oder Analog-I/O, LVDS oder weitere, hardware- und softwareseitig anzudocken und zu nutzen.

Die Noffz ComputerTechnik GmbH bietet als Systemintegrator und Testhaus Unterstützung bei der Automatisierung von Tests und dem Aufbau entsprechender Systeme, sowohl in der Entwicklung als auch in der Produktion. Dazu liefert die Universelle Tester Plattform (UTP, Bild 6) ein standardisiertes Baukastenprinzip verschiedener Testsysteme und Testarten, die sich beliebig zusammenstellen lassen und sich so an die Bedürfnisse und Testanforderungen des Kunden anpassen lassen. Zusammengefasst bietet die Universelle Tester Plattform Lösungen und Systeme zu den Themen Vision, Haptik, ICT, FKT, Audio, RF-Broadcast, Schnittstellen und weitere.