Herausforderungen beim Simulieren realistischer GNSS-Testsignale

Dies hat gegenüber der Nutzung von tatsächlichen GNSS-Live-Signalen einige Vorteile. Bei Verwendung von Live-Signalen können sich die Testbedingungen dauerhaft und unvorhersehbar verändern. Daher ist es sehr unwahrscheinlich, dass zwei aufeinanderfolgende Testläufe unter identischen Bedingungen ablaufen können und damit wiederholbar sind.

Im Zusammenhang mit dem nachgebildeten Testsignal bestehen einige Herausforderungen. Zur realistischen Simulation einer GNSS-Umgebung gehören auch äußere Einflüsse wie Stör- und Interferenzsignale. Das Vorhandensein zusätzlicher Signale wie zum Beispiel LTE kann dann simuliert werden und so lässt sich beurteilen, wie es sich auf den Empfang der GNSS-Signale auswirkt.

Die Bestimmung der Strecke zwischen dem Satelliten und der Empfangsantenne entspricht der Messung, die ein GNSS-Empfänger durchführt, um seine Position zu berechnen. Für eine realistische Simulation müssen die ionosphärischen und troposphärischen Effekte, systembedingte Fehler, Taktfehler und auch unerwartete Fehler bei der Entfernungsmessung berücksichtigt werden. Außerdem müssen verschiedene Klassen von Satellitenorbits (LEO, MEO, GEO und IGSO) einschließlich möglicher Umlaufbahnfehler und Störungen simuliert werden.

Mehrfachkonstellations- und Mehrfrequenz-Szenarien

Um die aktuellen Testanforderungen erfüllen zu können, muss ein GNSS-Simulator Mehrfachkonstellations- und Mehrfrequenz-Szenarien bieten, in denen alle relevanten Systeme und Signale in allen GNSS-Frequenzbändern gleichzeitig simuliert werden. Insbesondere in städtischen Umgebungen werden GNSS-Signale oft durch Gebäude beeinträchtigt. In vielen Fällen muss die Signalabschattung mit einer Mehrwegesimulation kombiniert werden, da die Sichtlinie unter Umständen vollständig versperrt ist und der Empfänger ausschließlich die Mehrwegekomponenten verarbeitet.

Viele Testabläufe erfordern die Simulation eines beweglichen Empfängers unter Berücksichtigung der Fahrzeuglageinformationen. Wenn der Empfänger in Bewegung mit hoher Signaldynamik ist, muss der GNSS-Simulator Szenarien unterstützen, in denen der simulierte Benutzer hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ausgesetzt ist.

Um das Verhalten des Empfängers in einem Mehrwegeszenario zu testen, bietet ein GNSS-Simulator typischerweise verschiedene Möglichkeiten zur Simulation derartiger Einflüsse, etwa ein gedämpftes Verzögerungsglied oder bodenbasierte Mehrwegemodelle, statistische Kanalmodelle oder deterministische Mehrwegemodelle.

Signalerzeugung für GNSS-Tests im Einstiegssegment

Wenn GNSS-Wellenformen für grundlegende Empfängertests benötigt werden, brauchen die Entwickler lediglich einen Signalgenerator und eine Software, die GNSS-Wellenformen erzeugen. Dieser Ansatz ist ideal zur Schaffung einer grundlegenden und kostengünstigen Einkanal-Testumgebung. Wenn zum Beispiel bereits ein Signalgenerator von Rohde & Schwarz genutzt wird, kann dieser mit der PC-basierten Software R&S WinIQSIM2 in einen GNSS-Simulator der Einstiegsklasse verwandelt werden. Dieser eignet sich zur Überprüfung der Erfassungs- und Nachverfolgungsfähigkeiten und für grundlegende Empfindlichkeitstests. Die Software unterstützt eine Vielzahl von Rohde & Schwarz-Signalgeneratoren.

GNSS-Signalsimulation für Tests in der Produktion

Für GNSS-Tests in der Produktion müssen Hersteller die spezifischen Anforderungen für Tests von GNSS-Chipsätzen berücksichtigen. Außerdem müssen Produktionstests geschwindigkeitsoptimiert sein. Bei derartigen Tests müssen der grundlegende Empfang des GNSS-Signals und die Verbindung zwischen Antenne und GNSS-Chipsatz überprüft werden. Für diese Aufgaben wird ein Vektorsignalgenerator benötigt. Dieser erzeugt GNSS-Signale für Tests mit einem oder mehreren Signalen. Die GNSS-Software muss GNSS-Signale verschiedener Systeme wie GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo oder QZSS/SBAS mit einem Satelliten pro System liefern.

Der Benutzer muss dabei die Satelliten unabhängig voneinander aktivieren und spontane Pegeländerungen vornehmen können. Auf diese Weise können unabhängige Empfindlichkeitstests für jedes System zugleich durchgeführt werden. Darüber hinaus muss die Software anpassbare Navigationsdateninhalte und Geschwindigkeitsprofile bieten, um die vom Empfänger handhabbare maximale Signaldynamik zu überprüfen. Auch CW-Signale für einfache Interferenztests müssen erzeugt werden können.

GNSS-Simulatoren für die Mehrfrequenzempfängercharakterisierung

Um die Leistungsfähigkeit von GNSS-Empfängern zu charakterisieren, müssen deren Grundfunktionen unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen getestet werden. Typischerweise werden Tests durchgeführt zur Kontrolle der Zeit bis zur ersten Positionsbestimmung, der Erfassungs- und Verfolgungsempfindlichkeit, der Zeit bis zur erneuten Erfassung und der Fähigkeit zur Bereitstellung einer präzisen Positionsbestimmungslösung. Derartige Tests der Positionsgenauigkeit werden meist mit statischem oder sich bewegendem Empfänger durchgeführt. Neben diesen Standardtests muss oft auch die Funktion des Empfängers unter Sonderbedingungen oder in spezifischen Umgebungen getestet werden, etwa mit Interferenzen oder in Mehrwegeumgebungen oder unter Einfluss atmosphärischer Effekte und dynamischer Beanspruchungen.

Ein Vektorsignalgenerator muss eine Vielzahl von GNSS-Optionen bieten, damit er zu einer voll funktionsfähigen, zuverlässigen GNSS-Signalquelle wird. Er muss hochmoderne Simulationsfunktionalitäten bieten, um realistische und komplexe GNSS-Szenarien zu konfigurieren, die zu jeder Zeit reproduzierbar sind und unter kontrollierten Bedingungen ausgeführt werden können. Dazu zählen die wirklichkeitsgetreue Modellierung von GNSS-Orbits, Signalausbreitungseffekten und Systemfehlern sowie die realistische Nachbildung der Anwenderumgebung.

Typischer Funktionsumfang eines GNSS-Simulators der Mittelklasse:

• geeignet für Mehrfachkonstellations- und Mehrfrequenz-GNSS-Szenarien
• Unterstützung von GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo, NavIC, SBAS und QZSS, einschließlich GPS P-Code
• gleichzeitige Signalerzeugung in den Frequenzbändern L1, L2 und L5 mit bis zu 102 GNSS-Kanälen
• Unterstützung von Szenarien mit Bewegung einschließlich der externen Zuspielung von Bahnverläufen in Echtzeit für Hardware-in-the-Loop-Anwendungen
• Konfiguration realistischer GNSS-Szenarien einschließlich Abschattung, Mehrwegesituationen, Antenneneffekten, Antenneneigenschaften und Fahrzeuglageinformationen
• integrierter Rausch- und CW-Störsignalgenerator
• Unterstützung verschiedener Avionik-Standards (ILS/VOR/DME/GBAS) in einem einzigen Messgerät
• automatisierte GNSS-Funktionstests für eCall- und ERA-GLONASS-Module

GNSS-Signalsimulatoren für High-End-GNSS-Tests

Wenn aufwändigere, komplexere und anspruchsvollere GNSS-Tests gefordert sind, ist ein High-End-Vektorsignalgenerator unerlässlich. Typische Anwendungen für GNSS-Signalsimulatoren im High-End-Bereich sind die Charakterisierung von Mehrfrequenzempfängern und auch RAIM-Tests (RAIM: Receiver Autonomous Integrity Monitoring).

Darüber hinaus sollten Anwendungen mit mehreren Antennen wie Nulllinienbestimmung oder Strahlenbündelung unterstützt werden, damit CRPA-Antennen (Controlled Reception Pattern Antennas), die Lagenbestimmung sowie die Mehrwege-Richtungsbestimmung getestet werden können.

Ein GNSS-Simulator der Oberklasse muss zudem auch für komplexe Interferenzsimulationen nutzbar sein, um die Widerstandsfähigkeit des Empfängers bei Störsendungen oder Manipulationsversuchen zu testen. Auch Koexistenztests mit anderen drahtlosen Kommunikationssignalen sind eine typische Anforderung.

Gleichzeitig Signale von allen wichtigen GNSS-Konstellationen und Frequenzbändern simulieren

Das bedeutet, dass ein High-End-GNSS-Simulator in der Lage sein muss, gleichzeitig Signale von allen wichtigen GNSS-Konstellationen und Frequenzbändern zu simulieren. Es muss einen umfassenden Satz an Konfigurationsparametern geben, um möglichst realistische Szenarien zu gewährleisten. Die GNSS-Simulationssoftware muss es den Benutzern gestatten, auch komplexe GNSS-Szenarien einfach und effizient zu konfigurieren, überwachen und interaktiv zu steuern.

Der High-End-Signalgenerator muss alle GNSS-Signale in Echtzeit generieren und dabei alle wichtigen Merkmale der Signalausbreitung und Benutzerumgebung und die Systemeigenschaften berücksichtigen, zum Beispiel Umlaufbahn- und Taktfehler, troposphärische und ionosphärische Effekte, Signalabschattung und Mehrwegesituationen sowie die Antennenverstärkung und Phasenmuster. Außerdem muss eine Simulation der Fahrzeugbewegung und der Fahrzeuglage möglich sein. Auch Pseudostrecken-Stufen und -Rampen für RAIM-Tests werden benötigt.

Anforderungen an GNSS-Simulatoren der Oberklasse

GNSS-Simulatoren im High-End-Bereich unterstützen alle GNSS-Systeme und können Signale in verschiedenen GNSS-Frequenzbändern gleichzeitig generieren.

Sie simulieren mehrere Störeinflüsse. Dies beinhaltet die Generierung von CW-Störungen und Signalen für andere digitale Standards wie LTE oder auch von Puls- oder Störsignalen mit einem internen Rauschgenerator.

Für Tests mit mehreren Antennen benötigt der GNSS-Simulator mindestens zwei HF-Ausgänge. Für weitere HF-Ausgänge muss es möglich sein, mehrere Messgeräte zu kombinieren und zusammen zu nutzen. Auf diese Weise können phasenkohärente GNSS-Signale erzeugt werden und es sind komplexe Testaufgaben wie CRPA-Tests möglich.

High-End-GNSS-Simulatoren müssen sich einfach in große Testsysteme und in Hardware-in-the-Loop-Szenarien integrieren lassen. Vollständige Fähigkeiten zur Synchronisierung von Auslösern, Markern und Messgeräten sind dabei hilfreich.

Hochpräzise Tests

Für hochpräzise Tests benötigen Hersteller High-End-Messgeräte, doch in den meisten Fällen kann zum Testen von GNSS-Empfängern ein Universal-Vektorsignalgenerator in Kombination mit spezifischen GNSS-Softwareoptionen genutzt werden. Rohde & Schwarz bietet zum Beispiel Software und Signalgeneratoren für GNSS-Tests auf allen Qualitätsniveaus an. (neu)