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Verifikation von Satellitensignalen globaler Navigationssysteme

30m Antenne des DLR in Weilheim

Das Institut für Kommunikation und Navigation betreibt zusammen mit dem DLR-Raumflugbetrieb eine Verifikationseinrichtung für Satellitensignale.  Mit Hilfe dieser Einrichtung können die Signale von Navigationssatelliten (z.B. der Systeme: Galileo, GPS, GLONASS, COMPASS,…) mit höchster Genauigkeit empfangen und analysiert werden.

Infolge der geringen abgestrahlten Signalpegel von Navigationssatelliten und der großen Entfernung zwischen Erdboden und Satellit (über 20000 km) benötigt man für die hochgenauen Untersuchungen der vom Satelliten abgestrahlten Signale eine Antenne mit sehr kleinem Öffnungswinkel und hohem Empfangsantennengewinn. Dem DLR steht mit einer 30m-Spiegelantenne an der Bodenstation bei Weilheim eine solche in Deutschland und Europa nur selten zu findende Einrichtung zur Verfügung. 

Auf Basis der analysierten Messdaten lassen sich Anomalien der Signale gegenüber den veröffentlichten Spezifikationen erkennen, ursächliche Effekte herausarbeiten, deren Auswirkungen auf die zukünftigen Navigationsdienste abschätzen und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen erarbeiten.

Die 30m Hochgewinn Antenne:

In den frühen 70er Jahren wurde in der Nähe von Weilheim eine 30m Spiegelantenne für die Weltraummission HELIOS A/B erbaut. HELIOS war die erste gemeinsame interplanetare Mission zwischen Deutschland und den USA und begann 1974. In der Folgezeit wurde die Antenne für viele weitere Weltraummissionen genutzt wie zum Beispiel Giotto, AMPTE oder Equator-S. Die beeindruckende Antenne ist vom Cassegrain Typ und besitzt im für die Navigation wichtigen L-Band einen Antennengewinn von ca. 50dB und eine sehr schmale Antennenkeulenbreite von unter 0.5°.

Das Messsystem:

Hochempflindliche Messeinrichtung mit Breitbandfeed und Signalanalysator

Die von der 30m Antenne und dem neu entwickelten zirkular polarisierten Feed empfangenen Signale durchlaufen zunächst einen rauscharmen Verstärker (engl. „Low Noise Amplifier“) und folgendem komplexen Messsystem. Der Messaufbau bietet sowohl die Möglichkeit das Signal durch verschiedene Filter zu leiten um Störungen außerhalb des Bandes zu unterdrücken, als auch das System online zu kalibrieren, was für eine präzise Signalauswertung essentiell ist. Die Signale werden von einem Vektor Signal Analysator aufgezeichnet und in einer Datensicherungseinheit gespeichert und für die Signalverarbeitung bereit gestellt. 


Aktuelle Signalanalysen:

Mitarbeiter des DLR untersuchen nicht nur die Satelliten des zukünftigen Europäischen Navigationssystems Galileo (GIOVE A/B, IOV und FOC), sondern auch andere aktuelle oder im Aufbau befindlichen Satellitennavigationssysteme wie z.B. GPS, GLONASS und COMPASS.

GLONASS:

Am 26. Februar 2011 startete die russische Raumfahrtbehörde den ersten Satelliten der neuen GLONASS-K Generation. Mit Hilfe dieses neuen Satelliten ist GLONASS erstmals in der Lage ein CDMA Signal zusätzlich zu den traditionellen FDMA Signalen für die Nutzer zu senden. Dieses neue CDMA Signal wird im L3 Frequenzband mit einer Zentralfrequenz von 1202.025 MHz abgestrahlt und dient vorerst nur für Versuchszwecke. Es ist geplant, dass weitere CDMA Signale auf den Frequenzbändern L1, L2 und später auch auf L5 für die Navigation abzustrahlen, um interoperabel mit GPS und Galileo zu sein.

Gemessenes Spektrum und Zeitsignal des GLONASS L3 Signals

GPS:

Ende März 2009 startete ein neuer GPS Typ: Satelliten IIR-20M. Dieser strahlte zum ersten Mal das neue GPS L5 Signals ab, welches das Institut intensiv untersuchte.

Gemessenes Spektrum und Zeitsignal des GPS L5 Signals

Galileo:

GIOVE-B

Im Frühjahr 2008 unterstütze das DLR die ESA beim "In Orbit Test" des zweiten Galileo Testsatelliten GIOVE B mit hochgenau kalibrierten Messungen. Der Fokus liegt dabei nicht nur auf dem Nachweis der korrekten Funktion des Satelliten nach dem Start, sondern auch auf der Analyse seiner Langzeitstabilität. 

Das neue GIOVE-B L1 CBOC Signal (Spektrum, IQ Diagramm, Zeitsignal)

GIOVE-A

Das Institut für Kommunikation und Navigation hat Anfang 2006 als eine der ersten Einrichtungen weltweit die Signale des Navigationssatelliten GIOVE-A mit höchster Genauigkeit empfangen und analysiert.

Das GIOVE-A L1 Signal nach dem Start des Satelliten

Mit Hilfe der gewonnenen Mess- und Analyseergebnisse konnten bereits Imperfektionen der Signalsender von GIOVE-A infolge Dispersion und Nichtlinearitäten herausgearbeitet und Gegenmaßnahmen vorgeschlagen werden. U.a. diese Ergebnisse haben mittlerweile zu Anpassungen der Signalsender durch die ESA und damit der Optimierung des zukünftigen europäischen Navigationssystems Galileo beigetragen.

Das GIOVE-A L1 Signal nach Optimierung des Signals