Die Forschungsgruppe Signale und Systemperformanz beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit dem Design neuer Signale und Modulationsverfahren für zukünftige Generationen von Satellitennavigationssystemen und mit der Analyse der Qualität und der Performanz von Signalen von schon existierenden Systemen.
Zuverlässige Navigation ist aus unserem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Hunderte von Anwendungen benutzen Satellitennavigation bis hin zu sicherheitskritischen Anwendungen wie Flugzeuglandungen bei Sichtweiten bis zu 0 Metern. In diesem Zusammenhang ist es besonders wichtig die Zuverlässigkeit und Qualität der Navigationssignale zu überwachen und Fehler zeitnah zu detektieren und diese Informationen den Anwendungen zur Verfügung zu stellen.
Monitoring
Aus diesem Grund wird aktuell am DLR ein System zum Monitoring von Satellitensignalen aufgebaut, das in der Lage ist zum einen die aktuelle Performanz der Satellitensysteme zu ermitteln, sowie Abweichungen vom nominellen Zustand der genutzten Satelliten zu erkennen, diese zu analysieren und gegebenenfalls Warnungen zu verteilen. Zu diesem Zweck betreibt das DLR eigene weltweit verteilte Bodenstationsnetzwerke (EVNet, Congo), um diese als zuverlässige Datenquelle zur Verfügung zu stellen. Aber auch Daten aus anderen Empfängernetzwerken, wie IGS (engl. „International GNSS Service“), werden für die Signalüberwachung genutzt.
Diese Aktivitäten betreffen im Besonderen die Arbeiten zum Aufbau und der Etablierung des europäischen Navigationssystems Galileo, aber auch die schon etablierten Systeme GPS und Glonass, sowie das ebenfalls im Aufbau befindlichen chinesische System BeiDou.
Bei der Auswertung der Performanz auf Systemebene werden sowohl sogenannte Schlüssel-Indikatoren (engl. „Key Performance Indicators“ KPIs) berechnet, als auch erweiterte Metriken, die zusätzliche Informationen über die Qualität der Signale für den Nutzer beinhalten. Diese Informationen sind nicht nur gewinnbringend für den Nutzer, sondern können auch als Basis dienen das System und dessen Komponenten zu charakterisieren. In diesem Zusammenhang kann man z.B. die am Boden ermittelte Empfangsleistung in Kombination mit der Position von Satellit und Beobachter dazu nutzen, um das Antennenstrahlungsdiagramm der Satellitenantenne zu rekonstruieren und damit zu validieren.
Momentan wird daran gearbeitet mittels maschinellen Lern- und Analysemethoden automatisierte Prozesse zur Detektion von Abweichungen bzw. Fehlern in den Navigationssignalen und – daten zu erkennen und den Nutzer darüber zu informieren.
Signalanalyse & Verifikation
Ein weiterer Schwerpunkt der Gruppe ist die Verifikation und hochpräzise Analyse der Signalqualität einzelner Navigationssatelliten. Ein Kernelement für die Arbeiten ist die 30m Hochgewinnantenne der DLR-Bodenstation in Weilheim, die vom Deutschen Raumkontrollzentrum (engl. „German Space Operation Center“ GSOC) betrieben wird. 2005 rüstete das Institut für Kommunikation und Navigation die große Antenne mit einem neuen hochmodernen Messsystem aus und untersucht seit dem kontinuierlich Satelliten globaler Navigationssysteme wie GPS, GLONASS und COMPASS/BeiDou. Das DLR unterstützt dabei auch die ESA bei der Entwicklung und Installation des Europäischen Satellitennavigationssystems Galileo.
Zusätzlich unterstützen wir die Forschungsgruppe „Visuelle und Terrestrische Augmentierung“ in der Modellierung von aufgetretenen Fehlern im Satellitensignal und der Beurteilung von deren Auswirkungen auf den Nutzer bzw. die Anwendung.
Signaldesign
Neben der permanenten Analyse der Qualität und Performanz von Satelliten im Orbit und ganzen Konstellationen, arbeiten wir auch an Visionen für die Zukunft. Aus diesem Grund entwickeln wir neue Signal-Designs, um die Nutzbarkeit von Satellitennavigation weiter zu verbessern und deren Anwendungen präziser, schneller, zuverlässiger und sicherer zu machen.
Als Schnittstelle zwischen Satellitensegment und Endnutzer muss ein Navigationssignal zahlreiche Anforderungen erfüllen, darf dabei aber nur etwa mit der Leistung einer Glühbirne vom Satelliten abgestrahlt werden. Um dennoch Synchronisationsgenauigkeit von wenigen Nanosekunden und hohe Datenraten zu erzielen, sind vor allem breitbandige Signale erforderlich. Mit Hilfe mathematischer Methoden der Detektions- und Schätztheorie werden optimale Signale und neuartige Modulationstechniken entwickelt, um die kostbaren Ressourcen Leistung und Bandbreite möglichst effizient zu nutzen. Dabei müssen auch Randbedingungen eingehalten werden wie Abwärtskompatibilität, oder Robustheit der in der Theorie entworfenen Signale gegen Störeinflüsse wie Mehrwegeausbreitung oder Empfängergruppenlaufzeit. Diese Vielzahl an Zielvorgaben in Einklang zu bringen, ist Aufgabe des Signaldesign für GNSS.
Die Arbeitsgebiete im Überblick:
Aufbau und Betrieb von Messeinrichtungen für die Satellitennavigation
Überwachung/Monitoring und Analyse der Systemperformanz von Navigationssystemen
Hochpräzise Vermessung und Analyse der Nutzlasteigenschaften und Signalqualität einzelner Navigationssatelliten mittels Hochgewinnantennen
Design und Analyse neuer Signale und Modulationsverfahren für zukünftige Generationen von Satellitennavigationssystemen
Interferenzuntersuchungen im Umfeld der Satellitennavigation
Unterstützung von Projekten und Anwendungen zur Nutzung von Satellitensignalen für die Erdbeobachtung und Fernerkundung
EvNet - Globales Netzwerk aus GNSS Empfangsstationen
Dieses globale Netzwerk von Bodenstationen zum Monitoring von Satellitensignalen ist in der Lage, zum einen die aktuelle Performanz der Satellitensysteme zu ermitteln, sowie zum anderen Abweichungen vom nominellen Zustand der genutzten Satelliten zu erkennen, diese zu analysieren und gegebenenfalls Warnungen zu verteilen.
Ein Kernelement bei der Verifikation und hochpräzisen Analyse der Signalqualität einzelner Navigationssatelliten ist die 30m Hochgewinnantenne der DLR-Bodenstation in Weilheim, die vom Deutschen Raumkontrollzentrum (engl. „German Space Operation Center“ GSOC) betrieben wird. 2005 rüstete das Institut für Kommunikation und Navigation die große Antenne mit einem neuen hochmodernen Messsystem aus und untersucht seit dem kontinuierlich Satelliten globaler Navigationssysteme wie GPS, GLONASS und COMPASS/BeiDou.
