Simulation von Navigationssystemen

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Abstract.doc14.05.2002 00:00:0028 KB
Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit Entwurf, Aufbau und Bewertung eines Satellitennavigationssimulators sowie dessen Anwendung zur Untersuchung relevanter Fragestellungen bei der Beurteilung bestehender und der Auslegung neuer Satellitennavigationssysteme. Insbesondere werden die Probleme bei der Verwendung konventioneller Simulationstechniken aufgezeigt und analysiert sowie neuartige Lösungsansätze vorgeschlagen. Der aus diesen Überlegungen resultierende Satellitennavigationssimulator wird dazu verwendet, sowohl GPS als auch das geplante europäische Satellitennavigationssystem Galileo zu untersuchen und zu bewerten. In den Kapiteln 2 bis 4 dieser Arbeit werden Entwurf und Aufbau eines neuartigen Satellitennavigationssimulators beschrieben, sowie dessen Leistungsfähigkeit untersucht und bewertet. In Kapitel 2 wird zunächst die prinzipielle Arbeitsweise von Satellitennavigationssystemen beschrieben. Zur Simulation von Mehrwegeeffekten werden in Kapitel 2.2.2 Musterkanäle eingeführt. Ferner wird in Anhang A ein neues Verfahren zur aufwandgünstigen Nachbildung von Mehrwegeeffekten vorgestellt. Verglichen mit einem konventionellen Simulationsansatz ermöglicht es dieses Verfahren, einen Rayleigh-Kanal bei gleicher Simulationsgenauigkeit mit etwa 40 bis 50 % weniger Rechenaufwand zu realisieren. In Kapitel 3 werden Entwurf und Aufbau des Simulationssystems beschrieben. Bei der Verwendung konventioneller "Sample by Sample"-Simulationstechniken entstehen, insbesondere durch die hohe Verarbeitungskomplexität, Probleme bei der Simulation. Durch Verwendung des neuen "Fast-Simulation-Approach" (Kapitel 3.3) ist der vorgeschlagene Simulator in der Lage, den enormen Rechenaufwand konventioneller Simulationsmethoden drastisch zu reduzieren. Die Simulation wird durch diesen Ansatz stark vereinfacht, da eine asynchrone Signalverarbeitung vermieden wird. Wesentlich ist, daß der Gewinn dieses Ansatzes bezüglich des Rechenaufwandes ohne merklichen Verlust an Genauigkeit der Simulationsergebnisse erzielt wird. In Kapitel 4, zeigt der Vergleich der Simulationsergebnisse mit der Cramer-Rao-Bound und mit der Analyse einer linearisierten "Delay Locked Loop" (DLL) daß die simulierten Werte um wenige Zehntel dB von der linear approximierten DLL entfernt liegen. Wie später in Kapitel 5.1 gezeigt wird, sind beim Vergleich mit der Cramer-Rao-Bound beide Kurven nahezu deckungsgleich, wodurch eindrucksvoll die Genauigkeit des vorgeschlagenen Simulationswerkzeugs demonstriert wird. In Kapitel 5 dieser Arbeit werden offene Fragen bei der Realisierung von Navigationssytemen untersucht und bewertet. Hierbei stehen in Kapitel 5.2 insbesondere Fragen zur Gestaltung des Satellitensignals und dessen Ausbreitung, in den folgenden Kapiteln aber auch Fragen zum Aufbau von Satelliten im Vordergrund. Im Rahmen der Signal-Design-Studie der "European Space Agency" (ESA) ist der Simulator eingesetzt worden, um offene Fragestellungen bezüglich des neuen europäischen Satellitennavigationssystems Galileo zu klären. Ausgehend von einem idealen Signalentwurf und dessen Analyse ist die Schlüsselfrage des Signalentwurfs für Galileo die Auswahl des Modulationsverfahrens und des Elementarimpulses. Das Kapitel 5.2 schließt mit der Definition des Galileo-Basissignals. Die Effekte des Mehrwegeempfangs spielen in der Satellitennavigation eine wichtige Rolle. In Kapitel 5.3 wird das hier vorgestellte Simulationssystem in diesem Zusammenhang genutzt, um die Einflüsse des Mehrwegeempfangs auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung des Galileo-Basissignals zu erforschen. Bei diesen Untersuchungen zeigt sich, daß auch hier ein Signal, das einen "Root-Raised-Cosine" Elementarimpuls verwendet, demjenigen deutlich überlegen ist, das mit einem Rechteck-Elementarimpuls arbeitet. Die Gewinne des Root-Raised-Cosine Signals erreichen, abhängig vom gewählten Kanal, Dimensionen bis zu 8 dB . Bei der Implementierung eines Satellitennavigationssystems sind Leistungsverstärker im Satelliten nötig, um das Signal nach der Erzeugung zu verstärken. Diese Verstärker haben stark nichtlineare Übertragungsfunktionen. Daher ist es eine wichtige Frage, inwieweit diese Nichtlinearitäten die Navigationsgenauigkeit beeinträchtigen. Diese Frage wird in Kapitel 5.4 beantwortet. Der Verlust liegt inklusive der Filter bei etwa 1 dB. Kapitel 5.5 gilt der Untersuchung eines Verfahrens der verbesserten Phasenschätzung für die Hochpräzisionsnavigation. Da dem Sendesignal Daten aufmoduliert sind, kann für die Phasenschätzung nur eine inkohärente "Phase-Locked-Loop" (PLL) Verwendung finden. Diese weist jedoch Verluste bei starkem Rauschen auf. Mit dem hier vorgestelltem Verfahren können die Verluste einer inkohärenten PLL nahezu vollständig ausgeglichen werden. Das hier vorgestellte Simulationssystem wurde in der "ESA Signal Design"-Studie, im SATNAVSIM-Projekt der Deutschen Raumfahrtagentur (DARA) und dessen Nachfolgeprojekt NAVSIM eingesetzt. Es hat sich in diesen Projekten im Praxiseinsatz bewährt. Durch die hohe Simulationsgenauigkeit können neue Empfängerkonzepte entwickelt und verifiziert werden. Die hohe Simulationsgeschwindigkeit erlaubt flexibles Reagieren auf externe Anforderungen und ermöglicht so die Beantwortung relevanter Forschungsfragen.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Zentrale wissenschaftliche Einrichtungen » Institut für Experimentelle Mathematik (IEM) Essen
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 670 Industrielle Fertigung
Stichwörter:
Satellit, Satellitennavigation, GPS, Galileo, Phase locked Loop, PLL, Delay Locked Loop, DLL, Navigation, Kanalmodell, Musterkanal, Leistungsverstärker, Mehrwege, Multipath, Cramer Rao, Empfänger, OMT, Signal Design, Signal Entwurf, Analyse, ESA, Synchronisation, Signal, Datenübertragung, Turbo, Decision directed
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
03.05.2002
Dokument erstellt am:
03.05.2002
Promotionsantrag am:
14.05.2001
Dateien geändert am:
03.05.2002
Medientyp:
Text