Beeinflussung von GPS-Signalen durch Mehrwegeempfang

Stand 23.08.2018

Mehrwege-Empfang bei GPS-Geräten …

(engl.: Multipath reception)

   …führt stets zu Beeinträchtigungen. Die GPS-Module einfacher GPS-Logger und GPS-Empfänger verfügen kaum über Maßnahmen um durch Umweg-Beiträge verfälschte Satelliten-Signale oder gar die Umweg-Beiträge selbst zu eliminieren, sodass sie darauf besonders empfindlich reagieren, indem so auch mit Fehlern behaftete interne Teilergebnisse mit in die aufgezeichnete Log-Datei eingehen oder in ein vom Empfänger mit Positionsdaten versorgtes Auswertegerät übernommen werden. Oft beziffern die hier allgemein bevorzugten NMEA-Sequenzen zwar Qualitätsmerkmale der einzelnen beteiligten Satellitensignale – in Gestalt des Signal/Noise Ratio, in das auch Mehrwege-Einflüsse eingehen können (neben den allein aus der Satellitengeometrie abgeleiteten Fehlerbewertungsfaktoren PDOP, VDOP, HDOP) –. Eine Einflussnahme auf die Positions-Genauigkeit ermöglichen sie mangels Rohdaten jedoch nicht. (Anders bei mit ähnlichen GPS-Modulen ausgestatteten, aber etwas komplexeren Geräten wie Navigationsgeräte oder Smartphones, die über in vielen Situationen wirksame zusätzliche terrestrische Orientierungshilfen verfügen).

In das Ausmaß der Positions-Abweichungen gehen sowohl

  • die Art und Größe der Veränderungen der Satellitensignale abhängig von den beteiligten Umwegen – Einfluss des Umfeldes der jeweiligen Position des GPS-Geräts –

ein als auch

  • die Art, in der der GPS-Logger / -Empfänger auf diese Veränderungen reagiert – Abhängigkeit von der Auslegung von Antenne und GPS-Modul / Chipsatz.

Bei "Art und Größe der Veränderungen" handelt es sich jeweils um

  • die Beträge der Verzögerungen / Laufzeitunterschiede (Δ t, τ) der Signalbeiträge und
  • deren Pegelunterschiede (Δ p, oft auch angegeben als Dämpfungen a‍ ‍b) gegenüber dem LOS-Signal
  • die Lage der Momentanfrequenzen der Signalbeiträge (Doppler-Effekt),

und – unter anderem –

  • die Abhängigkeit der Beträge der Verzögerungen der Signalbeiträge von der Zeit.

zu Verzögerungen und Dämpfungen

Maßgeblich ist hier die Beschaffenheit der Signale, die die Empfangsantenne an den Antennenanschluss des GPS-Gerätes liefert – es gehen sowohl die geometrischen Gegebenheiten der Umgebung der Antenne als auch (im Zusammenhang mit der /komplexen/ Richtcharakteristik der Antenne) die Ausrichtung der Antenne ein. Außer den für die Positionsbestimmung benötigten direkt vom Satelliten empfangenen Signalen (LOS-Signal – LOS engl.: Line Of Sight – direktes Signal) wird die Empfangsantenne fast immer auch von NLOS-Signalen (NLOS – Non LOS; Signalwege abseits der Sichtlinie) getroffen, die dorthin über Objekte der Umgebung des Empfängers, auf Umwegen, somit gegenüber dem Originalsignal verzögert (Echo-Signale), gelangen. Infolge der Abschattung durch in der Sichtlinie zwischen Satellit und Empfangsantenne befindliche Objekte können dabei die LOS-Signale einzelner Satelliten sogar bis zu ihrem Ausfall abgeschwächt sein. Pegeländerungen des Empfänger-Eingangssignals (Absenkung, aber auch Anhebung) entstehen auch als Folge der Überlagerung unterschiedlich verzögerter Signalbeiträge am Empfänger-Eingang – im Fall von zwei beteiligten Beiträgen umso stärker ausgeprägt, je geringer deren Pegelunterschied und umso breitbandiger, je kleiner dabei ihr Laufzeit-Unterschied ist.

zu Abhängigkeit der Verzögerungen von der Zeit

Oft befinden sich Objekte der Umgebung und noch öfter das mobile GPS-Gerät wie z. B. der GPS-Logger und nicht zuletzt – prinzipbedingt ständig – die GPS-Satelliten in Bewegung mit der Folge von Laufzeitänderungen und damit verbunden Änderungen der Momentanfrequenzen der einzelnen an den GPS-Empfänger gelangenden Signalbeiträge (Stichwort: Doppler-Effekt), für die einzelnen Satelliten unterschiedlich – mit Auswirkungen auf die Erfassung der Satelliten-Rohsignale im Empfänger.

Untersuchungen zu den
Veränderungen der Satellitensignale infolge der Umwege

Lange Zeit war man bei der Bewertung dieser Veränderungen der Signale allein auf das Anwenden der Wellen- sowie geometrischen Optik in Verbindung mit Erkenntnissen aus Fachgebieten wie z. B. Radartechnik, Geofernerkundung angewiesen. Dem liegt zugrunde, dass diese Erkenntnisse für viele Situationen 1 unabhängig von der Wellenlänge relevant sind, sie also sowohl für Licht- als auch für Funkwellen gelten – bei an die jeweilige Wellenlänge angepasstem Größenmaßstab der beteiligten Objekte.

Für einen Überblick zu den Betrachtungsweisen ist hier z. B. die aus neuerer Zeit stammende sehr umfassende, aber kompakte Zusammenstellung in der eigentlich mit Präzisionsanwendungen von GPS in der Geodäsie befassten und damit weit über die Problematik bei GPS-Tracks hinausgehenden Dissertation Rost [ Rost 2011 ], Seiten 51 – 69, zu empfehlen.

Bereits etwas länger liegt die Arbeit [Hannah 2001] zurück. In mehreren Kapiteln werden für eine Vielzahl von Konstellationen der Komponenten "Satellitenposition, Geometrie der Empfängerumgebung, Reflexionseigenschaften der Hindernisse" die sich aufgrund der Interferenz von direkten und reflektierten Signalbeiträgen ergebenden zeitlichen Änderungen von Betrag und Phase (Stichworte: Fading, Doppler) sowie Verzögerung des im GPS-Empfänger eintreffenden Empfangssignals analysiert. Dabei sind auch die Besonderheiten berücksichtigt, die sich aus der bei Satellitensignalen üblichen Anwendung der zirkularen Polarisation der Funkwellen ergeben.

Zwar ist eine wirkliche rechnerische Erfassung der Einflüsse der Hindernisse in einer konkreten Empfangsumgebung kaum möglich und ohnehin nicht lohnend. Dennoch können bei der Beurteilung von Empfangs-Beeinträchtigungen ungefähre Größenvorstellungen von Nutzen sein.

Besonders wichtig sind Zahlenwerte aber für die Schaffung möglichst realitätsnaher Ausbreitungsmodelle, die dann bei der Optimierung von Modulationsarten und Auswerteverfahren neuer Anwendungen zum Einsatz kommen

– Beispiel:

Navigations-Satelliten-Messkampagne 2002 des DLR

im Rahmen der Vorarbeiten für das GALILEO-Satelliten-Navigationssystem mit auch für viele anderweitige breitbandige Satelliten-Anwendungen relevanten Resultaten.

Nachdem im Lauf der Jahre eine für die Untersuchung von Echosignalen hinsichtlich der Intensität, der Verzögerung und der Doppler-Verschiebung geeignete, hochauflösende Messtechnik entstanden war 2, konnte schließlich im Jahr 2002 vom Institut für Kommunikation und Navigation (KN) im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine Mehrwegekanal-Messkampagne durchgeführt werden – im Raum München; für einen Kurzüberblick siehe [DLR 2002], [DLR_NARI_114].

Dazu wurden

der Satellit

durch einen von einem Zeppelin getragenen Spezialsender und

der GPS-Empfänger

durch einen Messempfänger nachgebildet, der in einem Messfahrzeug untergebracht war.

Mit dem Messfahrzeug wurden typische Straßen der Innenstadt und der Umgebung Münchens durchfahren. Zur Simulation einer Vielzahl wichtiger Satellitenpositionen wurde der Zeppelin durch Steuern von Richtung, Entfernung (mehrere Kilometer) und Höhe über Grund, unterstützt durch das Bild einer am Boden befindlichen Kamera so bewegt, dass die jeweils gewünschte Satellitenposition auch bei der Fortbewegung des Messfahrzeugs erhalten blieb. Das spezielle Messsignal erhielt der Empfänger direkt von einer auf dem Fahrzeug montierten Antenne oder von einer von einem Fußgänger in Schrittgeschwindigkeit neben dem Fahrzeug getragenen Antenne, deren Empfangssignal über ein längeres HF-Kabel in das Messfahrzeug gelangte (siehe Figure 4 in [Lehner, Steingass 2014]). Mit Hilfe des Empfängers wurde das dort eintreffende Messsignal digitalisiert und gespeichert.

Die nachfolgenden Auswertungen lieferten neben zeitlichen bzw. der durchfahrenen Strecke zugeordneten Verläufen z. B. der Beträge und Verzögerungen oder auch der Dopplerverschiebungen der einzelnen Mehrwegeanteile im empfangenen Messsignal insbesondere auch deren zur Modellierung des Übertragungsverhaltens benötigte Zufallsparameter. So konnten die theoretischen Resultate zur Beschaffenheit der vom Satelliten empfangenen Signale durch umfassende konkrete Messergebnisse untermauert bzw. präzisiert werden.

Anmerkungen

1  Beispiele für Ausnahmen:

  •    Für Funk-Antennen – hier der Empfangsantenne – und deren Wechselwirkung mit der engeren Umgebung,
    (Stichwort "Effekte im Nahfeld-Bereich") gibt es bei Licht keine technische Entsprechung.
  •    Für den Fall der Kantenbeugung von Licht wird in [Nieke 1997p] / [Nieke 1997] diskutiert, einige Widersprüche herkömmlicher theoretischer Ansätze zur quantitativen Beschreibung der Beugungsbilder gegenüber dem experimentellen Befund durch Anwendung eines quantenmechanischen Ansatzes aufzulösen.
    Wegen der gegenüber Licht viel kleineren Frequenzen (Verhältnis in der Größenordnung >105) spielen Quanteneffekte bei Funkwellen keine Rolle.

2 Ausführlichere Angaben
zur Messkampagne und zu Modellen z. B. unter der DLR "SatNav Model Page",

zur Messtechnik in der nachfolgenden Tabelle.

Messprinzip Korrelationsverfahren mit
speziellem Messsignal (Multisinussignal)
Channelsounder.de
Mess-Equipment RUSKDLR Channel Sounder (MEDAV GmbH)
(zu "RUSK Channel Sounder" siehe "Channelsounder.de")
[Lehner, Steingass 2014]
S. 2 und 3
[Raedler 2009], Seite 15
Messsignal Mittenfrequenz: 1510 MHz
Bandbreite: 100 MHz
Zeitliche Auflösung: 10 ns / 1 ns (mit "ESPRIT" super resolution algorithm)
Sendeleistung: 10 W
[Lehner, Steingass 2014]
[Steingaß, Lehner 2004]
Messstrecke Entfernung
  Sender (im Zeppelin) – Empfänger: 1500 – 4000 m
Positionsabweichung: r < 20 m
 

Verweise

[Rost 2011] Rost, Ch.: Phasenmehrwegereduzierung basierend auf Signalqualitätsmessungen geodätischer GNSS-Empfänger, Diss. TU Dresden 2011 " Deutsche Geodätische Kommission bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, Reihe C: Dissertationen, H. 665, München 2011 – siehe auch Web-Link (PDF) (10/2015: Zeitweilig verminderte Download-Geschwindigkeit)

[Hannah 2001] Hannah, Bruce M: Modelling and simulation of GPS multipath propagation. Ph.D. Thesis. Queensland University of Technology, Brisbane (Australien), 2001 – siehe auch Web-Link (PDF)

[DLR 2002] DLR bringt Orientierung für die Zukunft – Startschuss der weltweit ersten Messkampagne für die europäische Satellitennavigationstechnologie Galileo. Pressemitteilung Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Wessling / Harvard Public Relations, Köln-Porz, 2002 – Web-Link

[DLR_NARI_114] Fiebig, U.-C.; Steingaß, A.; Lehner, A.: Genau ist nicht genau genug – Messkampagne für Satellitennavigation der Zukunft. DLR Nachrichten 114 (2006) S.50 - 53; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – siehe auch Web-Link (PDF)

[Nieke 1997p] Nieke, H.: Newtons Beugungsexperimente und ihre historischen und philosophischen Folgerungen. Halle (Saale), Germany : H. Nieke, 1997 – Web-Link (PDF)

[Nieke 1997] Nieke, H.: Newtons Beugungsexperimente und ihre Weiterführung – Arbeit 01 "Die Newtonschen und Fresnelschen Beugungsexperimente" (1997 / Dateidatum 2007) – Web-Link (PDF)

[Lehner, Steingass 2014] Lehner, A.; Steingaß, A.: Spatial Dynamic Wideband Modeling of the MIMO Satellite-to-Earth Channel. International Journal of Antennas and Propagation Volume 2014; Hindawi Publishing Corporation, Kairo 2014 – PDF-Download 1 (Hindawi – Creative Commons Attribution License) / PDF-Download 2 (DLR – Open access Article – Copyright © 2014 A. Lehner and A. Steingaß)

[Raedler 2009] Rädler, L.: Visualisation of Channel Measurement Data. Studienarbeit. Lehrstuhl für Medientechnik, Technische Universtität München, 2009 – zurzeit nicht zugänglich: http://www.eislab.fim.uni-passau.de/files/publications/2009/StudentRaedler_VisualisationOfChannelMeasurementData.pdf

[Steingaß, Lehner 2004] Steingass, A.; Lehner, A.: Measurement of the Navigation Multipath Channel – A Statistical Analysis. Proceedings. ION GNSS 2004, Long Beach, CA, USA


Klaus Dannowski – Klaus‘ GPS-Ecke
O1.12.2O11