Zuletzt ge\u00e4ndert am 21.11.2023 <\/p>\n
Mehrwege-Empfang bei Ger\u00e4ten der Satelliten-Navigation <\/p>\n
(engl.: Multipath reception<\/em>) f\u00fchrt stets zu Beeintr\u00e4chtigungen. Die Empfangs-Module einfacher GPS\/GNSS-Logger und GPS\/GNSS-Empf\u00e4nger verf\u00fcgen kaum \u00fcber Ma\u00dfnahmen um durch Umweg-Beitr\u00e4ge verf\u00e4lschte Satelliten-Signale oder gar die Umweg-Beitr\u00e4ge 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 Empf\u00e4nger mit Positionsdaten versorgtes Auswerteger\u00e4t \u00fcbernommen werden. Oft beziffern die hier \u00fcblichen NMEA-Sequenzen zwar Qualit\u00e4tsmerkmale der einzelnen beteiligten Satellitensignale – in Gestalt des Signal\/Noise Ratio, in das auch Mehrwege-Einfl\u00fcsse eingehen k\u00f6nnen<\/em> (neben den allein aus der jeweiligen momentanen Satellitengeometrie abgeleiteten Fehlerbewertungsfaktoren PDOP, VDOP, HDOP) –. Eine Einflussnahme auf die Positions-Genauigkeit erm\u00f6glichen sie mangels Verf\u00fcgbarkeit \/ Einbeziehung weiterer Rohdaten jedoch nicht. (Anders bei mit \u00e4hnlichen Empfangs-Modulen ausgestatteten, aber etwas komplexeren Ger\u00e4ten wie Navigationsger\u00e4te oder Smartphones, die \u00fcber in vielen Situationen wirksame zus\u00e4tzliche terrestrische Orientierungshilfen verf\u00fcgen). <\/p>\n In das Ausma\u00df der Positions-Abweichungen gehen sowohl<\/p>\n ein als auch<\/p>\n Bei "Art und Gr\u00f6\u00dfe der Ver\u00e4nderungen" handelt es sich jeweils um<\/p>\n und – unter anderem –<\/p>\n zu Verz\u00f6gerungen und D\u00e4mpfungen<\/span><\/p>\n Ma\u00dfgeblich ist hier die Beschaffenheit der Signale, die die Empfangsantenne an den Antennenanschluss des Empfangs-Teils 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. Au\u00dfer den f\u00fcr die Positionsbestimmung ben\u00f6tigten direkt vom Satelliten empfangenen (LOS-)Signalen wird die Empfangsantenne fast immer auch von NLOS-Signalen (NLOS – Non LOS; Signalwege abseits der Sichtlinie) getroffen, die dorthin \u00fcber Objekte der Umgebung des Empf\u00e4ngers<\/em>, auf Umwegen, somit gegen\u00fcber dem Originalsignal verz\u00f6gert (Echo-Signale), gelangen. Infolge der Abschattung durch in der Sichtlinie zwischen Satellit und Empfangsantenne befindliche Objekte k\u00f6nnen dabei die LOS-Signale einzelner Satelliten sogar bis zu ihrem Ausfall abgeschw\u00e4cht sein. Als Folge der \u00dcberlagerung unterschiedlich verz\u00f6gerter Signalbeitr\u00e4ge am Empf\u00e4nger-Eingang kommt es zu spektralen Veranderungen des Empf\u00e4nger-Eingangssignals in Gestalt abgesenkter, auch angehobener, Frequenzabschnitte – im Fall von zwei beteiligten Beitr\u00e4gen umso st\u00e4rker ausgepr\u00e4gt, je geringer deren Pegelunterschied und umso breitbandiger, je kleiner dabei ihr Laufzeit-Unterschied ist. <\/p>\n zu Lage der Momentanfrequenzen der Signalbeitr\u00e4ge (Doppler-Effekt<\/em>)<\/span><\/p>\n Oft befinden sich Objekte der Umgebung und noch \u00f6fter das mobile GPS-\/GNSS-Ger\u00e4t wie z. B. der GPS-\/GNSS-Logger und nicht zuletzt – prinzipbedingt st\u00e4ndig – die Satelliten in Bewegung mit der Folge von Laufzeit\u00e4nderungen. <\/p>\n Im Ergebnis resultieren diese mit den \u00c4nderungen der Geometrie verbundenen \u00c4nderungen der zugeh\u00f6rigen Umwege aufgrund der sich aus dem Doppler-Effekt ergebenden Frequenzverlagerungen in unterschiedlichen Momentanfrequenzen dieser Anteile. Bekanntlich ist dabei <\/p>\n der Wert f<\/em>D<\/sub> der Frequenzverlagerung, gemessen in Hertz, <\/p>\n gleich dem Negativen der <\/p>\n \u00c4nderung Δd<\/em> des zwischen Sender und Empf\u00e4nger durchlaufenen <\/p>\n Weges d<\/em> , angegeben in <\/p>\n Wellenl\u00e4ngen λ, je Sekunde. <\/p>\n Daraus folgt als allgemeine Beziehung f\u00fcr die Frequenz\u00e4nderung: <\/p>\n f<\/em>D<\/sub> [Hz] = - Δd<\/em> [LE\/s] \/ λ [LE] <\/p>\n LE ist die jeweils verwendete, beliebige<\/em> L\u00e4ngen-Einheit Anm1)<\/sup><\/b><\/a> <\/p>\n Im Fall der Frequenz\u00e4nderung eines reflektierten<\/em> Signalbeitrags ist das <\/p>\n die \u00c4nderung Δd<\/em> der L\u00e4nge des Umwegs<\/em>. <\/p>\n Die resultiert aus Positions\u00e4nderungen Besonders interessant ist hier der Beitrag des Empf\u00e4ngers im Fall des Betriebs in einem Fahrzeug. Mit der Fahrgeschwindigkeit nehmen die Betr\u00e4ge der Frequenzablagen f<\/em>D<\/sub> der Umwegsignale gegen\u00fcber dem direkten Signalbeitrag zu; umso mehr, je weniger die Einfallsrichtung des Umwegsignals von der des Fahrtwegs abweicht (α; cos α). Bei erfolgreicher Frequenznachf\u00fchrung des Empfangsteils auf die Frequenz eines (dazu idealer Weise dominierenden direkten) Satellitensignals tragen die Umwegsignale zunehmend lediglich als Verschlechterung des Signal\/Rauschabstands wirkende Spontanwerte zur ermittelten Signallaufzeit bei. So etwa ist wohl die Beobachtung zu erkl\u00e4ren, dass der Verlauf der aufgezeichneten Strecke (auch ohne die oft eingesetzten Ma\u00dfnahmen zur Gl\u00e4ttung) bei Fahrten mit h\u00f6heren Geschwindigkeiten stabiler wirkt. <\/p>\n Untersuchungen zu den Lange Zeit war man bei der Bewertung dieser Ver\u00e4nderungen 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 f\u00fcr viele Situationen Anm2)<\/sup><\/b><\/a> unabh\u00e4ngig von der Wellenl\u00e4nge relevant sind, sie also sowohl f\u00fcr Licht- als auch f\u00fcr Funkwellen gelten – bei an die jeweilige Wellenl\u00e4nge angepasstem Gr\u00f6\u00dfenma\u00dfstab der beteiligten Objekte. <\/p>\n F\u00fcr einen \u00dcberblick zu den Betrachtungsweisen ist hier z. B. die aus neuerer Zeit stammende sehr umfassende, aber kompakte Zusammenstellung in der eigentlich mit Pr\u00e4zisionsanwendungen der Satelliten-Ortung in der Geod\u00e4sie befassten und damit weit \u00fcber die Problematik bei GPS-Tracks hinausgehenden Dissertation Rost [ Rost 2011<\/a> ], Seiten 51 – 69, zu empfehlen.<\/p>\n Bereits etwas l\u00e4nger liegt die Arbeit [Hannah 2001<\/a>] zur\u00fcck. In mehreren Kapiteln werden f\u00fcr eine Vielzahl von Konstellationen der Komponenten "Satellitenposition, Geometrie der Empf\u00e4ngerumgebung, Reflexionseigenschaften der Hindernisse" die sich aufgrund der Interferenz von direkten und reflektierten Signalbeitr\u00e4gen ergebenden zeitlichen \u00c4nderungen von Betrag und Phase (Stichworte: Fading, Doppler) sowie Verz\u00f6gerung des im GPS-Empf\u00e4nger eintreffenden Empfangssignals analysiert. Dabei sind auch die Besonderheiten ber\u00fccksichtigt, die sich aus der bei Satellitensignalen \u00fcblichen Anwendung der zirkularen Polarisation der Funkwellen ergeben. <\/p>\n Zwar ist eine wirkliche rechnerische Erfassung der Einfl\u00fcsse der Hindernisse in einer konkreten Empfangsumgebung kaum m\u00f6glich und ohnehin nicht lohnend. Dennoch k\u00f6nnen bei der Beurteilung von Empfangs-Beeintr\u00e4chtigungen ungef\u00e4hre Gr\u00f6\u00dfenvorstellungen von Nutzen sein. <\/p>\n Besonders wichtig sind Zahlenwerte aber f\u00fcr die Schaffung m\u00f6glichst realit\u00e4tsnaher Ausbreitungsmodelle, die dann bei der Optimierung von Modulationsarten und Auswerteverfahren neuer Anwendungen zum Einsatz kommen. <\/p>\n Navigations-Satelliten-Messkampagne 2002 des DLR <\/p>\n im Rahmen der Vorarbeiten f\u00fcr das GALILEO-Satelliten-Navigationssystem mit auch f\u00fcr viele anderweitige breitbandige Satelliten-Anwendungen relevanten Resultaten. <\/p>\n Nachdem im Lauf der Jahre eine f\u00fcr die Untersuchung von Echosignalen hinsichtlich der Intensit\u00e4t, der Verz\u00f6gerung und der Doppler-Verschiebung geeignete, hochaufl\u00f6sende Messtechnik entstanden war Anm3)<\/sup><\/b><\/a>, konnte im Jahr 2OO2 vom Institut f\u00fcr Kommunikation und Navigation (KN)<\/em> im Deutschen Zentrum f\u00fcr Luft- und Raumfahrt (DLR)<\/em> im Raum M\u00fcnchen eine Mehrwegekanal-Messkampagne durchgef\u00fchrt werden. <\/p>\n Dazu wurden <\/p>\n der Satellit <\/p>\n durch einen von einem Zeppelin getragenen Spezialsender und <\/p>\n der GPS-Empf\u00e4nger <\/p>\n durch einen Messempf\u00e4nger nachgebildet, der in einem Messfahrzeug untergebracht war. <\/p>\n Mit dem Messfahrzeug wurden typische Stra\u00dfen der Innenstadt und der Umgebung M\u00fcnchens durchfahren. Zur Simulation einer Vielzahl wichtiger Satellitenpositionen wurde der Zeppelin durch Steuern von Richtung, Entfernung (mehrere Kilometer) und H\u00f6he \u00fcber Grund, unterst\u00fctzt durch das im Zeppelin empfangene Bild einer am Boden befindlichen Kamera so bewegt, dass die jeweils gew\u00fcnschte Satellitenposition auch bei der Fortbewegung des Messfahrzeugs erhalten blieb. Das spezielle Messsignal erhielt der Empf\u00e4nger direkt von einer auf dem Fahrzeug montierten Antenne oder von einer von einem Fu\u00dfg\u00e4nger in Schrittgeschwindigkeit neben dem Fahrzeug getragenen Antenne, deren Empfangssignal \u00fcber ein l\u00e4ngeres HF-Kabel in das Messfahrzeug gelangte (siehe Figure 4 in [Lehner, Steingass 2O14<\/a>]). Mit Hilfe des Empf\u00e4ngers wurde das dort eintreffende Messsignal digitalisiert und gespeichert. <\/p>\n Die nachfolgenden Auswertungen lieferten neben zeitlichen bzw. der durchfahrenen Strecke zugeordneten Verl\u00e4ufen z. B. der Betr\u00e4ge und Verz\u00f6gerungen oder auch der Dopplerverschiebungen der einzelnen Mehrwegeanteile im empfangenen Messsignal insbesondere auch deren zur Modellierung des \u00dcbertragungsverhaltens ben\u00f6tigte Zufallsparameter. So konnten die theoretischen Resultate zur Beschaffenheit der vom Satelliten empfangenen Signale durch umfassende konkrete Messergebnisse untermauert bzw. pr\u00e4zisiert werden. <\/p>\n Anmerkungen <\/p>\n <\/a>Anm1<\/sup><\/strong> Zahlenbeispiel: Ein Empf\u00e4nger bewegt sich mit 1 m\/sec auf einen feststehenden Sender mit einer Wellenl\u00e4nge von 20 cm zu. Dann nimmt er eine um 5 Hz erh\u00f6hte Frequenz wahr. <\/p>\n <\/a>Anm2<\/sup><\/strong> Beispiele f\u00fcr Ausnahmen: <\/p>\n <\/a>Anm3<\/sup><\/strong> Ausf\u00fchrlichere Angaben – zur Messtechnik<\/span> in der nachfolgenden Tabelle.<\/p>\n\n
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1. wiederum des Satelliten, \u00fcberall und zu jeder Zeit,
2. des Reflektors,
2.1 fest: z. B. Geb\u00e4ude, Gel\u00e4nde,
2.2 ver\u00e4nderlich: z. B. Fahrzeuge,
3. des Empf\u00e4ngers. <\/p>\n
Ver\u00e4nderungen der Satellitensignale infolge der Umwege <\/p>\n\n
(Stichwort "Effekte im Nahfeld-Bereich") gibt es bei Licht keine technische Entsprechung.<\/li>\n
Wegen der gegen\u00fcber Licht viel kleineren Frequenzen (Verh\u00e4ltnis in der Gr\u00f6\u00dfenordnung >105<\/sup>) spielen Quanteneffekte bei Funkwellen keine Rolle.<\/li>\n<\/ul>\n
– zur Messkampagne und zu Modellen<\/span> z. B. unter der DLR "SatNav Model Page",<\/p>\n