Das Flackern bei GNSS-Signalen überwinden

Die Ionosphäre der Erde ist Segen und Fluch zugleich. Sie schützt uns, indem sie schädliche elektromagnetische Strahlung von der Sonne abhält, aber sie stellt auch eine Herausforderung für GNSS-Nutzende dar, da sie Funksignale zum Flackern bringt – genau wie Sternenlicht.

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Die Technologie des globalen Satellitennavigationssystems (GNSS) ist stark in unseren Alltag eingebettet. Diese Systeme kommunizieren fortlaufend mit unseren Smartphones, Fitness-Armbändern, Fahrzeugen und Computern und helfen uns, Wege und Abkürzungen zu finden, das nächste Restaurant oder die nächste Tankstelle ausfindig zu machen und den Regen genauer vorherzusagen. Weniger bekannt ist, dass sie außerdem die Verfolgung der Bewegungen von Containern und Paketen auf ihren Transportwegen übernehmen. Mobilfunknetze nutzen die GPS-Zeit ebenfalls, um ihre Basisstationen zu synchronisieren.

Die Beeinträchtigung der Funksignalstärke beseitigen

GNSS-Signale halten unsere Welt zwar in einer Weise am Laufen, die wir manchmal kaum wahrnehmen, doch sind sie zunehmend anfällig. Funkwellen, die von Satelliten gesendet werden, die die Erde in einer Höhe von 20 000 km umkreisen, bieten GNSS-Signale. Das gesendete Signal ist äußerst schwach, wenn es die Erdoberfläche erreicht. Forschende versuchen, empfindlichere Empfangsgeräte zu entwickeln, um diese schwachen Signale einzufangen. Im über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierten Projekt NAVSCIN wurde an verbesserten Strategien zur Entschärfung eines häufigen Problems bei empfangenen GNSS-Signalen gearbeitet: Szintillation. „Diese Erscheinung ist den meisten Menschen durch das Flackern des Sternenlichts beim Durchqueren der Atmosphäre bekannt. Unter bestimmten Voraussetzungen, die mit der Aktivität der Sonne und dem Magnetfeld der Erde zusammenhängen, können die Ionosphäre durchquerende Radiowellen erheblich gestört werden. Kleine Veränderungen in der Dichte und Zusammensetzung des Plasmas freier Elektronen in der ionisierten oberen Atmosphäre verursachen schnelle und intensive Schwankungen der Amplitude und Phase des Signals“, erklärt Projektkoordinator Adrià Rovira García. „Man muss zunächst ihre Beschaffenheit verstehen, um die unerwünschten Auswirkungen der ionosphärischen Turbulenzen zu vermeiden“, fügt Rovira García hinzu. Zu diesem Zweck führte der Forscher in Bezug auf Häufigkeit, Schweregrad und geografische Lage eine statistische Analyse zum Auftreten von Szintillationen durch. Die Ergebnisse bildeten die Grundlage für die Definition eines Verfahrens zur Erkennung der Auswirkungen von Szintillation auf die GNSS-Signale, d. h. zur Behandlung der so genannten „Zyklussprünge“ bei GNSS-Messungen. „Die Erkennung und die Reparatur von Zyklussprüngen stellen eine Herausforderung dar: Sie sind recht klein, etwa 20 cm, und können gleichzeitig in verschiedenen Satelliten auftreten“, erklärt Rovira García.

Gegen Funkszintillation gewappnete GNSS-Empfangsgeräte

Der Forscher entwickelte eine verbesserte Methodik zur Bewertung verschiedener Modelle zur Korrektur der schädlichen ionosphärischen Auswirkungen auf die GNSS-Signale. Sein Hauptvorteil ist die Verwendung von geodätischen Verfahren und geodätischen Standardempfangsgeräten, die frei verfügbar sind und die GNSS-Signale jede Sekunde abtasten. Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen Empfangsgeräten niederfrequente Signale durch blinde Signalverarbeitungstechniken eliminiert, die mindestens 50 Abtastungen pro Sekunde erfordern. „Die Umwandlung eines beliebigen Standardempfangsgeräts in eine Szintillationsüberwachungsstation stellt einen großen Durchbruch dar, der das derzeitige Wissen über Szintillation verändert“, so Rovira García. Die Messung der Auswirkungen ionosphärischer Störungen auf das GNSS-Signal bildet sicherlich keine leichte Aufgabe. NAVSCIN hat aufgezeigt, dass sich die GNSS-Positionierungs- und Zeitgenauigkeit drastisch verbessert, sobald die Szintillationseffekte behoben sind oder auf andere Weise abgeschwächt wurden. Die Projektergebnisse wurden in 11 in Fachzeitschriften veröffentlichten Artikeln und auf 5 internationalen Konferenzen bekannt gemacht. „Unsere Forschung dient als Sprungbrett zur Verbesserung der Leistung von über 8 Milliarden GNSS-Geräten, die derzeit weltweit im Einsatz sind“, so Rovira García abschließend.

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NAVSCIN, GNSS, Szintillation, Empfänger, Empfangsgerät, Ionosphäre, Zyklussprünge, Signal

High Accuracy Navigation under Scintillation Conditions

Das Flackern bei GNSS-Signalen überwinden

Die Beeinträchtigung der Funksignalstärke beseitigen

Gegen Funkszintillation gewappnete GNSS-Empfangsgeräte

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