GNSS snapshot techniques for quality of service monitoring

Der Einsatz globaler Navigationssatellitensysteme und die damit verbundene ständige Verfügbarkeit von Positions- und präzisen Zeitmessungen wird in vielen Anwendungen des täglichen Lebens immer mehr zur Selbstverständlichkeit. Die Informationen von GNSS-Satelliten werden in vielen Bereichen wie dem Bauingenieurswesen, der Energiewirtschaft, der Landwirtschaft, der Telekommunikation, dem Transportwesen, dem Vermessungswesen und in vielen weiteren verwendet. Studien zeigen, dass die wichtigsten GNSS-Märkte Verkehrsanwendungen und standortbezogene Dienste sind. Die Anzahl der GNSS-Nutzer nimmt ständig zu und Prognosen zeigen, dass es in den nächsten Jahren pro Person ein Gerät geben wird.
Aufgrund der zunehmenden Anzahl von Anwendungen und Nutzern wird es immer wichtiger, nicht nur die Chancen, sondern auch die Schwächen und Risiken einer satellitengestützten Positionsbestimmung zu berücksichtigen. Derzeit sind sich viele Nutzer der potenziellen GNSS-Bedrohungen und ihrer Auswirkungen nicht bewusst. In den letzten Jahren sind GNSS-Anwendungen zum Ziel von absichtlichen Interferenzangriffen geworden. Studien zeigen, dass Störungen sowohl erhebliche wirtschaftliche als auch materielle Schäden verursachen können, da Störsignale den Betrieb des GNSS-Empfängers erheblich beeinflussen können. Im Allgemeinen können die Auswirkungen von Störungen zu verminderten Positions- und Zeitgenauigkeiten oder zu einem Totalausfall der Positionierung führen.
Erfolgreiche Mitigationstechniken erfordern eine erfolgreiche und zuverlässige Erkennung und Klassifizierung von GNSS-Interferenzen im Vorhinein. Klassische Ansätze verwenden ein kontinuierliches Monitoring innerhalb der GNSS-Signalbänder. Da der Prozessierungsaufwand und die zu verarbeitenden Datenmengen als sehr hoch angesehen werden, ist eine kontinuierliche Überwachung nicht für alle und insbesondere nicht für kostengünstige GNSS-Anwendungen geeignet.
Eine GNSS-Positionierungstechnik, die nur eine begrenzte Datenmenge (z.B. die Signallänge) verwendet, wird als GNSS-Snapshot-Prozessierung bezeichnet. Diese Technik wird in GNSS-Empfängern eingesetzt, wenn nur begrenzt Energie für die Berechnung der Positionslösung zur Verfügung steht. Dadurch wird die erforderliche Rechenleistung auf ein Minimum reduziert. Der Empfänger erfasst nur wenige Millisekunden der digitalisierten GNSS-Signale und verarbeitet diese, um eine Lösung für Position, Geschwindigkeit und Zeit zu erhalten. Da keine Dekodierung der Navigationsnachricht stattfindet, muss der Empfänger den Zeitpunkt der Signalübertragung selbst schätzen. Dies reduziert die Genauigkeit der Positionslösung auf mehrere Dutzend Meter. Diese Genauigkeit ist jedoch ausreichend für Tracking- und Tracing-Anwendungen, die weniger strenge Anforderungen haben.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die GNSS-Snapshot-Technik näher untersucht. Das Potenzial der Interferenzerkennung mit sehr kurzen Signalstücken wurde untersucht, implementiert und getestet.
Diese Algorithmen wurden hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Präzision mit unterschiedlichen Abtastfrequenzen und Signallängen verglichen. Daraus wurde die geringste mögliche Abtastfrequenz und Signallänge ermittelt, mit der die Interferenzsignale erfolgreich detektiert wurden, unter Aufrechterhaltung einer genauen und präzisen Positionslösung. Die zeitfreien Positionsmethoden wurden mittels simulierten und echten aufgezeichneten Daten untersucht. Verschiedene Detektionsmethoden für Interferenzen wurden implementiert und jene, die auf Snapshot-Techniken basieren, wurden im Detail analysiert und diskutiert. Als Interferenzsignale wurden verschiedene Jamming- und Spoofingsignale simuliert und das Verhalten der Detektoren untersucht und analysiert. Im Anschluss wurden die Detektoren auf echte aufgezeichnete Daten angewandt, um ihr Verhalten ohne Interferenzsignale zu untersuchen. Die Resultate werden im Detail diskutiert und eine Schlussfolgerung daraus gezogen.