Die Positionierung im Weltraum bezieht sich auf die Verwendung von satellitengestützten Navigationssystemen zur Bestimmung von Position, Geschwindigkeit und Zeit eines Raumfahrzeugs oder Satelliten, der die Erde umkreist. GNSS-Signale werden von einer Konstellation von Navigationssatelliten, die die Erde umkreisen, gesendet und von einem Raumempfänger (in einer LEO-Umlaufbahn) empfangen. Der Empfänger kann seine Position und Geschwindigkeit im Weltraum berechnen, indem er die Zeitverzögerung zwischen den von den verschiedenen Satelliten empfangenen Signalen misst.
Aufgrund des großen Nutzens einer autonomen Bahn- und Zeitbestimmung ist der Einsatz weltraumgestützter GNSS-Empfänger an Bord von LEO-Satelliten zur Standardpraxis geworden. Die Verfügbarkeit von hochwertigen und zuverlässigen Empfängern des globalen Navigationssatellitensystems ist zu einem integralen Bestandteil moderner Satellitenmissionen geworden, um das Lage- und Umlaufbahnkontrollsystem (AOCS) des Satelliten und die präzise Umlaufbahnbestimmung (POD) zu unterstützen, die eine Genauigkeit im Zentimeterbereich anstrebt. Der Einsatz von Weltraumempfängern hat zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Reflektometrie, Schwerefeldbestimmung, Bedeckung usw.

Weltraumempfänger bieten den Vorteil, dass sie Satelliten ständig und ohne Unterbrechung nachführen und sofortige 4D-Messungen mit hoher Genauigkeit liefern können, wobei die Kosten für Hardware und Software minimal sind. Die Leistung und der Betrieb des Weltraumempfängers werden durch verschiedene Faktoren wie "Signaldynamik und Dauer der Signalverfolgung", "atmosphärische Effekte", "feindliche Weltraumumgebung" und das "Bahnmanöver" eingeschränkt.

Bild 1: Der Phoenix GPS receiver (12-Kanal single-frequency receiver)

Quelle: https://satsearch.co/products/dlr-phoenix

Bild 2: Der NewSpace Systems (NSS) NGPS-01-422 GPS Empfänger (12 Kanäle)

Es ist bekannt, dass GNSS-Empfänger anfällig für absichtliche oder unabsichtliche Störungen sind, wodurch sich das Träger-Rausch-Verhältnis (CNR) oft verschlechtert, was die Erfassung und Verfolgung von GNSS-Signalen weiter beeinträchtigt und schließlich den Empfänger außer Gefecht setzt. Das Aufkommen störender Technologien wie HF-Störungen über mobile Plattformen hat zu der Erkenntnis geführt, dass das Stören von GNSS-Empfängern an Bord eines LEO-Satelliten eine wachsende Bedrohung darstellt. Um die Folgen von Störungen abzumildern, müssen die Tracking-Schleifen des Empfängers mit einem höheren Grad an Zuverlässigkeit entworfen werden, um die Robustheit gegenüber Störungen zu erhalten und dennoch genaue Positionsbestimmungen zu ermöglichen. Angesichts des Aufkommens dieser nachteiligen Technologien, die zu ungünstigen Umständen führen, ist die Störung des Empfängers eines LEO-Satelliten ein katastrophales Ereignis, das die Mission selbst gefährdet.

Abbildung 3: Multi-Korrelator-Werte vor, während und nach dem Jamming

Zur Charakterisierung und Beseitigung von Codefehlern bei der Ortung wird im Empfänger in der Regel die Technik des "Carrier - Aiding" (Codeverfolgung mit Hilfe der Trägerverfolgung) eingesetzt. Dies führt zu einer Reduktion von Verzerrungen bei der Positionierung. Carrier Aiding garantiert jedoch keine Robustheit gegenüber Störungen und kann die Leistung der Ortungsschleifen beeinträchtigen, da es bei Störungen zu Zyklusabweichungen oder zum Verlust der Phasenverriegelung in den Ortungsschleifen kommen kann. Dies hat zur Folge, dass die Trägerinformation nicht an die Codeverfolgungsschleife geliefert wird. Um den negativen Auswirkungen von Störsignalen entgegenzuwirken und den Empfänger robust gegen Störsignale zu machen und gleichzeitig gute Positionierungsergebnisse zu erzielen, kann die Technik des "Doppler Aiding" eingesetzt werden, bei der die Trägerverfolgungsschleife des Empfängers in jeder Epoche durch die Doppler-Informationen der Umlaufbahn unterstützt wird.

C1: Leistungsanalyse von weltraumgestützten GNSS-Empfängern (in verschiedenen Umlaufbahnen) bei Störszenarien

Schwerpunkt: Analyse der Leistung von weltraumgestützten GNSS-Empfängern in unterschiedlichen Umlaufbahnen unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Signaldynamik, atmosphärische Effekte und Umlaufbahnmanöver.

Die Arbeit könnte Simulationsstudien beinhalten, um die Faktoren zu verstehen, welche die Leistung des Empfängers beeinflussen.

C2: Entwicklung von Algorithmen zur präzisen Bestimmung der Umlaufbahn

Schwerpunkt: Entwicklung von Algorithmen zur präzisen Bestimmung der Umlaufbahn unter Verwendung von GNSS-Daten.

Die Arbeit könnte die Implementierung und Erprobung verschiedener Algorithmen, wie z. B. des erweiterten Kalman-Filters und der Batch-Least-Squares-Methode, zur Bestimmung der Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs mit hoher Genauigkeit umfassen.

C3: Entwicklung von Algorithmen zur Bestimmung der Fluglage mittels GNSS

Schwerpunkt: Entwicklung von Algorithmen zur Lagebestimmung unter Verwendung von GNSS-Daten.

Die Arbeit könnte die Implementierung und Erprobung verschiedener Algorithmen, wie z. B. erweiterter Kalman-Filter und Quaternion-basierte Methoden, zur Bestimmung der Lage eines Raumfahrzeugs mit hoher Genauigkeit beinhalten.

C4: Entwicklung eines Systems zur Störungserkennung und Geolokalisierung für GNSS-Empfänger im Weltraum

Schwerpunkt: Entwicklung eines Systems, das Störquellen, die auf GNSS-Empfänger im Weltraum abzielen, aufspüren und geolokalisieren kann.

Das System könnte Signalverarbeitungstechniken und Algorithmen des maschinellen Lernens nutzen, um Störquellen zu identifizieren und zu lokalisieren, und könnte in ein größeres System zur Situationserkennung im Weltraum integriert werden.

C5: Bewertung der Anfälligkeit von GNSS-Empfängern im Weltraum für verschiedene Arten von Störsignalen

Schwerpunkt: Untersuchung der Anfälligkeit von GNSS-Empfängern im Weltraum für verschiedene Arten von Störungen, wie z. B. Breitband- und Schmalband-Störungen sowie absichtliche und unabsichtliche Störungen.

Die Studie könnte sowohl simulationsbasierte als auch experimentelle Tests umfassen, um die Wirksamkeit verschiedener Störungsarten zu bewerten.

Kontakt: Sahana Bandagadde Umesha (sahana.bandagadde@unibw.de)