Forschungsthemen

  Störerquellen Urheberrecht: © NAV

Der Lehrstuhl für Navigation beschäftigt sich mit der Entwicklung robuster GNSS-Empfänger auf der System- und Algorithmenebene. Äußere Störeinflüsse auf die Positionsbestimmung stellen insbesondere Jammer, Spoofer oder Mehrwegesignale dar. Die effektivste Gegenmaßnahme gegen diese Einflüsse stellt die räumliche Verarbeitung einfallender Signale mithilfe von Antennenarrays dar. Forschungsgebiete des Lehrstuhls stellen dabei insbesondere der Entwurf, die Simulation und experimentelle Validierung von Algorithmen für räumliche Signalverarbeitung dar. Dies umfasst u.A. Algorithmen zur Kalibration von Frontend und Gruppenantenne, zur Detektion und Unterdrückung von Jammern und Spoofern, als auch zur Lokalisierung von Störquellen.

 

Anfälligkeit für Störsignale

Satellitensignale werden aufgrund der großen Distanz zum Satellit mit einer sehr geringen Leistung empfangen, die unter dem Rauschboden des Empfängers liegt. Daher sind GNSS Empfänger sehr sensitiv gegenüber Störsignalen. Als Störer werden alle Signale bezeichnet, die in den GNSS-Bändern empfangen werden, aber nicht durch einen GNSS-Satellit abgestrahlt werden. Dies können einerseits unbeabsichtigte Interferenzen sein, wie beispielsweise Oberwellen von terrestrischen Kommunikationssystemen, die nicht ausreichend gefiltert werden.

  Marius Brachvogel Urheberrecht: © NAV

Es gibt jedoch auch absichtliche Störer, die grundsätzlich in zwei Klassen unterschieden werden können. Beim Jamming versucht der Angreifer den Empfang authentischer GNSS-Signale am Empfänger bspw. durch breitbandiges Rauschen zu verhindern. Ein recht aktuelles Beispiel stellen sogenannte Personal-Privacy-Devices (PPDs) dar, die in den USA in der Vergangenheit bereits von Fahrern von Lieferdiensten eingesetzt wurden, um die Überwachung durch den Arbeitgeber zu verhindern. Der Einsatz von Jammern führt bei betroffenen Empfängern zu einer Verschlechterung der Signalqualität. Die Auswirkungen können dabei von einer ungenaueren Schätzung der Position bis hin zu einem Ausfall des gesamten Empfängers im Fall von stärkeren Jammern reichen.

Neben Jammern sind GNSS-Empfänger durch fehlende Authentifizierung der Signale aber auch anfällig für sogenanntes Spoofing. In diesem Fall sendet der Störer Signale mit authentischer GNSS-Signalstruktur aus. Standard-Empfänger können diese Signale nicht von den echten Satellitensignalen unterscheiden, sodass im schlimmsten Fall eine durch den Störer beabsichtigte falsche Position am Empfänger bestimmt wird.

  Das Bild zeigt ein URA und die Unterdrückung einer Einfallsrichtung Urheberrecht: © Marius Brachvogel

Mögliche Gegenmaßnahmen stellen u.A. Filterung im Zeit- oder Frequenzbereich dar. Diese beeinflussen jedoch immer auch die empfangenen Satellitensignale, da diese mit einem zeitkontinuierlichen CDMA-Verfahren moduliert werden. Die effektivste Gegenmaßnahme ist daher die räumliche Filterung. Voraussetzung dafür ist der Einsatz eines Antennenarrays. Häufig genutzt werden sogenannte Uniform-Rectangular-Arrays (URA) bestehend aus vier Antennen. Arrays ermöglichen es die Einfallsrichtung eines Signals anhand des differentiellen Phasenversatzes zwischen den Einzelantennen des Arrays zu bestimmen. Anschließend kann eine konstruktive oder destruktive Überlagerung der Antennensignale gewählt werden, um authentische Satellitensignale räumlich zu verstärken oder die Einfallsrichtung von Störern zu unterdrücken.

  Das Bild zeigt die Aufteilung eines URAs in zwei ULAs Urheberrecht: © Marius Brachvogel

Der Lehrstuhl verfolgt hier zwei verschiedene Forschungschwerpunkte: Einerseits werden die Algorithmen für kompakte Antennenarrays wie das o.g. URA erweitert, um deren Effektivität zu steigern (vgl. Zorn et. al.). Andererseits wird ein neues, konformes Antennenarray aus verteilten Subarrays für den Einsatz im Automobilbereich erforscht (vgl. Brachvogel et. al.) und entsprechende Algorithmen entworfen (vgl. Brachvogel et. al.).

 

Kalibration eines Antennenarrays

Möchte man die Ausrichtung des Antennenarrays im Raum schätzen, muss die Phasenablage zwischen den Antennenelmenten kalibriert werden. Durch die Kenntnis der absoluten Antennenausrichtung können Störer und Täuscher im Raum lokalisert werden. Darüber hinaus lassen sich mit einem kalibriertem Antennenarray die zuvor genannten Unterdrückungsmechanismen deterministisch unterstützen. Die Phasenablage zwischen den Antennenelementen ändert sich durch die verschiedenen aktiven Elemente im Frontend kontinuirlich über die Zeit und muss daher ständig gemessen und kalibriert werden.

Bisherige Verfahren zur Antennenarraykalibration benötigen zusätzliche Hardware und verkomplizieren somit die Empfängerarchitektur, erhöhen die Verlustleistung und erschweren die Miniturasierung des Empfängers aufgrund der zusätzlich benötigten Signalleitungen. Eine weitere Möglichkeit das Antennenarray zu kalibrieren ist die Nutzung der GNSS-Signale. In den Signaldaten ist die Umlaufbahn jedes Satelliten enthalten, die in die Einfallsrichtung des jeweiligen Signals umgerechnet werden kann. Werden diese Einfallsrichtungen nun mit den geschätzten Einfallsrichtungen, die sich Direction Finding Algorithmen ergeben, verglichen, kann die Kalibration rein auf Softwarebasis geschätzt werden. Das Problem jedoch ist, dass die Einfallsrichtungen, die sich aus den Umlaufbahnen ergeben, im East-North-Up Koordinatensystem gegeben sind während die geschätzen Einfallsrichtungen im lokalen Koordinatensystem des Antennenarrays gegeben sind und zusätzlich um die Phasenablage zwischen den Antennelementen verschoben sind. Der Lehrstuhl für Navigation hat daher ein iterartiven Algorithmus entwickelt, der die Kalibration und die Antennenausrichtung gemeinsam schätzt.

 

Täuscherdetektion und -unterdrückung

Täuschertypen Urheberrecht: © Sören Zorn

Täuschsignale haben einen noch schlimmere Auswirkung auf die Positionsbestimmung als Störsignale, denn im Gegensatz zu Störern führt ein Täuscher nicht zu einem Ausfall der Positionsbestimmung, sondern zu einen falschen Positionsbestimmung. Während der Ausfall sofort ersichtlich ist und darauf reagiert werden kann, ist eine Fehlpositionsbestimmung erst deutlich später offensichtlich. Durch die stetig steigende Anzahl der sicherheitskritischen Anwendungen, wie zum Beispiel autonome Fahrzeuge, assistierende Landemanöver von Flugzeugen, GNSS unterstützte Binnenschifffart, etc. erlangt die Täuscherdetektion und -unterdrückung eine immer größer werdene Bedeutung. Täuschsignale sind GNSS ähnliche Signale, die dem authentischen Signal um eine gewisse Zeit verschoben sind. Im Bild oben sind ein paar Beispiele dargstellt. Durch die Vielfalt an Täuschern ergibt sich hier ein besonders großes Forschungsgebiet.