GNSS – Technologie und Konformität

• GNSS-Empfänger basieren auf satellitengestützter Positions- und Zeitbestimmung mit extrem schwachen Signalen (etwa −130 dBm). Antennendesign und Signalverarbeitung sind daher entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb.

• Die Empfängerleistung wird durch Sensitivität, Time to First Fix (TTFF) und Positionsgenauigkeit unter kontrollierten und reproduzierbaren Testbedingungen definiert.

• Simulatorbasierte Tests ermöglichen eine reproduzierbare Bewertung der GNSS-Performance, einschließlich Sensitivität, TTFF, Dynamik und Störfestigkeit, die über die Möglichkeiten von Live-Sky-Tests hinausgeht.

• Der globale Marktzugang hängt von der Einhaltung regionaler regulatorischer Rahmenbedingungen und anwendungsspezifischer Vorgaben ab, etwa ETSI EN 303 413, der Galileo-Unterstützung für EU-eCall oder NavIC-Anforderungen in Indien.

GNSS-Empfänger verarbeiten Signale von Satelliten in mittlerer Erdumlaufbahn in einer Höhe von etwa 20 000 km. Jedes GNSS betreibt eine eigene Satellitenkonstellation mit typischerweise 24 bis 35 Satelliten und sendet codierte Zeitsignale auf definierten Frequenzbändern.

Moderne Empfänger unterstützen den Mehrkonstellationsbetrieb. Die gleichzeitige Nutzung mehrerer GNSS-Systeme verbessert die Verfügbarkeit und die Gesamtleistung der Positionsbestimmung.

GNSS-Empfänger arbeiten im L-Band und verarbeiten Spread-Spectrum-Signale auf definierten Trägerfrequenzen. Diese Signale enthalten präzise Zeitinformationen, anhand derer der Empfänger Pseudostrecken zu mehreren Satelliten berechnet. Die Wahl der Frequenzbänder beeinflusst direkt Leistungsfähigkeit, Robustheit und regulatorische Relevanz des Empfängers.

Moderne GNSS-Empfänger unterstützen zunehmend den Dual-Frequency-Betrieb, meist durch die Kombination von L1 oder E1 mit L5 oder E5. Durch den Vergleich der Signalausbreitung auf zwei Frequenzen lassen sich ionosphärische Laufzeitfehler deutlich reduzieren. Dies verbessert die Robustheit und Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung, insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen.

Die Leistungsfähigkeit von GNSS-Empfängern wird dadurch bestimmt, wie zuverlässig Satellitensignale erfasst, verfolgt und in präzise Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitinformationen umgesetzt werden. Aufgrund der extrem niedrigen Signalpegel ist eine Bewertung nur anhand klar definierter und reproduzierbarer Metriken sinnvoll.

Die folgenden Parameter werden typischerweise zur Charakterisierung der GNSS-Empfängerleistung in Anwendungen wie Automotive-Systemen, IoT-Tracking-Geräten und sicherheitsrelevanten Positionierungsfunktionen herangezogen.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit beschreibt den minimalen Signalpegel, bei dem ein GNSS-Empfänger Satellitensignale erfolgreich erfassen oder verfolgen kann.

Es werden in der Regel zwei Kennwerte unterschieden:

• Erfassungsempfindlichkeit (Acquisition Sensitivity)
  Niedrigster Signalpegel, bei dem ein Satellit erkannt und ein initialer Positionsfix erreicht werden kann.

• Verfolgungsempfindlichkeit (Tracking Sensitivity)
  Niedrigster Signalpegel, bei dem ein bereits erfasstes Satellitensignal stabil verfolgt werden kann.

Die Verfolgungsempfindlichkeit liegt meist mehrere Dezibel unter der Erfassungsempfindlichkeit und ist entscheidend für den Betrieb in signalgedämpften Umgebungen, etwa in urbanen Schluchten, in Gebäudenähe oder unter Vegetation.

Time to First Fix (TTFF)

Time to First Fix beschreibt die Zeit, die ein GNSS-Empfänger benötigt, um nach dem Einschalten oder Zurücksetzen erstmals eine gültige Positionslösung zu berechnen.

Der TTFF hängt stark vom Zustand des Empfängers und den verfügbaren Hilfsdaten ab:

• Cold Start
  Keine gültigen Almanach-, Ephemeriden- oder Positionsdaten verfügbar; typischer TTFF: 30–60 Sekunden.

• Warm Start
  Almanachdaten und ungefähre Position verfügbar, Ephemeriden veraltet; TTFF meist wenige Sekunden.

• Hot Start
  Gültige Ephemeriden und aktuelle Positionsdaten verfügbar; Positionsfix in ein bis zwei Sekunden.

Der TTFF ist ein zentraler Leistungsindikator für die Nutzererfahrung und für Anwendungen, die nach dem Einschalten eine schnelle Positionsbestimmung erfordern.

Positionsgenauigkeit

Die Positionsgenauigkeit beschreibt die Abweichung zwischen der vom Empfänger berechneten Position und der tatsächlichen Position. Sie wird üblicherweise als horizontaler und vertikaler Fehler unter definierten Testbedingungen angegeben.

Die Genauigkeit wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter:

• Satellitengeometrie (Dilution of Precision)

• Atmosphärische Verzögerungen (Ionosphäre und Troposphäre)

• Mehrwegeausbreitung

• Empfängerrauschen und Signalverarbeitungsalgorithmen

Unter Freifeldbedingungen erreichen Einzelfrequenz-Empfänger typischerweise horizontale Genauigkeiten im Bereich weniger Meter. Mehrkonstellations- und Dual-Frequency-Empfänger können Genauigkeit und Robustheit insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen deutlich verbessern.

Robustheit und Störfestigkeit

Die Robustheit beschreibt die Fähigkeit eines GNSS-Empfängers, die Positionsbestimmung auch bei Signalbeeinträchtigungen aufrechtzuerhalten.

Relevante Aspekte sind unter anderem:

• Widerstandsfähigkeit gegenüber In-Band- und Außerband-Störungen

• Toleranz gegenüber benachbarten Funkübertragern im selben Gerät

• Stabilität unter dynamischen Bedingungen wie Fahrzeugbewegung oder Signalschwund

Die Störfestigkeit ist besonders wichtig für integrierte Geräte, die GNSS mit Mobilfunk, WLAN oder anderen Funktechnologien kombinieren.

Die Prüfung von GNSS-Empfängern konzentriert sich auf die Verifikation von Leistungsparametern unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen. Da GNSS-Signale extrem schwach sind und Umwelteinflüsse in realen Szenarien nicht kontrolliert werden können, ist laborbasierte Prüfung für eine zuverlässige Leistungsvalidierung und Konformitätsbewertung unerlässlich.

Die Auswahl der Prüfmethoden richtet sich nach Entwicklungsstand, Anwendungskontext und regulatorischen Anforderungen.

Simulatorbasierte Tests

GNSS-Simulatoren erzeugen realistische Satellitensignale und ermöglichen eine präzise Kontrolle von Signalparametern, Satellitengeometrie und Umgebungsbedingungen. Dadurch lassen sich reproduzierbare Tests durchführen, die mit Live-Sky-Messungen nicht erreichbar sind.

Typische simulatorbasierte Testszenarien sind:

• Definierte Satellitensichtbarkeit und -geometrie

• Einstellbare Signalpegel zur Empfindlichkeitsbewertung

• TTFF-Messungen für Cold, Warm und Hot Start

• Dynamische Szenarien mit konfigurierbaren Bewegungsprofilen

• Mehrkonstellations- und Mehrfrequenzbetrieb

Simulatorbasierte Tests sind die bevorzugte Methode für Leistungscharakterisierung, Regressionstests und zertifizierungsnahe Messungen.

Live-Sky-Tests

Live-Sky-Tests nutzen reale Satellitensignale, die über eine Antenne in einer Außenumgebung empfangen werden. Sie bilden reale Betriebsbedingungen ab, bieten jedoch nur eingeschränkte Reproduzierbarkeit und Kontrolle.

Live-Sky-Tests werden typischerweise eingesetzt für:

• Funktionale Verifikation während der Entwicklung

• Feldvalidierung integrierter Geräte

• Bewertung der Nutzererfahrung

Aufgrund unkontrollierbarer Variablen wie Satellitengeometrie, Störungen und Wetterbedingungen eignen sich Live-Sky-Tests nicht als alleinige Grundlage für Leistungsvalidierung oder Konformitätsnachweise.

Empfindlichkeits- und TTFF-Bewertung

Messungen der Empfindlichkeit und der Time to First Fix (TTFF) werden üblicherweise mit GNSS-Simulatoren durchgeführt, um konsistente und vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

Typische Vorgehensweisen sind:

• Schrittweise Signaldämpfung zur Bestimmung von Erfassungs- und Verfolgungsschwellen

• Definierte Startbedingungen für Cold, Warm und Hot Start

• Verifikation über unterstützte Konstellationen und Frequenzbänder hinweg

Diese Messungen stehen in direktem Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Leistungsparametern.

Störfestigkeits- und Robustheitstests

Robustheitstests bewerten die Empfängerleistung unter Signalbeeinträchtigungen und Störeinflüssen.

Relevante Prüfungen umfassen:

• Einbringung von In-Band- und Außerband-Störungen

• Koexistenzszenarien mit benachbarten Funkübertragern

• Simulation von Signalabschattung und Fading

• Dynamische Belastungstests unter Bewegung und Leistungsvariation

Diese Tests sind besonders wichtig für Geräte, die GNSS mit Mobilfunk, WLAN oder anderen Funktechnologien kombinieren.

Konformitätsorientierte Tests

Für bestimmte Anwendungen und Märkte müssen GNSS-Empfänger die Einhaltung definierter Leistungs- und Emissionsanforderungen nachweisen.

Beispiele hierfür sind:

• Leistungsvalidierung gemäß ETSI EN 303 413 für den europäischen Markt

• Verifikation von Empfängerblockierung und Störaussendungen

• Dokumentation von Prüfbedingungen, Messunsicherheiten und Reproduzierbarkeit

Konformitätsorientierte Prüfungen bauen auf simulatorbasierten Messungen auf und erfordern nachvollziehbare, sauber dokumentierte Prüfverfahren.

GNSS-Empfänger sind passive Funkgeräte und senden selbst keine Funksignale aus. Daher sind in den meisten Märkten weder individuelle Frequenzzuteilungen noch funktechnische Typgenehmigungen erforderlich.

Dennoch unterliegen GNSS-Empfänger regionalen regulatorischen Rahmenbedingungen, insbesondere in Bezug auf Funkanlagenrecht, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und anwendungsspezifische Vorgaben. Darüber hinaus schreiben einige Märkte die Unterstützung bestimmter Satellitensysteme vor, etwa für sicherheitsrelevante Anwendungen oder national regulierte Einsatzbereiche.

Die nachfolgende Übersicht fasst zentrale regulatorische Aspekte zusammen, die für die Integration von GNSS-Empfängern und den globalen Marktzugang relevant sind.

• GNSS-Empfänger benötigen in der Regel keine individuellen Funklizenzen, müssen jedoch die jeweiligen regionalen Anforderungen an Funkanlagen und EMV erfüllen.

• Regulatorische Vorgaben konzentrieren sich auf Emissionen, effiziente Frequenznutzung und die Konformität des Gesamtgeräts, nicht auf den Empfang der Satellitensignale selbst.

• Anwendungsspezifische Vorgaben sind für den Marktzugang entscheidend, etwa die Galileo-Unterstützung für EU-eCall, GLONASS-Anforderungen in Russland oder NavIC-Vorgaben in Indien.

• Hersteller sollten die unterstützten GNSS-Konstellationen klar dokumentieren und die Einhaltung regionaler Anwendungsanforderungen frühzeitig im Produktentwicklungsprozess prüfen.

Die Anforderungen an GNSS-Empfänger variieren je nach Anwendungskontext erheblich.

Obwohl die zugrunde liegende Positionierungstechnologie vergleichbar ist, unterscheiden sich Leistungserwartungen, regulatorische Rahmenbedingungen und Validierungsschwerpunkte je nach Branche.

Die folgenden Beispiele zeigen typische Einsatzszenarien und die jeweils relevanten technischen und regulatorischen Aspekte.

Automotive-Anwendungen

Im Automobilbereich ist GNSS eine sicherheits- und funktionskritische Komponente für Navigation, Flottenservices, Fahrerassistenzsysteme und Notruflösungen.

Typische Anwendungsfälle

• Turn-by-Turn-Navigation und kartengestützte Dienste

• Notrufsysteme (eCall / ERA-GLONASS)

• Flottenverfolgung und Telematik

• Unterstützung von Fahrerassistenzsystemen (ADAS)

Zentrale technische Anforderungen

• Hohe Verfügbarkeit in urbanen Umgebungen und Tunneln

• Schneller und zuverlässiger TTFF nach Fahrzeugstart

• Robustes Tracking bei dynamischer Bewegung und Signalabschattung

• Mehrkonstellationsunterstützung zur Verbesserung der Satellitensichtbarkeit

Regulatorischer und prüftechnischer Fokus

• Verpflichtende Galileo-Unterstützung für EU-eCall-Systeme

• GLONASS-Anforderungen für automotive Anwendungen in Russland

• Leistungsvalidierung gemäß ETSI EN 303 413

• Simulatorbasierte Tests für reproduzierbare sicherheitsrelevante Szenarien

Drohnen- und UAV-Anwendungen

GNSS spielt eine zentrale Rolle bei unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), insbesondere für Navigation, Stabilisierung, Geofencing und autonome Flugfunktionen.

Typische Anwendungsfälle

• Positionshaltung und Wegpunktnavigation

• Autonomer Flug und Return-to-Home-Funktionen

• Geofencing und Einhaltung von Luftraumvorgaben

• Vermessung, Kartierung und Inspektion

Zentrale technische Anforderungen

• Hohe Positionsgenauigkeit und geringe Latenz

• Zuverlässiger Betrieb bei hohen Dynamiken und schnellen Lageänderungen

• Robustheit gegenüber Störungen durch Bordfunktechnik und Motoren

• Mehrband- und Dual-Frequency-Unterstützung zur Genauigkeitssteigerung

Regulatorischer und prüftechnischer Fokus

• Verifikation der GNSS-Leistung für flugsicherheitsrelevante Funktionen

• Validierung unter dynamischen Bewegungsprofilen

• Stör- und Koexistenztests mit HF-Sendern

• Zunehmende Bedeutung von Dual-Frequency-GNSS bei professionellen UAVs

IoT- und Asset-Tracking-Anwendungen

In IoT-Geräten wird GNSS häufig für Tracking-, Logistik- und Monitoring-Anwendungen eingesetzt, oft unter strengen Vorgaben hinsichtlich Energieverbrauch und Baugröße.

Typische Anwendungsfälle

• Asset- und Container-Tracking

• Intelligente Logistik- und Lieferkettenüberwachung

• Wildtier- und Nutztiertracking

• Infrastrukturüberwachung und Zeitsynchronisation

Zentrale technische Anforderungen

• Niedriger Energieverbrauch und effiziente Duty-Cycle-Konzepte

• Zuverlässige Signalerfassung bei niedrigen Pegeln

• Akzeptabler TTFF nach langen Schlafphasen

• Kompakte Antennen- und HF-Frontend-Integration

Regulatorischer und prüftechnischer Fokus

• Bewertung von Empfindlichkeit und Tracking-Leistung bei niedriger Leistungsaufnahme

• Koexistenz mit Mobilfunk (LTE-M, NB-IoT) und LPWAN-Technologien

• Validierung von Cold-Start-TTFF-Szenarien

• Regionale Vorgaben, z. B. NavIC-Unterstützung für den indischen Markt

Anwendungsübergreifende Aspekte

• Simulatorbasierte Tests ermöglichen eine konsistente Bewertung von Empfindlichkeit, TTFF und Genauigkeit

• Mehrkonstellationsunterstützung erhöht die Robustheit in anspruchsvollen Umgebungen

• Regulatorische Anforderungen beeinflussen zunehmend die Auswahl unterstützter GNSS-Konstellationen

• Integrationstests sind essenziell, wenn GNSS gemeinsam mit anderen Funktechnologien betrieben wird

Unsere akkreditierten Prüflabore unterstützen die Bewertung von GNSS-Empfängern mittels kontrollierter Signalsimulation, Leistungsprüfungen und konformitätsorientierter Messungen. Dazu zählen Empfindlichkeit, TTFF, Positionsgenauigkeit, Störfestigkeit sowie anwendungsspezifische Anforderungen für Automotive- und IoT-Geräte.

→ Prüfservices für GNSS-Empfänger