Testen unter realen Bedingungen: Warum GNSS-Simulation mehr als nur Satellitensignale nachbildet

Reale Bedingungen sind kaum planbar

Ob im autonomen Fahrzeug, im Energie- oder Kommunikationsnetz: die Genauigkeit und Verfügbarkeit von GNSS-Signalen sind entscheidend. Doch im Feld sind Tests oft nur eingeschränkt aussagekräftig.
Atmosphärische Effekte, Abschattung durch Gebäude, Mehrwegeffekte, Störungen oder gar Fehlverhalten einzelner Satelliten verändern die Signalqualität und damit die Positions- oder Zeitbestimmung.

Unter Abschattung versteht man den teilweisen oder vollständigen Signalverlust, wenn Gebäude, Brücken oder Gelände das direkte Sichtfeld zu einem oder mehreren Satelliten blockieren. Das betroffene System empfängt dann weniger Signale, wodurch die Positionsbestimmung ungenauer wird oder ganz ausfällt. Mehrwegeffekte entstehen dagegen, wenn GNSS-Signale an Oberflächen wie Fassaden, Wasser oder Metall reflektiert werden und dadurch zeitverzögert – teils aus verschiedenen Richtungen – zusätzlich beim Empfänger eintreffen. Solche Überlagerungen verfälschen die Laufzeitmessung und führen zu deutlichen Positionsabweichungen.

Auch die Atmosphäre verändert den Signalweg: In der Ionosphäre können geladene Teilchen und Sonnenaktivität die Laufzeit verlängern oder die Phase verändern, während in der Troposphäre Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit das Signal brechen und verzögern. Solche Einflüsse summieren sich leicht zu erheblichen Fehlern – besonders bei Anwendungen, die auf Zentimeter- oder Nanosekunden-Genauigkeit angewiesen sind.

Eine Wiederholung dieser Bedingungen unter exakt gleichen Voraussetzungen ist im Feld kaum möglich. Genau hier setzt die Simulation an.

Simulation macht das Unsichtbare messbar

Im Labor erzeugen moderne GNSS-Simulatoren wie Spirents PNT X reale Signale globaler Navigationssatellitensysteme – darunter GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou und QZSS. Dabei werden verschiedene Frequenzbänder unterstützt, etwa L1, L2, L5 oder E1, E5a und E5b, die in zivilen und behördlichen Anwendungen eingesetzt werden.
Dank seiner softwaredefinierten Architektur ermöglicht der PNT X auch die Modellierung neuer LEO-PNT-Signale aus niedrigen Erdorbits und deren Kombination mit klassischen GNSS-Konstellationen in mittleren Erdorbits (MEO). In Testszenarien lassen sich LEO- und MEO-Signale simultan simulieren, um hybride PNT-Architekturen zu evaluieren.

Für sicherheitsrelevante Szenarien können zusätzlich die Public Regulated Service (PRS)-Signale von Galileo oder das OSNMA-Verfahren (Open Service Navigation Message Authentication) eingebunden werden. Der PRS ist jedoch ausschließlich autorisierten staatlichen oder behördlichen Nutzern vorbehalten und darf nur im Rahmen der entsprechenden Sicherheitsfreigaben verwendet werden. Damit lassen sich Authentifizierungsmechanismen und Zugriffskontrollen unter kontrollierten Bedingungen prüfen, ohne reale Systeme oder operative Dienste zu gefährden.

So lässt sich exakt nachvollziehen, wie ein Empfänger auf Ausfälle einzelner Satelliten, atmosphärische Verzögerungen, Mehrwegeffekte oder Überlagerungen durch Störsender reagiert.
Die Ergebnisse sind jederzeit reproduzierbar und dokumentierbar – ein entscheidender Vorteil für Entwicklung, Zertifizierung und Qualitätsprüfung.

Anforderungen an die Simulation – vom Smartphone bis zur Rakete

Wie realistisch eine Simulation sein muss, hängt stark von der jeweiligen Anwendung ab.
Ein Fahrzeug- oder Smartphone-Empfänger muss den Empfang in urbanen Umgebungen mit wechselnden Satellitenkonstellationen, Abschattungen und Mehrwegeffekten zuverlässig bewältigen. Hier liegt der Fokus auf realistischen Signalverhältnissen, Antennenpositionen und Bewegungspfaden im Nahbereich.

Bei stationären Zeitempfängern oder kritischen Infrastrukturen steht dagegen die Langzeitstabilität im Vordergrund – etwa das Verhalten bei Signalverlust, der Übergang in den Holdover-Betrieb oder die Integrität von PTP- und NTP-Zeitsignalen.

Schiffe und Flugzeuge stellen höhere Anforderungen an Dynamik, Kursänderungen und Mehrfrequenzempfang. Dabei werden komplexe Bewegungsmodelle und 3D-Geländeprofile simuliert, um realistische Routenverläufe, Flughöhen und Abschattungen zu erzeugen.

Für schnelle Drohnen, Raketen und Trägheitsnavigationssysteme (INS) müssen extreme Beschleunigungen, Rotationen und hohe Aktualisierungsraten berücksichtigt werden. Hochleistungs-Simulatoren wie der PNT X unterstützen hier bis zu 2 kHz Update-Raten, präzise Flugtrajektorien und Mehrantennensysteme. Damit lassen sich auch Antennenmuster, Phasenverschiebungen und dynamische Rotationen realitätsgetreu nachbilden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Hardware-in-the-Loop-Integration (HIL). Dabei wird das zu testende System – etwa ein Navigations- oder Steuergerät – in eine HIL-Umgebung eingebunden, in der reale und simulierte Komponenten gemeinsam interagieren. Der GNSS-Simulator ist dabei ein Teil dieser Testumgebung: Er liefert die Satellitensignale, die das Navigationssystem des Prüflings in Echtzeit verarbeitet. Die übrigen Bewegungsdaten, Fahrzeugmodelle und Routendarstellungen stammen aus anderen Modulen des HIL-Systems, beispielsweise aus einer dynamischen Simulationsplattform wie dSPACE SCALEXIO. So lässt sich das Verhalten des Gesamtsystems unter realistischen Bedingungen präzise und reproduzierbar bewerten.

Record-and-Replay von GNSS-Signalen

Während Simulatoren synthetische Szenarien erzeugen, basiert das Record-and-Replay-Verfahren auf der Aufzeichnung realer Satellitensignale und ihrer Umgebung. Systeme wie das Spirent GSS6450 nehmen dabei die empfangenen GNSS-Signale im Feld auf – inklusive der tatsächlichen Störquellen, Reflexionen und Signalabschattungen. Parallel können weitere Sensordaten, etwa von IMU, Radar oder Kameras, mitgespeichert werden. Diese Informationen werden bereits während der Aufzeichnung miteinander verknüpft und bei der Wiedergabe im Labor zeitlich synchron wiedergegeben.

Im Labor kann das aufgezeichnete Szenario anschließend reproduziert werden, sodass das getestete Gerät unter denselben Bedingungen arbeitet wie im Feld. Damit lassen sich reale Einsatzumgebungen, Störsituationen oder Fahrzeugbewegungen analysieren und im Entwicklungsprozess gezielt wiederholen – ein wichtiger Schritt, um Systeme unter praxisnahen Bedingungen zu validieren.

Resilienz testen: Jamming, Spoofing und Ausfälle

Neben klassischen Fehlerszenarien rücken gezielte Störungen immer stärker in den Fokus. Mit GNSS-Simulationsplattformen lassen sich Jamming- (gezielte Störsignale, die das GNSS-Signal übertönen) und Spoofing-Angriffe (gezielte Fälschung von Satellitensignalen) kontrolliert nachstellen.
Diese Störungen sind nicht nur von Schiffen und Flugzeugen bekannt, sondern können auch kritische Infrastrukturen gefährden: Zeitfehler in Kommunikations- oder Energiesystemen können Netzschwankungen verursachen oder sogar den unbefugten Zugriff auf Systeme ermöglichen.

Durch präzise Simulation solcher Bedrohungen lassen sich Schutzmechanismen entwickeln und die Robustheit eines Empfängers messbar machen. Moderne GNSS-Simulatoren wie der PNT X erlauben nicht nur das Nachbilden einzelner Störereignisse, sondern auch das Erzeugen komplexer, dynamischer Interferenzszenarien. Dabei können mehrere, unterschiedliche Störquellen gleichzeitig generiert werden – jede mit eigener Wellenform, Signalstärke und Bewegungsbahn. So lassen sich bewegte Jamming-Quellen, koordinierte Spoofing-Gruppen oder kombinierte Angriffe realistisch nachstellen und gezielt gegen Empfänger oder Antennenarrays testen.
Solche Tests sind entscheidend, um Resilienzmaßnahmen praxisnah zu bewerten – etwa adaptive Filter, CRPA-Nulling oder Detektionslogiken – und liefern reproduzierbare, dokumentierbare Ergebnisse zur Beurteilung der Systemrobustheit.

Dokumentation und Zertifizierung

Ein wesentlicher Vorteil der Simulation liegt in der vollständigen Nachvollziehbarkeit aller Testbedingungen.
Jeder Lauf kann exakt wiederholt, dokumentiert und ausgewertet werden – von den Eingangssignalen über die Umgebungsparameter bis hin zu den Messergebnissen.
Diese Transparenz schafft eine belastbare Grundlage für Entwicklungsentscheidungen und ermöglicht es, Systeme gezielt auf die späteren Anforderungen einer Zertifizierung vorzubereiten.
Auf diese Weise lassen sich Designänderungen, Software-Updates oder Schutzmechanismen frühzeitig verifizieren, bevor sie in aufwendigen Feld- oder Zulassungstests überprüft werden. So wird die GNSS-Simulation zu einem zentralen Werkzeug auf dem Weg zu robusten, zertifizierungsfähigen Lösungen.

Beispiele aus der Praxis

Empfängerprüfung unter schwierigen Empfangsbedingungen: Ein GNSS-Modul wird in urbanen Szenarien mit Abschattung durch Gebäude und Mehrwegeeffekten getestet. Die Ergebnisse zeigen, wie zuverlässig die Positionsdaten selbst in engen Straßenschluchten bleiben.

Netzsynchronisation bei GNSS-Ausfall: Ein PTP-Grandmaster wird in einem simulierten GNSS-Ausfall getestet. Dabei wird überprüft, wie stabil die interne Zeitbasis bleibt und ob der Übergang in den Holdover-Modus fehlerfrei funktioniert.

Flugnavigationsprüfung bei Jamming und Spoofing:
Ein Navigationssystem für Flugzeuge wird im Labor unter realistischen Flugphasen geprüft, während gezielte Jamming- und Spoofing-Szenarien in dynamische Flugmanöver eingebaut werden.

Fazit

GNSS-Simulation ist heute ein unverzichtbares Werkzeug, um Systeme realitätsnah, sicher und reproduzierbar zu testen. Sie reduziert Entwicklungszeiten, senkt Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit in sicherheitskritischen Anwendungen.
Damit ist sie die Grundlage für vertrauenswürdige PNT-Systeme – von der Forschung bis zum operativen Einsatz in der Praxis.