Evaluation of commercial off-the-shelf GNSS receivers for nanosatellite applications

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit kostengünstiger GNSS (Global Navigation Satellite Systems)-Empfänger für den Einsatz auf Nanosatelliten im Low Earth Orbit (LEO). Zu diesem Zweck wurden GPS-Signale mit dem XPLORA-Simulator der Firma OHB Austria unter realitätsnahen orbitalen Bedingungen erzeugt. Die simulierten Szenarien umfassten statische und kinematische Flugphasen eines Astrocast CubeSat Nanosatelliten, wobei Trajektorienfehler des Simulators durch eine externe Spline-Interpolation korrigiert wurden. Zwei kommerziell verfügbare Empfänger (u-blox ZED-F9P and "RAKON GNSS Development Kit for Nanosatellite Applications") wurden hinsichtlich ihrer Signalverfolgung, Beobachtungsqualität und Positionsgenauigkeit analysiert. Die gewonnenen RINEX-Daten wurden mit präzisen Ephemeriden in der Precise Point Positioning (PPP)-Software raPPPid verarbeitet, wobei sowohl Code- als auch kombinierte Code- und Phasenmessungen berücksichtigt wurden.Die Ergebnisse zeigen, dass beide Empfänger grundsätzlich in der Lage sind, zuverlässige GNSS-Beobachtungen unter LEO-ähnlichen Bedingungen zu liefern. Allerdings führt eine reduzierte Eingangssignalstärke (bis −100 dBm) zu einer deutlich geringeren Signalqualität, häufigeren Tracking-Unterbrechungen, verlängerten Akquisitionszeiten sowie einer verringerten Anzahl beobachteter Satelliten. Für Code-only-Lösungen werden Genauigkeiten im Meterbereich erreicht, während die Kombination von Code- und Phasenbeobachtungenzu Genauigkeiten im Dezimeterbereich und, für statische Szenarien, im Zentimeterbereich führt. Kinematische Höhenlösungen weisen einen systematischen Offset auf, der vermutlich auf simulatorbedingte Effekte zurückzuführen ist und die tatsächliche Leistung der Empfänger im Orbit vermutlich unterschätzt.Insgesamt bestätigen die Ergebnisse das Potenzial kostengünstiger GNSS-Technologie für den Einsatz auf LEO-Nanosatelliten, zeigen jedoch zugleich die Notwendigkeit einer sorgfältigen Empfängerkonfiguration und einer Verbesserung der Simulationsumgebung, insbesondere bezüglich hochdynamischer Szenarien.

This study evaluates the performance of low-cost GNSS (Global Navigation Satellite Systems) receivers for use on nanosatellites operating in Low Earth Orbit (LEO). GPS signals were generated under realistic orbital conditions using the OHB Austria XPLORA simulator. The simulated scenarios include both static and highly kinematic phases based on an Astrocast CubeSat nanosatellite trajectory, for which interpolation artefacts in the simulator were corrected via external spline interpolation. Two commercial receivers (u-blox ZED-F9P and "RAKON GNSS Development Kit for Nanosatellite Applications") were assessed with regard to signal tracking capability, observation quality, and achievable positioning accuracy. All data were converted to RINEX format and processed using the precise point positioning (PPP) software raPPPid, applying consistent modelling for both code-only and combined code-and-carrier-phase solutions. The results indicate that both receivers can maintain stable GNSS tracking under LEO-like conditions, although reduced input power levels (down to −100 dBm) significantly degrade signal quality, increase the number of tracking interruptions, and prolong acquisition times. Code-based positioning yields metre-level accuracy, while the inclusion of carrier-phase observations enables decimetre-level precision and, in static cases, centimetre-level results. However, a pronounced systematic offset appears in the kinematic height solutions, which is most likely introduced by the simulation environment rather than by the receivers themselves, suggesting that real on-orbit performance may be superior to the results obtained with the current simulator configuration. Overall, the findings confirm the feasibility of employing low-cost GNSS receivers on LEO nanosatellites, provided that receiver configurations are adapted to the high-dynamics orbital environment.