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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Empfangen und Verarbeiten von AltBOC-modulierten, in den zwei Teilbändern E5a und E5b des sogenannten E5-Frequenzbandes übertragenen Satellitennavigationssignalen, die mit einer gemeinsamen Antenne empfangen und im HF-Frontend danach in zwei physikalisch unterschiedlichen und jeweils eine Abwärtsmischung durchführenden Empfangssignalpfaden für das E5a- und das E5b-Teilband separat analog verarbeitet und dann mittels Analog/Digital-Wandlung digitalisiert und zu einem vollständigen digitalen E5-Band-Signal kohärent summiert werden, das dann einem digitalen Signalprozessor zugeführt wird, in dem eine Code-Akquisition und eine Code-Nachführung unter Verwendung von im Empfänger erzeugten PRN-Referenzcodesequenzen sowie eine Nachführung der Trägerphase durchgeführt und daraus Rohdaten zur abschließenden Navigationsberechnung ermittelt werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen Satellitennavigationsempfänger zur Durchführung des Verfahrens.
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Bekanntlich ermitteln Empfänger, die in globalen Satellitennavigationssystemen (GNSSs) wie z. B. bei GPS (Global Positioning System) verwendet werden, ihre Ortsposition auf der Grundlage von empfangenen Signalen, die von Satelliten ausgesendet werden, die Teil einer globalen Satellitenkonstellation, z. B. von GPS-Satelliten, sind. Die Satelliten, die zur GPS-Satellitenkonstellation gehören, senden ihre Signale mit zwei Trägerfrequenzen L1 und L2 aus, wobei der Träger L1 eine Frequenz von 1575,42 MHz und der Träger L2 eine Frequenz von 1227,60 MHz hat.
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Jeder Träger ist mit wenigstens einer pseudozufälligen Binärcodesequenz PRN (pseudorandom noise) moduliert, die aus einer scheinbar zufälligen, sich periodisch wiederholenden Sequenz von Nullen und Einsen besteht. Die PRN-Sequenzen werden auch als Ranging-Codes bezeichnet, da sie die Schätzung der Entfernungen (”Ranges”) zwischen Empfänger und Satellit ermöglichen. Jeder Satellit benutzt eine eigene PRN-Codesequenz, weswegen der Empfänger das empfangene Signal dem Satelliten zuordnen kann, der es ausgesendet hat. Der Empfänger berechnet den Unterschied zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Satellit das Signal ausgesendet hat, wobei diese Information im Signal selbst enthalten ist, und dem Zeitpunkt, zu dem der Empfänger selbst das Signal empfangen hat.
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Auf der Grundlage des zeitlichen Unterschiedes berechnet der Empfänger seine eigene Entfernung (pseudorange) vom Satelliten. Der Empfänger kann seine eigene globale Ortsposition anhand der ermittelten Entfernungen zu mindestens vier Satelliten berechnen. Zum Ermitteln des zeitlichen Unterschiedes zwischen dem genannten Sendezeitpunkt des Signals und dem genannten Empfangszeitpunkt dieses Signals synchronisiert der Empfänger eine lokal erzeugte PRN-Referenzcodesequenz mit der im empfangenen Signal enthaltenen PRN-Codesequenz.
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Auf diese Weise ermittelt der Empfänger das Maß der Zeitabweichung der lokal erzeugten PRN-Referenzcodesequenz in Bezug auf die Satellitenzeit und berechnet die Entfernung. Die Synchronisierungsoperationen enthalten die Akquisition der PRN-Codesequenz des Satelliten und deren Nachführung (Code-Tracking). Darüber hinaus wird normalerweise im Empfänger die Phase des Trägers nachgeführt, der vom Satelliten zum Aussenden der PRN-Codesequenz und der Navigationsdaten benutzt wird (Phase Tracking).
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Zur Zeit wird ein neues Satellitennavigationssystem mit der Bezeichnung Galileo realisiert, das eine sehr hohe Genauigkeit und verschiedene Dienste anbietet. Es arbeitet in drei Hauptfrequenzbereichen, nämlich L1 (1559–1591 MHz), E6 (1260–1300 MHz) und E5 (1164–1214 MHz). Das sogenannte E5-Band besteht zum einen aus mehreren Teilsignalen, die nur jeweils eines von zwei Teilbändern E5a (1164–1191 MHz) oder E5b (1191–1214 MHz) nutzen, und zum anderen aus einem Signal, das die vollständige E5-Bandbreite nutzt. 1 zeigt das Galileo-Frequenzspektrum im Einzelnen.
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Einzelheiten zum Galileo-System und diesbezüglichen Empfangsverfahren sowie Empfängern sind beispielsweise im Aufsatz von M. Hollreiser: ”Galileo Receivers – Challenges and Performance”, 12th GAAS Symposium, Amsterdam, 2004, Seiten 515–518 und in
EP 2 012 488 B1 angegeben.
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Was insbesondere das E5-Band-Signal angeht, so senden die Satelliten des neuen Galileo-Satellitennavigationssystems die Signale im E5a-Teilband (Mittenfrequenz 1176,45 MHz) und im E5b-Teilband (Mittenfrequenz 1207,14 MHz) in Form eines zusammengesetzten Signals mit einer Mittenfrequenz von 1191,795 MHz unter Verwendung eines Modulationsformats aus, das allgemein unter der Bezeichnung AltBOC (Alternate Binary Offset Carrier) bekannt ist.
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Die große Bandbreite von etwa 52 MHz des E5-Signals erlaubt zwar eine sehr präzise Positionsbestimmung, stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Empfängerentwicklung. Infolge der großen Bandbreite entsteht ein sehr hoher Aufwand in der digitalen Signalverarbeitung. Außerdem wird durch die große Empfangsbandbreite die Störanfälligkeit des Empfängers erhöht. Daher wird versucht, die beiden Teilbänder E5a und E5b separat zu verarbeiten. Dies bedeutet, dass die beiden Teilbänder E5a und E5b durch zwei physikalisch unterschiedliche Signalpfade verarbeitet werden.
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Durch diese getrennte Verarbeitung der beiden Teilbänder gehen jedoch wertvolle Informationen über den Bezug der beiden Signale zueinander verloren. Aus dem Artikel N. Martin, H. Guichon, M. Revol, M. Hollreiser, J. De Maestro: ”Architecture of the GALILEO TUS receiver for coherent AltBOC tracking”, 3rd CNES-ESA Workshop on GNSS Signals and Signal Processing, 21&22 April 2008, IAS (INSTITUT AERO SPATIAL), Toulouse, France ist eine Technik bekannt, um dieses Problem zu lösen, wobei die separat empfangenen Galileo-E5a- und E5b-Teilbandsignale verwendet werden, um die unterschiedlichen Charakteristiken der beiden HF-Frontend-Signalpfade im digitalen Betreich zu korrigieren.
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Es wird hier eine kohärente AltBOC-Prozessierung auf der gleichen Hardware-Demodulationsarchitektur wie bei der unabhängigen Verarbeitung realisiert, jedoch mit kohärenter Summierung der beiden Komponenten auf digitaler Software-Ebene. Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht aber darin, dass die empfangenen Galileo-Signale im E5a- und E5b-Teilband durch eine Vielzahl von Einflüssen gestört werden, wie z. B. Mehrwegeausbreitung, Ionosphärenfehler und Interferenzen. Diese Einflüsse sind stark frequenzselektiv und können die Kalibrierung erheblich stören.
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2 zeigt das Blockschaltbild eines gemäß diesem bekannten Verfahren arbeitenden Empfängers zum Galileo-Signalempfang im Frequenzband E5. Die über eine Antenne 1 empfangenen Satellitennavigationssignale werden zunächst in einem rauscharmen Vorverstärker (LNA) 2 verstärkt und dann mittels zweier Bandfilter 3 und 4 auf das Teilband E5a/L5 und das Teilband E5b in zwei unabhängige, physikalisch getrennte Empfangssignalpfade aufgeteilt. In jedem der beiden Empfangssignalpfade werden die ausgefilterten Signale dann in einem HF-Verstärker 5 bzw. 6 verstärkt und danach mittels eines Abwärtsmischers 7 bzw. 8, der mittels eines lokalen Referenzoszillators 9 betrieben wird, bei Ausfilterung durch ein Polyphasenfilter 10 bzw. 11 in die Zwischenfrequenzlage umgesetzt.
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Die in die Zwischenfrequenzlage umgesetzten Empfangssignale werden dann in jedem der beiden Empfangssignalpfade mittels eines Zwischenfrequenzverstärkers 12 bzw. 13 verstärkt und danach einem VGA-Verstärker 14 bzw. 15 mit steuerbarer Verstärkung zugeführt, die mittels einer AGC-Regelschleife von einem digitalen Signalprozessor eingestellt wird, der in Form eines FPGA(Field Programmable Gate Array)-A/D-Boards 16 ausgebildet sein kann und auch die Analog/Digital-Wandler zur Digitalisierung der beiden analogen Empfangssignale enthält. Im FPGA-A/D-Board 16 wird im digitalen Bereich eine kohärente Summierung der beiden digitalisierten Signale vorgenommen.
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Der digitale Signalprozessor enthält Einrichtungen zur Code-Akquisition und zur Code-Nachführung unter Verwendung eines im Empfänger vorgesehenen PRN-Referenzcodesequenzgenerators sowie eine Einrichtung zur Nachführung der Trägerphase. Die im digitalen Signalprozessor ermittelten Rohdaten werden einer Einrichtung zur abschließenden Navigationsberechnung zugeführt. Das im VGA-Verstärker 14 bzw. 15 verstärkte ZF-Empfangssignal wird, bevor es der Analog-Digital-Wandlung im FPGA-A/D-Board 16 unterzogen wird, in jedem Empfangssignalpfad noch über ein Anti-Aliasing-Filter 17 bzw. 18 geleitet.
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DE 697 05 933 T2 beschreibt einen Mehrkanalempfänger unter Verwendung von Analyse-durch-Synthese, der unter anderem auch für den Empfang von Signalen von Kommunikationssatelliten ausgelegt ist.
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DE 696 06 417 T2 beschreibt ein Luftverkehrswarnsystem mit einem Teilempfänger, der mittels eines Signals, das ein Testoszillator generiert, und das über einen Koppler unmittelbar nach einer Antenne in ein HF-Frontend eingekoppelt wird, zu Kalibrierzwecken gespeist wird.
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US 5,949,372 A beschreibt das Kalibrieren eines Schmalbandempfängers für Fehler, die aus variierenden Gruppenlaufzeiten der von einem Schmalbandsatellitentransmitter gesendeten Satellitensignale resultieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Empfang und Verarbeiten von AltBOC-modulierten, in den zwei Teilbändern E5a und E5b des E5-Frequenzbandes übertragenen Satellitennavigationssignalen zu schaffen, bei dem sich die empfangenen E5a- und E5b-Signale in zwei analogen Empfangssignalpfaden verarbeiten lassen und eine kohärente digitale Summierung der beiden digitalisierten Signale möglich ist, aber trotzdem bei stark frequenzselektiven Einflüssen eine einwandfreie und unanfällige Kalibrierung des E5a-E5b-HF-Frontends während des Betriebs erreichbar ist. Es soll darüber hinaus auch ein vorteilhafter und zweckmäßiger Empfänger zum Durchführen eines solchen Verfahrens geschaffen werden.
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Gemäß der Erfindung, die sich auf einen Verfahren zum Empfang und Verarbeiten von AltBOC-modulierten Satellitennavigationssignalen der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass aus den im Empfänger erzeugten PRN-Referenzcodesequenzen ein PRN-Code-Kalibrierungssignal erzeugt wird, das mittels eines Aufwärtsmischers auf die Trägerfrequenz hochgemischt wird und dann über einen Richtkoppler direkt nach der Antenne in das HF-Frontend als Pseudo-Satellitennavigationssignal eingekoppelt wird, das als zusätzliches Signal im digitalen Signalprozessor mitnachgeführt wird, was eine Kalibrierung des HF-Frontends für die E5a- und E5b-Teilbänder während des normalen Satellitennavigationssignalempfangs möglich macht.
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Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung werden danach die im Empfänger erzeugten PRN-Referenzcodesequenzen genutzt, um ein zusätzliches Galileo-Satellitennavigationssignal zu generieren. Dieses zusätzliche Satellitennavigationssignal wird durch einen Aufwärtsmischer auf die entsprechende Trägerfrequenz gemischt und über einen Richtkoppler direkt nach der Antenne in das HF-Frontend eingespeist. Durch die Verwendung der vorhandenen Kanäle im Tracking-Modul des Empfängers kann das Kalibriersignal kontinuierlich als zusätzlicher Galileo-Satellit ”mitgetrackt” werden.
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Dies ermöglicht eine Kalibrierung des E5a- und E5b-HF-Frontends während des normal ablaufenden Galileo-Navigationssatellitensignalempfangs. Infolge der Generierung dieser Pseudo-Galileo-Navigationssatellitensignale ist die Kalibrierung gegenüber den unterschiedlichen und frequenzabhängigen Ausbreitungseigenschaften (insbesondere Mehrwegeausbreitungen, Ionosphärenfehler und Interferenzen) der real empfangenen Galileo-Navigationssatellitensignale unanfällig.
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Das erfindungsgemäß arbeitende Verfahren mit Kalibrierung ermöglicht es somit, die beiden Teilbänder E5a und E5b im digitalen Bereich wieder kohärent zum vollständigen E5-Band zu vereinigen und das AltBOC-modulierte Signal trotz getrennter analoger Signalverarbeitung zu nutzen.
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In vorteilhafter Weise werden sowohl die Abwärtsmischung in den beiden analogen Empfangssignalpfaden als auch die Aufwärtsmischung des PRN-Code-Kalibrierungssignals unter Verwendung eines gemeinsamen lokalen Referenzoszillators vorgenommen.
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Ein die gestellte Aufgabe lösender Satellitennavigationsempfänger zum Empfang und zur Verarbeitung von AltBOC-modulierten, in den zwei Teilbändern E5a und E5b des sogenannten E5-Frequenzbandes übertragenen Satellitennavigationssignalen mit einer gemeinsamen Antenne und einem sich daran anschließenden HF-Frontend mit zwei physikalisch unterschiedlichen, unabhängigen, jeweils mit einem Abwärtsmischer versehenen Empfangssignalpfaden zur separaten analogen Verarbeitung im E5a- und E5b-Teilband und anschließendem Analog/Digital-Wandler mit nachfolgender Einrichtung zur kohärenten Summierung zu einem vollständigen digitalen E5-Band-Signal, das einem digitalen Signalprozessor zugeführt wird, in dem Einrichtungen zur Code-Akquisition und zur Code-Nachführung unter Verwendung eines im Empfänger vorgesehenen PRN-Referenzcodesequenzgenerators sowie eine Einrichtung zur Nachführung der Trägerphase vorgesehen sind und dessen daraus ermittelte Rohdaten einer Einrichtung zur abschließenden Navigationsberechnung zugeführt werden, zeichnet sich dadurch aus, dass ein im PRN-Referenzcodesequenzgenerator des digitalen Signalprozessors erzeugtes PRN-Code-Kalibrierungssignal einem auf die Trägerfrequenz hochmischenden Aufwärtsmischer zugeführt wird und dass dieses hochgemischte PRN-Code-Kalibrierungssignal an einen Richtkoppler geführt ist, der direkt nach der Antenne im HF-Frontend angeordnet ist und dort dieses hochgemischte PRN-Code-Kalibrierungssignal als Pseudo-Satellitennavigationssignal einkoppelt, das als zusätzliches Signal im digitalen Signalprozessor mitnachgeführt wird, so dass eine Kalibrierung des HF-Frontends für die E5a- und E5b-Teilbänder während des normalen Satellitennavigationssignalempfangs durchführbar ist.
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Bei einem solchen Empfänger ist es zweckmäßig, dass sowohl die Abwärtsmischer in den beiden analogen Empfangssignalpfaden als auch der Aufwärtsmischer für das PRN-Code-Kalibrierungssignal mittels eines gemeinsamen lokalen Referenzoszillators betrieben sind.
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Die Analog/Digital-Wandler und der digitale Signalprozessor mit dem PRN-Codesequenzgenerator sind vorteilhaft in Form eines FPGA-AD-Boards realisiert, in das auch die Einrichtung zur abschließenden Navigationsberechnung eingeschlossen werden kann.
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Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft im Bereich der Empfängerentwicklung für sicherheitskritische und militärische Anwendungen eine entscheidende Rolle spielen. Ebenso ist der Einsatz dieses neuen technischen Verfahrens für Empfänger in Monitor- und Kontrollstationen von großem Nutzen.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Satellitennavigationsempfängers und -verfahrens nach der vorliegenden Erfindung sind in den sich auf die unabhängigen Patentansprüche rückbeziehenden Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend im Einzelnen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 in einem bereits erläuterten Diagramm das spezifizierte Frequenzspektrum für das Galileo-Satellitennavigationssystem,
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2 das bereits erläuterte Blockschaltbild eines bekannten Galileo-Satellitennavigationsempfängers für das aus den beiden Teilbändern E5a und E5b bestehende Frequenzband E5, und
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3 das Blockschaltbild eines gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Galileo-Satellitennavigationsempfängers für das aus den beiden Teilbändern E5a und E5b bestehende Frequenzband E5 mit vorteilhafter Kalibriermöglichkeit.
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3 zeigt das Blockschaltbild eines gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitenden Empfängers zum Galileo-Signalempfang im Frequenzband E5. Die über eine Antenne 19 empfangenen Satellitennavigationssignale werden nach Durchführung durch einen später in seiner Funktion noch erläuterten Richtkoppler 20 zunächst in einem rauscharmen Vorverstärker (LNA) 21 verstärkt und dann mittels zweier Bandfilter 22 und 23 auf das Teilband E5a/L5 und das Teilband E5b in zwei unabhängige, physikalisch getrennte Empfangssignalpfade aufgeteilt.
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In jedem der beiden Empfangssignalpfade werden die ausgefilterten Signale dann in einem HF-Verstärker 24 bzw. 25 verstärkt und danach mittels eines Abwärtsmischers 26 bzw. 27, der mittels eines lokalen Referenzoszillators 28 betrieben wird, bei Ausfilterung durch ein Polyphasenfilter 29 bzw. 30 in die Zwischenfrequenzlage umgesetzt. Die in die Zwischenfrequenzlage umgesetzten Empfangssignale werden dann in jedem der beiden Empfangssignalpfade mittels eines Zwischenfrequenzverstärkers 31 bzw. 32 verstärkt und danach einem VGA-Verstärker 33 bzw. 34 mit steuerbarer Verstärkung zugeführt, die mittels einer AGC-Regelschleife von einem digitalen Signalprozessor eingestellt wird, der in Form eines FPGA(Field Programmable Gate Array)-A/D-Boards 35 ausgebildet sein kann und auch die Analog/Digital-Wandler enthält.
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Im FPGA-A/D-Board 35 wird im digitalen Bereich eine kohärente Summierung der beiden digitalisierten Signale vorgenommen. Der digitale Signalprozessor enthält Einrichtungen zur Code-Akquisition und zur Code-Nachführung unter Verwendung eines im Empfänger vorgesehenen PRN-Referenzcodesequenzgenerators sowie eine Einrichtung zur Nachführung der Trägerphase. Die im digitalen Signalprozessor ermittelte Rohdaten werden einer Einrichtung zur abschließenden Navigationsberechnung zugeführt. Das im VGA-Verstärker 33 bzw. 34 verstärkte ZF-Empfangssignal wird, bevor es der Analog-Digital-Wandlung im FPGA-A/D-Board 35 unterzogen wird, in jedem der beiden Empfangssignalpfade noch über ein Anti-Aliasing-Filter 36 bzw. 37 geleitet.
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Der im Empfänger im digitalen Signalprozessor des FPGA-A/D-Boards 35 enthaltene PRN-Referenzcodesequenzgenerator wird genutzt, um ein zusätzliches Galileo-Satellitennavigationssignal zu generieren. Dieses zusätzliche Satellitennavigationssignal wird durch einen Aufwärtsmischer 38, der mit dem Lokaloszillator 28 betrieben wird, auf die entsprechende Trägerfrequenz umgesetzt und über den Richtkoppler 20 direkt nach der Antenne 19 in das HF-Frontend eingespeist. Durch die Verwendung der vorhandenen Kanäle im Tracking-Modul des Empfängers wird das Kalibriersignal kontinuierlich als zusätzlicher Galileo-Satellit ”mitgetrackt”. Dies ermöglicht eine Kalibrierung des E5a- und E5b-HF-Frontends während des normal ablaufenden Galileo-Navigationssatellitenempfangs. Infolge der Generierung dieser Pseudo-Galileo-Navigationssatellitensignale ist die Kalibrierung nicht anfällig gegenüber den unterschiedlichen und frequenzabhängigen Ausbreitungseigenschaften (insbesondere Mehrwegeausbreitungen, Ionosphärenfehler und Interferenzen) der real empfangenen Galileo-Navigationssatellitensignale.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antenne
- 2
- Rauscharmer Verstärker (LNA)
- 3
- E5a/L5-Bandfilter
- 4
- E5b-Bandfilter
- 5, 6
- HF-Verstärker
- 7, 8
- Abwärtsmischer
- 9
- Lokaler Referenzoszillator (LO)
- 10, 11
- Polyphasenfilter
- 12, 13
- Zwischenfrequenzverstärker
- 14, 15
- Verstärker mit steuerbarer Verstärkung (VGA)
- 16
- FPGA-A/D-Board
- 17, 18
- Anti-Aliasing-Filter
- 19
- Antenne
- 20
- Richtkoppler
- 21
- Rauscharmer Verstärker (LNA)
- 22
- E5a/L5-Bandfilter
- 23
- E5b-Bandfilter
- 24, 25
- HF-Verstärker
- 26, 27
- Abwärtsmischer
- 28
- Lokaler Referenzoszillator (LO)
- 29, 30
- Polyphasenfilter
- 31, 32
- Zwischenfrequenzverstärker
- 33, 34
- Verstärker mit steuerbarer Verstärkung (VGA)
- 35
- FPGA-A/D-Board
- 36, 37
- Anti-Aliasing-Filter
- 38
- Aufwärtsmischer
