DE102009058071A1

DE102009058071A1 - Device i.e. position sensor, for receiving and analyzing signals of e.g. global positioning system-satellite in space vehicle i.e. aircraft, has evaluation unit determining position and/or movement values and/or position of device in space

Info

Publication number: DE102009058071A1
Application number: DE200910058071
Authority: DE
Inventors: Andreas Grillenberger; Oliver Dr. Montenbruck; Markus Markgraf
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-16
Also published as: DE202010016003U1

Abstract

The device has antennas (11) for receiving navigation satellite-signals in receiving channels, where the antennas comprise overlapping receiving diagrams, such that the receiving of the signals takes place omnidirectionally. A receiving unit generates corrected navigational satellite-signals by digitizing, phase correcting and demodulating the received signals. An evaluation unit determines actual position and/or actual movement values and/or actual position of the device in space based on the corrected satellite-signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Empfang und zur Auswertung von Navigationssatelliten-Signalen. Weiterhin betrifft die Erfindung Satelliten, Raumfahrzeuge und Luftfahrzeuge mit einer ebensolchen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet insbesondere Verwendung zur autonomen Bestimmung von aktuellen Positions-, Bewegungs- und/oder Lagedaten.The invention relates to a device for receiving and evaluating navigation satellite signals. Furthermore, the invention relates to satellites, spacecraft and aircraft with such a device. The device according to the invention finds particular use for the autonomous determination of current position, movement and / or position data.

Bekanntermaßen wird das Global Positioning System (GPS) seit mehreren Jahren zur Bestimmung aktueller Positionen sich bewegender Objekte genutzt. Das Global Positioning System basiert auf 25–30 NAVSTAR-Satelliten (GPS-Satelliten), die in ca. 20.200 km Höhe die Erde umkreisen, und die mit kodierten Signalen -vorliegend als Navigationssatelliten-Signale bezeichnet- ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit aussenden. Aus den empfangenen Signalen können GPS-Empfänger ihre aktuelle Position, aktuelle Bewegungs- und Lagedaten ermitteln. Derartige GPS-Empfänger finden heute vielfältigen Einsatz in unterschiedlichsten Bereichen der Technik, so werden sie bspw. in Kraftfahrzeug-, Flugzeug- und Schiffsnavigationssystemen oder in modernen Mobilfunktelefonen mit Navigationseinrichtung eingesetzt. Auch an Bord moderner Satelliten, die sich auf erdnahen Erdorbits bewegen, werden GPS-Empfänger genutzt, um bspw. die aktuelle Satellitenposition, Bewegungsgrößen des Satelliten oder daraus abgeleitete Daten zu ermitteln.It is known that the Global Positioning System (GPS) has been used for several years to determine current positions of moving objects. The Global Positioning System is based on 25-30 NAVSTAR satellites (GPS satellites) orbiting the Earth at a height of approx. 20,200 km and the coded signals (currently referred to as navigation satellite signals) indicating their current position and the exact time of day send out. From the received signals, GPS receivers can determine their current position, current motion and position data. Such GPS receivers are today used in a variety of fields of technology, they are, for example, used in motor vehicle, aircraft and ship navigation systems or in modern mobile phones with navigation device. Also on board modern satellites, which move on near-Earth orbit, GPS receivers are used, for example, to determine the current satellite position, motion quantities of the satellite or derived data.

GPS-Empfänger für Satellitenanwendungen besitzen heute eine oder mehrere Antennen mit fester Ausrichtung im Raum, üblicherweise einer zenitorientierten Ausrichtung. Weiterhin weisen die Antenne(n) bei im Stand der Technik bekannten GPS-Empfängern für Raumfahrtanwendungen nach Kenntnis der Anmelderin ein begrenztes Sichtfeld auf, so dass kein omindirektionaler Empfang der GPS-Signale möglich ist. Gängige GPS-Empfänger für Satellitenanwendungen arbeiten dabei bereits bei ungefährer Zenit-Ausrichtung der GPS-Antennen und langsamen Änderungen der Ausrichtung des Satelliten. Weiter haben heute eingesetzte raumfahrttaugliche GPS-Empfänger Startzeiten (Kaltstart) in der Größenordnung von 10–15 Minuten, d. h. erst nach dieser Zeit können erste Daten zur Position etc. ermittelt werden. Diese Startzeit kann lediglich durch a-priori Informationen über die ungefähre aktuelle Position des Satelliten, die ungefähre aktuelle Uhrzeit und die aktuelle NAVSTAR-Satellitenkonstellation (Almanach) reduziert werden.GPS receivers for satellite applications today have one or more fixed-site antennas in space, typically a zenit-oriented orientation. Furthermore, to the knowledge of the applicant, the antenna (s) in GPS receivers for space applications known in the prior art have a limited field of view, so that omnidirectional reception of the GPS signals is not possible. Common GPS receivers for satellite applications already work with approximate zenith alignment of the GPS antennas and slow changes in the orientation of the satellite. Furthermore, space-suitable GPS receivers used today have start times (cold start) of the order of 10-15 minutes, ie. H. only after this time can first data about the position, etc. be determined. This starting time can only be reduced by a-priori information about the approximate current position of the satellite, the approximate current time and the current NAVSTAR satellite constellation (almanac).

Um den Satelliten und damit auch die an dem Satelliten angebrachten GPS-Antennen, Richtantennen, oder Solarpanels etc., in der vorher genannten gewünschten räumlichen Ausrichtung/Orientierung zu halten, wird ein an Bord des Satelliten befindliches Lagekontrollsystem genutzt. Die Ausrichtung und Stabilisierung von Satelliten erfolgt heute bspw. durch so genannte Magnet-Torquer, wobei sich auf dem Satelliten ein Satz von elektrischen Spulen befindet. Werden diese geeignet von Strom durchflossen, so erzeugt man ein magnetisches Feld. Dieses Magnetfeld interagiert mit dem Erdmagnetfeld und es bildet sich ein auf den Satelliten wirkendes Drehmoment aus, das zur Lageregelung genutzt wird. Eine weitere häufig benutzte Methode zur Ausrichtung und Drei-Achsen-Stabilisierung eines Satelliten nutzt so genannte Drallräder. Ein Drallrad ist im Prinzip nichts anderes als ein Kreisel, also eine rotierende Masse. Das Drallrad hat einen elektrischen Antrieb, womit man es beschleunigen und bremsen kann. Beschleunigt man die Rotation des Drallrades, so dreht sich der Satellit aufgrund der Drehimpulserhaltung in entgegen gesetzter Richtung. Dieses Prinzip erlaubt eine beliebige Ausrichtung des Satelliten um eine Achse. In einem Satelliten werden drei solcher Drallräder verwendet, die mit ihren Rotationsachsen zueinander jeweils einen rechten Winkel bilden. Dadurch lässt sich der Satellit mittels der Drallräder frei um alle Achsen drehen. Diese Lagestabilisierung kann große Drehmomente erzeugen und ist nicht auf das Erdmagnetfeld angewiesen.In order to keep the satellite and thus also attached to the satellite GPS antennas, directional antennas, or solar panels, etc., in the aforementioned desired spatial orientation / orientation, an on-board satellite attitude control system is used. The alignment and stabilization of satellites takes place today, for example, by so-called magnetic Torquer, wherein the satellite is a set of electric coils. If these are adequately traversed by current, then one generates a magnetic field. This magnetic field interacts with the Earth's magnetic field and generates a torque acting on the satellite, which is used for position control. Another commonly used method for alignment and three-axis stabilization of a satellite uses so-called spin wheels. A spin wheel is in principle nothing more than a gyro, that is a rotating mass. The impeller has an electric drive, which allows it to accelerate and decelerate. If one accelerates the rotation of the spinning wheel, the satellite rotates in the opposite direction due to the angular momentum conservation. This principle allows any orientation of the satellite about an axis. In a satellite, three such spin wheels are used, which each form a right angle with their axes of rotation. This allows the satellite to rotate freely around all axes by means of the spin wheels. This position stabilization can generate large torques and is not dependent on the earth's magnetic field.

Im Falle eines Ausfalls oder einer absichtlichen Abschaltung des Lagekontrollsystems, kommt es vor, dass sich die Orientierung (Lage) des Satelliten und somit auch die Ausrichtung der GPS-Antennen im Raum unkontrolliert ändern. Die Satelliten können unkontrolliert zu rotieren oder zu taumeln beginnen. Man spricht in so einem Fall von einem „außer Kontrolle” geratenen Satelliten. Als Folge hiervon kann ein an Bord des Satelliten befindlicher GPS-Empfänger aufgrund des begrenzten Sichtfeldes seiner GPS-Antennen häufig keine genügende Anzahl von NAVSTAR-Satelliten erfassen und somit keine aktuelle Position und entsprechende Bewegungsgrößen des Satelliten ermitteln.In the event of a failure or deliberate shutdown of the situation control system, it may happen that the orientation (position) of the satellite and thus the orientation of the GPS antennas in the room change uncontrollably. The satellites can start to rotate or stagger uncontrollably. One speaks in such a case of a "out of control" advised satellite. As a result, a GPS receiver located on board the satellite can often not detect a sufficient number of NAVSTAR satellites due to the limited field of view of its GPS antennas and thus can not determine the current position and corresponding movement quantities of the satellite.

Mit anderen Worten, ist die Positionsbestimmung bzw. die Ermittlung weiterer Bewegungs- und Lagegrößen mit Hilfe bekannter GPS-Empfängers an Bord eines „außer Kontrolle” geratenen Satelliten heute davon abhängig, dass der Satellit zufällig seine GPS-Antennen lange genug in Richtung einer für eine Positionsbestimmung erforderlichen NAVSTAR-Satellitenkonstellation ausgerichtet hat. Aufgrund der sehr hohen Bahngeschwindigkeit von Satelliten in niedrigen Erdorbits (bis zu 8 km/s) sind Signale einzelner NAVSTAR-Satelliten jedoch nur für kurze Zeit, d. h. abhängig vom Orbit des Satelliten bis zu ca. 25 Minuten, überhaupt vom Satelliten empfangbar bevor sie am Horizont verschwinden, so dass eine zuverlässige und kontinuierliche Ermittlung von Position und Bewegungsgrößen des Satelliten in solchen Fällen nicht oder nicht kontinuierlich gewährleistet ist.In other words, the determination of position or the determination of further movement and positional variables with the aid of known GPS receiver on board a "out of control" satellite today depends on the fact that the satellite randomly his GPS antennas long enough in the direction of one Positioning required NAVSTAR satellite constellation. Due to the very high orbiting speed of satellites in low earth orbits (up to 8 km / s), however, signals from individual NAVSTAR satellites can only be received by the satellite for a short time, ie depending on the orbit of the satellite up to approx Horizon disappear, allowing a reliable and continuous determination of position and motion of the satellite in such cases is not guaranteed or not continuously.

Nachteilig ist, dass im Stand der Technik bekannte GPS-Empfänger für Satelliten eine feste Ausrichtung der GPS-Antennen erfordern, dass eine Inbetriebnahme (Kaltstart) relativ lange Zeit (10–15 Minuten) in Anspruch nimmt , vielfach eine Benutzerinteraktion (Bodenkontrollzentrum) erfordert, und bei „außer Kontrolle” geratenen Satelliten, d. h. bspw. bei rotierenden oder taumelnden Satelliten, keine zuverlässige autonome Bestimmung von aktuellen Daten über Position, Bewegungsgrößen, Lage, Orbit und Uhrzeit durch den an Bord des Satelliten befindlichen GPS-Empfänger gewährleistet ist. Aus diesem Grund werden heutige GPS-Empfänger an Bord von Satelliten auch nicht als Sensoren für den so genannten „Notfallmodus” eingesetzt, wobei unter „Notfallmodus” (englisch: safemode) ein spezieller Betriebsmodus von Satelliten verstanden wird, dessen Ziel es ist, wichtige Grundfunktionen des Satelliten, wie bspw. die Stromversorgung (durch eine grobe Ausrichtung von Solarzellen des Satelliten zur Sonne oder ein Abschalten von nicht dringend benötigten Satelliten- und Nutzlastsystemen), die Kommunikation (durch eine Ausrichtung von Kommunikationsantennen zur Erde), und den Thermalhaushalt des Satelliten sicherzustellen. In diesen Notfallmodus wechselt der Satellit im Falle eines unvorhergesehenen Ereignisses aber auch geplant, bspw. nach dem Aussetzen des Satelliten von der Trägerrakete. Im Notfallmodus ist eine zuverlässige Bereitstellung von aktuellen Positions-, Bewegungs- und Lagedaten erforderlich. Dies kann durch heute bekannte GPS-Empfänger an Bord von Satelliten nicht geleistet werden. Dabei ist insbesondere die Bereitstellung der Positionsdaten wichtig. Bewegungsdaten werden mit ausreichender Genauigkeit aus den Positionsdaten berechnet. Lagedaten der Satelliten werden im Safemode üblicherweise mit einfachen Sensoren, wie z. B. einem Sonnensensor bestimmt.A disadvantage is that satellite GPS receivers known in the prior art require a fixed alignment of the GPS antennas, that commissioning (cold start) takes a relatively long time (10-15 minutes), often requires user interaction (ground control center), and "out of control" satellites, i. H. For example, with rotating or staggering satellites, no reliable autonomous determination of current data on position, movement variables, position, orbit and time is ensured by the GPS receiver located on board the satellite. For this reason, today's GPS receivers aboard satellites are also not used as sensors for the so-called "emergency mode", where "safemode" is understood to be a special mode of operation of satellites whose objective is to provide important basic functions the satellite, such as the power supply (by a rough alignment of solar cells of the satellite to the sun or a shutdown of desperately needed satellite and payload systems), the communication (by an alignment of communication antennas to earth), and to ensure the thermal budget of the satellite , In this emergency mode, the satellite changes in the event of an unforeseen event but also planned, for example, after the suspension of the satellite from the launcher. In emergency mode, reliable provision of up-to-date position, motion and attitude data is required. This can not be done by today's known GPS receiver on board satellites. In particular, the provision of the position data is important. Motion data is calculated with sufficient accuracy from the position data. Position data of the satellites are usually in safemode with simple sensors, such. B. a sun sensor determined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Empfang und zur Auswertung von Navigationssatelliten-Signalen anzugeben, mit der unabhängig von der räumlichen Lage (Orientierung) der Vorrichtung zuverlässig und autonom die aktuelle Position, aktuelle Bewegungsgrößen und/oder die aktuelle Lage der Vorrichtung im Raum ermittelbar sind. Weiterhin soll sich die Vorrichtung als (Positions-)Sensor für den Notfallmodus an Bord von Satelliten eignen.The invention has for its object to provide a device for receiving and evaluating navigation satellite signals, regardless of the spatial position (orientation) of the device reliably and autonomously the current position, current motion and / or the current position of the device Space can be determined. Furthermore, the device should be suitable as a (position) sensor for emergency mode on board satellites.

Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sindThe invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Empfang und zur Auswertung von Navigationssatelliten-Signalen. Die Vorrichtung weist erfindungsgemäß auf: Antennen zum Empfang der Navigationssatelliten-Signale in vier oder mehr Empfangskanälen, wobei die Antennen überlappende Empfangsdiagramme derart aufweisen, dass der Empfang der Navigationssatelliten-Signale omnidirektional (d. h. aus allen möglichen Raumrichtungen) erfolgt, eine Empfangseinheit pro Antenne und pro Empfangskanal, die mittels Digitalisierung, Phasenkorrektur und Demodulation der jeweils empfangenen Navigationssatelliten-Signale korrigierte Navigationssatelliten-Signale erzeugt, und eine Auswerteeinheit, die auf Basis der korrigierten Navigationssatelliten-Signale eine aktuelle Position und/oder aktuelle Bewegungsgrößen und/oder eine aktuelle Lage der Vorrichtung im Raum, und/oder eine Uhrzeit bestimmt.A first aspect of the invention relates to a device for receiving and evaluating navigation satellite signals. According to the invention, the device comprises: antennas for receiving the navigation satellite signals in four or more receiving channels, the antennas having overlapping receiving diagrams such that the reception of the navigation satellite signals is omnidirectional (ie from all possible spatial directions), one receiving unit per antenna and per Receiving channel, which generates corrected satellite navigation signals by means of digitization, phase correction and demodulation of each received navigation satellite signals, and an evaluation based on the corrected navigation satellite signals a current position and / or current motion and / or a current position of the device in Room, and / or a time determined.

Ein Empfangskanal bezeichnet vorliegend bevorzugt einen CDMA-Kanal (CDMA: Code Division Multiple Access) mit fester Arbeitsfrequenz und festem Pseudozufallscode. Ein anderer Empfangskanal wird somit durch einen anderen Pseudozufallscode gekennzeichnet. Die Bandbreite der empfangenen Navigationssatelliten-Signale beträgt bevorzugt mindestens 2 MHz (GPS L1 C/A). Die Unterschiede in der exakten Trägerfrequenz verursacht durch Dopplerverschiebungen max. +–50 kHz, d. h. die Signale überlappen sich immer und die Kanäle sind ausschließlich durch die unterschiedlichen Codes gekennzeichnet.In the present case, a receive channel is preferably a CDMA (Code Division Multiple Access) channel with fixed operating frequency and fixed pseudo-random code. Another receiving channel is thus characterized by another pseudo-random code. The bandwidth of the received navigation satellite signals is preferably at least 2 MHz (GPS L1 C / A). The differences in the exact carrier frequency caused by Doppler shifts max. + -50 kHz, d. H. the signals always overlap and the channels are marked exclusively by the different codes.

Die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung empfangenen und verarbeiteten Navigationssatelliten-Signale sind hierbei nicht an ein spezielles heutiges oder künftiges Satellitennavigationssystem gebunden, so dass Signale von GPS-Satelliten, oder auch Signale von GLONASS-, GALILEIO-, COMPASS-, MTSAT-Satelliten genutzt werden können. Weiterhin können Signale von SBAS-Satelliten wie WAAS, EGNOS, MSAS, QZSS genutzt werden. Denkbar ist ebenfalls die gleichzeitige Nutzung von Navigationssatelliten-Signalen mehrer unterschiedlicher Satellitennavigationssysteme. In diesem Fall führt die größere Anzahl nutzbarer Navigationssatelliten-Signale zu einer robusten und schnelleren Ermittlung von aktueller Position und/oder aktuellen Bewegungsgrößen und/oder aktueller Lage im Raum, und/oder der Uhrzeit.The navigation satellite signals received and processed by the device according to the invention are not bound to a specific current or future satellite navigation system, so that signals from GPS satellites or signals from GLONASS, GALILEIO, COMPASS, MTSAT satellites can be used , Furthermore, signals from SBAS satellites such as WAAS, EGNOS, MSAS, QZSS can be used. Also conceivable is the simultaneous use of navigation satellite signals of several different satellite navigation systems. In this case, the larger number of usable navigation satellite signals leads to a robust and faster determination of current position and / or current movement variables and / or current position in space, and / or the time.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Einsatz auf Satelliten erläutert. Die Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten der Vorrichtungen werden hierdurch jedoch nicht beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Vorrichtung überall dort eingesetzt werden, wo eine autonome und zuverlässige Bestimmung von Positions- und/oder Bewegungs- und/oder Lagedaten erforderlich ist.The invention is explained below using the example of a device according to the invention for use on satellites. However, the application and application possibilities of the devices are not limited by this. Rather, the Device according to the invention are used wherever an autonomous and reliable determination of position and / or movement and / or position data is required.

Durch die sich entsprechend überlappenden Antennendiagramme und bevorzugt eine Antennendiversität wird vorliegend ein omnidirektionales „Antennen-Blickfeld” der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, das den Empfang von Navigationssatelliten-Signalen aus jeder beliebigen Raumrichtung ermöglicht. Antennendiversität bezeichnet ein Verfahren, bei dem mehrere Antennen verwendet werden, um Interferenz-Effekte bei der Funkübertragung zu reduzieren. Antennendiversität wird üblicherweise dazu benutzt, die Empfangsqualität bei Mehrwegausbreitung zu verbessern. Dabei können unter bestimmten Umständen Fälle auftreten, bei denen sich das direkte und das reflektierte Signal destruktiv überlagern und somit abschwächen oder auslöschen. Da die Interferenzen räumlich begrenzt sind, kann mit zwei oder mehr Antennen eine alternative Antenne benutzt werden, wenn die gerade aktive Antenne in einem Funkloch ist. Antennendiversität wird bei vielen modernen Datenübertragungsverfahren angewendet. Beispiele hierfür sind Mobilfunk-Basisstationen, Wireless Access Points und drahtlose Mikrofon-Systeme. Dabei gibt es entweder die Möglichkeit direkt nach der Antenne mit einem analogen HF-Umschalter die gewünschte Antenne auszuwählen, oder zwei einzelne Empfänger zu nutzen und dynamisch den mit dem besten Signal-zu-Rausch-Verhältnis auszusuchen.Due to the correspondingly overlapping antenna patterns and preferably an antenna diversity, an omnidirectional "antenna field of view" of the device according to the invention is achieved in this case, which enables the reception of navigation satellite signals from any spatial direction. Antenna diversity means a method in which multiple antennas are used to reduce interference effects in radio transmission. Antenna diversity is commonly used to improve the reception quality of multipath propagation. In some circumstances, there may be cases where the direct and reflected signals are destructively superimposed and thus attenuated or obliterated. Since the interferences are spatially limited, with two or more antennas an alternative antenna can be used if the currently active antenna is in a radio hole. Antenna diversity is used in many modern data transmission methods. Examples include cellular base stations, wireless access points and wireless microphone systems. There is either the possibility directly after the antenna with an analog RF switch to select the desired antenna, or to use two individual receivers and dynamically choose the one with the best signal-to-noise ratio.

Vorliegend wird Antennendiversität u. a. bevorzugt dazu genutzt, ein omnidirektionales Antennenblickfeld zu erzeugen. Dabei ist jeder Antenne eine Empfangseinheit zugeordnet, die empfangene Antennensignale digitalisiert, phasenkorrigiert, korreliert und demoduliert, und schließlich korrigierte Navigationssatelliten-Signale ermittelt. Von welcher oder welchen Antennen Navigationssatelliten-Signale an die Auswerteeinheit zur weiteren Verarbeitung übermittelt werden, wird bevorzugt mittels einer Einheit zur Signalauswahl bestimmt. Diese Einheit ist bevorzugt mit allen Empfangseinheiten eines Empfangskanals verbunden und wertet die von den einzelnen Empfangseinheiten erzeugten korrigierten Navigationssatelliten-Signale hinsichtlich eines oder mehrerer Signalmerkmale, bspw. des Signalpegels und/oder des Signal-Rauschabstandes, aus. Abhängig von den ermittelten Signalmerkmalen und vorgegebenen Bewertungskriterien wird ein elektronischen Schalter angesteuert der die Auswahl derjenigen Antenne(n) bestimmt deren korrigierten Navigationssatelliten-Signale der Auswerteeinheit zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden, bspw. diejenigen mit dem höchsten Signalpegel und/oder dem besten Signal-Rauschabstand. Die von den Antennen empfangenen Navigationssatelliten-Signale werden also bevorzugt so ausgewertet, dass der Auswerteeinheit korrigierte Navigationssatelliten-Signale von der oder den am besten ausgerichteten Antenne(n) zugeführt werden. Dadurch werden die Antennen zu einer virtuellen Rundumstrahlantenne kombiniert. Eine weitere Möglichkeit ist, die Phasen der Navigationssatelliten-Signale andauernd einander anzugleichen und die Navigationssatelliten-Signale zu summieren statt nur umzuschalten. Dies hat den Vorteil dass der Signalpegel dadurch höher sein kann wenn mehrere Antennen gleichzeitig Signale empfangen.In the present case, antenna diversity u. a. preferably used to generate an omnidirectional antenna field of view. In this case, each antenna is associated with a receiving unit, which digitizes the received antenna signals, phase corrected, correlated and demodulated, and finally determines corrected navigation satellite signals. From which or which antennas navigation satellite signals are transmitted to the evaluation unit for further processing is preferably determined by means of a unit for signal selection. This unit is preferably connected to all receiving units of a receiving channel and evaluates the corrected navigation satellite signals generated by the individual receiving units with regard to one or more signal characteristics, for example the signal level and / or the signal-to-noise ratio. Depending on the determined signal characteristics and predetermined evaluation criteria, an electronic switch is actuated which determines the selection of those antenna (s) whose corrected navigation satellite signals are fed to the evaluation unit for further processing, for example those with the highest signal level and / or the best signal-to-noise ratio , The navigation satellite signals received by the antennas are thus preferably evaluated in such a way that the evaluation unit is supplied with corrected navigation satellite signals from the antenna (s) that are best aligned. This combines the antennas into a virtual omnidirectional antenna. Another possibility is to constantly align the phases of the navigation satellite signals and to sum the navigation satellite signals instead of just switching them. This has the advantage that the signal level can be higher if several antennas receive signals simultaneously.

Durch die erfindungsgemäße individuelle Demodulation der Navigationssatelliten-Signale von jeder einzelnen der Antennen wird verhindert, dass es zu destruktiven Interferenzen der empfangenen Navigationssatelliten-Signale kommt, was bei einer analogen oder digitalen Mischung der Antennensignale auftreten kann, wenn mehrere Antennen dasselbe Signal empfangen. Durch eine bevorzugte schnelle digitale Umschaltung (oder Summation) der Antennen mittels der Einheit zur Signalauswahl und die von der Empfangseinheit durchgeführte hierbei erforderliche Phasenkorrektur der empfangenen Navigationssatelliten-Signale, wird ein omnidirektionaler Empfang der Navigationssatelliten-Signale und somit eine zuverlässige ununterbrochene Ermittlung der aktuellen Position etc. durch die Auswerteeinheit ermöglicht. Dadurch ist eine Berechnung der vorstehenden Daten unabhängig von der Ausrichtung des Satelliten möglich.The individual demodulation according to the invention of the navigation satellite signals from each one of the antennas prevents destructive interference of the received navigation satellite signals from occurring, which can occur in the case of an analog or digital mixing of the antenna signals if several antennas receive the same signal. By a preferred fast digital switching (or summation) of the antennas by means of the unit for signal selection and carried out by the receiving unit in this case required phase correction of the received navigation satellite signals, an omnidirectional reception of the navigation satellite signals and thus a reliable uninterrupted determination of the current position, etc through the evaluation unit. Thereby, a calculation of the above data is possible regardless of the orientation of the satellite.

Vorzugsweise werden in der Vorrichtung Empfangseinheiten mit schneller Signal-Akquisitionszeit (Kaltstart) verwendet, d. h. mit Signal-Akquisitionszeiten (TTFF – Time To First Fix) von < 60 s bevorzugt < 30 s, insbesondere < 10 s. Durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Empfangseinheiten mit schneller Signal-Akquisitionszeit entfällt die Notwendigkeit bei entsprechenden bisher üblichen raumfahrttauglichen Empfangseinheiten, dem Empfänger im voraus Vorhersagedaten für die Dopplerverschiebungen der Navigationssatelliten bereitzustellen. Weiterhin müssen die Empfangseinheiten im Falle einer Raumfahrtanwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart ausgeführt und eingerichtet sein, dass sie die aufgrund von hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen einem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Satelliten/Raumfahrzeug und den Navigationssatelliten (typischerweise bis zu 8 km/s) auftretende Dopplerverschiebung der Navigationssatelliten-Signale bis zu ca. +/–50 kHz und hohe Beschleunigungen verarbeiten bzw. vertragen können.Preferably, receiving units with fast signal acquisition time (cold start) are used in the device, i. H. with signal acquisition times (TTFF - Time To First Fix) of <60 s, preferably <30 s, in particular <10 s. By using the above-described receiving units with fast signal acquisition time eliminates the need for corresponding previously customary space-suitable receiving units to provide the receiver in advance prediction data for the Doppler of the navigation satellites. Furthermore, in the case of an aerospace application of the device according to the invention, the receiving units must be designed and set up such that they show the Doppler shift of the navigation satellites due to high relative speeds between a satellite / spacecraft equipped with a device according to the invention and the navigation satellites (typically up to 8 km / s) -Signals up to about +/- 50 kHz and can handle or tolerate high accelerations.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zeichnet sich dadurch aus, dass pro Empfangskanal ein mit den Empfangseinheiten für den jeweiligen Empfangskanal verbundenes erstes Modul vorhanden ist, das pro Antenne eine Signalstärke der jeweils empfangenen Navigationssatelliten-Signale ermittelt. Eine weitere Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass pro Empfangskanal ein mit den Empfangseinheiten für den jeweiligen Empfangskanal verbundenes zweites Modul vorhanden ist, das Phasenunterschiede beim Empfang der Navigationssatelliten-Signale mit verschiedenen der Antennen und daraus antennenabhängige Phasenkorrekturen ermittelt. Vorteilhafter weist die Vorrichtung pro Empfangskanal ein mit den Empfangseinheiten und dem ersten Modul des jeweiligen Empfangskanals verbundenes drittes Modul auf, das abhängig von den für die Navigationssatelliten-Signale des jeweiligen Empfangskanals pro Antenne ermittelten Signalstärken ein oder mehrere der korrigierten Navigationssatelliten-Signale zu deren Weiterverarbeitung in der Auswerteeinheit auswählt. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit mit den ersten, den zweiten, den dritten Modulen und den Empfangseinheiten verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit die Phasenkorrektur und die Demodulation der Navigationssatelliten-Signale steuert.An advantageous development of the device according to the invention is characterized in that there is one receiving module per receiving channel connected to the receiving units for the respective receiving channel, the first module per antenna determines a signal strength of each received navigation satellite signals. A further development of the device is characterized in that per receiving channel there is a second module connected to the receiving units for the respective receiving channel, which determines phase differences when receiving the navigation satellite signals with different antennas and antenna-dependent phase corrections therefrom. Advantageously, the device per receiving channel to a third module connected to the receiving units and the first module of the respective receiving channel, depending on the determined for the navigation satellite signals of each receiving channel signal strengths one or more of the corrected navigation satellite signals for their further processing in the evaluation unit selects. Preferably, the evaluation unit is connected to the first, the second, the third modules and the receiving units, wherein the evaluation unit controls the phase correction and the demodulation of the navigation satellite signals.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung weist vier oder mehr Antennen auf, wobei im Falle von vier Antennen, diese in vorteilhafter Weise tetraederförmig angeordnet sind, bspw. am Umfangsrand eines Satelliten oder eines Raum- oder Luftfahrzeugs. Die Empfangsdiagramme der Antennen überlappen sich dabei derart, dass Navigationssatelliten-Signale aus jeder Raumrichtung empfangen werden können. Somit ist mit einer an einem Trägerobjekt (Satellit, Raumfahrzeug, Flugzeug etc.) angebrachten erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit entsprechend am Umfangsrand der Trägerobjekts angebrachten und nach außen gerichteten Antennen ein Empfang von Navigationssatelliten-Signalen unabhängig von der Orientierung bzw. Lage des Trägerobjekts jederzeit möglich.A particularly preferred embodiment of the device has four or more antennas, wherein in the case of four antennas, these are arranged in an advantageous tetrahedral shape, for example. At the peripheral edge of a satellite or a space or aircraft. The reception diagrams of the antennas overlap in such a way that navigation satellite signals can be received from any direction in space. Thus, with a mounted on a support object (satellite, spacecraft, aircraft, etc.) inventive device, with correspondingly attached to the peripheral edge of the carrier object and outwardly directed antennas reception of navigation satellite signals regardless of the orientation or position of the carrier object at any time.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Anzahl von 8 bis 20 Empfangskanälen empfangen und verarbeitet werden können. Weiterhin vorzugsweise kann die Vorrichtung Navigationssatelliten-Signale von GPS- und/oder GLONASS- und/oder COMPASS- und/oder GALILEIO-Satelliten sowie Signale von SBAS-Satelliten wie WAAS, EGNOS, MSAS, QZSS empfangen und verarbeiten.Preferably, the device according to the invention is designed and set up such that a number of 8 to 20 receiving channels can be received and processed. Further preferably, the device may receive and process navigation satellite signals from GPS and / or GLONASS and / or COMPASS and / or GALILEIO satellites as well as signals from SBAS satellites such as WAAS, EGNOS, MSAS, QZSS.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die die Vorrichtung eine Sendeeinheit, mit der die auf Basis der korrigierten Navigationssatelliten-Signale bestimmte aktuelle Position und/oder aktuelle Lage der Vorrichtung im Raum, und/oder Uhrzeit und/oder die bestimmten aktuellen Bewegungsgrößen an eine Empfangsstation drahtlos übermittelbar ist/sind. In dieser Weiterbildung wird die ohne Interaktion von außen ermittelte aktuelle Position (etc.) bspw. über Funk an eine Satellitenkontrollstelle auf der Erde, übermittelt.In a further advantageous development, the device comprises a transmitting unit, with which the current position and / or current position of the device in the room, and / or time and / or the determined current movement quantities, determined on the basis of the corrected navigation satellite signals, are wirelessly transmitted to a receiving station is / are communicable. In this development, the current position (etc.) determined without interaction from outside is transmitted, for example, by radio to a satellite control station on the ground.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Satelliten oder ein Raumfahrzeug, das sich bevorzugt in niedrigen Erdobits bewegt, und das eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Wie sich aus den bisherigen Ausführungen bereits ergibt, ermöglicht eine an Bord eines Satelliten oder Raumfahrzeugs angeordnete erfindungsgemäße Vorrichtung, dass der Satellit damit über einen vollständig autonomen Sensor verfügt, der auch bei unkontrollierter Bewegung des Satelliten/Raumfahrzeugs ohne externe Informationen in der Lage ist, die aktuelle Position, aktuelle Bewegungsgrößen, wie die Geschwindigkeit, die aktuelle Uhrzeit, aktuelle Lagedaten aber auch zusätzlich: aktuelle Orbitdaten zu ermitteln und bereitzustellen. Insbesondere durch Verwendung einer schnellen Akquisitionseinheit kann das bei heutigen Satelliten bei einem Kaltstart von Navigationssignal-Empfängern (bspw. GPS-Empfängern) notwendige Bereitstellen der ungefähren Position des Satelliten, der Zeit, und des Navigationssatelliten-Almanach entfallen. Somit kann auf teuere, bodengestützte Systeme wie Radar oder optische Teleskope für die notwendige Orbitbestimmung verzichtet werden. Eine Orbitbestimmung aus GPS-Daten kann auch nachträglich am Erdboden erfolgen, ein erfindungsgemäß auf einem Satelliten integriertes System reduziert jedoch den Arbeitsaufwand der Boden-Kontrollstation erheblich.A second aspect of the invention relates to a satellite or spacecraft which preferably moves in low earth bites and which has a previously described inventive device. As already explained above, an arrangement according to the invention arranged on board a satellite or spacecraft makes it possible for the satellite to have a completely autonomous sensor which is capable of uncontrolled movement of the satellite / spacecraft without external information current position, current movement variables, such as the speed, the current time, current position data but also additionally: to determine and provide current orbit data. In particular, by using a fast acquisition unit, the provision of the approximate position of the satellite, the time, and the navigation satellite almanac necessary in today's satellite in a cold start of navigation signal receivers (eg GPS receivers) can be dispensed with. Thus, expensive, ground-based systems such as radar or optical telescopes can be dispensed with for the necessary orbit determination. An orbit determination from GPS data can also be retrofitted on the ground, but a system integrated on a satellite according to the invention considerably reduces the workload of the ground control station.

Ein erfindungsgemäßer Satellit bzw. ein erfindungsgemäßes Raumfahrzeug ist so in der Lage auch unter hoher Dynamik und bevor die vom Satelliten erfassten Navigationssatelliten hinter dem Sichtbarkeis-Horizont des Satelliten/Raumfahrzeugs verschwinden, genügend Navigationssatelliten-Signale zu akquirieren, um die aktuelle Position des Satelliten etc. zu ermitteln. Ebenso werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Dreh- und Taumelbewegungen des Satelliten/Raumfahrzeugs in hohem Maße toleriert. Die völlige Autonomie der Ermittlung der beschriebenen Daten durch die Vorrichtung ermöglicht es insbesondere für Satelliten/Raumfahrt-Missionen mit geringem Budget, eine zuverlässige und kontinuierliche Positions- und Orbitbestimmung etc. durchzuführen. Insofern eignet sich die Vorrichtung an Bord des Satelliten/Raumfahrzeugs insbesondere als Sensor, der im Notfallmodus, d. h. bspw. bei Ausfall oder Abschaltung der Lageregelung des Satelliten/Raumfahrzeugs, zuverlässig alle vorbenannten Daten in der Lage ist bereitzustellen. Eine bevorzugte Weiterbildung des Satelliten/Raumfahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart eingerichtet und ausgeführt ist, dass auf Basis der korrigierten Navigationssatelliten-Signale aktuelle Orbitaldaten des Satelliten oder des Raumfahrzeugs bestimmbar sind. Mit diesen Orbitaldaten kann der Satellit, bspw. bestimmte Satellitenmodule und/oder die Empfangseinheiten der Vorrichtung vorübergehend abschalten und seine Position mit Hilfe einer Orbitpropagation schätzen. Weiterhin lassen sich aus den Orbitaldaten Vorhersagen wie z. B. voraussichtliche Überflugzeit über eine Bodenstation oder die Zeit des Durchfliegens des Erdschattens treffen.A satellite according to the invention or a spacecraft according to the invention is thus able to acquire sufficient navigation satellite signals, to acquire the current position of the satellite, etc., even under high dynamics and before the navigation satellites detected by the satellite disappear behind the satellite / spacecraft's visibility horizon. to investigate. Likewise, rotation and wobbling movements of the satellite / spacecraft are highly tolerated by the device according to the invention. The complete autonomy of the determination of the data described by the device makes it possible, in particular for satellite / space missions with a low budget, to carry out a reliable and continuous position and orbit determination, etc. In this respect, the device is suitable on board the satellite / spacecraft, in particular as a sensor that is in emergency mode, ie, for example. In case of failure or shutdown of the attitude control of the satellite / spacecraft, reliably all the above data is able to provide. A preferred embodiment of the satellite / spacecraft is characterized in that the evaluation unit of the device according to the invention is set up and executed in such a way that current orbital data of the satellite or the spacecraft can be determined on the basis of the corrected navigation satellite signals. With these orbital data, the Satellite, for example, temporarily disable certain satellite modules and / or the receiving units of the device and estimate its position by means of orbital propagation. Furthermore, from the orbital data predictions such. B. estimated overflight time via a ground station or the time of flying through the Erdschatten.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Satelliten/Raumfahrzeugs weist die Vorrichtung ein Prognosemodul auf, mit dem auf Basis der von der Auswerteeinheit bestimmten aktuellen Position, der aktuellen Bewegungsgrößen, der Uhrzeit, und/oder der aktuellen Orbitaldaten eine zeitliche Vorhersage eines nächsten Eintritts in den Erdschatten, eines nächsten Austritts aus dem Erdschatten, oder eines Überfluges einer vorgebaren Position auf der Erdoberfläche, ermittelbar ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Satelliten/Raumfahrzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung eine Sendeeinheit umfasst, mit der die aktuelle Position und/oder die aktuelle Lage der Vorrichtung im Raum, und/oder die Uhrzeit und/oder die aktuellen Bewegungsgrößen und/oder die zeitlichen Vorhersagen des Prognosemoduls an eine Empfangsstation drahtlos übermittelbar ist/sind.In a further preferred refinement of the satellite / spacecraft, the device has a prognosis module with which a temporal prediction of a next entry into the earth shadow is based on the current position determined by the evaluation unit, the current motion variables, the time of day, and / or the current orbital data , a next exit from the earth's shadow, or an overflight of a vorgebaren position on the earth's surface, can be determined. Another preferred embodiment of the satellite / spacecraft is characterized in that the device comprises a transmitting unit with which the current position and / or the current position of the device in space, and / or the time and / or the current movement quantities and / or the temporal forecasts of the forecasting module can be transmitted wirelessly to a receiving station.

Eine weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung der erfindungsgemäßen, vorstehend beschriebenen Vorrichtung an Bord eines Satelliten oder Raumfahrzeugs, zur autonomen Ermittlung von aktueller Position und/oder von Bewegungsgrößen und/oder Lage im Raum und/oder Uhrzeit und/oder des aktuellen Orbits, insbesondere in Fällen einer ausgefallenen oder abgeschalteten Lagestabilisierung des Satelliten oder Raumfahrzeugs, eines unbekanntem Status der Lagestabilisierung und/oder einer unbekannten Lage des Satelliten oder Raumfahrzeugs im Raum. Natürlich kann die Vorrichtung an Bord eines Satelliten/Raumfahrzeugs auch im Normalbetrieb die alleinige Navigationseinrichtung zur Ermittlung der beschriebenen aktuellen Daten sein. Dies gilt insbesondere für nicht lagestabilisierte Satelliten/Raumfahrzeuge oder solche, die aufgrund ihrer Missionsparameter keine optimale Ausrichtung der Antennen gewährleisten können, bspw. im Falle eines im Inertialsystem festen Orbits, der sich bei einem Umlauf um die Erde (im Bezug zur Erdoberfläche) einmal um sich selbst dreht und somit dauernd unterschiedlich zu den Navigationssatelliten ausgerichtet ist.Another aspect of the invention relates to a use of the device according to the invention described above on board a satellite or spacecraft, for the autonomous determination of current position and / or movement quantities and / or position in space and / or time and / or the current orbit, in particular in case of a failed or deactivated attitude stabilization of the satellite or spacecraft, an unknown status of the attitude stabilization and / or an unknown position of the satellite or spacecraft in space. Of course, the device on board a satellite / spacecraft may also be the sole navigation device for determining the current data described during normal operation. This applies in particular to satellites / spacecraft that are not position-stabilized or those that can not ensure optimal alignment of the antennas because of their mission parameters, for example in the case of a fixed orbit in the inertial system, which orbits once around the earth (in relation to the earth's surface) turns itself and thus constantly aligned differently to the navigation satellites.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Luftfahrzeug, insbesondere ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV = engl. „Unmanned Aerial Vehicle”), mit einer vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zur weiteren Erläuterung und vorteilhaften Ausgestaltungen sei auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen, die sich in analoger Weise übertragen lassen.A further aspect of the invention relates to an aircraft, in particular an unmanned aerial vehicle (UAV = "Unmanned Aerial Vehicle"), with a device according to the invention described above. For further explanation and advantageous embodiments, reference is made to the above statements, which can be transmitted in an analogous manner.

Ein letzter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung Luftfahrzeugs, insbesondere eines UAV, zur autonomen Ermittlung von aktueller Position und/oder von Bewegungsgrößen und/oder Lagedaten im Raum und/oder der aktuellen Uhrzeit.A final aspect of the invention relates to a use of the aircraft device according to the invention, in particular of a UAV, for the autonomous determination of current position and / or movement quantities and / or position data in space and / or the current time.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Gleiche, funktionsgleiche und/oder ähnliche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, various embodiments are described in detail. The same, functionally identical and / or similar parts are provided with the same reference numerals. Show it:

1 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung an einem würfelförmigen Satelliten, 1 Schematic representation of an antenna arrangement according to the invention on a cubic satellite,

2 Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 Schematic structure of a device according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung 11 an einem würfelförmigen Satelliten 12. Grundsätzlich hängt die Positionierung der Antennen 11 von der Geometrie des Trägerobjektes (bspw. Satellit, Raumfahrzeug, Luftfahrzeug, etc.) und der jeweiligen Antennencharakteristik (Antennendiagramm) ab. Eine bevorzugte Positionierung der Antennen 11 ist die Anordnung an den Ecken eines gedachten Tetraeders um den Satelliten 12 herum. Wesentlich bei der Anordnung ist immer, dass sich die Antennendiagramme der Antennen 11 derart überlappen, dass ein omnidirektionaler Empfang der Navigationssatelliten-Signale gewährleistet ist. 1 zeigt die Positionierung von vier Antennen 11 in Tetraederform am Umfangsrand eines würfelförmigen Satelliten 12. Die Blickrichtung der Antennen 11 ist durch die Pfeile angegeben. 1 shows a schematic representation of an antenna arrangement according to the invention 11 on a cube-shaped satellite 12 , Basically, the positioning of the antennas depends 11 from the geometry of the carrier object (eg satellite, spacecraft, aircraft, etc.) and the respective antenna characteristic (antenna diagram). A preferred positioning of the antennas 11 is the arrangement at the corners of an imaginary tetrahedron around the satellite 12 around. Essential in the arrangement is always that the antenna diagrams of the antennas 11 overlap such that an omnidirectional reception of the navigation satellite signals is ensured. 1 shows the positioning of four antennas 11 in tetrahedral form on the peripheral edge of a cube-shaped satellite 12 , The direction of the antennas 11 is indicated by the arrows.

2 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die vorliegend für einen Satellitenanwendung ausgeführt ist. Die Vorrichtung umfasst eine Anzahl von n Antennen 11, wovon am linken Bildrand lediglich die „Antenne 1” und die „Antenne n” bezeichnet sind. Jede Antenne ist mit einer eigenen Empfangseinheit 27 verbunden, die vorliegend jeweils Module zur Digitalisierung 24, Phasenkorrektur und Phasenkorrelation 25 und Demodulation 26 umfasst. In 2 sind die Empfangseinheiten 27 aus Übersichtlichkeitsgründen nur für die Antenne 1 und n dargestellt. Die weiteren Antennen 11 und zugeordneten Empfangseinheiten 27 werden durch die senkrecht angeordneten drei Punkt symbolisiert. 2 shows the schematic structure of a device according to the invention, which is designed here for a satellite application. The device comprises a number of n antennas 11 of which only the "antenna 1" and the "antenna n" are indicated on the left edge of the picture. Each antenna has its own receiver unit 27 connected, the present in each case modules for digitization 24 , Phase correction and phase correlation 25 and demodulation 26 includes. In 2 are the receiving units 27 for clarity, only for the antenna 1 and n shown. The other antennas 11 and associated receiving units 27 are symbolized by the vertically arranged three point.

Das Modul 24 umfasst jeweils einen HF-Empfangsteil sowie einen Digitalisierungsteil. Jedes Modul 24 empfängt die Hochfrequenzsignale von der ihm zugeordneten Antenne 11. Das empfangene HF-Signal (Navigationssatelliten-Signal) wird entsprechend der Anforderungen des Satellitennavigationssystems gefiltert, heruntergemischt und analog zu digital umgesetzt. Dabei kann das Filtern und Heruntermischen abhängig von der verfügbaren Technologie sowohl analog als auch digital erfolgen. Jede Antenne 1 bis n besitzt ihre eigene Empfangseinheit 27.The module 24 each includes an RF receiver and a digitizer. Every module 24 receives the high frequency signals from the antenna assigned to him 11 , The received RF signal (navigation satellite signal) is filtered according to the requirements of the satellite navigation system, downmixed and converted analog to digital. Filtering and downmixing can be both analog and digital, depending on the technology available. Each antenna 1 to n has its own receiving unit 27 ,

Im Modul 25 erfolgt eine Phasenkorrektur und, je nach Implementierung, die Demodulation der Zwischenfrequenz und entfernung der durch den Dopplereffekt verursachten Frequenzverschiebung. Diese Phasenkorrektur passt die Phase von Navigationssatelliten-Signale einer neu aktiv zu schaltenden Antenne B an die Phase der Navigationssatelliten-Signale einer momentan noch aktiven Antenne A an. Da die Navigationsdaten und der Bandspreizcode von den Navigationssatelliten typischerweise im Phasenmodulationsverfahren auf das Navigationssatelliten-Signal moduliert sind, kann ein Phasensprung beim Umschalten zu einem nicht korrekt dekodierten Navigationssatelliten-Signal führen. In diesem Fall wäre eine nahtlose Umschaltung nicht gewährleistet. In einer anderen Implementierung kann das Modul 25 die Phase auch kontinuierlich korrigieren, d. h. die Phasen der einzelnen Signale einander angleichen, um so eine Summation der Signale in Modul 23 zu ermöglichen.In the module 25 there is a phase correction and, depending on the implementation, the demodulation of the intermediate frequency and distance of the frequency shift caused by the Doppler effect. This phase correction adjusts the phase of navigation satellite signals of an antenna B to be actively switched to the phase of the navigation satellite signals of a currently still active antenna A. Since the navigation data and the spread spectrum code from the navigation satellites are typically modulated in the phase modulation method to the navigation satellite signal, a phase jump on switching may result in an incorrectly decoded navigation satellite signal. In this case, seamless switching would not be guaranteed. In another implementation, the module may 25 The phase also continuously correct, ie, the phases of the individual signals equalize each other, so a summation of the signals in module 23 to enable.

Das Modul 26 demoduliert das in Bandspreiztechnik modulierte Navigationssatelliten-Signal der Navigationssatelliten. Das Demodulationsverfahren ist abhängig von der Modulationsart (BPSK, BOC (Binary Offset Carrier), etc.) der betreffenden Navigationssatelliten. Alle Module 26 werden vom Auswertemodul 29 gesteuert und liefern einen komplexen Vektor, der Informationen über die Phase und Signalstärke des entsprechenden Navigationssatelliten-Signals enthält.The module 26 demodulates the spread-spectrum-modulated navigation satellite signal of the navigation satellites. The demodulation method depends on the modulation type (BPSK, BOC (Binary Offset Carrier), etc.) of the relevant navigation satellites. All modules 26 are from the evaluation module 29 controlled and provide a complex vector containing information about the phase and signal strength of the corresponding navigation satellite signal.

Das erste Modul 21 berechnet die Signalstärke jedes einzelnen Empfangskanals. Das zweite Modul 22 ermittelt die Phasenkorrektur, die im Falle eines Umschaltens oder Summierens nötig ist, um in Modul 25 das Navigationssatelliten-Signal zu korrigieren. Aufgrund der ermittelten Signalstärke wird die Entscheidung getroffen, welcher Empfangskanal aktiv geschaltet werden soll.The first module 21 calculates the signal strength of each receiving channel. The second module 22 determines the phase correction needed in case of switching or summing in module 25 to correct the navigation satellite signal. On the basis of the determined signal strength, the decision is made as to which receive channel should be actively switched.

Das dritte Modul 23 wählt abhängig von der im ersten Modul 21 berechneten Signalstärke entweder das stärkste Signal oder kombiniert die korrigierten Navigationssatelliten-Signale miteinander, um ein höheres Signal zu Rausch-Verhältnis zu erreichen.The third module 23 chooses depending on the first module 21 calculated signal strength either the strongest signal or combines the corrected navigation satellite signals together to achieve a higher signal to noise ratio.

In der Auswerteeinheit 29 wird auf Basis der digitalisierten, demodulierten und phasenkorrigierten Rohdaten, d. h. mit den korrigierten Navigationssatelliten-Signalen aus dem dritten Modul 23 und den Steuerdaten für Modul 26 die unkorrigierte Entfernung des Empfängers zum Navigationssatelliten (Pseudoentfernung, englisch „pseudorange”) und die Dopplerverschiebung des Navigationssatelliten berechnet. Daraus werden dann weiterhin die aktuelle Position, die aktuelle Geschwindigkeit und die aktuelle Uhrzeit berechnet. Im vorliegenden Fall weist die Auswerteeinheit 29 ein zusätzliches Modul 29a auf, mit dem auf Basis der zuvor ermittelten Daten der Position, Geschwindigkeit, Pseudoentfernungen und Phaseninformationen Orbit- und Lagedaten ermittelt werden. Mit den Orbitdaten können bspw. Vorhersagen über die zukünftige Position des Satelliten getroffen werden. Die Lagedaten, die aus Signalstärkeinformationen und/oder Phaseninformationen ermittelt werden können, dienen bspw. zur Lageregelung des Satelliten.In the evaluation unit 29 is based on the digitized, demodulated and phase corrected raw data, ie with the corrected navigation satellite signals from the third module 23 and the control data for module 26 calculated the uncorrected distance of the receiver to the navigation satellite (pseudo distance, English "pseudo orange") and the Doppler shift of the navigation satellite. From this, the current position, the current speed and the current time will continue to be calculated. In the present case, the evaluation unit 29 an additional module 29a on, on the basis of the previously determined data of position, speed, pseudoranges and phase information orbital and position data are determined. For example, predictions about the future position of the satellite can be made with the orbit data. The position data, which can be determined from signal strength information and / or phase information, serve, for example, for position control of the satellite.

Die Module 24, 25 und 26 sind für jede Antenne 11 einzeln ausgeführt. Die korrigierten Navigationssatelliten-Signale werden im dritten Modul 23 derart ausgewählt, dass ein Navigationssatellit verfolgt und dekodiert werden kann. Die gestrichelte Teil 28 bildet einen Empfangskanal für einen Navigationssatelliten, der damit auf jeder beliebigen der n Antennen verfolgt, bzw. dessen Navigationssatelliten-Signale erfasst werden kann/können. Für eine Positionsermittlung sind mindestens vier aktiv verfolgte Navigationssatelliten erforderlich, was vier Empfangskanäle erfordert. Daher ist der gestrichelte Teil 8, d. h. alle darin aufgeführten Einheiten mehrfach ausgeführt. Bevorzugt ist der Teil 8 zwischen acht und zwanzig Mal vorhanden, so dass acht bis zwanzig Empfangskanäle empfangen und verarbeitet werden können.The modules 24 . 25 and 26 are for every antenna 11 individually executed. The corrected navigation satellite signals are in the third module 23 selected so that a navigation satellite can be tracked and decoded. The dashed part 28 forms a reception channel for a navigation satellite, which thus tracks on any of the n antennas, or whose navigation satellite signals can be detected / can. For a position determination at least four actively pursued navigation satellites are required, which requires four receiving channels. Therefore, the dashed part 8, ie all units listed therein is executed multiple times. Preferably, the part 8 is present between eight and twenty times, so that eight to twenty receiving channels can be received and processed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich bei Luft- und Raumfahrzeugen, insbesondere bei Satelliten, als integrierter Sensor, der im Notfallmodus zuverlässig einen autonome Ermittlung der aktuellen Position, von aktuellen Bewegungsgrößen, der aktuellen räumlichen Lage, der Uhrzeit und aktueller Orbitdaten ermöglicht. Durch die Unabhängigkeit von der Ausrichtung der Vorrichtung im Raum ist so ein zuverlässiges Funktionieren auch an Bord von außer Kontrolle geraten Luftfahrzeugen, Raumfahrzeugen, Satelliten etc. möglich. Dadurch kann bspw. auch ohne teurer bodengestützter Radar- oder optische Systeme, die Position eines außer Kontrolle geratenen Satelliten ermittelt werden. Weiter kann, wie vorher ausgeführt, durch die Orbitberechung eine Vorhersage über Ereignisse wie Eintritt in den Erdschatten oder Oberflug über eine Kommunikationsbodenstation getroffen werden. Auf Basis der Vorhersage können nicht dringend benötigte Systeme an Bord des Satelliten gegebenenfalls vorübergehend abgeschaltet werden um Strom zu sparen. Während des Normalbetriebs eines Satelliten kann eine an Bord befindliche erfindungsgemäße Vorrichtung als herkömmlicher Navigationssatelliten-Empfänger verwendet werden.The device according to the invention is suitable for aircraft and spacecraft, in particular for satellites, as an integrated sensor, which reliably enables an autonomous determination of the current position, current movement variables, the current spatial position, the time of day and current orbit data in the emergency mode. Due to the independence of the orientation of the device in space so reliable functioning on board aircraft, spacecraft, satellites, etc. is possible. As a result, for example, even without expensive ground-based radar or optical systems, the position of an out-of-control satellite can be determined. Further, as previously stated, orbital computation predicts events such as entry into the Earth's shadow or overflight over a communication ground station. On the basis of the forecast, non-urgently needed systems on board the satellite may be temporarily switched off in order to save electricity. During normal operation of a satellite, an on-board device according to the invention may be used as a conventional navigation satellite receiver.

Claims

Apparatus for receiving and evaluating navigation satellite signals, comprising: - antennas ( 11 ) for receiving the navigation satellite signals in four or more receiving channels, the antennas ( 11 ) have overlapping reception diagrams such that the reception of the navigation satellite signals takes place omnidirectionally, - a reception unit ( 27 ) per antenna ( 11 ) and per receiving channel, which generates corrected navigation satellite signals by means of digitization, phase correction and demodulation of the respective received navigation satellite signals, and - an evaluation unit ( 29 ), which determines a current position and / or current movement variables and / or a current position of the device in space, and / or a time based on the corrected navigation satellite signals.

Device according to claim 1, characterized in that one receiving channel is connected to the receiving units ( 27 ) connected to the respective receiving channel first module ( 21 ), which per antenna ( 11 ) determines a signal strength of the respectively received navigation satellite signals.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that per receiving channel with the receiving units ( 27 ) for the respective receiving channel connected second module ( 22 ), the phase differences when receiving the navigation satellite signals with different of the antennas ( 11 ) and determined therefrom antenna-dependent phase corrections.

Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that per receiving channel with the receiving units ( 27 ) and the first module ( 21 ) of the respective receiving channel connected third module ( 23 ), which depends on the navigation satellite signals of the respective receiving channel per antenna ( 11 ) determined signal strengths one or more of the corrected navigation satellite signals for their further processing in the evaluation unit ( 29 ) selects.

Device according to claim 4, characterized in that the evaluation unit ( 29 ) with the first ( 21 ), the second ( 22 ), the third modules ( 23 ) and the receiving units ( 27 ), and the evaluation unit ( 29 ) controls the phase correction and the demodulation of the navigation satellite signals.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device comprises four or more antennas ( 11 ) having.

Device according to claim 6, characterized in that the four antennas ( 11 ) are arranged tetrahedral.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the device receives and processes a number of 8 to 20 receiving channels.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the device for the reception and processing of navigation satellite signals of GPS and / or GLONASS and / or COMPASS and / or GALILEIO satellites is set up and executed.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the device comprises a transmitting unit, with which determined based on the corrected navigation satellite signals current position and / or current position of the device in space, and / or time and / or Certain current movement quantities to a receiving station can be transmitted wirelessly / are.

Satellite or spacecraft with a device according to one of claims 1 to 10.

Satellite or spacecraft according to claim 11, characterized in that the evaluation unit ( 29 ) is set up and executed such that current orbital data of the satellite or of the spacecraft can be determined on the basis of the corrected navigation satellite signals.

Satellite or spacecraft according to claim 11 or 12, characterized in that the device has a prognosis module, with which on the basis of the evaluation unit ( 29 ), a temporal prediction of a next entry into the earth's shadow, a next exit from the earth's shadow, or an overflight of a predeterminable position on the earth's surface, can be determined from the current position, the current movement variables, the time of day and the current orbital data.

Satellite or spacecraft according to claim 13, characterized in that the device comprises a transmitting unit, with the current position and / or the current position of the device in space, and / or the time and / or the current movement quantities and / or the temporal forecasts the forecasting module is wirelessly transmitted to a receiving station / are.

Use of the device according to one of claims 1 to 10 on board a satellite or spacecraft, for the autonomous determination of current position and / or speed and / or position in space and / or time and / or the current orbit, in particular in cases of failed or disconnected attitude stabilization of the satellite or spacecraft, an unknown status of attitude stabilization and / or an unknown location of the satellite or spacecraft in space.

Aircraft, in particular UAV, with a device according to one of claims 1 to 10.

Use of the device according to one of claims 1 to 10 on board an aircraft, in particular a UAV, for the autonomous determination of current position and / or speed and / or position in space and / or time.