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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet des Signalträgernachlaufs
und ist insbesondere auf das dynamische Umschalten von Trägernachlaufschleifen
ohne Verlust der Nachlaufinformationen gerichtet.
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STAND DER TECHNIK
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Eine
mechanische Befestigungsvorrichtung (beispielsweise MS9880) ist
für die Verwendung auf dem Baumarkt vorgesehen. Eine Einheit
wird an einem Mast an jedem Ende eines Planierraupenschildes montiert.
Unter Verwendung von RTK können die Position der Planierraupe
und die Lage des Planierschildes festgestellt werden. Diese Informationen werden
verwendet, um die Bedienperson hinsichtlich der erforderlichen Nivellierung,
die notwendig ist, auf der Basis von Karten der Baustelle auf den
neuesten Stand zu bringen.
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Obwohl
sich die Planierraupe selbst nicht schnell bewegt, erfährt
das Planierraupenschild eine signifikante dynamische Aktivität
mit kurzer Periode, wenn es auf vergrabenes Gestein trifft oder
verwendet wird, um Flächen abzuziehen. Eine mechanische Befestigungsvorrichtung
(beispielsweise MS9880), die an einem Mast an den Enden des Planierraupenschildes
montiert ist, erfährt auch eine signifikante Dynamik, von
der einiges durch die Biegung des Masts selbst verstärkt
wird. Insbesondere schätzten an einer MS980-Einheit während
der Entwicklung montierte Beschleunigungsmesser Stoßimpulse oberhalb
300 gm/s2 während des Betriebs
ab. Die Beschleunigungen hatten eine kurze Dauer und daher waren
auch signifikante Ruckterme vorhanden.
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Die
herkömmlichen Nachlaufverfahren, die ursprünglich
für statische Empfänger konstruiert waren, arbeiteten
bei der vorliegenden Dynamik unzuverlässig.
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Was
erforderlich ist, sind neue Nachlaufverfahren, die bei der vorliegenden
Dynamik zuverlässig arbeiten würden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung offenbart einen Funkempfänger mit
einer Vielzahl von Trägernachlaufschleifen und ein Verfahren
zum dynamischen Umschalten der Vielzahl von Trägernachlaufschleifen,
um die Leistung des Empfängers in einer Situation zu optimieren,
in der eine Dynamik vorhanden ist.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum dynamischen
Umschalten einer Vielzahl von Trägerschleifen in einem
Funkempfänger gerichtet. Jeder Kanal umfasst eine Vielzahl
von Trägernachlaufschleifen. Jede Trägernachlaufschleife
ist dazu ausgelegt, eine Funkquelle zu verfolgen. Jede Trägernachlaufschleife
weist eine vorbestimmte Akkumulationsperiode auf.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren der vorliegenden
Erfindung die folgenden Schritte: (A) Empfangen eines Funksignals
von einer Funkquelle unter Verwendung einer Trägernachlaufschleife;
(B) im Wesentlichen kontinuierliches Abschätzen eines Rauschabstandes
(SNR) des empfangenen Funksignals von der Funkquelle; (C) wenn der
Rauschabstand (SNR) des empfangenen Funksignals von der Funkquelle über
einer anfänglichen vorbestimmten Schwelle liegt, Durchführen
eines Trägernachlaufs des empfangenen Trägersignals durch
eine anfängliche Trägernachlaufschleife mit einer
anfänglichen Akkumulationsperiode; und (D) wenn der Rauschabstand
(SNR) des empfangenen Funksignals von der Funkquelle unter die anfängliche
vorbestimmte Schwelle fällt, Umschalten von der anfänglichen
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
auf eine nachfolgende Trägernachlaufschleife mit einer
nachfolgenden Akkumulationsperiode, und Durchführen des
Trägernachlaufs des empfangenen Trägersignals
durch die nachfolgende Trägernachlaufschleife mit der nachfolgenden
Akkumulationsperiode. Die Schritte (B–D) werden vorzugsweise
wiederholt, wenn sich die Dynamik ändert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (A) ferner den Schritt (A1) des Verfolgens der Funkquelle
des empfangenen Funksignals, wobei die Funkquelle aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: {einem GPS-Satelliten;
einem GLONASS-Satelliten; einem GALILEO-Satelliten; und einem Pseudolit}.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B) ferner die folgenden Schritte: (B1) im Wesentlichen
kontinuierliches Abschätzen des Rauschabstandes (SNR) des empfangenen
Funksignals von der Funkquelle; und (B2) Auswählen der
anfänglichen Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen
Akkumulationsperiode auf der Basis des abgeschätzten SNR.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B2) ferner den folgenden Schritt: (B2, 1) wenn der
abgeschätzte SNR über einer ersten vorbestimmten
Schwelle liegt, Auswählen einer ersten Trägernachlaufschleife
mit einer ersten Akkumulationsperiode, um die anfängliche
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
zu implementieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B2) ferner den folgenden Schritt: (B2, 2) wenn der
abgeschätzte SNR unter die erste vorbestimmte Schwelle
fällt, aber über einer zweiten vorbestimmten Schwelle
liegt, Auswählen einer zweiten Trägernachlaufschleife
mit einer zweiten Akkumulationsperiode, um die anfängliche
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
zu implementieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B2) ferner den folgenden Schritt: (B2, 3) wenn der
abgeschätzte SNR unter die zweite vorbestimmte Schwelle
fällt, aber über einer dritten vorbestimmten Schwelle
liegt, Auswählen einer dritten Trägernachlaufschleife
mit einer dritten Akkumulationsperiode, um die anfängliche
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
zu implementieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (C) ferner die folgenden Schritte: (C1) Durchführen
einer Standard-Quadraturmischoperation von I- und Q-Abtastwerten
des empfangenen Funksignals mit I- und Q-Komponenten einer lokalen
Trägerkopie, die durch einen Träger-NCO erzeugt
wird, unter Verwendung eines Spiegelfrequenz-Unterdrückungsmischers,
um I- und Q-Basisband-Abtastwerte zu erzeugen; (C2) Korrelieren
der I- und der Q-Basisband-Abtastwerte mit einer lokalen Kopie eines
Codesignals, die auf das empfangene Funksignal ausgerichtet ist,
durch eine Codenachlaufschleife, um korrelierte I- und Q-Signale
zu erzeugen; (C3) Akkumulieren der korrelierten I- und Q-Signale über
eine Zeitperiode T; (C4) Berechnen eines rohen Trägernachlauffehlersignals
unter Verwendung der akkumulierten I- und Q-Signale; (C5) Filtern
des rohen Trägernachlauffehlersignals unter Verwendung
eines Schleifenfilters, um ein gefiltertes Trägernachlauffehlersignal
zu erhalten; (C6) Einfügen einer Schleifenverzögerung τ in das
gefilterte Trägernachlauffehlersignal, um ein Rückführungsfehlersignal
zu erzeugen; wobei die Schleifenverzögerung τ eine
Verzögerungszeit der Trägernachlaufschleife darstellt;
und (C7) Schließen der Trägernachlaufschleife
durch Anlegen des Rückführungsfehlers an einen
Eingang des Träger-NCO, um eine Frequenz des lokalen Trägersignals
zu steuern.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (C6) des Einfügens der Schleifenverzögerung
in den gefilterten Trägernachlauffehler ferner den Schritt:
(C6, 1) des Steuerns der Schleifenverzögerung auf eine
feste Periode, um vorübergehendes Rauschen zu minimieren,
das dem Umschalten zwischen der Vielzahl von Trägernachlaufschleifen
innerhalb eines Funkkanals zugeordnet ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (C6) des Einfügens der Schleifenverzögerung
in den gefilterten Trägernachlauffehler ferner den Schritt:
(C6, 2) des Auswählens der Schleifenverzögerung
aus der Gruppe, die aus Folgendem besteht: {einer Schleifenaktualisierung;
einer Akkumulationsperiode der ersten Nachlaufschleife; einer Akkumulationsperiode
der zweiten Nachlaufschleife; und einer Akkumulationsperiode der
dritten Nachlaufschleife}.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (D) des Umschaltens von der anfänglichen Trägernachlaufschleife
mit der anfänglichen Akkumulationsperiode auf die nachfolgende
Trägernachlaufschleife mit der nachfolgenden Akkumulationsperiode
ferner die folgenden Schritte: (D1) Modellieren des Schleifenfilters
als digitales Filter dritter Ordnung; wobei ein Zähler
des digitalen Filters dritter Ordnung einen Speicher der vorherigen
Trägernachlauffehler enthält; und wobei ein Nenner
des digitalen Filters dritter Ordnung einen Speicher der vorherigen
Schleifenausgangssignale enthält, die verwendet werden,
um den Träger-NCO zu aktualisieren; (D2) Abschätzen
des SNR und Auswählen der nachfolgenden Trägernachlaufschleife
auf der Basis des abgeschätzten SNR; wobei die nachfolgende
Trägernachlaufschleife eine kürzeste Akkumulationsperiode
umfasst, die dem abgeschätzten SNR entspricht; (D3) Prüfen,
ob die ausgewählte Trägerschleife von einer gegenwärtig
verwendeten Schleife verschieden ist; und (D4) wenn die ausgewählte
Trägerschleife von der gegenwärtig verwendeten
Schleife verschieden ist, Zurücksetzen der Zählerterme
auf Null und Setzen der Nennerterme als gleich einem vom Schleifenfilter
ausgegebenen letzten Wert.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Vorrichtung
zum dynamischen Umschalten einer Vielzahl von Trägerschleifen
in einem Funkempfänger gerichtet.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung: (A) ein Mittel zum Empfangen eines Funksignals von einer
Funkquelle; (B) ein Mittel zum im Wesentlichen kontinuierlichen
Abschätzen eines Rauschabstandes (SNR) des empfangenen
Funksignals von der Funkquelle; (C) ein Mittel zum Durchführen
eines Trägernachlaufs des empfangenen Trägersignals;
und (D) ein Mittel zum Umschalten von der anfänglichen
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
auf eine nachfolgende Trägernachlaufschleife mit einer
nachfolgenden Akkumulationsperiode.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (A) ferner: (A1) ein Empfangsmittel, das dazu ausgelegt
ist, ein Funksignal von der Funkquelle zu empfangen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (A1) ferner: (A1, 1) ein Empfangsmittel, das dazu ausgelegt
ist, die Funkquelle des empfangenen Funksignals zu verfolgen, wobei
die Funkquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem
besteht: {einem GPS-Satelliten; einem GLONASS-Satelliten; einem GALILEO-Satelliten;
und einem Pseudolit}.
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bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (B) ferner: (B1) ein Mittel zum Auswählen der
anfänglichen Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen
Akkumulationsperiode auf der Basis des abgeschätzten SNR.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (B1) ferner: (B1, 1) ein Mittel zum Auswählen
einer ersten Trägernachlaufschleife mit einer ersten Akkumulationsperiode,
um die anfängliche Trägernachlaufschleife mit der
anfänglichen Akkumulationsperiode zu implementieren, wenn
der abgeschätzte SNR über einer ersten vorbestimmten
Schwelle liegt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (B1) ferner: (B1, 2) ein Mittel zum Auswählen
einer zweiten Trägernachlaufschleife mit einer zweiten
Akkumulationsperiode, um die anfängliche Trägernachlaufschleife
mit der anfänglichen Akkumulationsperiode zu implementieren,
wenn der abgeschätzte SNR unter die erste vorbestimmte
Schwelle fällt, jedoch über einer zweiten vorbestimmten
Schwelle liegt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (B1) ferner: (B1, 3) ein Mittel zum Auswählen
einer dritten Trägernachlaufschleife mit einer dritten
Akkumulationsperiode, um die anfängliche Trägernachlaufschleife
mit der anfänglichen Akkumulationsperiode zu implementieren,
wenn der abgeschätzte SNR unter die zweite vorbestimmte
Schwelle fällt, jedoch über einer dritten vorbestimmten
Schwelle liegt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C) ferner: (C1) eine anfängliche Trägernachlaufschleife
mit einer anfänglichen Akkumulationsperiode, die dazu ausgelegt
ist, einen Trägernachlauf des empfangenen Trägersignals
durchzuführen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C) ferner: (C2) einen Phasenregelkreis, der dazu ausgelegt
ist, ein lokales Trägersignal auf das empfangene Trägersignal
auszurichten.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C) ferner: (C3) ein Mittel zum Durchführen
einer Standard-Quadraturmischoperation von I- und Q-Abtastwerten
des empfangenen Funksignals mit I- und Q-Komponenten einer lokalen
Trägerkopie, die durch einen Träger-NCO erzeugt
wird, um I- und Q-Basisband-Abtastwerte zu erzeugen; (C4) ein Mittel
zum Korrelieren der I- und der Q-Basisband-Abtastwerte mit einer lokalen
Kopie eines Codesignals, die auf das empfangene Funksignal ausgerichtet
ist, um korrelierte I- und Q-Signale zu erzeugen; (C5) ein Mittel
zum Akkumulieren der korrelierten I- und Q-Signale über eine
Zeitperiode T; (C6) ein Mittel zum Berechnen eines rohen Trägernachlauffehlersignals
unter Verwendung der akkumulierten I- und Q-Signale; (C7) ein Mittel
zum Filtern des rohen Trägernachlauffehlersignals, um ein
gefiltertes Trägernachlauffehlersignal zu erhalten; (C8)
ein Mittel zum Einfügen einer Schleifenverzögerung τ in
das gefilterte Trägernachlauffehlersignal, um ein Rückführungsfehlersignal
zu erzeugen; wobei die Schleifenverzögerung τ die
Verzögerungszeit der Trägernachlaufschleife darstellt;
und (C9) ein Mittel zum Schließen der Trägernachlaufschleife
durch Anlegen des Rückführungsfehlers an einen
Eingang des Träger-NCO, um eine Frequenz des lokalen Trägersignals
zu steuern.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C3) ferner: (C3, 1) einen Spiegelfrequenz-Unterdrückungsmischer,
der dazu ausgelegt ist, eine Standard-Quadraturmischoperation von
I- und Q-Abtastwerten des empfangenen Funksignals mit I- und Q-Komponenten
einer lokalen Trägerkopie durchzuführen, die durch
einen Träger-NCO erzeugt wird, um I- und Q-Basisband-Abtastwerte
zu erzeugen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C4) ferner: (C4, 1) eine Codenachlaufschleife, die dazu
ausgelegt ist, die I- und die Q-Basisband-Abtastwerte mit einer
lokalen Kopie eines Codesignals zu korrelieren, das auf das empfangene
Funksignal ausgerichtet ist, um korrelierte I- und Q-Signale zu
erzeugen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C7) ferner: (C7, 1) ein Schleifenfilter, das dazu ausgelegt
ist, das rohe Trägernachlauffehlersignal zu filtern, um
ein gefiltertes Trägernachlauffehlersignal zu erhalten.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C8) ferner: (C8, 1) ein Mittel zum Steuern der Schleifenverzögerung
auf eine feste Periode, um vorübergehendes Rauschen zu
minimieren, das dem Umschalten zwischen der Vielzahl von Trägernachlaufschleifen
innerhalb eines Funkkanals zugeordnet ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (C8) ferner: (C8, 2) ein Mittel zum Auswählen
der Schleifenverzögerung aus der Gruppe, die aus Folgendem
besteht: {einer Schleifenaktualisierung; einer Akkumulationsperiode
der ersten Nachlaufschleife; einer Akkumulationsperiode der zweiten
Nachlaufschleife; und einer Akkumulationsperiode der dritten Nachlaufschleife}.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (D) ferner: (D1) ein digitales Filter dritter Ordnung;
wobei ein Zähler des digitalen Filters dritter Ordnung
einen Speicher der vorherigen Trägernachlauffehler enthält;
und wobei ein Nenner des digitalen Filters dritter Ordnung einen
Speicher der vorherigen Schleifenausgangssignale enthält,
die verwendet werden, um den Träger-NCO zu aktualisieren;
(D2) ein Mittel zum Abschätzen des SNR; (D3) ein Mittel
zum Auswählen der nachfolgenden Trägernachlaufschleife
auf der Basis des abgeschätzten SNR; wobei die nachfolgende
Trägernachlaufschleife eine kürzeste Akkumulationsperiode
entsprechend dem abgeschätzten SNR umfasst; und (D4) ein
Mittel zum Zurücksetzen der Zählerterme auf Null
und zum Setzen der Nennerterme als gleich einem vom Schleifenfilter
ausgegebenen letzten Wert, wenn die ausgewählte Trägerschleife
von der gegenwärtig verwendeten Schleife verschieden ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
das Mittel (D1) ferner: (D1, 1) ein Softwareprogramm, das das digitale
Filter dritter Ordnung implementiert; wobei ein Zähler
des digitalen Filters dritter Ordnung einen Speicher der vorherigen
Trägernachlauffehler enthält; und wobei ein Nenner
des digitalen Filters dritter Ordnung einen Speicher der vorherigen
Schleifenausgangssignale enthält, die verwendet werden,
um den Träger-NCO zu aktualisieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehend erwähnten Vorteile der vorliegenden Erfindung
sowie zusätzliche Vorteile derselben werden nachstehend
infolge einer ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den
folgenden Zeichnungen deutlicher verstanden.
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1 stellt
eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum dynamischen Umschalten
einer Vielzahl von Trägerschleifen in einem Funkempfänger
dar.
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2 stellt
theoretische Umschaltschwellen zwischen einer Schleife mit 1 ms,
einer Schleife mit 5 ms und 10 ms und einen minimalen CNR für
eine Nachlaufschleife mit 10 ms für die Zwecke der vorliegenden
Erfindung dar.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Nun
wird im Einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den zugehörigen
Zeichnungen dargestellt sind. Obwohl die Erfindung in Verbindung
mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben wird,
ist es selbstverständlich, dass sie die Erfindung nicht
auf diese Ausführungsbeispiele begrenzen sollen. Im Gegenteil
soll die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente
abdecken, die innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der Erfindung,
wie durch die beigefügten Ansprüche definiert,
enthalten sein können. Ferner werden in der folgenden ausführlichen
Beschreibung der vorliegenden Erfindung zahlreiche spezielle Details dargelegt,
um ein gründliches Verständnis der vorliegenden
Erfindung vorzusehen. Für einen üblichen Fachmann
ist jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese
speziellen Details ausgeführt werden kann. In anderen Fällen
wurden gut bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen
nicht im Einzelnen beschrieben, um die Aspekte der vorliegenden
Erfindung nicht unnötig unklar zu machen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel stellt 1 eine Vorrichtung 10 der
vorliegenden Erfindung zum dynamischen Umschalten einer Vielzahl
von Trägerschleifen in einem Funkempfänger dar.
Ein Codenachlauf ist von Natur aus gegen die Signaldynamik unempfindlicher
(als ein Trägernachlauf). Daher verwendet eine Vorrichtung 10 die
Standard-Codenachlauffunktionalität des Standes der Technik (nicht
dargestellt).
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Das
eingegebene Funksignal 16 wird in phasengleichen (I) 12 und
Quadraturphasen-(Q) 14 Komponenten durch den HF-Teil 18 der
Vorrichtung 10 abgetastet. Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der Funkempfänger dazu ausgelegt,
eine Funkquelle des empfangenen Funksignals zu verfolgen, wobei
die Funkquelle aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Folgendem
besteht: {einem GPS-Satelliten; einem GLONASS-Satelliten; einem
GALILEO-Satelliten; und einem Pseudolit}.
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Globales
Navigationssatellitensystem (GNSS) ist ein allgemeiner Begriff des
Fachgebiets, umfassend GPS- oder GLONASS- oder GALILEO- oder irgendeine
Kombination von GPS-, GLONASS- und GALILEO-Systemen.
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Das
globale Positionsbestimmungssystem (GPS) ist ein System von Satellitensignalsendern, das
Informationen sendet, aus denen der gegenwärtige Ort eines
Beobachters und/oder die Beobachtungszeit ermittelt werden kann.
Ein weiteres Navigationssystem auf Satellitenbasis wird Globales
Umlaufnavigationssystem (GLONASS) genannt, das als alternatives
oder zusätzliches System arbeiten kann.
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Das
GPS wurde vom Verteidigungsministerium (DOD) der Vereinigten Staaten
unter seinem NAVSTAR-Satellitenprogramm entwickelt. Ein vollständig
funktionales GPS umfasst mehr als 24 Erdumlaufsatelliten, die ungefähr
gleichmäßig um sechs kreisförmige Umlaufbahnen
mit jeweils vier Satelliten verteilt sind, wobei die Umlaufbahnen
in einem Winkel von 55° relativ zum Äquator geneigt
sind und um Vielfache einer Länge von 60° voneinander getrennt
sind. Die Umlaufbahnen weisen Radien von 26560 Kilometern auf und
sind ungefähr kreisförmig. Die Umlaufbahnen sind
nicht-geosynchron mit Umlaufzeitintervallen von 0,5 siderischen
Tagen (11,967 Stunden), so dass sich die Satelliten mit einer Zeit
relativ zur Erde darunter bewegen. Im Allgemeinen sind vier oder
mehr GPS-Satelliten von den meisten Punkten auf der Erdoberfläche
sichtbar, die verwendet werden können, um die Position
eines Beobachters irgendwo auf der Erdoberfläche zu ermitteln.
Jeder Satellit trägt eine Cäsium- oder Rubidium-Atomuhr,
um eine Taktinformation für die von den Satelliten übertragenen
Signale bereitzustellen. Eine interne Taktkorrektur ist für
jeden Satellitentakt vorgesehen.
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Jeder
GPS-Satellit überträgt kontinuierlich zwei Streuspektrum-L-Band-Trägersignale:
ein L1-Signal mit einer Frequenz f1 = 1575,42 MHz (Trägerwellenlänge
von ungefähr neunzehn Zentimeter) und ein L2-Signal mit
einer Frequenz f2 = 1227,6 MHz (Trägerwellenlänge
von ungefähr vierundzwanzig Zentimeter). Diese beiden Frequenzen
sind ganzzahlige Vielfache f1 = 1540 f0 und f2 = 1200 f0 einer Grundfrequenz
f0 = 1,023 MHz. Das L1-Signal von jedem Satelliten wird durch zwei
pseudozufällige Rausch-(PRN)Codes in Phasenquadratur, die
als C/A-Code und P-Code bezeichnet werden, durch Binärphasenumtastung
(BPSK) moduliert. Das L2-Signal von jedem Satelliten wird nur durch
den P-Code BPSK-moduliert. Die Art dieser PRN-Codes und angenommenen
Verfahren zum Erzeugen des C/A-Codes und P-Codes sind im Dokument ICD-GPS-200: GPS
Interface Control Dokument, ARINC Research, 1997, GPS Joint Program
Office, dargelegt, das durch den Hinweis hierin aufgenommen
wird.
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Der
GPS-Satellitenbitstrom umfasst Navigationsinformationen über
die Ephemeride des sendenden GPS-Satelliten (die Umlaufbahninformationen über
den sendenden Satelliten innerhalb der nächsten mehreren
Sendestunden umfassen) und einen Almanach für alle GPS-Satelliten
(der eine weniger detaillierte Umlaufbahninformation über
alle Satelliten umfasst). Die übertragenen Satelliteninformationen
umfassen auch Parameter, die Korrekturen für Ionosphären-Signallaufzeitverzögerungen
(für Frequenzempfänger geeignet) und für
eine Versatzzeit zwischen der Satellitentaktzeit und wahren GPS-Zeit vorsehen.
Die Navigationsinformationen werden mit einer Rate von 50 Baud übertragen.
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Ein
zweites Navigationssystem auf Satellitenbasis ist das globale Umlaufnavigationssatellitensystem
(GLONASS), das von der früheren Sowjetunion in die Umlaufbahn
gebracht wurde und nun von der russischen Republik gewartet wird.
GLONASS verwendet 24 Satelliten, die ungefähr gleichmäßig
in drei Umlaufbahnebenen mit jeweils acht Satelliten verteilt sind.
Jede Umlaufbahnebene besitzt eine nominale Neigung von 64,8° relativ
zum Äquator und die drei Umlaufbahnebenen sind voneinander
um Vielfache einer Länge von 120° getrennt. Die
GLONASS-Satelliten weisen kreisförmige Umlaufbahnen mit
Radien von etwa 25510 Kilometern und eine Satellitenumlaufperiode
von 8/17 eines siderischen Tages (11,26 Stunden) auf. Ein GLONASS-Satellit
und ein GPS-Satellit vollenden folglich 17 bzw. 16 Umläufe
um die Erde alle 8 Tage. Das GLONASS-System verwendet zwei Trägersignale
L1 und L2 mit Frequenzen von f1 = (1,602 + 9k/16) GHz und f2 = (1,246
+ 7k/16) GHz, wobei k = (1, 2, ... 24) die Kanal- oder Satellitennummer
ist. Diese Frequenzen liegen in zwei Bändern bei 1,597–1,617
GHz (L1) und 1240–1260 GHz (L2). Das L1-Signal wird durch
einen C/A-Code (Chiprate = 0,511 MHz) und durch einen P-Code (Chiprate
= 5,11 MHz) moduliert. Das L2-Signal wird derzeit nur durch den
P-Code moduliert. Die GLONASS-Satelliten übertragen auch
Navigationsdaten mit einer Rate von 50 Baud. Da die Kanalfrequenzen
voneinander unterscheidbar sind, ist der P-Code derselbe und der
C/A-Code ist derselbe für jeden Satelliten. Die Verfahren
zum Empfangen und Demodulieren der GLONASS-Signale sind zu den für die
GPS-Signale verwendeten Verfahren ähnlich.
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Wie
in der European Commission "White Paper an European transport
policy for 2010" offenbart, entwickelt die europäische
Union ein unabhängiges Satellitennavigationssystem Galileo
als Teil einer globalen Navigationssatelliten-Infrastruktur (GNSS).
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Das
GALILEO-System basiert auf einer Konstellation von 30 Satelliten
und Bodenstationen, die Informationen hinsichtlich der Positionierung
von Benutzern in vielen Sektoren bereitstellen, wie z. B. Transport
(Fahrzeugort, Routensuche, Geschwindigkeitskontrolle, Führungssysteme,
usw.), soziale Dienste (z. B. Hilfe für die Behinderten
oder Älteren), das Justizsystem und Zolldienste (Ort von
Verdächtigen, Grenzkontrollen), öffentliche Arbeiten (geographische
Informationssysteme), Such- und Rettungssysteme oder Freizeit (Ortung
auf See oder in den Bergen usw.).
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GALILEO
bietet mehrere Dienstniveaus, von offenem Zugang bis zu eingeschränktem
Zugang verschiedener Ebenen:
- (A) Ein offener,
freier Basisdienst, der hauptsächlich Anwendungen für
die allgemeine Öffentlichkeit und Dienste von allgemeinem
Interesse beinhaltet. Dieser Dienst ist zu jenem vergleichbar, der vom
zivilen GPS bereitgestellt wird, der für diese Anwendungen
kostenfrei ist, jedoch mit verbesserter Qualität und Zuverlässigkeit.
- (B) Ein kommerzieller Dienst, der die Entwicklung von professionellen
Anwendungen erleichtert und eine verbesserte Leistung im Vergleich
zum Basisdienst insbesondere hinsichtlich der Dienstgarantie bietet.
- (C) Ein "lebenswichtiger" Dienst (Lebenssicherheitsdienst) mit
einer sehr hohen Qualität und Integrität für
sicherheitskritische Anwendungen wie z. B. Luftfahrt und Schifffahrt.
Ein Such- und Rettungsdienst verbessert existierende Hilfs- und Rettungsdienste
erheblich.
- (D) Ein öffentlich geregelter Dienst (PRS), der verschlüsselt
ist und gegen Störungen und Eingriffe beständig
ist, hauptsächlich für die öffentlichen Autoritäten
reserviert ist, die für den Zivilschutz, die nationale
Sicherheit und Gesetzesvollstreckung verantwortlich sind, die ein
hohes Niveau an Kontinuität erfordern. Er ermöglicht,
dass gesicherte Anwendungen in der Europäischen Union entwickelt
werden und könnte sich insbesondere als wichtiges Instrument
beim Verbessern der von der europäischen Union verwendeten
Instrumente zum Bekämpfen von illegalen Exporten und illegaler
Einwanderung erweisen.
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Die
realen Bedürfnisse von zukünftigen GALILEO-Benutzern
müssen identifiziert werden, bevor die Eigenschaften des
Pakets von Diensten bestimmt werden können. Studien wurden
bereits in verschiedenen Standardisierungsinstituten und internationalen
Organen ausgeführt, wie z. B. der International Civil Aviation
Organization, der International Maritime Organization usw.
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Der
Bereich von GALILEO-Diensten ist so ausgelegt, dass dieser praktische
Ziele und Erwartungen vom Verbessern der Abdeckung von Diensten
mit offenem Zugang in städtischen Umgebungen (zum Abdecken
von 95% von städtischen Distrikten im Vergleich zu den
50% derzeit vom GPS allein abgedeckten), von denen die 160 Millionen
privaten Fahrzeuge in Europa profitieren, oder Ermöglichen der
Verwendung von Satellitennavigationsanwendungen "drinnen", in Gebäuden
und sogar in Tunneln oder tatsächlich Mobiltelefondiensten
auf der Basis der Identifikation der Position des Anrufers, erfüllt.
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Die
Bezugnahme auf ein RADPS hierin bezieht sich auf ein globales Positionsbestimmungssystem,
auf ein globales Umlaufbahn-Navigationssystem, auf ein GALILEO-System
und auf irgendein anderes System auf Satellitenbasis eines kompatiblen globalen
Navigationssatellitensystems (GNSS), das Informationen bereitstellt,
durch die die Position eines Beobachters und die Beobachtungszeit
ermittelt werden können, das alles die Anforderungen der
vorliegenden Erfindung erfüllt, und auf ein Funkpositionsbestimmungssystem
auf Bodenbasis wie z. B. ein System mit einem oder mehreren Pseudolit-Sendern.
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Nachdem
der RADPS-Empfänger die Koordinaten des i-ten RADPS-Satelliten
durch Demodulieren der übertragenen Ephemeriden-Parameter
ermittelt, kann der RADPS-Empfänger die Lösung
des Satzes der simultanen Gleichungen für seine unbekannten
Koordinaten (x0, y0,
z0) und für einen unbekannten Zeitabweichungsfehler
(cb) erhalten. Der RADPS-Empfänger kann auch die Geschwindigkeit einer
sich bewegenden Plattform ermitteln.
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Ein
Pseudolit umfasst ein Funkpositionsbestimmungssystem auf Bodenbasis,
das bei irgendeiner Funkfrequenz, einschließlich, jedoch
nicht begrenzt auf die GPS-Frequenzen und das unlizenzierte ISM-(industrielle,
wissenschaftliche, medizinische)Betriebsband, einschließlich
der ISM-Bänder von Bändern mit 900 MHz, 2,4 GHz
oder 5,8 GHz, oder in einem Funkortsband wie z. B. dem Band mit (9,5–10)
GHz arbeitet. Pseudoliten können zum Verbessern des GPS
durch Bereitstellen von erhöhter Genauigkeit, Integrität
und Verfügbarkeit verwendet werden.
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Die
vollständige Beschreibung der Pseudolit-Sender im GPS-Band
ist in "Global Positioning System: Theory and Applications;
Band II", herausgegeben von Bradford W. Parkinson und James J. Spilker
Jr., und veröffentlicht im Band 164 in "PROGRESS IN ASTRONAUTICS
AND AERONAUTICS", vom American Institute of Aeronautic and Astronautics,
Inc., 1966, zu finden.
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Die
folgende Erörterung konzentriert sich auf einen GPS-Empfänger,
obwohl dieselbe Methode für einen GLONASS-Empfänger,
für einen kombinierten GPS/GLONASS-Empfänger,
einen GALILEO-Empfänger oder irgendeinen anderen RADPS-Empfänger verwendet
werden kann.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 werden I-Komponenten 22 und
Q-Komponenten 24 einer lokalen Kopie des GPS-Trägers
(die lokale Kopie bezieht sich auf ein intern innerhalb des GPS-Empfängers
erzeugtes Signal) durch den NCO 20 erzeugt und verwendet,
um I-Abtastwerte 12 und Q-Abtastwerte 14 auf ein
Basisband (null Hertz) im Spiegelfrequenz-Unterdrückungsmischer 24 abwärts
zu mischen.
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Die
Vorrichtung 10 (von 1) der vorliegenden
Erfindung verwendet einen Phasenregelkreis, um die I-Komponenten 22 und
Q-Komponenten 24 eines lokalen Trägers, der vom
NCO 20 erzeugt wird, auf I-Komponenten 12 und
Q-Komponenten 14 des empfangenen Trägers auszurichten.
Wenn der lokale Träger und der empfangene Träger
ausgerichtet sind, wenn sie erfolgreich phasenverriegelt sind, liefert
das Messen der Phase des lokalen Trägers auch die Phase
des empfangenen Trägers. Der Phasennachlauf ist eine Anforderung
für RTK.
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Insbesondere
umfasst immer noch mit Bezug auf 1 bei einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung 10 einen Spiegelfrequenz-Unterdrückungsmischer 26,
der dazu ausgelegt ist, eine Standard-Quadraturmischoperation der
I-Abtastwerte 12 und Q-Abtastwerte 14 des empfangenen
Funksignals 16 mit den I-Komponenten 22 und Q-Komponenten 24 der
lokalen Trägerkopie, die vom Träger-NCO 20 erzeugt
wird, durchzuführen, um I-Basisband-Abtastwerte 28 und Q-Basisband-Abtastwerte 30 zu
erzeugen.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
die Vorrichtung 10 ferner einen I-Korrelator 32,
der dazu ausgelegt ist, den I-Basisband-Abtastwert 28 mit
einer lokalen Kopie eines Codesignals zu korrelieren, die auf das
empfangene Funksignal ausgerichtet ist, um das korrelierte I-Signal 33 zu
erzeugen, und einen Q-Korrelator 34, der dazu ausgelegt
ist, den Q-Basisband-Abtastwert 30 mit einer lokalen Kopie
eines Codesignals zu korrelieren, die auf das empfangene Funksignal
ausgerichtet ist, um das korrelierte Q-Signal 35 zu erzeugen.
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Insbesondere
kann der Phasenfehler zwischen dem empfangenen und dem lokalen Träger aus
der Korrelation des bekannten PN-Codes für einen gegebenen
Satelliten mit den I-Basisbandsignalen 28 und Q-Basisbandsignalen 30 erhalten werden. Die
Codenachlaufschleife, nicht gezeigt, verarbeitet jedoch die Ausrichtung
zwischen der empfangenen und der lokalen Kopie der PN-Codes. Die
einfache mathematische Identität ist wie folgt: IBasisband = A·cos(ωt
+ ϕ) (Gl. 1) QBasisband = A·sin(ϕt
+ ϕ) (Gl. 2)wobei
A die Signalamplitude ist, ω die Frequenz des Nachlauffehlersignals
ist und ϕ die Phase des Nachlauffehlersignals ist.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 umfasst die Vorrichtung 10 bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ferner:
einen I-Akkumulator 36, der dazu ausgelegt ist, das korrelierte
I-Signal 33 über eine Zeitperiode T zu akkumulieren,
und einen Q-Akkumulator 38, der dazu ausgelegt ist, das
korrelierte Q-Signal 35 über dieselbe Zeitperiode
T zu akkumulieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
die Vorrichtung 10 ferner ein Mittel 44 mit arctan
(Q/I), das dazu ausgelegt ist, ein rohes Trägernachlauffehlersignal 45 unter
Verwendung der akkumulierten I-Signale 40 und Q-Signale 42 zu
berechnen. Unter der Annahme, dass der Frequenzfehler Null ist,
ist der Phasenfehler gegeben durch: ϕ =
arctan(QBasisband/IBasisband) (Gl. 3)
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Gemäß (Gl.
3) wird der minimale Phasenfehler (Null) erreicht, wenn der Trägernachlauf
die ganze Signalenergie in die I-Phasen-Basisband-Abtastwerte bringt.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 umfasst die Vorrichtung 10 bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ferner
ein Schleifenfilter 46, das dazu ausgelegt ist, das rohe
Trägernachlauffehler-(Phasenfehler)Signal 45 zu
filtern, um ein gefiltertes Trägernachlauffehlersignal 47 zu
erhalten.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
die Vorrichtung 10 ferner einen Schleifenverzögerungsblock 48,
der dazu ausgelegt ist, eine Schleifenverzögerung τ in
das gefilterte Trägernachlauffehlersignal 47 einzufügen,
um ein Rückführungsfehlersignal 50 zu
erzeugen. Die Schleifenverzögerung τ stellt die
Verzögerungszeit der Trägernachlaufschleife dar.
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Das
Rückführungsfehlersignal 50 wird verwendet,
um den digitalen NCO 20 zu aktualisieren, der die lokale
Trägerkopie erzeugt, die mit dem Empfängerträgersignal
phasenverriegelt wird.
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Während
der normalen Nachlaufoperation wird die Codekorrelation über
20 ms, ein GPS-Datenbit, akkumuliert. Der Trägernachlauffehler
und der Träger-NCO werden auch mit dieser Rate aktualisiert.
Die längere Akkumulation ist nicht möglich, ohne
zuerst die Datenbits zu entfernen. Die kürzere Akkumulation
ist möglich, aber mit dem Nachteil einer verringerten Energie
im Fehlersignal 45, das durch den Block 44 mit
arctan (Q/I) erzeugt wird, was folglich die Nachlaufschleife für
Rauschen anfälliger macht und dadurch die Signale, die
verfolgt werden können, begrenzt.
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Unter
statischen Bedingungen ist die Akkumulation von 20 ms vollkommen
angemessen. Jedoch ändert sich der empfangene Träger
unter Dynamik viel schneller als er vom Phasenregelkreis erfasst
und berücksichtigt werden kann. In Bezug auf den lokalen
Träger ist zu sehen, dass das empfangene Signal die Energie
um die I- und Q-Basisband-Abtastwerte rotiert. Das Ergebnis ist,
dass die vom Block 44 mit arctan (Q/I) durchgeführte
Berechnung sehr verrauscht wird und einen schlechten Signalnachlauf
und sogar eine Signalentriegelung verursachen kann.
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Ein
Verfahren, um die erhöhte Dynamik zu handhaben, besteht
darin, eine kürzere Akkumulationsperiode zu verwenden.
Die kürzere Akkumulationsperiode ermöglicht eine
schnellere Schleifenaktualisierungsrate, eine schnellere Reaktion
auf die Dynamik und eine geringere effektive Rotation der I- und
Q-Basisband-Abtastwerte innerhalb der Akkumulationsperiode. Dies
ist die in der vorliegenden Erfindung verwendete Methode.
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Die
kürzeste Akkumulationsperiode, die für GPS leicht
erreicht werden kann, ist 1 ms, die eine C/A-Code-Periode ist. Die
Trägernachlaufschleife mit einer Akkumulationsperiode von
1 ms liefert Aktualisierungen 20 mal schneller als die
Standard-Trägernachlaufschleife mit einer Akkumulationsperiode
von 20 ms. Wenn jedoch der Trägernachlauf unter Verwendung
der Trägernachlaufschleife mit einer Akkumulationsperiode
von 1 ms durchgeführt wird, ist der Rauschabstand (SNR) 20 mal
niedriger im Vergleich zum SNR, der sich aus dem Trägernachlauf
ergibt, der unter Verwendung der Trägernachlaufschleife
mit einer Akkumulationsperiode von 20 ms durchgeführt wird.
Dies ist ein Verlust von 13 dB. Folglich führt der Trägernachlauf,
der unter Verwendung der Trägernachlaufschleife mit einer
Akkumulationsperiode von 1 ms durchgeführt wird, zu verrauschteren
Messungen und zu einer Erhöhung der unteren CNR-(SNR, normiert
auf eine Bandbreite von 1 Hz) Grenze von Signalen, die verfolgt
werden können, im Vergleich zum Trägernachlauf,
der unter Verwendung der Trägernachlaufschleife mit einer
Akkumulationsperiode von 20 ms durchgeführt wird.
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Um
diese Begrenzung zu beseitigen, verwendet die Vorrichtung 10 bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung drei
unabhängige Trägernachlaufschleifen jeweils mit
einer anderen Akkumulationsperiode.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind
die drei Trägernachlaufschleifen: (A) eine Schleife mit
1 ms; (B) eine Schleife mit 5 ms; und (C) eine Schleife mit 10 ms.
Die Schleife mit 1 ms weist die beste dynamische Leistung auf, erfordert
jedoch einen hohen SNR zum Arbeiten. Die Schleife mit 5 ms liefert
eine gute dynamische Leistung und erfordert einen mäßigen
SNR zum Arbeiten. Die Schleife mit 10 ms weist die niedrigere dynamische
Leistung auf, kann jedoch selbst Signale mit niedrigem SNR verarbeiten.
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Nur
eine der Schleifen arbeitet zu irgendeinem Zeitpunkt für
ein gegebenes Signal. Die Software schaltet auf der Basis von Änderungen
im empfangenen CNR dynamisch zwischen den Schleifen um.
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Wie
in 2 gezeigt, sind die theoretischen Umschaltschwellen
ungefähr wie folgt: die CNR-Schwelle 88 von 40
dB zwischen der Schleife 82 mit 1 ms und der Schleife 84 mit
5 ms; die CNR-Schwelle 90 von 35 dB zwischen der Schleife 84 mit
5 ms und der Schleife 86 mit 10 ms; und die untere CNR-Grenze 92 von
30 dB des durch die Nachlaufschleife 86 mit 10 ms zu verfolgenden
Signals.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird
die für die nächste Akkumulation zu verwendende
Nachlaufschleife auf der Basis des zuletzt abgeschätzten
CNR ausgewählt. Das Umschalten zwischen den Schleifen wird
nach Bedarf durchgeführt.
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Die
theoretischen Schwellen 88, 90 und 92 von 2 können
jedoch in der Praxis aufgrund der Tatsache, dass die Dynamik zusätzliches
Rauschen verursacht, das während des Nachlaufprozesses selbst
abgeschätzt werden muss, nicht verwendet werden. Die Schwellen
für die MS980-Implementierung sind beispielsweise um 3
bis 4 dB größer als die theoretischen Schwellen 88, 90 und 92.
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Die
theoretischen Schwellen 88, 90 und 92 von 2 umfassen
auch eine Hysterese von 2 dB, die in die Schwellen eingebaut ist.
Damit eine gegenwärtig verwendete Schleife auf eine Nachlaufschleife mit
einer kürzeren Periode aufgerüstet wird, muss daher
der CNR 2 dB höher sein als der CNR, der erforderlich ist,
um die gegenwärtig verwendete Schleife auf eine Nachlaufschleife
mit einer längeren Periode abzurüsten. Dies wird
durchgeführt, um zu verhindern, dass die Schleifen schnell
umschalten, wenn sich der CNR einer der Schwellen nähert.
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Die
Vorrichtung 10 (von 1) der vorliegenden
Erfindung sollte zwischen verschiedenen Schleifen ohne signifikante Übergänge
sanft umschalten. Tatsächlich können Übergänge
Zyklusschlupfe verursachen (was zum Entfernen des Satelliten führt,
für den die Nachlaufschlupfe von der RTK-Lösung
für eine Weile folglich eine zusätzliche Verarbeitung
erfordern, um wieder auf die Lösung zu "fixieren"), können
einen Verlust von Daten verursachen oder können verursachen,
dass der Nachlauf entriegelt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schaltet
die Vorrichtung 10 (von 1) zwischen
verschiedenen Schleifen ohne signifikante Übergänge
unter Verwendung der Akkumulationsblöcke 36 und 38 mit
1 ms, die in der Hardware implementiert werden, und durch Implementieren
der Akkumulation über 5 ms und 10 ms, die für
die anderen Schleifen in der Software erforderlich sind, sanft um.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
die Vorrichtung 10 (von 1) einen Schleifenverzögerungsblock 48,
der zwischen den Schleifenfilterausgang 47 gekoppelt ist.
Der Schleifenverzögerungsblock 48 aktualisiert den
NCO 20. Die Schleifenverzögerung τ ist
erforderlich, um die Verzögerungszeit beim Lesen der Akkumulatorausgangssignale
in die Software und die Zeit, die vom Block 44 mit arctan
(Q/I) und vom Schleifenfilter 46 gebraucht wird, um erforderliche
Berechnungen durchzuführen, zu berücksichtigen.
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Der
Schleifenverzögerungsblock 48 bildet einen Teil
der Übertragungsfunktion des Phasenregelkreises der Vorrichtung 10 von 1 in
geschlossener Schleife. Wenn die Verzögerung mit der Zeit
oder zwischen Nachlaufkanälen unkontrolliert variieren lassen
wird, dann würde jede Nachlaufschleife ein unerwünschtes,
unterschiedliches und unmodelliertes Verhalten aufzeigen. Somit
ist die Steuerung dieser Verzögerungsdauer für
die Funktion der Vorrichtung 10 (von 1)
der vorliegenden Erfindung entscheidend. Tatsächlich ermöglicht
die Steuerung der Verzögerungsdauer das Umschalten zwischen
verschiedenen Nachlaufschleifen mit minimalen Übergängen.
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Die
GPS-Nachlaufsoftware wird normalerweise so gesteuert, dass die Schleifenverzögerung τ eine
feste Periode ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird
die Schleifenverzögerung τ auf Werte von T gleich
der Akkumulationsperiode (und Aktualisierungsperiode) der Nachlaufschleife normiert.
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Softwarebegrenzungen
bedeuten, dass die kleinste Schleifenverzögerung für
die Schleife mit 1 ms 1 ms ist. Die optimale Schleifenverzögerung
von 5 ms sollte für die Schleife mit 5 ms verwendet werden
und die optimale Schleifenverzögerung von 10 ms sollte
für die Schleife mit 10 ms verwendet werden.
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Die
Verwendung einer gemeinsamen normierten Schleifenverzögerung
T für alle drei Schleifen (T = 1 ms für die Schleife
mit 1 ms; T = 5 ms für die Schleife mit 5 ms; und T = 10
ms für die Schleife mit 10 ms) würde zu den ähnlichen
Z-Bereichs-Darstellungen in geschlossener Schleife für
alle drei Nachlaufschleifen führen. Die Ähnlichkeit
von Z-Bereichs-Darstellungen in geschlossener Schleife für alle
drei Nachlaufschleifen führt zum sanften Umschalten zwischen
Schleifen mit minimalen Übergängen. Eine andere Ähnlichkeitsanforderung
in der Schleifenkonstruktion besteht darin, dass die Bandbreite
in geschlossener Schleife für jede Schleife dieselbe sein
muss.
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Andererseits
würde die Verwendung derselben Schleifenverzögerung
von 1 ms für alle drei Schleifen zu einer schnelleren Schleifenaktualisierung
für alle Schleifen führen und würde eine
geringfügig bessere dynamische Leistung für die
Schleifen mit 5 ms und 10 ms erreichen. Die Differenz der Schleifenverzögerungen
(T für die Schleife mit 1 ms, T/5 für 5 ms und
T/10 für 10 ms) hinsichtlich ihrer Z-Bereichs-Darstellungen
kann jedoch zu signifikanten Übergängen führen,
wenn ein Schleifenumschalten durchgeführt wird.
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Immer
noch mit Bezug auf 1 wird bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung das Schleifenfilter 46 unter
Verwendung eines digitalen Standardfilters dritter Ordnung implementiert.
Es kann folgendermaßen dargestellt werden: H(z) = (a2·z–2 + a1·z–1 + a0)/(b2·z–2 +
b1·z–1 +
b0) (Gl.
4)wobei die ax-
und bx-Terme die Schleifenkoeffizienten sind.
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Der
Zähler enthält einen Speicher der vorherigen Trägernachlauffehler.
Der Nenner enthält einen Speicher der vorherigen Schleifenausgangssignale (der
zur Aktualisierung des Träger-NCO verwendeten Werte). Sobald
ein neuer CNR-Wert berechnet wird, wählt die Nachlaufsoftware
die optimale Nachlaufschleife aus, die die kürzeste Periode
für den gegebenen CNR aufweist. Die ausgewählte
Schleife wird beim nächsten Mal, wenn die Schleife schließt, verwendet.
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Wenn
die ausgewählte Schleife von der gegenwärtig verwendeten
Schleife verschieden ist, dann sollte die Nachlaufsoftware zusätzliche
Aufgaben durchführen, um zwischen Schleifen mit minimalen Übergängen
umzuschalten. Dies erfordert grundsätzlich zwei Operationen:
(1) die Zählerterme werden auf Null zurückgesetzt,
wodurch der Filterspeicher von vorherigen Phasenfehlern gelöscht
wird; (2) die Nennerterme werden alle gleich dem letzten vom Filter
ausgegebenen Wert gesetzt, wodurch der Filterspeicher von vorherigen
Ausgangssignalen gelöscht wird, während die beste
aktuelle Abschätzung der Signalfrequenz aufrechterhalten
wird, die zum Aufrechterhalten der Phasenverriegelung erforderlich
ist.
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Diese
beiden Operationen werden bei allen Schleifenumschaltvorgängen
durchgeführt. Das Umschalten kann von irgendeiner der drei
Schleifen auf irgendeine der anderen Schleifen durchgeführt
werden. Das Schleifenumschalten kann zu irgendeinem Zeitpunkt geschehen,
wenn sich der CNR ändert, mit Ausnahme einer kurzen Periode
direkt nach jedem Umschalten, um zu ermöglichen, dass die
neue Schleife einschwingt.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum dynamischen
Umschalten einer Vielzahl von Trägerschleifen in einem
Funkempfänger gerichtet.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren der vorliegenden
Erfindung die folgenden Schritte (nicht dargestellt): (A) Empfangen
eines Funksignals von einer Funkquelle unter Verwendung einer Trägernachlaufschleife;
(B) im Wesentlichen kontinuierliches Abschätzen eines Rauschabstandes (SNR)
des empfangenen Funksignals von der Funkquelle; (C) wenn der Rauschabstand
(SNR) des empfangenen Funksignals von der Funkquelle über
einer anfänglichen vorbestimmten Schwelle liegt, Durchführen
eines Trägernachlaufs des empfangenen Trägersignals
durch eine anfängliche Trägernachlaufschleife
mit einer anfänglichen Akkumulationsperiode; und (D) wenn
der Rauschabstand (SNR) des empfangenen Funksignals von der Funkquelle
unter die anfängliche vorbestimmte Schwelle fällt,
Umschalten von der anfänglichen Trägernachlaufschleife
mit der anfänglichen Akkumulationsperiode auf eine nachfolgende
Trägernachlaufschleife mit einer nachfolgenden Akkumulationsperiode,
und Durchführen des Trägernachlaufs des empfangenen
Trägersignals durch die nachfolgende Trägernachlaufschleife
mit der nachfolgenden Akkumulationsperiode. Die Schritte (B–D)
werden vorzugsweise wiederholt, wenn sich die Dynamik ändert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (A) ferner den Schritt (A1) des Verfolgens der Funkquelle
des empfangenen Funksignals, wobei die Funkquelle aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus Folgendem besteht: {einem GPS-Satelliten;
einem GLONASS-Satelliten; einem GALILEO-Satelliten; und einem Pseudolit}.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B) ferner den folgenden Schritt: (B1) im Wesentlichen
kontinuierliches Abschätzen des Rauschabstandes (SNR) des empfangenen
Funksignals von der Funkquelle; und (B2) Auswählen der
anfänglichen Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen
Akkumulationsperiode auf der Basis des abgeschätzten SNR.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B2) ferner den folgenden Schritt: (B2, 1) wenn der
abgeschätzte SNR über einer ersten vorbestimmten
Schwelle liegt, Auswählen einer ersten Trägernachlaufschleife
mit einer ersten Akkumulationsperiode, um die anfängliche
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
zu implementieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B2) ferner den folgenden Schritt: (B2, 2) wenn der
abgeschätzte SNR unter die erste vorbestimmte Schwelle
fällt, aber über einer zweiten vorbestimmten Schwelle
liegt, Auswählen einer zweiten Trägernachlaufschleife
mit einer zweiten Akkumulationsperiode, um die anfängliche
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
zu implementieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (B2) ferner den folgenden Schritt: (B2, 3) wenn der
abgeschätzte SNR unter die zweite vorbestimmte Schwelle
fällt, aber über einer dritten vorbestimmten Schwelle
liegt, Auswählen einer dritten Trägernachlaufschleife
mit einer dritten Akkumulationsperiode, um die anfängliche
Trägernachlaufschleife mit der anfänglichen Akkumulationsperiode
zu implementieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (C) ferner die folgenden Schritte: (C1) Durchführen
einer Standard-Quadraturmischoperation von I- und Q-Abtastwerten
des empfangenen Funksignals mit I- und Q-Komponenten einer lokalen
Trägerkopie, die durch einen Träger-NCO erzeugt
wird, unter Verwendung eines Spiegelfrequenz-Unterdrückungsmischers,
um I- und Q-Basisband-Abtastwerte zu erzeugen; (C2) Korrelieren
der I- und der Q-Basisband-Abtastwerte mit einer lokalen Kopie eines
Codesignals, die auf das empfangene Funksignal ausgerichtet ist,
durch eine Codenachlaufschleife, um korrelierte I- und Q-Signale
zu erzeugen; (C3) Akkumulieren der korrelierten I- und Q-Signale über
eine Zeitperiode T; (C4) Berechnen eines rohen Trägernachlauffehlersignals
unter Verwendung der akkumulierten I- und Q-Signale; (C5) Filtern
des rohen Trägernachlauffehlersignals unter Verwendung
eines Schleifenfilters, um ein gefiltertes Trägernachlauffehlersignal
zu erhalten; (C6) Einfügen einer Schleifenverzögerung τ in das
gefilterte Trägernachlauffehlersignal, um ein Rückführungsfehlersignal
zu erzeugen; wobei die Schleifenverzögerung τ eine
Verzögerungszeit der Trägernachlaufschleife darstellt;
und (C7) Schließen der Trägernachlaufschleife
durch Anlegen des Rückführungsfehlers an einen
Eingang des Träger-NCO, um eine Frequenz des lokalen Trägersignals
zu steuern.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (C6) des Einfügens der Schleifenverzögerung
in den gefilterten Trägernachlauffehler ferner den Schritt:
(C6, 1) des Steuerns der Schleifenverzögerung auf eine
feste Periode, um vorübergehendes Rauschen zu minimieren,
das dem Umschalten zwischen der Vielzahl von Trägernachlaufschleifen
innerhalb eines Funkkanals zugeordnet ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (C6) des Einfügens der Schleifenverzögerung
in den gefilterten Trägernachlauffehler ferner den Schritt:
(C6, 2) des Auswählens der Schleifenverzögerung
aus der Gruppe, die aus Folgendem besteht: {einer Schleifenaktualisierung;
einer Akkumulationsperiode der ersten Nachlaufschleife; einer Akkumulationsperiode
der zweiten Nachlaufschleife; und einer Akkumulationsperiode der
dritten Nachlaufschleife}.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
der Schritt (D) des Umschaltens von der anfänglichen Trägernachlaufschleife
mit der anfänglichen Akkumulationsperiode auf die nachfolgende
Trägernachlaufschleife mit der nachfolgenden Akkumulationsperiode
ferner die folgenden Schritte: (D1) Modellieren des Schleifenfilters
als digitales Filter dritter Ordnung; wobei ein Zähler
des digitalen Filters dritter Ordnung einen Speicher der vorherigen
Trägernachlauffehler enthält; und wobei ein Nenner
des digitalen Filters dritter Ordnung einen Speicher der vorherigen
Schleifenausgangssignale enthält, die verwendet werden,
um den Träger-NCO zu aktualisieren; (D2) Abschätzen
des SNR und Auswählen der nachfolgenden Trägernachlaufschleife
auf der Basis des abgeschätzten SNR; wobei die nachfolgende
Trägernachlaufschleife eine kürzeste Akkumulationsperiode
umfasst, die dem abgeschätzten SNR entspricht; (D3) Prüfen,
ob die ausgewählte Trägerschleife von einer gegenwärtig
verwendeten Schleife verschieden ist; und (D4) wenn die ausgewählte
Trägerschleife von der gegenwärtig verwendeten
Schleife verschieden ist, zurücksetzen der Zählerterme
auf Null und Setzen der Nennerterme als gleich einem vom Schleifenfilter
ausgegebenen letzten Wert.
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Die
vorangehende Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist für Erläuterungs-
und Beschreibungszwecke vorgesehen. Sie sollen nicht erschöpfend
sein oder die Erfindung auf die offenbarten genauen Formen begrenzen
und offensichtlich sind angesichts der obigen Lehre viele Modifikationen
und Änderungen möglich. Die Ausführungsbeispiele
wurden gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und
ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern, um dadurch
anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung und verschiedene
Ausführungsbeispiele mit verschiedenen Modifikationen,
die für die spezielle in Erwägung gezogene Verwendung
geeignet sind, am besten zu verwenden. Es ist beabsichtigt, dass
der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche
und ihre Äquivalente definiert ist.
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Zusammenfassung:
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DYNAMISCHES UMSCHALTEN VON
TRÄGERNACHLAUFSCHLEIFEN OHNE VERLUST DER NACHLAUFINFORMATIONEN
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Ein
Verfahren zum dynamischen Umschalten einer Vielzahl von Trägerschleifen
in einem Funkempfänger, wobei jeder Kanal eine Vielzahl
von Trägernachlaufschleifen umfasst und wobei jede Trägernachlaufschleife
dazu ausgelegt ist, eine Funkquelle zu verfolgen. Jede Trägernachlaufschleife
umfasst eine vorbestimmte Akkumulationsperiode. Das Verfahren umfasst
die folgenden Schritte: (A) Empfangen eines Funksignals (16)
von einer Funkquelle unter Verwendung einer Trägernachlaufschleife;
(B) im Wesentlichen kontinuierliches Abschätzen eines Rauschabstandes
(SNR) des empfangenen Funksignals (16) von der Funkquelle;
(C) wenn der Rauschabstand (SNR) des empfangenen Funksignals (16)
von der Funkquelle über einer anfänglichen vorbestimmten
Schwelle liegt, Durchführen des Trägernachlaufs
mit einer anfänglichen Akkumulationsperiode; und (D) wenn
der Rauschabstand (SNR) des empfangenen Funksignals (16)
von der Funkquelle unter die anfängliche vorbestimmte Schwelle
fällt, Umschalten von der anfänglichen Trägernachlaufschleife
mit der anfänglichen Akkumulationsperiode auf eine nachfolgende
Trägernachlaufschleife mit einer nachfolgenden Akkumulationsperiode;
und Durchführen des Trägernachlaufs des empfangenen Trägersignals
mit der nachfolgenden Trägernachlaufschleife mit der nachfolgenden
Akkumulationsperiode.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ICD-GPS-200:
GPS Interface Control Dokument, ARINC Research, 1997, GPS Joint
Program Office [0045]
- - "White Paper an European transport policy for 2010" [0048]
- - "Global Positioning System: Theory and Applications; Band
II", herausgegeben von Bradford W. Parkinson und James J. Spilker
Jr., und veröffentlicht im Band 164 in "PROGRESS IN ASTRONAUTICS
AND AERONAUTICS", vom American Institute of Aeronautic and Astronautics,
Inc., 1966 [0056]