DE19739102A1

DE19739102A1 - Verfahren zur Navigation mit einem Navigationsempfänger mittels breitbandiger Navigationssignale und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19739102A1
Application number: DE1997139102
Authority: DE
Inventors: Tobias Dr Felhauer
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1997-09-06
Filing date: 1997-09-06
Publication date: 1999-03-11

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Navigation mit einem Navigationsempfänger mittels breitbandiger Navi gationssignale nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.

Ein derzeit typisches Satelliten-Navigationsprinzip, wie es beispielsweise in (Satelliten-)Navigationsempfängern auf Basis des amerikanischen Global Positioning System (GPS) oder dem russischen Global Navigation Satellite System (GLONASS) Anwendung findet, besteht darin, daß verschiede ne, örtlich getrennte Signalquellen, beispielsweise Satel liten, kontinuierlich Signale aussenden, die ein Navigationsempfänger empfängt und daraus in an sich bekann ter Weise mittels Signallaufzeitmessungen die Entfernungen zu den Signalquellen bestimmt. Mit diesen gemessenen Ent fernungen und den bekannten Positionskoordinaten der Sig nalquellen, die beispielsweise bei GPS oder GLONASS aus Bahnparametern und der aktuellen Zeit berechnet werden kön nen, wird schließlich durch einfache geometrische Auswer tungen die aktuelle Position des Navigationsempfängers be stimmt.

Das zuvor beschriebene Navigationsprinzip wird anhand der Fig. 1 nochmals verdeutlicht. Die dort dargestellten Signal quellen 1 (Q1 bis Q4) senden kontinuierlich Signale 2, die am Ausgang der Signalquellen 1 einen Zeitstempel (Zeitco dierung) erhalten. Ein Navigationsempfänger 3 empfängt die se Signale 2 und bestimmt mittels Signallaufzeitmessungen die Entfernungen zu den Signalquellen 1 (Q1 bis Q4). Die von den Signalquellen 1 gesendeten Signale 2 beinhalten weiter hin Informationen über die aktuellen Positionskoordinaten der Signalquellen 1. Bei GPS und GLONASS werden diese In formationen indirekt über Bahnparameter, sogenannte Alma nach- oder Ephemeridendaten übertragen, aus denen wiederum mit der aktuellen Zeit die gesuchten Positionskoordinaten der Satelliten berechnet werden können. Erschwerend kommt jedoch hinzu, daß die mittels Signallaufzeitmessungen be stimmten Entfernungen zu den Signalquellen 1 nur dann gleich den geometrischen Entfernungen zwischen Navigati onsempfänger 3 und Signalquellen 1 sind, wenn die in den Signalquellen 1 und im Navigationsempfänger 3 verwendeten Zeitsysteme exakt synchronisiert sind. Bei der im allgemei nen geringen Anzahl der durch den Navigationsempfänger 3 empfangbaren (sichtbaren) Signalquellen 1 kann dies durch die Verwendung hochgenauer aber allerdings teuerer und emp findlicher Frequenznormale erreicht werden. Bei einem Navi gationsempfänger möchte man dagegen nicht zuletzt aufgrund der Kosten auf die Verwendung von Frequenznormalen verzich ten. Deshalb werden in Navigationsempfängern einfachere und daher kostengünstigere Quarzoszillatoren als Zeitreferenz system implementiert und damit bewußt ein Fehler zwischen den Zeitsystemen im Navigationsempfänger und den Signal quellen in Kauf genommen. Deshalb sind im allgemeinen die mittels Signallaufzeitmessungen bestimmen Entfernungen zu den Signalquellen keine geometrischen Entfernungen sondern sogenannte Pseudoentfernungen R₁ bis R₄, die in der engli schen Literatur auch Pseudoranges genannt werden. Die Navi gationsaufgabe besteht also darin, aus den gemessenen Pseu doentfernungen zu den Signalquellen und den berechneten Po sitionskoordinaten der Signalquellen die aktuellen Positi onskoordinaten des Navigationsempfängers und den Uhrenfeh ler zwischen den Zeitsystemen im Navigationsempfängers und den Signalquellen zu bestimmen. Jeder der Signalquellen kann nun durch einfache geometrische Betrachtungen eine Na vigationsgleichung der Form

zugeordnet werden, wobei
x_si, y_si, z_si die berechneten Positionskoordinaten der i-ten Si gnalquelle,
R_i die gemessene Pseudoentfernung zur i-ten Signalquelle,
x_n, y_n, z_n die aktuell zu berechnenden Positionskoordinaten des Navigationsempfängers,
T_n der zu berechnende Uhrenfehler und
c die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Raum (Lichtgeschwindigkeit)
sind.

Rein mathematisch betrachtet besteht die Navigationsaufgabe somit im Lösen eines Gleichungssystems (jede Signalquelle trägt zu diesem Gleichungssystem eine Navigationsgleichung bei) nach den drei unbekannten Positionskoordinaten des Na vigationsempfängers und dem ebenfalls unbekannten Uhrenfeh ler. Da diese vier unbekannten Größen berechnet werden müs sen, sind somit mindestens vier Navigationsgleichungen und damit die Pseudoentfernungen zu mindestens vier Signalquel len zu bestimmen. Das Lösen eines Systems nichtlinearer Gleichungen entsprechend der Gleichung (1) wird an dieser Stelle nicht weiter beschrieben, da dieses an sich bekannt ist, beispielsweise aus der Literaturstelle [1], [2].

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typi schen, überwiegend in digitaler Schaltungstechnologie auf gebauten Satelliten-Navigationsempfängers. Die über eine Antenne 31 empfangenen (Satelliten-)Signale werden zunächst in einer Hochfrequenzeinheit 32 verstärkt, dann gefiltert, in eine niedrigere, vorgebbare Frequenzlage transformiert und anschließend in einer Analog-Digital-Wandlereinheit 33 digitalisiert. Diese ist ein Bestandteil einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 34, in welcher die Signale der Signalquellen (Satelliten) in parallelen Hardwarekanälen (Schaltungsanordnungen) aus dem Signalgemisch am Antennen eingang separiert und anschließend weiter verarbeitet wer den. Bei dieser digitalen Signalverarbeitung 34 werden mit tels verschiedener Regelschleifen die Verzögerungszeiten der (Satelliten-)Signale und die Phasen der zugehörigen Trägerfrequenzsignale bestimmt und kontinuierlich nachgere gelt. Weiterhin werden in der digitalen Signalverarbei tungseinheit 34 die mit den Signalen übertragenen Navigati onsdaten, aus denen der Navigationsempfängers unter anderem Informationen über die aktuellen Positionskoordinaten der Signalquellen (Satelliten) gewinnen kann, decodiert und ausgewertet. Die Navigationsdaten und die aus der gemesse nen Verzögerungszeit der Signale bestimmten Pseudoentfer nungen werden anschließend der Navigationsprozessoreinheit 35 zugeführt. Vorrangige Aufgabe dieser Navigationsprozes soreinheit 35 ist es, mittels des zuvor erwähnten Systems von Navigationsgleichungen die unbekannten Positionskoordi naten des Navigationsempfängers zu berechnen.

Da gemäß dem beschriebenem Navigationsprinzip gleichzeitig mehrere Signalquellen aktiv sind, ist ein sogenanntes Viel fachzugriffverfahren bei den Signalquellen anzuwenden, das es dem Navigationsempfänger ermöglicht, die Signale der einzelnen Signalquellen durch eine geeignete Signalverar beitung aus dem Empfangssignal wiederum zu separieren. Be trachtet man die Satellitennavigationssysteme GPS und GLONASS, so unterscheiden sich diese hinsichtlich der von ihnen gesendeten Signale hauptsächlich in der Anwendung des Vielfachzugriffsverfahrens [3], [4]. Während im GPS das Viel fachzugriffsverfahren CDMA (Code Division Multiple Access) Anwendung findet [3], wird im GLONASS das Vielfachzugriffs verfahren FDMA (Frequency Division Multiple Access) ange wendet [4]. Folglich senden alle GPS Satelliten kontinuier lich auf der gleichen Trägerfrequenz von 1575,42 MHz, wobei jedoch in jedem GPS-Satellit dieses Trägersignal mit einem anderen Code moduliert wird. Diese sogenannten CA-Codes (CA: Coarse Aquisition) sind hinsichtlich ihrer Kreuzkorre lationseigenschaften optimiert, so daß ein Separieren der einzelnen Codes im Navigationsempfänger aus dem Empfangs signal durch eine geeignete korrelative Signalverarbeitung ermöglicht wird. Im GLONASS System dagegen senden alle Sa telliten den gleichen CA-Code jedoch bei unterschiedlichen Trägerfrequenzen in einem Frequenzband von 1602 MHz bis 1616 MHz. Ein Separieren der Signale der unterschiedlichen GLONASS Satelliten im Navigationsempfänger ist somit durch eine geeignete Filterung möglich. Das auf den ersten Blick verständlichere Vielfachzugriffsverfahren FDMA bringt je doch nachteilige Probleme im Aufbau (Design) und der Si gnalverarbeitung in einem Navigationsempfänger mit sich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat tungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern, daß auch bei Verwendung von Signalen, welche dem Vielfachzugriffs verfahren FDMA entsprechen, eine zuverlässige, genaue und kostengünstige Navigation möglich wird. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchfüh rung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 11 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 3 bis Fig. 11 schematisch dargestellte Diagramme zur Er läuterung der Erfindung.

Die Erfindung beruht auf einer Erkenntnis, die im folgenden näher erläutert wird.

Da beim Anwenden des Vielfachzugriffsverfahrens FDMA - wie beispielsweise bei GLONASS - die Signale der unterschiedli chen Signalquellen in unterschiedlichen Frequenzkanälen empfangen werden, können Gruppenlaufzeitschwankungen im Na vigationsempfänger zu Störungen führen, so daß die damit ermittelten Pseudoentfernungsmessungen und damit letztend lich die Positionsbestimmungen nicht zuverlässig sind. Die Gruppenlaufzeitcharakteristik als frequenzmäßige Ableitung der Phasenfunktion eines Navigationsempfängers ist eine Funktion der Frequenz und gibt diejenige Verzögerungszeit an, die ein Signal einer bestimmten Frequenz im Navigati onsempfänger erfährt. Schwankungen der Gruppenlaufzeit sind insbesondere in der analogen Hochfrequenzeinheit 32 (Fig. 2) unvermeidbar, während in der digitalen Signalverarbeitungs einheit prinzipiell eine konstante Gruppenlaufzeit durch Implementieren linearphasiger digitaler Filter erreichbar ist.

Fig. 3 verdeutlicht die störende Wirkung einer nicht-kon stanten Gruppenlaufzeitcharakteristik auf die Genauigkeit einer Pseudoentfernungsmessung zu den Signalquellen am Bei spiel des GLONASS Systems. In Fig. 3a wird zunächst der op timale Fall einer konstanten Gruppenlaufzeit innerhalb des GLONASS L1-Frequenzbandes von 1602 MHz bis 1616 MHz be trachtet (1. Diagramm). Die GLONASS Signale als BPSK-modu lierte ("Binary Phase Shift Keying") Bandspreizsignale sind in Fig. 3a durch die Hauptkeule ihres Betragsspektrums mit einer Bandbreite von ungefähr 1 MHz für die willkürlich her ausgegriffenen (Satelliten-)Kanäle 1, 12 sowie 24 darge stellt (2. Diagramm). Die derzeit verfügbaren 24 GLONASS Satelliten senden in den Frequenzkanälen mit den Mittenfre quenzen (1602 + i.0.5625)MHz, i = 1 bis 24. Die Pseudoent fernungsmessung erfolgt durch eine korrelative Signalverar beitung. Dabei wird das Empfangssignal zunächst mit dem GLONASS CA-Code korreliert. Das zeitliche Auftreten der Korrelationsspitze ist dabei unmittelbar ein Maß für die Signalverzögerungszeit. Der Zeitpunkt τ₀ des Auftretens der Korrelationsspitze (3. Diagramm) wird mittels einer Verzö gerungsregelschleife (4. Diagramm), die in der englischen Literatur auch Delay Lock Loop, DLL, genannt wird, be stimmt. Das Prinzip dieser Regelschleife beruht darauf, im Navigationsempfänger den CA-Code mit exakt der gleichen Verzögerung wie der im Empfangssignal enthaltene CA-Code zu generieren. Dazu wird ein Diskriminatorsignal aus dem Emp fangssignal und dem intern erzeugten CA-Code berechnet, das unmittelbar ein Maß für den aktuellen Regelfehler, das heißt für die Differenz zwischen den Verzögerungen des emp fangenen CA-Codes und des intern erzeugten CA-Codes ist. Dieses Diskriminatorsignal wird dann zur Steuerung des in ternen CA-Code-Generators in der Art verwendet, daß das Diskriminatorsignal und damit der Regelfehler zu Null wird. Diejenige Verzögerungszeit, bei der die Diskriminatorkenn linie der Verzögerungsregelschleife den Wert Null erreicht, ist somit die gesuchte Signalverzögerungszeit τ₀ (4. Dia gramm). Das Diskriminatorsignal wird beispielsweise dadurch generiert, daß das Empfangssignal mit einem pünktlichen, frühen und späten CA-Code korreliert wird. Die Verzöge rungszeit des pünktlichen CA-Codes entspricht dabei exakt einem aktuellen Schätzwert der Signalverzögerungszeit, wäh rend der frühe beziehungsweise späte CA-Code gegenüber dem pünktlichen CA-Code geringfügig voreilt beziehungsweise nacheilt. Ziel ist es, nach der Korrelation des Empfangs signals mit dem frühen CA-Code exakt die gleiche Signallei stung zu erhalten wie nach der Korrelation mit dem späten CA-Code. Die Verzögerung zwischen dem frühen und späten CA- Code ist ein wichtiger Parameter der Verzögerungsregel schleife und wird [5] als Korrelationsabstand, der in der englischen Literatur auch correlator spacing genannt wird, bezeichnet.

Bei idealer, konstanter Gruppenlaufzeit wie in Fig. 3a dar gestellt, erfahren alle GLONASS-Signale, unabhängig davon in welchem Frequenzkanal sie empfangen werden, die gleiche Verzögerung τ₀ innerhalb des Navigationsempfängers. Die Grundverzögerungszeit τ₀ ist dabei nicht problematisch, da diese die Signale in allen Frequenzkanälen gleichermaßen erfahren und somit inhärent in den Navigationsgleichungen als Teil des einleitend erwähnten Uhrenfehlers berücksich tigt werden kann.

Bei einer nicht-konstanten Gruppenlaufzeit wie beispiels weise in Fig. 3b (1. Diagramm) dargestellt, erfahren jedoch die GLONASS Signale in den unterschiedlichen Frequenzkanä len (2. Diagramm für willkürlich herausgegriffene Kanäle 6, 12 sowie 18) unterschiedliche Verzögerungen innerhalb des Navigationsempfängers, die nicht in den Navigationsglei chungen berücksichtigt werden können. Lediglich eine mitt lere Verzögerungszeit τ₀ kann wiederum als Teil des Uhren fehlers berücksichtigt werden. Eine nicht-konstante Grup penlaufzeitcharakteristik verursacht somit zwangsläufig Fehler bei der Pseudoentfernungsmessung, die in der engli schen Literatur auch interchannel delay bias errors genannt werden. Aufgrund der nicht-konstante Gruppenlaufzeitcharak teristik werden daher entsprechend Diagramm 3 und Diagramm 4 in Fig. 3b unterschiedliche Verzögerungszeiten mit den Werten τ₀ - Δτ, τ₀, τ₀ + Δτ ermittelt. Solche Fehler verfäl schen die nachfolgende Navigationsrechnung. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Fehler bei der Pseudoentfernungsmes sung nur beim Vielfachzugriffsverfahrens FMDA (GLONASS) auftreten, während diese im GPS mit dem Vielfachzugriffs verfahren CDMA selbst bei nicht-konstanter Gruppenlaufzeit nicht auftreten, da alle GPS-Signale abgesehen von Doppler verschiebungen im gleichen Frequenzband empfangen und somit auch die gleiche Verzögerung innerhalb des Navigationsemp fängers erfahren.

Im folgenden wird nun ein Verfahren beschrieben, mit dem die oben beschriebenen Fehler bei der Pseudoentfernungsmes sung kompensiert werden. Dazu wird zunächst beschrieben, wie die Navigationssignale aufgrund einer nicht-konstanten Gruppenlaufzeitcharakteristik im Navigationsempfänger tat sächlich verzögert werden. Die dabei ermittelte effektive Signalverzögerungscharakteristik wird dann dazu verwendet, um die Fehler bei den Pseudoentfernungsmessungen aufgrund der nicht-konstanten Gruppenlaufzeitcharakteristik im Navi gationsempfänger zu kompensieren.

Wie bereits oben erwähnt, gibt die Gruppenlaufzeitcharakte ristik als frequenzmäßige Ableitung der Phasenfunktion die jenige Verzögerungszeit an, die ein Sinussignal einer be stimmten Frequenz innerhalb des Navigationsempfängers er fährt. Typische Navigationssignale, wie sie beispielsweise im GPS und GLONASS verwendet werden, sind jedoch keine Si nussignale, sondern sogenannte Bandspreizsignale, bei denen die Trägerschwingung gemäß einem binären Spreizungscode, dem CA-Code, moduliert und dadurch spektral gespreizt ist [3], [4]. Aufgrund dieser Breitbandigkeit derzeit typischer Navigationssignale bestimmen die Werte der Gruppenlaufzeit charakteristik nicht unmittelbar die effektive Verzöge rungszeit der Navigationssignale innerhalb des Navigati onsempfängers. Da typische breitbandige Navigationssignale als Summe vieler Sinussignale unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase betrachtet werden können, ist eine Art Mittelungseffekt zu erwarten, weshalb die Struktur der Gruppenlaufzeitcharakteristik relativ zur Bandbreite der Navigationssignale entscheidend die effektive Signalverzö gerung bestimmt.

Die folgenden Betrachtungen beschreiben den Einfluß unter schiedlich strukturierter Gruppenlaufzeitcharakteristika auf die effektive Verzögerung der Navigationssignale am Beispiel der GLONASS-Signale genauer. Diese Betrachtungen basieren zunächst auf folgenden zwei Aussagen:

1. Die Verzögerungsregelschleife, die zum Messen der Si gnalverzögerung verwendet wird, hat ein lineares Verhal ten. Diese Annahme ist solange gerechtfertigt, solange die Verzögerungsregelschleife im linearen Teil ihrer Diskriminatorkennlinie betrieben wird. Fig. 4 zeigt eine solche, derzeit typische Diskriminatorkennlinie einer Verzögerungsregelschleife ("Delay Lock Loop", DLL), wobei der nutzbare lineare Kennlinienteil durch einen dick ge zeichneten Linienteil hervorgehoben ist.
2. Aus der allgemeinen Signaltheorie ist bekannt [6], daß jede beliebige Gruppenlaufzeitcharakteristik mittels ei ner Fourier-Analyse in verschiedene sinusförmige Grup penlaufzeitcharakteristika unterschiedlicher Amplitude und Struktur zerlegt werden kann.

Aufgrund dieser beiden Aussagen können die nachfolgenden Betrachtungen zunächst auf sinusförmige Gruppenlaufzeitcha rakteristika beschränkt werden. Der Übergang zu einer be liebig strukturierten Gruppenlaufzeitcharakteristik kann danach durch Überlagern der Einflüsse der einzelnen sinus förmigen Gruppenlaufzeitcharakteristika erreicht werden, die als Summe die angenommene Gruppenlaufzeitcharakteristik bilden.

Fig. 5a zeigt zunächst eine sinusförmige Gruppenlaufzeitcha rakteristik mit grober Struktur (1. Diagramm), relativ zur GLONASS Signalbandbreite von ungefähr 1 MHz. Um die effek tive Verzögerung, die ein empfangenes GLONASS-Signal mit einer beliebigen Mittenfrequenz innerhalb des GLONASS L1- Frequenzbandes von 1602 MHz bis 1616 MHz aufgrund dieser Gruppenlaufzeitcharakteristik erfährt, zu bestimmen, wurden folgende Berechnungen durchgeführt:

In einem ersten Schritt wird der Phasenfunktion ϕ₁(f) des (empfangenen) GLONASS-Signalspektrums A(f) = |A(f)|.exp(ϕ₁(f)) eine weitere, vorgebbare Phasenfunktion ϕ₂(f) additiv über lagert, wobei die frequenzmäßige Ableitung dieser weiteren Phasenfunktion ϕ₂(f) gemäß der Formel

proportional der betrachteten Gruppenlaufzeitcharakteristik t_gr(f) ist. Diese frequenzselektive Phasenmodifikation wür de das GLONASS-Signal beim Durchlaufen des Navigationsemp fängers mit der Gruppenlaufzeitcharakteristik t_gr(f) erfah ren.

Nach dieser Modifikation des Phasenspektrums wird das GLONASS-Signal in einem zweiten Schritt mit dem GLONASS CA- Code korreliert.

In einem dritten Schritt wird die Diskriminatorkennlinie einer Verzögerungsregelschleife mit einem Korrelationsab stand von 1 chip (chip: zeitliche Dauer eines Elements des GLONASS CA-Codes) berechnet.

Schließlich wird in einem vierten Schritt aus dem Schnitt punkt der Diskriminatorkennlinie mit der horizontalen Ver zögerungsachse die effektive Verzögerung des GLONASS Si gnals bestimmt.

Da aufgrund von Dopplerverschiebungen ein empfangenes GLONASS-Signal als Mittenfrequenz nicht nur eine der nomi nalen Sendefrequenzen (1602 + i.0.5625) MHz, i = 1 bis 24 haben kann, sondern eine nahezu beliebige Frequenz inner halb des GLONASS L1-Frequenzbandes von 1602 MHz bis 1616 MHz, wird die oben beschriebene Berechnung der effek tiven Signalverzögerung für GLONASS-Signale mit beliebiger Mittenfrequenz aus dem Frequenzband von 1602 MHz bis 1616 MHz wiederholt. Für jede Mittenfrequenz wird die zuge hörige Signalverzögerung berechnet und in der in Fig. 5 dar gestellten effektiven Signalverzögerungscharakteristik über der Mittenfrequenz des empfangenen GLONASS-Signals aufge tragen.

Dabei zeigt Fig. 5a den Einfluß einer grobstrukturierten Gruppenlaufzeitcharakteristik. Ein Vergleich der darge stellten grobstrukturierten Gruppenlaufzeitcharakteristik (1. Diagramm) mit der zugehörigen effektiven Signalverzöge rungscharakteristik (2. Diagramm) zeigt eine nahezu identi sche Struktur. Folglich kommt bei einer grobstrukturierten Gruppenlaufzeitcharakteristik der aufgrund der Breitbandig keit der GLONASS-Signale erwartete Mittelungseffekt nicht zum tragen.

Führt man, wie in Fig. 5b dargestellt, dieselben Berechnun gen für eine feinstrukturierte Gruppenlaufzeitcharakteristik (1. Diagramm) mit mehr als einer Schwingungsperiode pro GLONASS-Signalbandbreite durch, so erhält man eine effekti ve Signalverzögerungscharakteristik (2. Diagramm) mit zwar gleicher Struktur aber deutlich verringerter Amplitude, das heißt, die Streuung der effektiven Verzögerungen von emp fangenen GLONASS-Signalen beliebiger Mittenfrequenz ist deutlich geringer als aufgrund der Gruppenlaufzeitcharakte ristik (1. Diagramm) zunächst zu vermuten ist.

Als Gütemaß zum Bewerten des Einflusses einer bestimmten Struktur der Gruppenlaufzeitcharakteristik auf die effektive Signalverzögerungscharakteristik wird im folgenden das Ver hältnis

betrachtet. Fig. 6 zeigt dieses Amplitudenverhältnis für un terschiedlich strukturierte sinusförmige Gruppenlaufzeit charakteristika. Als charakteristische Größe für die Struk tur einer sinusförmigen Gruppenlaufzeitcharakteristik wird dabei das Verhältnis

gewählt. Die in Fig. 6 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß sinusförmige Gruppenlaufzeitcharakteristika mit weniger als einer Periode innerhalb der GLONASS Signalbandbreite von ungefähr 1 MHz vollständig zur effektiven Signalverzöge rungscharakteristik beitragen, während der Beitrag feiner strukturierter Gruppenlaufzeitcharakteristika zunehmend ab nimmt.

Wie bereits oben erwähnt, ist der Korrelationsabstand zwi schen dem "frühen" und "späten" CA-Code eine wichtige Kenn größe einer Verzögerungsregelschleife. Bisher ist bekannt, daß durch Verringern des Korrelationsabstands die störenden Einflüsse von Rauschen und Mehrwegesignalen auf die Signal verzögerungsmessung gemindert werden können [5]. Dagegen wird das Regelverhalten einer Verzögerungsregelschleife mit abnehmendem Korrelationsabstand empfindlicher gegenüber plötzlichen Dynamikänderungen des Navigationsempfängers. Da Verzögerungsregelschleifen überwiegend in digitaler Technik implementiert werden, ist es möglich und derzeit üblich, den Korrelationsabstand adaptiv den aktuellen dynamischen Verhältnissen des Navigationsempfängers anzupassen [6]. Des halb werden die oben erwähnten Untersuchungen, bei denen zunächst ein Korrelationsabstand von einem CA-Code-Element (engl. chip) angenommen wurde, für verschiedene Korrelati onsabstände d wiederholt. Das Ergebnis dieser Untersuchun gen zeigt Fig. 7. Aus diesen Ergebnissen folgt die überra schende Erkenntnis, daß durch Verringern des Korrelations abstands der Einfluß einer nicht-konstanten Gruppenlauf zeitcharakteristik auf die effektiven Signalverzögerungen deutlich vermindert werden kann. So tragen gemäß Fig. 7 zum Beispiel bei einem Korrelationsabstand von 0.1 CA-Code- Elementen nur noch sehr grobstrukturierte Gruppenlaufzeit charakteristika mit weniger als 0.2 Perioden pro GLONASS Signalbandbreite mit mehr als 50% zur effektiven Signalver zögerungscharakteristik bei. Feiner strukturierte Gruppen laufzeitcharakteristika mit beispielsweise einer Periode pro GLONASS Signalbandbreite, die bei einem Korrelationsab stand von einem CA-Code-Element noch zu 100% zur effektiven Signalverzögerungscharakteristik beitragen, tragen bei ei nem Korrelationsabstand von 0.1 CA-Code-Elementen nur noch zu ungefähr 10% zur effektiven Signalverzögerungscharakte ristik bei. Um diesen Effekt besser zu verstehen, wurde der Einfluß unterschiedlich strukturierter sinusförmiger Grup penlaufzeitcharakteristika auf die Form der Korrelations spitze untersucht mit dem Ergebnis, daß die unter idealen Bedingungen symmetrische, dreiecksförmige Form der Korrela tionsspitze (Fig. 3a, 3.Diagramm.) bei einer nicht-konstanten Gruppenlaufzeit zunehmend unsymmetrisch wird. Da eine Ver zögerungsregelschleife mit einem Korrelationsabstand d die jenige Signalverzögerungszeit ₀ in der Mitte der beiden Verzögerungen τ₁ und τ₂ bestimmt, die den Abstand d = |τ₂ - τ₁| haben, verringert sich bei unsymmetrischer Korrelationsspitze, wie in Fig. 8 prinzipiell dargestellt, der Fehler |₀ - τ₀| bei der Verzögerungszeitmessung mit ab nehmendem Korrelationsabstand.

Wie bereits oben erwähnt, ist die Gruppenlaufzeitcharakte ristik eines realen Navigationsempfängers im allgemeinen nicht sinusförmig. Die bisher für sinusförmige Gruppenlauf zeitcharakteristika erzielten Ergebnisse sind jedoch in einfacher Weise zum Bewerten des Einflusses einer beliebig strukturierten Gruppenlaufzeitcharakteristik auf die effek tive Signalverzögerungscharakteristik anwendbar. Diese im folgenden beschriebene neuartige Vorgehensweise zum Berech nen der effektiven Signalverzögerungscharakteristik bildet die Basis für das nachfolgend beschriebene Kompensations verfahren, da die effektiven Signalverzögerungen und nicht, wie oftmals fälschlicherweise angenommen, die Gruppenlauf zeiten die zum Kompensieren der unterschiedlichen Verzöge rungen der Navigationssignale in den unterschiedlichen Fre quenzkanälen eines Navigationsempfänger zu verwenden sind.

Gemäß dem in Fig. 9 dargestellten aufwandsgünstigen Verfah ren zum Ermitteln der effektiven Signalverzögerungen inner halb des Frequenzbandes von 1602 MHz bis 1616 MHz bei einem Navigationsempfänger wird dessen gemessene Gruppenlaufzeit charakteristik, die eine nahezu beliebige Struktur haben kann (1. Diagramm), in einem ersten Schritt einer Fourier Analyse unterzogen. Dabei wird die gemessene Gruppenlauf zeitcharakteristik in sinusförmige Gruppenlaufzeitcharakte ristika unterschiedlicher Amplitude, Phase und Struktur zerlegt. Die im allgemeinen komplexwertigen Amplitudenwerte A = |A|.exp(jϕ) der einzelnen sinusförmigen Gruppenlaufzeit charakteristika werden anschließend in einem zweiten Schritt gemäß den in Fig. 6 beziehungsweise Fig. 7 darge stellten Funktionen gewichtet. Diese Gewichtsfunktionen sind lediglich vom Schaltungsaufbau (Implementierungsart) der Verzögerungsregelschleife und insbesondere vom aktuel len Korrelationsabstand abhängig und können somit von vorn herein einmalig ermittelt und abgespeichert werden. Diese Gewichtsfunktionen sind also als eine Art Geräteeigenschaft zu betrachten. Werden nun die zu allen einstellbaren Korre lationsabständen korrespondierenden Gewichtsfunktionen von vornherein ermittelt und abgespeichert, so ist selbst bei adaptiver Änderung des Korrelationsabstands die zum jeweils aktuell eingestellten Korrelationsabstand gültige Gewichts funktion im Navigationsempfänger stets verfügbar. In einem dritten Schritt schließlich wird durch eine konventionelle inverse Fourier Transformation die für eine nachfolgende Kompensation der unterschiedlichen Signalverzögerungen be nötigte effektive Signalverzögerungscharakteristik be stimmt. Diese Kompensation der unterschiedlichen Verzöge rungen, welche die bei unterschiedlichen Mittenfrequenzen und insbesondere in unterschiedlichen FDMA-Frequenzkanälen empfangenen Navigationssignale aufgrund einer nicht-kon stanten Gruppenlaufzeitcharakteristik im Navigationsempfän ger erfahren, erfolgt schließlich wie folgt: Die aktuelle Mittenfrequenz eines empfangenen Navigationssignals wird mit Hilfe der bekannten und den FDMA-Frequenzkanälen zuge ordneten Sendefrequenz sowie der aktuellen Doppler-Ver schiebung, die wiederum beispielsweise aus der aktuellen Relativbewegung des Navigationsempfängers und des Satelli ten bestimmt werden kann, ermittelt. Zu der so ermittelten Mittenfrequenz des empfangenen Navigationssignals wird aus der aktuell gültigen effektiven. Signalverzögerungscharakte ristik die zugehörige Signalverzögerung bestimmt. Schließ lich wird die Pseudoentfernungsmessung zum betrachteten (vorgebbaren) Satelliten um diese effektive Signalverzöge rung korrigiert. Da, wie bereits vorstehend erwähnt, ledig lich die frequenzselektiven Änderungen der effektiven Si gnalverzögerungen störend sind, während beispielsweise die mittlere Signalverzögerung als Teil des Uhrenfehlers be trachtet und damit inhärent in den Navigationsgleichungen entsprechend Formel (1) berücksichtigt ist, ist es ebenso ausreichend, lediglich die Abweichungen der effektiven Si gnalverzögerungen von einer festen Grundverzögerung (bei spielsweise der mittleren Signalverzögerung) zum Kompensie ren zu verwenden.

Im folgenden werden nun verschiedene Anordnungen zur Durch führung des zuvor beschriebenen Kompensationsverfahrens be schrieben. Dabei sind zur Durchführung des Kompensations verfahrens folgende zwei prinzipiell unterschiedliche Vor gehensweisen und Strukturen möglich:

1. Statische Kompensation

Bei der als statische Kompensation bezeichneten Imple mentierung entsprechend Fig. 10 wird die Gruppenlaufzeit charakteristik des Navigationsempfängers 3 im nicht ope rationellen Betrieb mit Hilfe von an sich bekannten Meß geräten 36 meßtechnisch erfaßt. Durch weiteres Verarbei ten dieser Meßdaten gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren, beispielsweise mittels eines Computers 37, werden dann die effektiven Signalverzögerungen bestimmt. Bei der statischen Kompensation erfolgt auch dieses Nachverarbeiten der Meßdaten offline, das heißt im nicht operationellen Betrieb. Die so beispielsweise für ver schiedene Korrelationsabstände generierten effektiven Signalverzögerungscharakteristika werden schließlich in einer Speichereinheit 38 des Navigationsempfängers abge legt. Im operationellen Betrieb (Navigationsbetrieb) des Navigationsempfängers werden dann die Pseudoentfernungs messungen beispielsweise im Navigationsprozessor 35 um die für die aktuellen Korrelationsabstände gültigen ef fektiven Signalverzögerungen korrigiert. Da das Gruppen laufzeitverhalten, insbesondere von analogen Bauteilen, sehr temperaturabhängig sein kann, ist es weiterhin vor teilhaft, das Gruppenlaufzeitverhalten mit den Meßgerä ten 36 offline bei verschiedenen Temperaturen meßtech nisch zu erfassen, zu verarbeiten und die zugehörigen effektiven (temperaturabhängigen) Signalverzögerungscha rakteristika in der Speichereinheit 38 abzuspeichern. Im operationellen Betrieb des Navigationsempfängers werden dann die für eine gemessene aktuelle Temperatur und den aktuellen Korrelationsabstand gültigen Signalverzögerun gen aus der Speichereinheit 38 ausgelesen und vom Navi gationsprozessor 35 zum Korrigieren der Pseudoentfer nungsmessungen verwendet. Die aktuelle Temperatur wird dabei beispielsweise von einem auf dem Navigationsemp fänger angebrachten Temperatursensor 39 gemessen.

2. Dynamische Kompensation

Im Gegensatz zur zuvor beschriebenen statischen Kompen sation, bei der die zum Kompensieren notwendigen effek tiven Signalverzögerungen im nicht-operationellen Be trieb des Navigationsempfängers offline generiert und in einer Speichereinheit des Navigationsempfängers abge speichert werden, erfolgt bei einer Anordnung mit dyna mischer Kompensation entsprechend Fig. 11 das Ermitteln der effektiven Signalverzögerungen während des operatio nellen Betriebs des Navigationsempfängers, das heißt on line. Dazu wird an einer vorgebbaren Stelle, vorzugswei se am Empfängereingang, nach dem Antennen-Vorverstär ker LNA, der Hochfrequenzeinheit 32, dem aktuellen (GLONASS-)Empfangssignal ein vorgebbares Testsignal überlagert. Dieses Testsignal wird von einem externen oder unmittelbar auf dem Navigationsempfänger implemen tierten Testsignalgenerator 40 generiert. Nachdem das Testsignal den für die Gruppenlaufzeit bestimmenden Emp fängerteil durchlaufen hat, wird dieses online ausgewer tet und, unter Berücksichtigung der vorgebbaren Art des Testsignals, die aktuell gültige effektive Signalverzö gerung des empfangenen Navigationssignals innerhalb des Empfängers gemäß dem beschriebenen Verfahren beispiels weise im Navigationsprozessor 35 ermittelt. Bei der Wahl des Testsignals ist darauf zu achten, daß einerseits trotz der Überlagerung mit dem empfangenen (GLONASS-)Na vigationssignal ein späteres Separieren möglich ist und andererseits die Pseudoentfernungsmessung auf Basis des Navigationssignals nicht signifikant verfälscht wird. Der Vorteil der im Vergleich zur statischen Kompensation aufwendigeren dynamischen Kompensation besteht darin, daß insbesondere bei sich schnell ändernden Umweltbedin gungen, insbesondere der Temperatur des Navigationsemp fängers, stets das aktuelle Gruppenlaufzeitverhalten und damit die aktuell gültigen Signalverzögerungen sehr ge nau erfaßt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele be schränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Bei spielsweise ist es möglich, zusätzlich oder alternativ zu den Satelliten, die Navigationssignale aussenden, sogenann te Pseudosatelliten, beispielsweise ortsfeste Bodenstatio nen, die ebenfalls Navigationssignale aussenden, zu verwen den.

Literatur

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[6] H.D. Lüke: Signalübertragung, Springer Verlag, Berlin, 1975.

Claims

1. Verfahren zur Navigation mit einem Navigationsempfänger mittels breitbandiger Navigationssignale, wobei

- mehrere Signalquellen verwendet werden und jede Signal quelle ein dieser zugeordnetes Navigationssignal in ei nem vorgebbarem Frequenzkanal aussendet, wobei die zu verschiedenen Signalquellen gehörenden Navigationssigna le in vorgebbarer Weise in unterschiedlichen Frequenzka nälen ausgesandt werden,
- ein an die Frequenzkanäle angepaßter mehrkanaliger Navi gationsempfänger verwendet wird und
- in dem Navigationsempfänger aus den auf mehreren Fre quenzkanälen empfangenen Navigationssignalen mittels einer Signallaufzeitmessung die Entfernungen zwischen dem Navigationsempfänger und den Signalquellen ermittelt werden und aus den Entfernungen die Position des Naviga tionsempfängers bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß zumindest für alle Empfangskanäle, die jeweils einem Frequenzkanal zugeordnet sind, des Navigationsempfängers mittels eines Meßvorgangs eine Gruppenlaufzeitcharakte ristik, welche zumindest den nutzbaren Frequenzbereich des Navigationsempfängers umfaßt, ermittelt wird,
- daß aus der Gruppenlaufzeitcharakteristik eine zugehöri ge effektive Signalverzögerungscharakteristik, welche zumindest den nutzbaren Frequenzbereich des Navigations empfängers umfaßt, bestimmt wird,
- daß aus der Signalverzögerungscharakteristik die zu je dem Frequenzkanal des Navigationsempfängers gehörende Signalverzögerungszeit ermittelt wird,
- daß zumindest für vorgebbare, von dem Navigationsempfän ger empfangbare Navigationssignale für die diesen zuge ordnete Frequenzkanäle eine Signallaufzeitmessung durch geführt wird,
- daß die derart ermittelten Signallaufzeiten mittels der zugehörigen Signalverzögerungszeiten korrigiert werden derart, daß in unterschiedlichen Frequenzkanälen vorhan dene unterschiedliche Signalverzögerungszeiten kompen siert werden und
- daß aus den derart korrigierten Signallaufzeiten die Po sition des Navigationsempfängers bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der Gruppenlaufzeitcharakteristik ein statisches Meßverfahren verwendet wird, wobei die Grup penlaufzeit für jeden Frequenzkanal mittels eines Meßge rätes (36) für die Gruppenlaufzeit bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der Gruppenlaufzeitcharakteristik ein dynamisches Meßverfahren verwendet wird, wobei die im operationellen Betrieb des Navigationsempfängers aktuell wirksame Gruppenlaufzeitcharakteristik mittels eines Testsignals und eines vorgebbaren darauf abgestimmten Auswerteverfahrens bestimmt wird und wobei das Testsi gnal am Eingang des Navigationsempfängers eingespeist und den empfangenen Navigationssignalen überlagert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das Bestimmen der effektiven Signalverzögerungscharakteristik aus einer nicht kon stanten Gruppenlaufzeitcharakteristik durch Filtern der Gruppenlaufzeitcharakteristik mit einer Filtercharakte ristik erfolgt, die in vorgebbarer Weise von dem im Na vigationsempfänger verwendeten Verfahren zur Signallauf zeitmessung abhängig ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die zum Bestimmen der effekti ven Signalverzögerungscharakteristik durchzuführende Filterung in vorgebbarer Weise im Zeitbereich oder al ternativ im Frequenzbereich ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die zum Bestimmen der effekti ven Signalverzögerungscharakteristik durchzuführende Filterung in vorgebbarer Weise mit analoger und/oder di gitaler Hardware und/oder Software erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,

- daß ein temperaturabhängiges Gruppenlaufzeitverhalten des Navigationsempfängers in dessen nicht-operationellem Betrieb bei verschiedenen Temperaturen meßtechnisch er faßt und abgespeichert wird und
- daß damit im operationellen Betrieb des Navigationsemp fängers unter Verwendung einer wiederholten aktuellen Temperaturmessung die aktuell wirksame Gruppenlaufzeit charakteristik bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß beim Ändern des Verfahrens zur Signallaufzeitmessung, insbesondere bei einer Änderung des zeitlichen Versatzes der Früh- und Spät-Korrelati onen innerhalb einer Signalverzögerungs-Regelschleife, im operationellen Betrieb des Navigationsempfängers die Filtercharakteristik gemäß der aktuell wirksame Gruppen laufzeitcharakteristik geändert wird und daß damit die effektive Signalverzögerungscharakteristik ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß im Navigationsempfänger zur Signallaufzeitmessung die Trägerphasenmessung der Navi gationssignale und/oder die Codephasenmessung eines dem Navigationssignal aufmodulierten Spreizungscodes verwen det wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einem Satellitennavigationsempfänger, der Signale des Global Positioning Systems (GPS) und/oder des Global Navigation Satellite Systems (GLONASS) emp fängt und verarbeitet.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahren zur Navigation mit einem Navigationsempfängers mittels breitbandiger Navigationssignale, wobei

- mehrere Signalquellen verwendet werden und jede Signal quelle ein dieser zugeordnetes Navigationssignal in ei nem vorgebbarem Frequenzkanal aussendet, wobei die zu verschiedenen Signalquellen gehörenden Navigationssigna le in vorgebbarer Weise in unterschiedlichen Frequenzka nälen ausgesandt werden,
- ein an die Frequenzkanäle angepaßter mehrkanaliger Navi gationsempfänger verwendet wird und
- in dem Navigationsempfänger aus den auf mehreren Fre quenzkanälen empfangenen Navigationssignalen mittels ei ner Signallaufzeitmessung die Entfernungen zwischen dem Navigationsempfänger und den Signalquellen ermittelt werden und aus den Entfernungen die Position des Naviga tionsempfängers bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß zumindest eine Antenneneinheit (31) zum Empfang von Navigationssignalen vorhanden ist,
- daß der Antenneneinheit (31) ein Navigationsempfänger (3) nachgeschaltet ist, zumindest bestehend aus einer Hochfrequenzeinheit (32),
einer digitalen Signalverarbeitungseinheit (34),
einer Navigationsprozessoreinheit (35) und
einer Anordnung zur Bestimmung der Gruppenlaufzeitcha rakteristik.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bestimmung der Gruppenlaufzeitcharak teristik aus einem im nicht-operationellen Betrieb ver wendbaren Meßgerät (36) zur Bestimmung der Gruppenlauf zeit besteht, wobei das Meßgerät (36) zumindest die Gruppenlaufzeit innerhalb der Hochfrequenzeinheit (32) bestimmt.

13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Bestimmung der Gruppenlaufzeitcharak teristik aus einen im operationellen Betrieb verwendba ren Testsignalgenerator (40) zur Bestimmung der Grup penlaufzeit enthält, wobei der Testsignalgenerator (40) zumindest die Gruppenlaufzeit innerhalb der Hochfre quenzeinheit (32) bestimmt.