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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Architekturen und Designs von globalen Positionierungs-System-(GPS)-Empfängersystemen. Im Speziellen bezieht sich die Erfindung auf das Design von Mehrstrahlantennen, die digitale Strahlformungstechniken verwenden, um dynamisches Verfolgen aller GPS-Satelliten zu ermöglichen, die sich im Sichtfeld der Blendenöffnung befinden.
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Im Stand der Technik ist es verbreitet, die NAVSTAR GPS-Satellitenkonstellation zu verwenden, um den Empfängerort zu bestimmen und Navigationsinformation zu erlangen. Die wesentliche NAVSTAR-Konstellation umfasst vierundzwanzig Satelliten, die in sechs Umlaufebenen die Erde umlaufen. Jede Umlaufebene ist bezüglich des Äquators um fünfundfünfzig Grad geneigt und sie sind durch sechzig Grad Rektaszension voneinander getrennt. In jeder der sechs Umlaufebenen sind vier Satelliten geleichmäßig entlang einer nahezu kreisförmigen Umlaufbahn beabstandet. Diese Anordnung sichert, dass zu jeder Zeit zwischen vier und zwölf Satelliten oberhalb des Horizonts eines Beobachters sichtbar sind. Dennoch werden die Satelliten die meiste Zeit über nahe dem Horizont des Beobachters beobachtet. 1 zeigt die relative Zeit als eine Funktion des Elevationswinkels, die ein GPS-Satellit, der den lokalen Zenit passiert, sichtbar ist. Ein Nutzer hat ungefähr 40% mehr Zeit, den GPS-Satelliten zu beobachten, der über einen Elevationswinkel nahe des lokalen Horizonts wandert, als der nahe des lokalen Zenits, und für Satelliten, die den lokalen Zenit nicht erreichen, ist die Zeit, die diese nahe dem lokalen Horizont verbringen, noch größer. Speziell bei sich in der Luft befindlichen Empfangsvorrichtungen erreicht die Mehrzahl der GPS-Signale diese in niedrigen Elevationswinkeln. Dennoch verwenden handelsübliche GPS-Empfangssysteme stark isotrope Niedriggewinnantennen, um simultan große Bereiche des Himmels zu beobachten. Neben der Verschwendung großer Anteile des Antennengewinns für Bereiche mit niedriger Ausbeute, erhöhen solche isotropen Empfänger zusätzlich die Empfindlichkeit des Systems für Interferenzsignale, speziell während des Landeanflugs und der Landung des Flugzeugs. Daher wäre es erstrebenswert, Antennen für den Empfang von GPS-Signalen zu gestalten, die einen besseren richtungsbezogenen Gewinn aufweisen und die besser in der Lage sind, in Richtung niedriger Elevationswinkel zu unterscheiden.
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Die niedrige Übertragungsleistung von GPS-Signalen macht diese anfällig auf Interferenz. Das Interferenz/Signalleistungsverhältnis (I/S) ist eine Funktion der Distanz und der Übertragungsleistung der Interferenzquelle. Da die derzeitige Generation von GPS-Geräten darauf vertraut, den relativ empfindlichen Grobakquisitionscode (C/A) zur Signalakquisition zu verwenden, werden Empfänger leicht durch Interferenzquellen gestört. Selbst Interferenzquellen niedriger Leistung können einen drastischen Effekt auf GPS-Empfänger haben, die sich in einer signifikanten Entfernung zur Interferenzquelle befinden. Konventionelle Niedriggewinnantennen können nicht zwischen GPS-Signalquellen und Interferenzquellen unterscheiden. Daher wäre es erstrebenswert, ein Empfangsantennensystem bereitzustellen, das dynamisch Gewinn in der Richtung der gewünschten GPS-Quelle bereitstellen, während die Interferenzquellen durch das Unterdrücken von Antennengewinn in Richtung der Interferenzquellen unterdrückt werden.
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Das US Patent
US 6 784 831 B1 offenbart einen GPS-Signalempfänger, der eine Vielzahl von Antennenelementen umfasst, die jeweils eine Vielzahl von GPS-Signalen, wie beispielsweise GPS-L1-Signale oder GPS-L2-Signale, empfangen. Eine Vielzahl von Mischern, die der Antennenelementanordnung entsprechen und ein Kombinierknoten konvertieren die GPS-Signale, die von den Antennenelementen empfangen und in einer Frequenzdivisionsmultiplexmethode (FDM) über FDM-Frequenzbändern logisch den Antennenelementen zugewiesen sind, um ein zusammengesetztes Signal zu erzeugen, das diese GPS-Signale repräsentiert. Ein Analog-Digital-Konverter konvertiert ein analoges aus dem zusammengesetzten Signal hergeleitetes Signal, das ein Zwischenfrequenzsignal oder ein Basisbandsignal sein kann, in einen digitalen Wortstrom. Die GPS-Signalkomponenten entsprechen den FDM-Frequenzbändern, die logisch den Antennenelementen zugeordnet sind. Die Strahlformungslogik, die betriebsmäßig mit der Demultiplexlogik verbunden ist, wendet variable Phasenverzögerung und variablen Gewinn auf jede GPS-Komponente gemäß einem dieser zugeführten Satz Gewichtungswerte an. Die Strahlformungslogik kann dahingehend gesteuert werden, adaptive Strahl-Steuerung/Vernichtungsoperationen durchzuführen, die eine Interferenzaufhebung, eine Mehrwegverhinderung und einen verbesserten Signalempfang bereitstellen.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen globalen Positionierungssystem-GPS-Empfänger, wie in einem der Ansprüche 1 bis 15 definiert, bereit.
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Ein verbessertes Mehrstrahl-GPS-Empfangssystem ist erzielt worden, das geeignet ist, eine Empfangsempfindlichkeit in der Richtung von GPS-Quellen unter Verwendung mehrerer dynamischer schmaler Strahlenbündel mit hohem Gewinn zu erhöhen, individuell mehrere Interferenzsignal zu detektieren und simultan Gewinn in den Antennenmustern der mehreren Strahlen in Richtung der Interferenzquellen zu unterdrücken. Die Empfangsantenne umfasst eine Anordnung von Antennenelementen, die nicht koplanar angeordnet sein müssen. Schlüsselfaktoren der Leistung der Anordnung umfassen die Anzahl der Antennenelemente und den Abstand (Grundlinie) der Elemente. Je mehr die Anzahl der Elemente erhöht wird, desto mehr Kontrolle über die Form des Antennenmusters wird erreicht.
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Die Anzahl der separaten Interferenzquellen, die durch die Mustergestaltung unterdrückt werden können, entspricht der um eins verringerten Anzahl von „verfügbaren“ Elementen (N-1). Die Winkelbreite der Unterdrückungsfähigkeiten hängt von der allgemeinen Blendengröße, und spezieller, von dem maximalen Abstand (Grundlinie) zwischen Anordnungselementen ab.
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Es ist erstrebenswert für ein Nutzergerät eine geringe Blendengröße beizubehalten, jedoch mit verbessertem Antennengewinn in Richtung der GPS-Satelliten und Unterdrückung von Interferenzen bei niedrigen Elevationen. Ein Empfangssystem gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt mehrere Hochgewinn-Spotbeams von einer GPS-Empfangsanordnung mittels digitaler Strahlformungstechniken (DBF). Das System stellt mehrere, simultane Antiinterferenzverbindungen zwischen den GPS-Satelliten und dem Nutzer bereit. Die Mehrstrahlantenne stellt nicht nur Verbindung bereit sondern sichert auch die Isolierung und das Unterdrücken von Interferenzquellen, speziell bei niedrigen Elevationswinkeln. Das Mehrstrahlantennenempfangssystem behandelt Herausforderungen in drei Bereichen: (1) das Beibehalten kleiner Blendengrößen, (2) das dynamische Maximieren von Gewinn in der Richtung von GPS-Satelliten mit geringer Elevation, und (3) das dynamische Formen von verstärkten Gewinnunterdrückungsmerkmalen in der Richtung von Interferenzquellen mit niedrigen Elevationswinkeln bei gleichzeitiger Minimierung von Auswirkungen auf den GPS-Satellitenempfang.
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Ein Ausführungsbeispiel eines GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Blende, die aus mehreren Antennenelementen besteht, die jeweils als eine Empfangsanordnung konfiguriert sind. Die Anordnung kann als eine zusammenhängende, planare Blende oder als eine nicht planare nicht zusammenhängende Anordnung konfiguriert sein, die aus verteilten Bereichen besteht. Im Speziellen könnte die Anordnung als mehrere Anordnungen verteilt sein, die konform auf der Oberfläche einer Plattform, wie beispielsweise einem Flugzeug oder einem Fahrzeug, aufgetragen sein. Das Empfangssystem umfasst einen Niedergeräuschverstärkerbereich (LNA), um die empfangenen Niederintensitäts-GPS-Signale zu verstärken und zu konditionieren, und einen Herabkonvertierungsbereich, um die Frequenz der empfangenen Radiofrequenzsignale zur weiteren Bearbeitung auf eine mittlere oder eine Grundlinienfrequenz herab zu konvertieren. Ein digitaler Strahlformungsprozessor (DBF) wendet geeignete Strahlgewichtungsvektoren auf die Signale an, die von den einzelnen Elementen der Anordnung empfangen werden, um aus den empfangenen GPS-Signalen einen oder mehrere kohärente Strahlen zu erzeugen. Alle der Elemente können in einen einzelnen Breitflächenstrahl oder in mehrere simultane Hochgewinnstrahlen kombiniert werden, die die gleiche breite Fläche abdecken. Alternativ können mehrere ausgewählte Elemente kombiniert werden, um verschiedene simultane Strahlen zu bilden, von denen jeder unabhängig durch den Anordnungsprozessor gesteuert werden kann. Der DBF-Prozessor verwendet digitale numerische Techniken, um mittels Multiplikation oder Gewichtung jedes der Signale, die von den Elementen der Antennenanordnung empfangen wurden, einen Strahl zu erzeugen. Jedes Signal wird mit der entsprechenden Komponente des Strahlgewichtungsvektors (BWV) multipliziert, und daraufhin werden die gewichteten Signale aufsummiert. Verschiedene Typen von Strahlen werden mittels verschiedener BWVs erzeugt. Jeder BWV ist mit einer einzigartigen Anordnungsblendenverteilung assoziiert, was in einem einzigartigen Antennenmuster im Fernfeld resultiert. Die Strahlgewichtungsvektoren können Phasenkorrekturfaktoren, Zeitverzögerungskorrekturfaktoren und Amplitudenkorrekturfaktoren von unsymmetrischen Anordnungen beinhalten. Daher werden die Hardwareangleichung und das Strahlformen in einer einzigen arithmetischen Operation erzielt. Vergleichbar kann der DBF-Prozessor die Richtung eines Strahls durch die Multiplikation des empfangen Elementsignals mit verschiedenen BWVs und dem anschließenden Aufsummieren der gewichteten Signale verändern. Prinzipiell können die BWVs so oft wie das Signalauswahlintervall verändert werden.
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Die Strahlen, die durch den DBF-Prozessor erzeugt werden, können derart konfiguriert werden, dass jeder Strahl mit einem GPS-Satellit assoziiert ist, der sich zur gegebenen Zeit innerhalb des Sichtfelds (FOV) der Anordnung befindet, und die assoziierte Strahlbreite kann zwischen dem ganzen Bereich des FOV und einem kleinen Bereich des FOV variieren. Grob gesagt ist die minimale Winkelabdeckung einer Anordnung von N identischen Elementen, die anordnungsäquivalente Strahlbreite, ungefähr ein N-tel des vollständigen FOV. Bewegungen jedes der Satelliten, aufgrund entweder der Umlaufbewegungen der Satelliten oder aufgrund der Bewegung der Empfangsplattform, können durch das Einstellen der Strahlgewichtungsfaktoren, die vom DBF-Prozessor angewendet werden, um die Strahlen zu steuern, den Winkelpositionen der GPS-Satelliten zu folgen, verfolgt werden. Alternativ kann der DBF Prozessor mehrere fixierte Sektorstrahlen erzeugen, von denen jeder auf einen fixierten Ort innerhalb des FOV der Blende gerichtet ist. Solche Strahlen können für das Detektieren des Orts eines gewünschten oder unerwünschten Signals nützlich sein.
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Der DBF-Prozessor ist zusätzlich in der Lage, das Antennenmuster zu gestalten, um mittels geeigneter Auswahl von Strahlgewichtungsvektoren richtungsbezogene Gewinnunterdrückungsmerkmale erzeugen, um diese auf die Signale anzuwenden, die von jedem der Elemente der Anordnung empfangen werden. Im Allgemeinen können durch die Auswahl von Antennenelementen, die räumlich durch einen großen Abstand voneinander getrennt sind, sehr tiefe und flache Unterdrückungen der Gewinnmuster erzeugt werden. Diese richtungsbezogene Unterdrückung kann dann durch den DBF-Prozessor gesteuert werden, sodass diese auf Interferenzquellen innerhalb des Anordnungs-FOV aufliegt.
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Die Gewinne der mehreren Strahlen, die durch den DBF-Prozessor erzeugt werden, gestatten ebenfalls eine Unterscheidung zwischen räumlich getrennten Quellen, die möglicherweise auf beinah der identischen Frequenz betrieben werden. Im Speziellen kann das GPS-Empfangssystem zwischen winkelbezogen getrennten GPS-Satelliten unterscheiden, die mit unterschiedlichen Signal- und Kodierungsstandards betrieben werden, wie beispielsweise NAVSTAR, Compass und Galileo. Ein Mehrkanalempfänger korreliert die GPS-Codes von einem oder mehreren Strahlen, die von den Anordnungselementen erzeugt werden, miteinander. Die korrelierten Codes werden dann an eine GPS- Positionsverarbeitungseinheit weitergeleitet, die Zeit und Ortsdaten extrahiert.
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Dem DBF-Prozessor nachgeschaltet ist ein Anordnungsprozessor, der bewirkt, dass die Strahlausgaben mit geeigneten Korrelatoren in einem Mehrkanalempfänger verbunden werden. Mehrere Korrelatoren in dem Mehrkanalempfänger können jedem Strahl zugewiesen werden. Nur die Codes, die mit den GPS-Satelliten innerhalb des Strahlabdeckungsbereichs assoziiert sind, sind den Korrelatoren zugänglich, die diesem Strahl zugewiesen sind. Die Kombination eines Hochgewinn-GPS-Verfolgungsstrahls und der individuellen Codezuweisung zu den designierten Korrelatoren in dem Mehrkanalempfänger stellt eine erhöhte Unterscheidungsfähigkeit bereit. Der Empfänger wird nur auf die Signale ansprechen, die beides von der begrenzten Winkelbreite des ausgewählten Strahls ankommen und die geeignete GPS-Codesignatur aufweisen. Dadurch sind Interferenzen von Mehrwegeffekten und Scheinquellen mit niedriger Leistung erheblich reduziert.
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Das GPS-Empfangssystem stellt eine Anzahl von Methoden zum Auffinden des Orts einer Signalquelle bereit. Erstens kann der Empfänger eine binäre Suche durchführen, indem dieser zuerst die Anordnung in zwei Halbstrahlen unterteilt, die jeweils in eine Hälfte des Sichtfelds der Blende gerichtet sind. Die empfangenen Signale von jedem Halbstrahl können unabhängig bearbeitet werden, um nach dem Signal zu suchen, um zu bestimmen, in welchem der zwei Halbstrahlen das Signal liegt. Der identifizierte Halbstrahl kann dann weiter in zwei Viertelstrahlen unterteilt werden und der Prozess kann wiederholt werden bis die Richtung der Quelle mit einer für die Anwendung ausreichenden Genauigkeit bekannt ist.
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Zweitens kann der Ort einer Schein- oder Interferenz-GPS-Quelle durch Bildung einer Anzahl von Teilstrahlen lokalisiert werden, die jeweils konfiguriert sind, einen der Satelliten innerhalb des Sichtfelds zu verfolgen. Eine Analyse der Daten von allen GPS-Quellen kann durchgeführt werden, um Referenzortsinformationen zu erhalten. Dann kann der Teilstrahl, der auf eine bestimmte Quelle gerichtet ist, abgeschaltet oder auf andere Weise vom Mehrkanalempfänger entfernt werden, und die Lokalisierungsanalyse kann wiederholt werden. Dieser Prozess kann dann der Reihe nach für jede der GPS-Quellen wiederholt werden, und die Ergebnisse der Lokalisierungsanalyse können verglichen werden, um zu bestimmen, welcher der Strahlen das Schein-GPS-Signal enthält. Wenn mehrere Interferenzquellen gegeben sind, so kann diese Methode wiederholt werden, indem zwei der GPS-Quellen gleichzeitig abgeschaltet werden, um so die Interferenzquellen zu finden.
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Die Fähigkeit, effektiv die Anordnung auszurichten und Teilstrahlen zu erzeugen, hängt von der Genauigkeit des Kalibrierprozesses ab, der gestaltet ist, Strahlgewichtungsfaktoren zu bestimmen, die auf jedes Element der Anordnung für eine bestimmte Weisungsrichtung angewendet werden. Solche Kalibrierungen können für nicht-planare Anordnungen besonders herausfordernd sein, in denen Antennenelemente in verschiedenen Ebenen positioniert sind und in unterschiedliche Richtung orientiert sein können. Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem. Eine Signalerzeugungseinheit mit einer angeschlossenen Antenne ist im Fernfeld der Anordnung platziert, um in einer Labor- oder Messumfangsumgebung kalibriert zu werden. Der Signalgenerator ist konfiguriert, eine kodierte Akquisitionssequenz zu übertragen. Das Kalibiersignal wird von den Elementen der Anordnung empfangen und ein Korrelator wird verwendet, mit einer gespeicherten kodierten Akquisitionssequenz zu synchronisieren, die eine Zeitreferenz enthält, um die Entfernung zu jedem der Antennenelemente zu bestimmen. Alternativ kann das Signal von einem der Anordnungselemente als Referenzquelle ausgewählt werden. Das Signal von jedem der verbleibenden Anordnungselemente kann dann mit der ausgewählten Referenzquelle überkreuz korreliert werden, wobei die Reichweitenvariationsinformation und die ungleichmäßigen Amplituden und Phasen (oder Tendenzen) unter den mehreren RF-Kanälen berücksichtigt wird, um die geeigneten Strahlgewichtungsvektoren zu berechnen, die dazu benötigt werden, eine kohärente Summe aller Elemente für die ausgewählte Kalibrierposition zu erreichen. Diese Strahlgewichtungsfaktoren sind im Anordnungsprozessorspeicher gespeichert und ein neuer Ort für die Kalibrierquelle wird ausgewählt. Der Prozess wird für eine Anzahl von verschiedenen Kalibrierquellenwinkeln wiederholt, um einen Satz von Strahlgewichtungsvektoren zu erzeugen, die jeweils mit jedem Element für jeden Anordnungsrichtungswinkel assoziiert sind. Winkel zwischen den Punkten, die kalibriert sind, können mittels Interpolation bestimmt werden und die Anzahl der gemessenen Punkte wird von der benötigten Genauigkeit der Richtungsweisung der spezifischen Anwendung abhängen.
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Aus der vorgehenden Diskussion sollte dem Fachmann klar sein, dass bestimmte Vorteile eines verbesserten Mehrstrahl-GPS-Empfangssystems erreicht wurden. Weitere Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden dem Fachmann bei Untersuchung der folgenden detaillierten Beschreibungen des bevorzugten Ausführungsbeispiels klar werden. Es wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen werden, die zuvor kurz beschrieben werden.
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KUSZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt die relative Zeit, die ein GPS-Satellit, der einen lokalen Zenit passiert, bei verschiedenen Elevationswinkeln verbringt;
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2 zeigt den Betrieb einer Mehrstrahlempfangsblende gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt eine konforme, nicht-planare Mehrstrahlempfangsblende gemäß der vorliegenden Erfindung, die an der Oberfläche eines Flugzeugs montiert ist;
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4 zeigt ein Blockdiagramm eines Mehrstrahl-GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ist ein Blockdiagramm eines Labor- oder Messumfangkalibriersystems für ein nichtplanares Mehrstrahl-GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 zeigt ein Beispiel für Strahlformung mittels eines GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Die Erfindung stellt ein fortschrittliches Mehrstrahl-GPS-Empfangssystem bereit, das in der Lage ist, mehrere Interferenzsignale zu detektieren und Gewinn in dem Antennenmuster in den Interferenzrichtungen zu unterdrücken. In der folgenden detaillierten Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu kennzeichnen, die in einer oder in mehreren Zeichnungen vorkommen.
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1 zeigt, dass GPS-Konstellationssatelliten dazu neigen, den Großteil der Zeit relativ niedrig am Horizont zu verbringen, wobei davon ausgegangen wird, dass der Blickpunkt eines Beobachters sich entweder am Boden oder auf einer sich in der Luft befindlichen Plattform befindet. Im Speziellen ist die relative Zeit 104, die bei einem bestimmten Elevationswinkel 102 verbracht wird, in bezug auf die Zeit aufgetragen, die innerhalb von fünf Grad zum Zenit verbracht wird, und die auf 1 normiert ist. Beispielsweise zeigt Balken 108, dass für einen Satellit, der den lokalen Zenit passiert, die Zeit, die ein Satellit innerhalb von fünf Grad zu einem fünfundzwanzig Grad großen Elevationswinkel beobachtet wird, ungefähr 20% größer ist, als die Zeit, die dieser nahe dem Zenit verbringt. Für Satelliten, die nicht direkt überkopf fliegen, ist die Sichtbarkeit bei niedrigen Elevationswinkeln noch ausgeprägter, was die Ineffizienz konventioneller GPS-Antennen verdeutlicht, die überwiegend rundstrahlend sind.
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2 verdeutlicht, im Gegenteil dazu, ein Strahlmuster, das durch ein Ausführungsbeispiel eines GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt ist. Eine Blende 202, die mehrere Antennenanordnungselemente (nicht dargestellt) umfasst, ist durch eine DBF-Prozessor organisiert, um mehrere simultane Strahlen zu bilden, von denen jeder in der Lage ist, einen GPS-Satelliten, wie beispielsweise 204, simultan zu beobachten. Mit einer nichtplanaren konformen Blende werden aufgrund einer Abschirmung durch die Blende selber nicht alle Anordnungselemente alle im Himmel befindlichen GPS-Satelliten beobachten. Je mehr Elemente der nicht-planaren konformen Anordnung jedoch einen bestimmten GPS-Satelliten 204 zu einer bestimmten Zeit beobachten können, desto mehr Antennengewinn in Richtung der Satellitenrichtung wird die Anordnung durch den Strahlformungsprozess bereitstellen. Bewegt sich der Satellit und/oder die Nutzerplattform, können einige der Anordnungselemente geblockt werden, wohingegen zusätzliche Elemente zugänglich werden können. Ein Anordnungsprozessor wählt automatisch einen neuen Satz von Elementen aus, um eine Strahlweisung in die neue Richtung zu bilden und den sich bewegenden Satelliten zu verfolgen. 2 zeigt sechs solche Strahlen, beispielsweise 206, die gebildet wurden, um die individuellen GPS-Satelliten, beispielsweise 204, innerhalb des Sichtfelds der Blende 202 zu verfolgen. Zwei der Strahlen in diesem Beispiel sind das Ziel von starken Interferenzquellen 208 und 210, was normaler Weise einen verheerenden Effekt auf die Fähigkeit des Empfängers haben würde, aus der Konstellation Ortsdaten zu extrahieren. Durch das Formen der Strahlen, um tiefe, flache Gewinnunterdrückungsmerkmale in Richtung der Interferenzquellen zu schaffen, ist der Empfänger jedoch in der Lage, jeden Strahl, beispielsweise 206, mit einer starken Richtungsauswahlfähigkeit zu versorgen, die die Interferenz überwinden kann.
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Mit Bezug auf die richtungsbezogenen Gewinnunterdrückungsmerkmale, wird die Anordnungsauflösungsfähigkeit, mehr noch als der Anordnungsgewinn, die dominante Designerwägung. Die Tiefe des Gewinnunterdrückungsmerkmals ist primär von der Genauigkeit der Phasen- und Amplitudengewichtung, die im PDF-Prozessor durchgeführt werden, abhängig, wohingegen die Winkelbreite vom maximalen Elementabstand oder der Grundlinie abhängt, die senkrecht zur Richtung des Interferenzsignals projiziert ist, wobei die Grundlinie als der Abstand zwischen den beiden äußersten Elementen definiert ist, die für die Anordnung ausgewählt worden sind. Es sollte erwähnt werden, dass die Anordnungselemente, die ausgewählt wurden, einen Strahl zu formen, nicht zusammenhängend sein müssen. Der Anordnungsprozessor bewirkt daher, dass Elemente ausgewählt werden, die die maximale Grundlinie auf einer senkrecht zur Interferenzrichtung projizierten Fläche bilden.
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3 zeigt ein Beispiel einer konformen, nicht-planaren Empfangsblende gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall umfasst die Blende räumlich getrennte Anordnungsteile, die konform an der Oberfläche eines Flugzeugs 302 ausgebildet sind. Beispielsweise sind manche Anordnungselemente an der Tragfläche 304, andere an der Nase 306, andere auf dem oberen Bereich 308 des Flugzeugs und andere am Heck 310 ausgebildet. In der Figur ist die Gestaltung von Strahlen in zwei verschiedene Richtungen, 312 und 314, die Richtungen, in denen sich zwei GPS-Satelliten befinden, gezeigt. Der Satellit in Richtung 312 ist für die Anordnungselemente 306, die an der Nase des Flugzeugs ausgebildet sind, nicht sichtbar. Daher werden Elemente der Tragfläche 304, des oberen Bereichs 308 und des Hecks 310 verwendet, den Strahl zu erzeugen, der in diese Richtung weist. Vergleichbar ist der Satellit in Richtung 314 für die Elemente, die am Heck ausgebildet sind, nicht sichtbar. Daher wird der Strahl in diese Richtung durch die Elemente auf der Tragfläche 304, der Nase 306 und dem oberen Bereich 308 des Flugzeugs gebildet. Bewegen sich das Flugzeug und die GPS-Satelliten, so wählt der Anordnungsprozessor Anordnungselemente aus, um diese unter Berücksichtigung sich ändernder Sichtfelder zu kombinieren. Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl von Anordnungselementen auf jeder beliebigen Oberfläche eines Flugzeugs oder einer anderen Struktur angeordnet werden, wobei dies weiterhin durch die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung abgedeckt wird.
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4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Mehrstrahl-GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Antennenanordnungselemente 402 empfangen GPS-Signale, die daraufhin durch Kleinsignalverstärker (LNA), beispielsweise 404, verstärkt und deren Frequenzen, beispielsweise 406, herabkonvertiert werden, und die daraufhin durch einen digitalen Strahlformungsprozessor (DBF) 408 verarbeitet werden. Der DBF-Prozessor passt die Amplitude und Phase der einkommenden Signale mittels eines Gewichtungs-Summations-Prozesses an. Der Gewichtungsschritt umfasst eine individuelle Multiplikation der Signale jedes Elements mit einem komplexen Gewichtungskoeffizienten. Der komplexe Gewichtungskoeffizient, der auf jedes Signal angewandt wird, passt die Amplitude und Phase des Signals gemäß einem probenbezogenen Verfahren geeignet an, um Weglängendifferenzen unter den Elementen für eine gewünschte Strahlrichtung zu kompensieren. Die gewichteten Signale jedes Elements von einer Quelle in der gewünschten Strahlrichtung werden somit in Kohärenz gebracht. Werden die gewichteten Signale aufaddiert, so wird abgestrahlte Leistung von Quellen nahe der ausgewählten Richtung teilweise kohärent und Leistung von Quellen, die weit entfernt sind von der ausgewählten Richtung, inkohärent aufaddiert. Somit ist der Gewichtungs-Summations-Prozess ein Skalarprodukt zweier Vektoren: der Signalvektor besteht aus dem Satz von Signalen, die durch die individuellen Empfangselemente empfangen wurden, und der Strahlgewichtungsvektor besteht aus den komplexen Gewichtungskoeffizienten, die die benötigte Amplitude und Phase repräsentieren, oder I/Q Einstellungen, die zum Erzeugen eines Strahls in der ausgewählten Richtung benötigt werden.
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Um mehrere simultane Strahlen zu bilden, die in verschiedene Richtungen weisen, werden mehrere Strahlgewichtungsvektoren (BWV) benötigt, um mehrere Skalarprodukte mit dem gleichen empfangenen Signalvektoren zu bilden. Alle Anordnungselemente können kombiniert werden, um einen einzelnen Niedergewinnstrahl zu bilden, der das gesamte Sichtfeld (FOV) abdeckt, oder mehrere Hochgewinnstrahlen, die in verschiedene Richtungen weisen, wobei jeder nur einen kleinen Bereich des gesamten Sichtfelds abdeckt. Der Anordnungsprozessor kann ebenfalls Gruppen von Elementen auswählen, sodass diese kombiniert werden, um simultan mehrere Strahlen zu bilden. Der Anordnungsprozessor 412 kann den DBF 408 anweisen, adaptive Anordnungsverarbeitungsalgorithmen zu verwenden, die einen angemessenen Gewichtungsfaktor mit jedem der verarbeiteten Strahlausgaben assoziiert, bevor diese aufsummiert werden. Dieses stellt eine Strahlformungsfähigkeit bereit, indem tiefen Gewinnunterdrückungsmerkmalen gestattet wird, in den Antennenmustern in den Richtungen der Interferenzsignale gebildet zu werden. Der Anordnungsprozessor 412 leitet daraufhin die DBF-Strahlausgaben zu ausgewählten Korrelatoren innerhalb des Mehrkanalempfängers 414, der Korrelationen mit den GPS-Satelliten innerhalb des Anordnungssichtfelds FOV durchführt. Ein GPS-Empfänger 418 erzeugt daraufhin aus den empfangenen korrelierten Signalen Ortsinformationen.
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Um Interferenzsignale abzuweisen, muss der Anordnungsprozessor 412 zuerst ermitteln, aus welcher Richtung das ungewünschte Signal ankommt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass eine iterative räumliche Suche durchgeführt wird, indem die Strahlformungsfähigkeiten der Anordnung 402 und des digitalen Strahlformungsprozessors 408 ausgenutzt werden. Beispielsweise kann ein ungewünschtes Signal, das einen der GPS-Konstellationssatelliten beeinflusst, dafür sorgen, dass der Positionsprozessor 416 fehlerhaft ist. Der Anordnungsprozessor 412 kann dem DBF 408 auftragen, zwei Strahlen zu erzeugen, von denen jeder den halben Himmel abdeckt. Die Satelliten, die von jedem dieser halbabdeckenden Strahlen erblickt werden, würden korreliert werden, um GPS-Ortsinformationen zu erlangen. Falls die Signale von einem der Halbstrahlen versagt haben zu korrelieren oder inkonsistente Ergebnisse produzierten haben, würde die Lage der Interferenz auf diesen Halbstrahl isoliert. Diese Region könnte dann weiter in Viertelstrahlen unterteilt, und auch weiter untereilt werden, bis eine präzise Weisungslokalisierung der Interferenz gefunden ist.
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Ein weiteres Verfahren zur Lokalisierung unerwünschter oder interferierender Quellen gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Erzeugen mehrerer Spotbeams, von denen jeder einen individuellen Satelliten innerhalb des Sichtfelds verfolgt. Beispielsweise können durch das Gruppieren von Elementen der Anordnung sechs Spotbeams erzeugt werden, von denen jeder zu einem der sechs verfügbaren Konstellationssatelliten gesteuert werden könnte (siehe 2). Dann könnte einer der Strahlen, beispielsweise 206, abgeschaltet werden und Navigationsinformationen könnten durch Analyse der Signale der verbleibenden fünf Satelliten erhalten werden. Der sechste Strahl könnte dann wieder angeschaltet und ein anderer ausgeschaltet werden. Dieser Prozess könnte wiederholt werden, um sechs separate Messungen der Navigationsdaten zu erlangen. Durch Untersuchung der Messungen hinsichtlich Konsistenz, kann der Effekt, der durch das individuelle Fallenlassen der Satelliten erzeugt wird, bestimmt werden, und das der ungewünschten Interferenz zugehörige Signal kann bestimmt werden. Die identifizierte Quelle kann dann im Empfangssystem markiert werden und Signale von dieser Quelle können unterdrückt werden, beispielsweise durch das Gestalten des Anordnungsmusters, um Gewinn in der Richtung zu minimieren. Selbstverständlich können auch anderen Verfahren der räumlichen Suche verwendet werden, basierend auf der Fähigkeit des DBF 408, Anordnungselemente 402 zu kombinieren, um verschiedene Abstrahl- und Empfangsmuster zu gestalten, und diese Verfahren würden ebenfalls unter die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung fallen.
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Ist die Richtung der Interferenzquelle einmal gefunden, kann ihr Effekt durch das Formen des Anordnungsmusters, um den Gewinn in dieser Richtung zu minimieren, gravierend unterdrückt werden. Die Tiefe des Gewinnunterdrückungsmerkmals und dessen Breite sind primär vom Abstand der Anordnungselemente abhängig. Daher wählt der Anordnungsprozessor 412 Elemente aus, die in der Richtung einer Ebene senkrecht zur Interferenzrichtung maximal zueinander beabstandet sind. Die Signale, die von diesen Elementen empfangen werden, werden dann gewichtet und aufsummiert, um den Anordnungsgewinn in der Richtung des gewünschten Signals zu erhalten und gleichzeitig in Richtung der Interferenzsignale zu minimieren. Mit diesem Verfahren können Unterdrückungsraten von über 50 dB erreicht werden. Mit geeigneten Anordnungsgeometrien kann der Anordnungsprozessor den DBF beauftragen, die Effekte von Hauptkeuleninterferenz im Nahbereich zu unterdrücken. Der Grad zu dem das naheliegende gewünschte Signal beeinflusst ist, hängt von der Winkelauflösung der Anordnung ab, welche ihrerseits davon abhängt, wie weit die ausgewählten Anordnungselemente zueinander beabstandet sind.
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Beides, Strahlformen und Mustergestalten werden durch das Anwenden von Gewichtungsvektoren erreicht, die durch das Bilden von Überkreuzkorrelationen zwischen den Elementen der Blende hergeleitet werden. In einer planaren Anordnung, in der alle Elemente paarweise gleichmäßig zueinander beabstandet sind und das gleiche Sichtfeld aufweisen, werden Überkreuzkorrelationen unter den Elementen zu einer simplen eindimensionalen Matrix. Für eine allgemeinere Anordnung, die unregelmäßig und nichtplanar sein kann, bilden die Überkreuzkorrelationen eine zweidimensionale Matrix. Die Anordnung muss kalibriert sein, um die geeigneten Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, die auf die Antennenanordnungselemente angewendet werden, um die Strahlen zu steuern. 5 zeigt diesen Kalibrierprozess für ein Ausführungsbeispiel eines GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kalibrierprozedur wird einmalig durchgeführt, nachdem die Anordnungselemente in ihrer endgültigen Konfiguration angeordnet worden sind. Beispielsweise könnte eine Anordnung mit konform an Oberflächen eines Flugzeugs angebrachten Elementen in situ im Flugzeughangar kalibriert werden (siehe 3).
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Das Ziel des Kalibrierprozesses ist es, die Strahlbreitenvektoren für die Blende zu messen, die mit Spotbeams in verschiedene Strahlweisungsrichtungen assoziiert ist. Diese Strahlbreitenvektoren sind die Ausgabe 520 eines Korrelators 516, der die gemessenen Signale 522 und 524 von allen Anordnungselementen, beispielsweise 506, der Anordnung für eine gegebene Strahlweisungsrichtung überkreuz korreliert. Das Signal jedes Elements, beispielsweise 506, wird von einem Kleinsignalverstärker (LNA), 508, empfangen, dessen Frequenz herabkonvertiert 510 und von einem Analog-Digital-Umwandler (ADC) 512 digitalisiert wird. Die digitalen Daten werden über eine PCI-Schnittstelle 514 aufgenommen und an einen PC 518 gesendet. Der PC liefert daraufhin gemessene Signaldaten an einen Überkreuzkorrelator 516. Selbstverständliche können neben PCI auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Schnittstellen verwendet werden, und es können Mehrzweckprozessoren, DSP-Systeme, zweckbestimmte Hardwareprozessoren oder andere aus dem Stand der Technik bekannte Verarbeitungssysteme anstelle eines PC verwendet werden, um die Anordnungsdaten zu verarbeiten.
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Ein Signalgenerator 502 und dessen dazugehörige Antenne 504 sind an mehreren Stellen im Fernfeld der Blende angeordnet. Für jede zu messende Position werden die von einem Element empfangenen Signale, beispielsweise S1, als Referenzsignal genommen. Dieses Signal 516 wird mit allen anderen Signalen 522 überkreuz korreliert, um die geeigneten Gewichtungsvektoren 520 zu berechnen, die die Weglängendifferenzen unter den Anordnungselementen mit Bezug auf Signale einer gewünschten Richtung ausgleichen, was dazu führt, dass alle gewichteten Signale zueinander in Phase aufaddieren. Diese Ausrichtung von Phasenvektoren kann durchgeführt werden, unabhängig von der Tatsache, dass die Blendenelemente, beispielsweise 506, gegebenenfalls nicht koplanar oder in die gleiche Richtung ausgerichtet sind: das Kalibrierverfahren nutzt eine Kodierungssequenz, um dem Synchronisierungsalgorithmus essentiell eine weitere Nebenbedingung zuzufügen. Die sequenzkodierten Signale werden über einen Signalgenerator 502 übertragen und ein simpler Empfänger 526 im Kalibriersystem misst Reichweiteninformationen mit bezug auf den Ort des Signalgenerators, indem dieser mittels aus dem Stand der Technik wohlbekannter Verfahren die kodierten Sequenzen synchronisiert. Diese Messung ermöglicht es, die aus dem nicht-planaren Charakter der Blendenelemente, und den unausgeglichenen Kanalamplituden und Phasen resultierenden Variationen der Reichweite, in den Berechnungen der Gewichtungsvektoren zu kompensieren. Die Korrelationsvektoren können folglich genutzt werden, die Strahlgewichtungsvektoren (BWV) für einen Spotbeam, der beides die Phasengradienten eines gegebenen Spotbeams und die assoziierte unausgeglichene Ausrichtung der mehreren RF-Kanäle der DBF Anordnung beinhaltet. Sätze von BWV, die mehr Strahlpositionen als der Anzahl von Anordnungselementen entsprechen, können dann dazu verwendet werden, die Beiträge von RF-Elektronikbias und Blendenphasenprogression herzuleiten und voneinander zu trennen. Mit dieser Information können neuen BWV berechnet werden, um entweder Ganzanordnungs- oder Halbanordnungs-Spotbeams, geformte Strahlen oder Strahlen mit in Richtung von bestimmten ungewünschten Signalen stark unterdrücktem richtungsbezogenem Gewinn zu erzeugen.
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Es sollte erwähnt werden, dass im Fall von nicht-planaren Anordnungen, für manche Strahlrichtungen das Sichtfeld mancher Elemente durch strukturelle Elemente der Antenne verdeckt werden. Diese Elemente können daher nicht verwendet, um einen Strahl in diese Richtung zu erzeugen, und müssen daher aus der Überkreuzkorrelation zwecks Berechnung von Strahlgewichtungsvektoren für diese Richtung entfernt werden. Der Kalibrieralgorithmus wird daher einen Grenzwert für empfangene Signale setzen, der überschritten werden muss, damit ein Element im Korrelationsprozess beteiligt sein kann.
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Für große Anordnungen, die über eine große Bandbreite betrieben werden, müssen für das Strahlformen und die Mustergestaltung sowohl Zeitverzögerungen als auch Phasenrotationen berücksichtigt werden. Dennoch tendiert die Anzahl von Elementen in GPS-Empfangsanordnungen dazu, geringer als fünfzehn zu sein, und der maximale Abstand beträgt für gewöhnlich weniger als zehn Wellenlängen und die Signalbandbreiten tendieren dazu, geringer als 10% zu betragen. Unter solchen Bedingungen wird für den GPS-Strahlformungsprozess in der Bestimmung von Elementbreiten die Kompensation von Phasenrotation allein für gewöhnlich bereits ausreichend sein. Dennoch können auch die Zeitverzögerungen für große sich bewegende Plattformen unter Verwendung der gleichen Techniken mit aus dem Stand der Technik bekannten fortschrittlichen Signalverarbeitungsverfahren, wie beispielsweise dem Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR), ausgeglichen werden.
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6 zeigt ein Beispiel von richtungsbezogenen Gewinnunterdrückungsmerkmalen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine simple Antennen verwendet, die zwei Flächenelemente umfasst. Ein Nulldurchgang im Strahlungsmuster bei einem bestimmten Winkel wird durch Gewichtung und Summation der Signale der zwei Flächenelemente erzeugt. In 6 ist die Strahlungsintensität in dB entlang der vertikalen Achse 602 als Funktion des Winkels aufgetragen, der in Grad zur Vertikalen Richtung entlang der horizontalen Achse 604 aufgetragen ist. Jede abstrahlende Fläche in diesem Beispiel hat eine Größe von λ/4, wobei λ die Wellenlänge des abgestrahlten Signals ist. Der Gewinn bezüglich der Mittelachse jeder Fläche beträgt 3 dB und die beiden Elemente weisen einen Abstand von λ/2 zueinander auf. Jede der fünfzehn Spuren, die in der Figur aufgetragen und in dem Schlüssel 606 aufgelistet sind, entspricht einem anderen Satz von Gewichtungsvektoren, die auf die zwei Elemente angewandt sind. In diesem Beispiel sind nur die Phasen der Signale angepasst, wobei allgemeiner, Amplitude und Phase beide angepasst sein können. Der Nulldurchgang der Spur 608 bei –35 Grad ist mittels Variation der relativen Phase zwischen den Signalen der zwei abstrahlenden Elemente während diese aufsummiert werden für Spur 610 auf +35 Grad verschoben worden. Bei dem endlichen Gitterabstand dieses Beispiels erstreckt sich die Nulltiefe über 30 dB hinaus. Jedoch betragen für Gewichtungsfaktoren mit 10-bit Genauigkeit die Tiefen der berechneten Nullen mehr als 50 dB.
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In diesem Beispiel beträgt die Breite der Null, die als 5 dB unterhalb des asymptotischen Niveaus definiert und als Element 612 gekennzeichnet ist, ungefähr dreißig Grad. Daher könnte eine Interferenzquelle, die 15 Grad von einem GPS-Satelliten angeordnet und ein Interferenz- Signal-Verhältnis von 1/1 aufweist, um 25 dB relativ zum gewünschten GPS-Signal unterdrückt werden, indem der Gewinn der Anordnung in Richtung der Interferenz passend unterdrückt würde, selbst in diesem simplen 2-Elementensystem. Allgemein wird, wenn der Abstand zwischen zwei Anordnungselementen vergrößert wird, die Winkelbreite der Gewinnunterdrückungsmerkmale kleiner werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines GPS-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die simultane Verwendung von mehreren unabhängigen, ortsbasierten Navigationssystemen, wie beispielsweise die vorgestellten Galileo oder Compass Systeme. Die Blende kann verwendet werden, simultan mehrere Strahlen für mehrere Systeme zu bilden. Jeder Strahl kann einen individuellen Satelliten oder mehrere Satelliten verschiedener Systeme verfolgen. Selbstverständlich muss die Betriebsfrequenz der verschiedenen Systeme innerhalb der Betriebsbandbreite der Blende liegen. Das System kann alle verfügbaren Satelliten verwenden und so eine bessere Verfügbarkeit bereitstellen und die Verlässlichkeit der Positions- und Zeitmessungen verbessern. Alternativ kann die verbesserte Mehrstrahl-GPS- Antenne konfiguriert werden, unter Verwendung eines einzigen raumbasierten Navigationssystems zu arbeiten und vollständig isoliert von anderen Systemen zu sein, die die gleichen Wellenformen und das gleiche Frequenzband verwenden.
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Daher ist ein verbessertes GPS-Empfangssystem erreicht worden, das in der Lage ist, simultan mehrere Strahlen zu erzeugen und dynamisch mehrere Interferenzsignale zu detektieren und zu unterdrücken. Der Fachmann wird sicherlich weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung erkennen, und es sollte angeführt werden, dass verschiedenste Modifikationen, Adaptionen und Alternativen innerhalb der Zielsetzung der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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