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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten
und Entfernen der in einem oder mehreren von einem Netz von N Sensoren empfangenen
Signalen enthaltenen Interferenzen.
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Sie
ist anwendbar zum Entfernen von absichtlichen oder unabsichtlichen
Interferenzen, die das ganze oder einen Teils des Spektrums des
Satellitensignals einnehmen, das von GPS-Empfängern (Global Positioning System)
empfangen wird.
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Sie
wird angewendet, um die Prozesse der Verarbeitung der Interferenzen
bei verschiedenen Signalverarbeitungen zu verbessern.
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Sie
kann auch verwendet werden, um aus einem von Standard-Empfängern empfangenen
Signal absichtliche oder unabsichtliche Interferenzen zu entfernen.
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Die
Systeme, die es ermöglichen,
Anti-Interferenz-Verarbeitungen
auf der Basis von Antennennetzen durchzuführen, verwenden bis heute Verfahren,
die als Eingangsdaten die Gesamtheit des Bands des empfangenen GPS-Signals
berücksichtigen.
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Die
meisten dieser Verfahren bestehen darin, eine scheinbare Antenne
zu bilden, indem die von Elementarsensoren stammenden Signale gewichtet kombiniert
werden. Es geht tatsächlich
darum, ein Netz von räumlich
getrennten Sensoren zu verwenden, und durch eine "konstruktive" oder "destruktive" Kombination das
Signal in allen den Richtung sehr stark zu dämpfen, die als von einer oder
mehreren Interferenzen besetzt identifiziert werden. Typischerweise
handelt es sich um klassische CRPA-Prinzipien (Antenne mit kontrolliertem
Strahlungsdiagramm, in der angelsächsischen Abkürzung von "Controled Radiation
Pattern Antenna"),
die Leistungsumkehralgorithmen verwenden, die besonders gut geeignet sind
für Nutzrauschsignale
mit einem niedrigeren Pegel als das Wärmerauschen, was beim GPS-Signal der Fall ist.
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Der
CRPA-Algorithmus verwendet zur Bestimmung der erwähnten Kombinationskoeffizienten das
nachfolgend in Verbindung mit 1 beschriebene
Prinzip.
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Die
funkelektrischen GPS-Analogsignale si werden
von den N Sensoren Ci eines Antennennetzes empfangen. Diese Signale
si haben ein Spektrum, das aus einem auf
die Frequenz L1 = 1.575 GHz (Trägerfrequenz)
bzw. die Frequenz L2 = 1.273 GHz zentrierten
20 MHz-Band besteht, wobei diese beiden Trägerfrequenzen im GPS-Bereich
bekannt sind. Sie werden zu einer Einheit 1 von Umsetzungsschaltungen übertragen,
um auf eine Zwischenfrequenz Fi umgesetzt zu werden, die niedriger
ist als die Trägerfrequenz
L1 (bzw. L2). Die
Frequenzumsetzung erfolgt mit dem Fachmann bekannten Verfahren,
wie zum Beispiel dasjenige, das im Patent FR 2.742.612 der Anmelderin
beschrieben ist. Diese so auf eine Zwischenfrequenz gebrachten Signale
werden ggf. gefiltert. Die Gesamtheit der Verarbeitungen wird von einem
dem Fachmann bekannten analogen Prozess durchgeführt. Die gefilterten Signale
werden anschließend
mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers 2 digitalisiert,
der mit einer Abtastfrequenz Fe arbeitet, die ausgewählt wird,
um das Shannon-Theorem zu berücksichtigen.
Der Analog-Digital-Wandler erzeugt digitale Tastproben, die GPS-Informationen
auf einer Frequenz mit einem Takt Fe und über die Gesamtheit des Bands
des Nutzsignals enthalten, und die an eine Recheneinheit 3 und
einen Verarbeitungsblock 4 angelegt werden.
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Die
Recheneinheit 3 identifiziert auf der Basis eines Algorithmus
vom Typ CRPA und unter Verwendung einer Leistungsumkehrrechnung
die Richtungen, in denen Interferenzquellen vorhanden sind. Diese
Einheit 3 bestimmt die verschiedenen Wichtungskoeffizienten
wi, die an die digitalen Tastproben anzulegen
sind.
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Die
Wichtungskoeffizienten wi werden am Eingang
des Verarbeitungsblocks 4 an die Tastproben xi angelegt,
die direkt vom Analog-Digitalwandler 2 stammen, wobei der
Block 4 ausgelegt ist, um die Interferenzquellen in den
wiederhergestellten Tastproben verschwinden zu lassen, zum Beispiel
durch Kombination der gewichteten Tastproben.
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Der
Bestimmungsalgorithmus der an die Tastproben anzulegenden Wichtungskoeffizienten
ist besonders gut geeignet für
so genannte "Schmalband"-Signale, d.h. vom
Typ ungedämpfte
Welle (CW continuous Wave), oder wenig frequenzgestreute Signale,
typischerweise für FrequenzBreite/zentraleFrequenz-Verhältnisse,
die sehr weit unter der Einheit liegen. Wenn eine Interferenz in
einem großen
Frequenzband auftritt, zum Beispiel über die Gesamtheit der 20 MHz
im Fall des GPS Code P, der im Band L2 vorhanden
ist, oder auch des Codes C/A, der im Band L1 vorhanden
ist, werden die Interferenzen weniger gut durch den Leistungsumkehralgorithmus entfernt,
oder wahrscheinlicher ist die Anzahl von verfügbaren Freiheitsgraden, also
die Anzahl von Interferenzen, gegenüber denen der Empfänger resistent
ist, verringert.
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Im
Fall von mobilen Trägern
(Empfänger vom
Typ GPS oder Stationen, die GPS-Empfänger aufweisen) und/oder bei
räumlich
mobilen Interferenzen, ist andererseits die Schätzung der Leistung und die
durchzuführende
Kombination stärker
verrauscht. Sie ist also augenblicklich weniger präzise, und
es können
Phasensprünge
im wiederhergestellten GPS-Signal daraus entstehen, die seinen Nennbetrieb
beträchtlich
stören.
Eines der Verfahren, die zur Behebung dieses Problems eingesetzt
werden, besteht darin, in den Verarbeitungsalgorithmus ein Glättungsstratagem
zu integrieren, zum Beispiel durch Hinzufügung eines fiktiven Rauschens,
um das bei den Wichtungskoeffizienten und somit in der Phase des
entstehenden Signals entstehende Rauschen zu reduzieren. Solche
Kunstgriffe können
aber die Empfindlichkeit des störungsverhindernden
Systems beschädigen,
d.h. den Mindest-Interferenzpegel, ausgehend von dem der Leistungsumkehralgorithmus die
Interferenz "sieht" und behandelt. Durch
Hinzufügen
des fiktiven Rauschens wird das globale Signalniveau, oberhalb dessen
der Algorithmus die Interferenz "sieht", angehoben, und
die "kleinen" Interferenzen werden
nicht gesehen.
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Die
Druckschrift US-A-5550872 beschreibt ein Verfahren zum Unterdrücken der
Interferenzen der Signale, die von einem Empfänger mit Diversity empfangen
werden.
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Die
Druckschrift EP-A-0 869 627 wendet Leistungsumkehralgorithmen an,
um Interferenzen in Signalen zu unterdrücken, die von einem Netz von
N Sensoren empfangen werden. Diese Patente sind nicht für die GPS-Empfänger ausgelegt.
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Der
Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalverarbeitung,
das es ermöglicht, Interferenzen
in einem Signal zu unterdrücken,
das von einem Netz von N Sensoren empfangen wird, zum Beispiel ein
Satellitensignal, das von einem GPS-Empfänger empfangen wird.
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Der
Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung der
Interferenzen, die mindestens einen Teil des Spektrums eines oder mehrerer
Signale einnehmen, die von einem Netz von N Sensoren empfangen werden,
das zumindest Schritte aufweist, in denen:
- • jede Signaltastprobe
xi in K Frequenzbänder zerschnitten wird,
- • die
durch Zerschneiden erhaltenen Tastproben xik mit
durch Leistungsumkehrverarbeitung bestimmten Wichtungskoeffizienten
wik gewichtet werden,
- • durch
einen gegebenen Frequenzband-Index k die verschiedenen gewichteten
Tastproben wik·xik kombiniert
werden, um Signale sk zu erhalten, die entsprechen, ehe die Kombination
der Signale sk für die Gesamtheit der Bänder K durchgeführt wird,
dadurch
gekennzeichnet, dass zur Leistungsumkehrverarbeitung ein CRPA-Algorithmus
(Controled Radiation Pattern Antenna) verwendet wird.
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Das
Verfahren kann mindestens die folgenden Schritte aufweisen:
- • Digitalisieren
der von den Sensoren empfangenen Signale si in
N digitale Tastproben xi,
- • Übertragen
der digitalen Tastproben xi zu K Filtern
Gk, um jede Tastprobe xi in
K Frequenzbänder zu
zerschneiden,
- • die
durch Zerschneiden erhaltenen Tastproben xik anlegen
an:
- • eine
Recheneinheit, die ausgelegt ist, um die Wichtungskoeffizienten
wik durch Leistungsumkehrverarbeitung zu
bestimmen,
- • einen
Verarbeitungsblock, der ausgelegt ist, um:
- • durch
einen gegebenen Filter-Index k die verschiedenen gewichteten Tastproben
wik, xik, zu kombinieren,
um ein Signal sk zu erhalten, dasentspricht, und
- • die
Signale sk zu kombinieren, um ein Signal
S' zu erhalten,
das insgesamt oder zum größten Teil keine
Interferenzen aufweist.
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Der
Gegenstand der Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Unterdrückung der
Interferenzen in einem oder mehreren Signalen si, die von einem
Netz von N Sensoren empfangen werden, die mindestens eine Einheit
von Mitteln aufweist, die ausgelegt sind, um jede Signaltastprobe
x
i in K Frequenzbänder zu zerschneiden, die durch
Segmentieren erhaltenen Tastproben x
ik zu
wichten, durch den gegebenen Frequenzband-Index k die verschiedenen
gewichteten Tastproben w
ik·x
ik zu kombinieren, um Signale s
k zu
erhalten, die
entsprechen, die Kombination
der Signale s
k für die Gesamtheit der Bänder K durchzuführen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Leistungsumkehrverarbeitung zum Beispiel ein CRPA-Algorithmus (Controled Radiation
Pattern Antenna) ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens auf:
- • eine
Signalempfangskette, die Schaltungen zur Frequenzumsetzung der Frequenz
des ursprünglichen
Signals in eine Zwischenfrequenz und einen Analog-Digital-Wandler aufweist,
um das Signal S in N digitalisierte Tastproben umzuwandeln,
- • eine
Vorrichtung, die ausgelegt ist, um jedes digitalisierte Signal xi in K Frequenzbänder zu zerschneiden, um N·K Tastproben
xik zu liefern,
- • eine
Recheneinheit, die die N·K
Tastproben empfängt
und ausgelegt ist, um durch Leistungsumkehrverarbeitung Wichtungskoeffizienten
wik zu bestimmen,
- • einen
Verarbeitungsblock, der die Wichtungskoeffizienten wik und
die Tastproben xik empfängt, wobei der Block ausgelegt
ist, um die Wichtungskoeffizienten an die verschiedenen Tastproben anzulegen
und die Kombination einerseits für
einen gegebenen Index k der gewichteten Tastproben xik,
wobei k zwischen 1 und K variiert, und andererseits der K Signale
sk durchzuführen, wobei k von 1 bis K variiert,
um ein Signal S' zu
erhalten.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden zum
Beispiel angewendet, um die Interferenzen in Signalen zu unterdrücken, die von
einem Satelliten gesendet und von einem GPS-Empfänger, oder auch von einem Positioniersystem
mit Spreizspektrum oder auch einem Navigations- und Kommunikationssystem
mit Spreizspektrum empfangen werden.
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Die
Erfindung bietet insbesondere die folgenden Vorteile:
- • sie
ermöglicht
es, die Resistenz-Kapazitäten
gegen Störer
(absichtliche oder unabsichtliche Interferenzen) zu verstärken,
- • auf
der Basis der "Netz"-Verarbeitung, die
es ermöglicht,
die "räumliche" Unterdrückung durchzuführen, befreit
sich die Erfindung von den "Schmalband"-Annäherungen,
die klassischerweise verwendet wurden,
- • sie
bringt für
die adaptive Verarbeitung weniger Rauschen in das reduzierte Band,
was die Tendenz hat, die Empfindlichkeit des verwendeten Algorithmus
zu erhöhen,
- • durch
Hinzufügen
einer Kalman-Filterung,
- • resorbiert
sie die Verarbeitungsfehler, die mit den Dynamiken der Träger und
der Störer
verbunden sind, und
- • ermöglicht sie
den Erhalt eines adaptiven Korrekturprozesses der Fehler, die zum
Beispiel durch die materielle Herstellung, die Entwicklung der Kapazitäten der
Komponenten in Abhängigkeit
von der Thermik eingeführt
werden können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Figuren bezieht.
Es zeigen:
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1 ein
Beispiel eines GPS-Empfängers gemäß dem Stand
der Technik,
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2 schematisch
eine erste Ausführungsform
der Erfindung, und
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3 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung, die ein Kalman-Filter enthält.
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Um
den Gegenstand der Erfindung besser zu verstehen, erfolgt die nachfolgende
Beschreibung als darstellendes, keineswegs einschränkend zu
verstehendes Beispiel für
die Verarbeitung von Interferenzen in von GPS-Empfängern empfangenen
Signalen.
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Die
Vorrichtung weist in gleicher Weise wie in 1 ein Netz
von N Sensoren Ci, einen Frequenzumsetzungsblock und einen Analog-Digital-Wandler auf, die
aus Gründen
der Vereinfachung in 2 nicht dargestellt sind.
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Die
vom Analog-Digital-Wandler 2 stammenden N Tastproben (1)
werden an eine Vorrichtung 20 angelegt, die ausgelegt ist,
um eine Frequenzsegmentierung durchzuführen. Die Frequenzsegmentierung
wird durchgeführt,
indem eine Einheit von K Digitalfiltern mit endlicher Impulsantwort
verwendet wird, zum Beispiel digitale Filter FIR (Finite Impulse
Response). Die Vorrichtung 20 ist mit N Eingangsleitungen 20i , die den N Tastproben xi entsprechen,
wobei i ein Index ist, der eine Tastprobe bezeichnet, und mit N·K Ausgangsleitungen 20ik versehen, wobei k der Index ist,
der dem verwendeten Filter entspricht. Eine Tastprobe xi wird
an die K Filter Gk so angelegt, dass K digitale
Signale xik erhalten werden, die den K schmaleren
Bändern
als das Ursprungsband des Signals entsprechen.
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Die
Merkmale jedes und/oder der Gesamtheit der K Filter Gl bis
Gk werden so gewählt, dass die Summe der so
für jede
Tastprobe xik erhaltenen Frequenzbänder das
globale Nutzband vollständig
oder so vollständig
wie möglich
wiederherstellt. Jede Tastprobe hat ein Nutzband von 20 MHz entsprechend dem
Nutzband des auf dem Sensor Ci empfangenen GPS-Signal.
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Der
Prozess der Trennung der Bänder
wird vorzugsweise digital durchgeführt, was eine präzise Anpassung
der Koeffizienten der verschiedenen Filter erlaubt, um das globale
Band ohne Verzerrung wiederherzustellen.
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Die
so erhaltenen Tastproben xik werden einerseits
an eine Recheneinheit 21 und andererseits an einen Verarbeitungsblock 22 angelegt.
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Die
Recheneinheit 21 ist programmiert, um eine Leistungsumkehrverarbeitung
vom Typ CRPA durchzuführen
und um die Wichtungskoeffizienten wik zu
berechnen, die Band für
Band den N·K
Tastproben zugeordnet sind. Nach dieser Berechnung besitzt das Verfahren
K Sätze
von Wichtungskoeffizienten (N·K
Koeffizienten), die an die verschiedenen Tastproben xik zum
Beispiel am Eingang des Verarbeitungsblocks 22 anzulegen
sind. Die so erhaltenen Wichtungskoeffizienten sind besser für die Unterdrückung der
K möglichen
Interferenzbänder
geeignet.
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Der
Verarbeitungsblock
22 ist ausgelegt, um die gewichteten
Tastproben w
ik·x
ik zu
kombinieren. Der Kombinationsschritt wird zum Beispiel durchgeführt, indem
zunächst
für einen
gegebenen Filterindex k die verschiedenen gewichteten Tastproben kombiniert
werden, indem der Index i von 1 bis N verändert wird, um mehrere Signale
s
k zu erhalten, die
entsprechen, und dann die
Signale s
k,
zu summieren, wobei diese
Summe das wiederhergestellte Signal S' darstellt, das keine oder praktisch keine
Interferenzen aufweist.
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Die
verschiedenen Rechnungen werden mit Hilfe von geeigneten Verarbeitungsalgorithmen durchgeführt, wobei
die verwendeten Komponenten vom Typ FPGA oder ASIC sein können.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
es dieser Anwendungsmodus, die Begrenzung "schmales Band" der üblicherweise verwendeten adaptiven
Leistungsumkehrverfahren vom Typ CRPA zu überwinden. Andererseits, indem
mit schmaleren Bändern
als dem Band des ursprünglichen
Signals gearbeitet wird, wird der Rauschpegel auf die Verarbeitung
zurückgeführt, also
wird bei äquivalenter
Filterungsverarbeitung die Empfindlichkeit des Verfahrens erhöht.
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3 beschreibt
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die gleichen aus der 2 wieder
aufgenommenen Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen. Diese
Ausführungsform ist
im Fall von mobilen Interferenzen oder mobilen Trägern besonders
gut geeignet.
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In
diesem Beispiel werden die N·K
Wichtungskoeffizienten, die durch die Leistungsumkehrberechnung
erhalten werden, an eine Dynamik-Filterungsstufe angelegt, unter
Verwendung beispielsweise eines Filters 30 vom Typ Kalman.
Das mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung hergestellte Filter hat
insbesondere die Aufgabe, die richtunggebenden Komponenten der N·K Koeffizienten
(mit großer
Dynamik oder mit der Dynamik des Störers verbunden) von den mit
den Empfangsleitungen verbundenen Verzerrungen zu trennen (durchgehende
Komponenten auf einem fernen Horizont).
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Die
Dynamik des Störers
ist zum Beispiel spektral, vom Typ Wobbelstörsender, oder auch geographisch,
vom Typ Bordstörsender,
Störsender-Kommutierung,
oder auch zeitlich vom Typ gepulster Störsender.
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Indem
das Kalman-Filter an die verschiedenen Dynamiken angepasst wird,
ist es möglich,
einerseits die Dynamikprobleme zu beseitigen, die mit der Verfolgung
der Interferenz im Verlauf einer Bewegung verbunden sind, zum Beispiel
eine starke Betriebsbeanspruchung, unter gleichzeitiger Korrektur der
Empfängerverzerrungen,
wie insbesondere die HF-Fehler: die Phasenpaarung, die Amplitude,
usw., die für
die Unterdrückungsleistung
einschränkend wirken.
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In
einem Kalman-Filter erfolgt die Anpassung üblicherweise durch die geeignete
Wahl des "Modellrauschens", das im allgemeinen
bei der Gestaltung festgelegt und bestimmt wird, aber auch in Abhängigkeit
von Kriterien verändert
werden kann, die nicht von den gefundenen Messungen stammen.
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Die
gefilterten Koeffizienten werden anschließend zum Verarbeitungsblock 22 geschickt,
um die Kombination der verschiedenen gewichteten Tastproben durchzuführen, wobei
dieser Vorgang pro Frequenzband durchgeführt wird, wie in Verbindung mit 2 beschrieben
wurde.
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Das
globale Signal nach Verarbeitung wird dann zum Beispiel durch Summierung
wiederhergestellt, ehe es gemäß den bekannten
Verfahren des Stands der Technik wie ein aus einer klassischen CRPA
stammendes Signal verwendet wird.
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Ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wird das Verfahren auf dem
Gebiet der Hydrisierung Trägheit/GPS und
auch auf jedem Gebiet angewendet, das es erlaubt, die in die Wichtungskoeffizienten
eingeschlossenen Dynamiken zu trennen.
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Das
Verfahren wird auch auf alle Signale eines Positioniersystems mit
Spreizspektrum, wie zum Beispiel GPS, das System GLONASS (Global
Orbiting Navigation Satellite System), Galileo, oder auch jedes
andere Navigations- und Kommunikationssystem mit Spreizspektrum
angewendet.