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Die
Erfindung bezieht sich auf Empfänger von
funkelektrischen Signalen mit Spreizspektrum, die auf einer polarisierten
Kreiswelle übertragen
werden. Sie betrifft noch genauer die Verbesserung der Festigkeit
dieser Empfänger
gegenüber
absichtlichen oder unabsichtlichen Störungen.
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Die
Signale mit Spreizspektrum werden in großem Umfang zur Datenübertragung
verwendet, wenn aus verschiedenen Gründen die Augenblicksleistung
des empfangenen Signals schwach ist, oft unterhalb des Wärmerauschens
der Eingangsstufen des Empfängers.
Die Technik der Spreizbandübertragung
besteht nämlich
darin, Informationen über
einen von einem Breitbandsignal modulierten HF-Träger zu übertragen.
Das Band des Signals ist dann gespreizt und nimmt ein Frequenzband
gleich dem des modulierenden Signals ein. Diese Technik ermöglicht es,
die Störungsfestigkeit
der Übertragung
zu verbessern, indem dem übertragenen
Signal ein Frequenzspektrum verliehen wird, das demjenigen eines Breitbandrauschens ähnelt. Sie
ermöglicht
außerdem,
aufgrund der Verwendung von orthogonalen Codes für das modulierende Signal,
die Koexistenz von mehreren gleichzeitigen Übertragungskanälen (Vielfachzugang über Code).
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Die
Spektrumsspreizung wird meist durch Phasenmodulation der zu übertragenden
Binärdaten oder
ihres Übertragungsträgers mittels
einer pseudozufälligen
Binärfolge
erhalten, die die Aufgabe eines Verschlüsselungscodes übernimmt.
Die Wiederzusammensetzung beim Empfang erfolgt durch Korrelieren
des empfangenen Signals mit einer Kopie der pseudozufälligen Binärfolge,
die zur Spreizung gedient hat, eine Kopie, die lokal synchron mit
derjenigen erzeugt wird, die das empfangene Signal moduliert. Die
Wiederzusammensetzungskorrelation über die Dauer der pseudozufälligen Binärfolge,
die zur Spreizung gedient hat, oder über eine längere Dauer, allerdings kürzer als
diejenige eines übertragenen Datenwerts,
ermöglicht
es, den übertragenen
Datenwert des Umgebungsrauschens dort auftreten zu lassen, wo er
versenkt war.
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Für die Übertragung
der funkelektrischen Signale im freien Raum wird ein Paar von Sende-
und Empfangsantennen verwendet, die insofern aneinander angepasst
sind, als die Empfangsantenne gestaltet ist, um bei der von der
Sendeantenne erzeugten Wellenform maximal anzusprechen. Die funkelektrische
Welle für
eine polarisierte Kreiswelle hat einen elektrischen Feldvektor,
der in der einen oder anderen Richtung einen Kreis (eine Ellipse)
in einer Ebene orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung beschreibt, die
von der Geraden definiert wird, die das Paar von Sende- und Empfangsantennen
verbindet. Zwei Polarisationstypen sind orthogonal, wenn sie Wellen entsprechen,
deren elektrische Feldvektoren konstant orthogonal sind. Wenn zwei
Wellen orthogonale Polarisationen haben, sagt man, dass sie gekreuzte Polarisationen
haben. Eine für
eine Polarisation optimierte Empfangsantenne spricht minimal auf
die gekreuzte Polarisation an. Es wird allgemein zugelassen, dass
der Unterschied des Ansprechens 30 dB erreichen kann.
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Zwischen
zwei Mobilstationen oder zwischen einer Mobilstation und einer ortsfesten
Station werden meist Sende- und Empfangsantennen verwendet, die
einer funkelektrischen Welle mit rechter oder linker Kreispolarisation
entsprechen, da eine solche funkelektrische Welle den Vorteil hat,
auf die Ausbreitungsbedingungen, die eine Drehung der Polarisationsebene
einführen
können,
weniger anzusprechen, und unabhängig
von den Einstellungsveränderungen der
Empfangsantenne bezüglich
der Sendeantenne aufgefangen werden kann. Bei einer rechten Kreispolarisation
ist die gekreuzte Polarisation die linke Kreispolarisation und umgekehrt.
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Eines
der bei der Datenübertragung
mit Hilfe von funkelektrischen Signalen mit Spreizspektrum auftretenden
Probleme ist die Empfindlichkeit der Empfänger für die nahen Störsignale,
insbesondere bei der Datenübertragung über Satelliten,
aufgrund der geringen an Bord verfügbaren Leistung und den großen den
Sender und den Empfänger
trennenden Entfernungen. Dieses Problem ist besonders groß bei den
Satellitennavigationssystemen, bei denen die Empfänger der
von Satelliten kommenden Navigationssignale zu Trägern gehören, die
sich an der Oberfläche
oder in der Nähe
der Oberfläche
des Globus in Zonen bewegen, in denen die funkelektrische Aktivität hoch sein
kann.
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Ein
Empfänger
des Satellitennavigationssystems, das unter der englischen Bezeichnung "Navstar Global Positioning
System" (GPS) bekannt ist,
muss in der Lage sein, ein Signal zu verarbeiten, das von einem
Satelliten gesendet wird, der sich in einer Entfernung von etwa
zwanzigtausend Kilometern befindet, mit einer Leistung in der Größenordnung
von etwa zehn Watt, und das ihn mit einer Leistung erreicht, die
um 20 dB geringer als das Umgebungswärmerauschen ist. Am Ausgang
der Empfangsantenne hat er ein Eingangssignal mit einer Leistung
in der Größenordnung
von –130
dBm, das die Verstärkung
der Wiederzusammenführungsbehandlung
ihn aus dem Rauschen extrahieren lässt. Allerdings wird die ursprüngliche
Erfassung des Synchronismus zwischen der lokal erzeugten pseudozufälligen Binärfolge und
derjenigen, die das gesendete Signal moduliert hat, das für den Vorgang
der Wiederzusammenführung
notwendig ist, schwierig in Gegenwart eines Störsignals, dessen Leistung um
mehr als 30 dB über
derjenigen des GPS-Signals
liegt, was nur eine Störsignalleistung
in der Größenordnung von –100 dBm
darstellt, die von einem absichtlichen oder unabsichtlichen Störsignal
unschwer überschritten
werden kann, da es sich in einer Entfernung zum Empfänger befindet,
die wesentlich geringer ist als die der Navigationssatelliten, die
der Ursprung der Nutzsignale sind.
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Es
wurden bereits viele Verfahren zur Verringerung der Störempfindlichkeit
der Empfänger
von funkelektrischen Signalen mit Spreizband vorgeschlagen. Diese
bekannten Verfahren verwenden drei Typen der Behandlung des empfangenen
Signals: das spektrale oder zeitliche Filtern, das räumliche
Filtern und das polarimetrische Filtern.
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Die
Entstörungstechniken,
die das spektrale oder zeitliche Filtern verwenden, wurden entwickelt, um
die Schmalbandstörungen
zu entfernen, die weniger als zehn bis zwanzig Prozent des Frequenzbands
des Nutzsignals mit Spreizspektrum einnehmen. Sie bestehen darin,
durch eine Spektralanalyse den von den Störsignalen betroffenen Nutzbandbereich
zu erfassen und durch eine Bandsperrfilterung vom empfangenen Signal
zu entfernen. Die Erfassung beruht auf der Tatsache, dass das Nutzsignal
in Abwesenheit einer Schmalbandstörung ein flaches Spektrum mit
weißem
Rauschen im Nutzband hat, und dass die Gegenwart eines Schmalband-Störsignals
sich in einer mehr oder weniger breiten Spitze äußert, die das Spektrum des
empfangenen Signals verformt. Diese Bandsperrfilterung verändert das empfangene
Signal, da sie ihm einen Teil seines Inhalts entzieht. Sie kann
also nicht für
Breitband-Störsignale
verwendet werden. Sie ermöglicht
es aber, sich von einer gewissen Anzahl von Störsignalen zu befreien, die
aus einem CW (im Englischen "Continuous
Wave") genannten
festen reinen Träger,
einem SCW (im Englischen "Sweep
Continuous Wave")
genannten Träger
mit Abtastung, einem PCW (im Englischen "Pulsed Continuous Wave") genannten gepulsten
Träger
oder einem durch ein Schmalband-Modulationssignal
modulierten Träger bestehen.
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Die
Techniken der Entstörung
durch räumliches
Filtern bestehen darin, das Strahlungsdiagramm der Empfangsantenne
so zu modellieren, dass der Empfang in den Richtungen der Nutzsignale zum
Nachteil des Empfangs in den Richtungen der Störsignale begünstigt wird.
Sie haben den Vorteil, für
einen beliebigen Typ von Störsignal
wirksam zu sein, unabhängig
davon, ob es ein Schmalbandsignal ist oder nicht. Die Modellierung
des Strahlungsdiagramms der Antenne kann statisch oder dynamisch sein.
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Ein
Beispiel einer statischen Modellierung des Strahlungsdiagramms der
Empfangsantenne findet sich bei den Empfängern des Satellitennavigationssystems
GPS, bei dem Empfangsantennen verwendet werden, die so aufgebaut
sind, dass sie ein hemisphärisches
Strahlungsdiagramm aufweisen das zum Himmel weist und die Richtungen
mit geringem Höhenwinkel
ausschließt,
was es ermöglicht, den
Empfang von von Satelliten kommenden Signalen dem Empfang von notwendigerweise
Störsignalen
vorzuziehen, die von Sendern nahe der Erdoberfläche kommen.
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Man
findet Beispiele der dynamischen Modellierung des Strahlungsdiagramms
der Empfangsantenne auch bei den Empfängern von Satellitennavigationssystemen,
für die
vorgeschlagen wurde, Empfangsantennen zu verwenden, die ausgehend von
Netzen von Elementarantennen und einem einstellbaren räumlichen
Combiner, der eine in Amplitude und Phase gewichtete Summe der von
den verschiedenen Elementarantennen aufgefangenen Signale bildet,
und einem Einstellautomaten des räumlichen Combiners der Antenne
zusammengestellt sind, die entweder die Bildung von zu den die Nutzsignale
sendenden Satelliten ausgerichteten Kanälen, wobei diese Kanäle schmalen
Strahlen entsprechen, die zu den betreffenden Satelliten gerichtet
sind, eine Technik, die unter der englischen Bezeichnung "Beamsteered antenna
array" bekannt ist,
oder die Erzeugung von Löchern
im Empfangsdiagramm der globalen Antenne in Richtung der Störsignale
gewährleisten,
eine Technik, die unter der englischen Bezeichnung "Controlled Reception
Pattern Antenna" oder
abgekürzt
CRPA bekannt ist.
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Die
Technik des "Beam
steered antenna array" beruht
auf einer vorherigen Kenntnis der relativen Positionen der Sendesatelliten
bezüglich
des Empfängers.
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Die
CRPA-Technik beruht auf:
- – einer statischen Bildung
von mehreren unabhängigen
Empfangskanälen
ausgehend von Signalen, die von den Elementarantennen der Netzantenne
aufgefangen werden, die für
den Empfang verwendet wird, wobei die Unabhängigkeit zwischen den Kanälen bedeutet,
dass keiner von ihnen auf eine einfache lineare Kombination der anderen
reduziert ist,
- – allgemein
wird die zentrale Antenne als Hauptempfangskanal gewählt, während die
anderen als Hilfsantennen betrachtet werden, und
- – einer
dynamischen Bildung eines so genannten "entstörten" Empfangskanals durch Hinzufügen einer
linearen Kombination der Signale der Hilfsempfangskanäle, die
mit Hilfe von dynamisch eingestellten Koeffizienten nach Amplitude
und Phase gewichtet sind, zum Signal des Hauptempfangskanals, damit
die Signale des so genannten "entstörten" Empfangskanals und
der Hilfsempfangskanäle
entkorreliert werden.
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Es
wird gezeigt, dass die mögliche
Anzahl von unabhängigen
Empfangskanälen
kleiner als oder gleich derjenigen von Elementarantennen der Empfangsnetzantenne
ist, und dass, um N Störsignale entfernen
zu können,
mindestens N unabhängige Hilfsempfangskanäle vorhanden
sein müssen,
und man somit auf der Empfangsseite über eine Netzantenne verfügen muss,
die mindestens N + 1 Elementarantennen aufweist.
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Die
Technik der Entstörung
durch polarimetrisches Filtern kommt vom Gebiet der Radare. Sie beruht
auf der Hypothese, gemäß der das
beim Empfang mit gekreuzter Polarimetrie aufgefangene Signal hauptsächlich durch
die Störungen
verursacht wird, und dass es also möglich ist, indem man auf die Phase
und die Amplitude des in gekreuzter Polarimetrie empfangenen Signals
einwirkt, ein Bild der das in angepasster Polarisation aufgefangene
Signal beeinträchtigenden
Störung
zu erzeugen, um es vom in angepasster Polarisation aufgefangenen
Signal abzuziehen und so das Signal/Rausch-Verhältnis des Nutzsignals zu verbessern.
Diese Hypothese wird auf dem Gebiet der Empfänger für Satellitennavigationssysteme
noch dadurch verstärkt,
dass es für
eine Empfangsantenne mit hemisphärischem
Strahlungsdiagramm unmöglich
ist, einen Kanal mit angepasster Polarisation oder einen Kanal mit
gekreuzter Polarisation in allen Richtungen ihres Strahlungsdiagramms
zu erhalten, da die Anpassung an die Polarisation der im Kanal mit
angepasster Polarisation empfangenen Welle oder die Polarisationskreuzung bezüglich der
im Kanal mit gekreuzter Polarisation empfangenen Welle um die Senkrechte
zur Hemisphäre
herum gut beachtet wird, und immer weniger beachtet wird, wenn man
sich den Rändern
der Hemisphäre
nähert.
Diese Unmöglichkeit
verstärkt
noch die vorherrschende Anwesenheit, in einem Kanal mit gekreuzter
Polarisation, der störendsten
Störsignale, die
diejenigen mit der gleichen Polarisation wie das Nutzsignal sind,
da sie über
geringere Einfallwinkel zur Empfangsantenne kommen als diejenigen, über die
die Nutzsignale kommen, geringere Einfallwinkel, für die der
gekreuzte Kanal weniger fehlangepasst ist.
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Wie
das amerikanische Patent
US 3,883,872 zeigt,
wurde schnell in Betracht gezogen, diese Technik der Entstörung durch
polarimetrisches Filtern auf den Empfang eines Informationskanals
in Mehrkanalkommunikationssystemen anzuwenden, die das gleiche Frequenzband
verwenden, um zwei gleichzeitige Informationskanäle gemäß orthogonalen Polarisationen
zu übertragen,
wobei der zweite in gekreuzter Polarisation übertragene Kanal dann als ein unerwünschtes
Störsignal
angesehen wird.
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In
neuerer Zeit wurde vorgeschlagen, diese Technik der Entstörung durch
polarimetrisches Filtern im Rahmen eines GPS-Empfängers anzuwenden.
Der GPS-Empfänger
ist dann mit einer Empfangsantenne ausgestattet, die gleichzeitig
einen angepassten Polarisationskanal und einen gekreuzten Polarisationskanal
liefert. Das Signal des gekreuzten Polarisationskanals der Empfangsantenne
wird vom Signal des angepassten Polarisationskanals subtrahiert,
indem seine Amplitude und seine Phase eingestellt werden, um ein
Minimum an Amplitude für
das resultierende Signal zu erhalten, zum Beispiel, indem die Ausgangsleistung
unter Belastung minimiert wird. Für weitere Einzelheiten über diese
Entstörungstechnik
durch polarimetrisches Filtern wird auf das amerikanische Patent
US 5,712,641 verwiesen.
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Alle
diese Entstörungstechniken
verbessern die Unempfindlichkeit gegenüber Störsignalen der Empfänger von
funkelektrischen Signalen mit Spreizspektrum, ohne aber zu einer
vollständigen
Unempfindlichkeit zu gelangen, so dass nach wie vor nach Verbesserungen
gesucht wird. So wurde insbesondere im amerikanischen Patent
US 6,141,371 vorgeschlagen,
die Techniken der Entstörung
durch zeitliches Filtern und durch räumliches Filtern, genauer vom
Typ CRPA, zu kombinieren.
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Im
amerikanischen Patent
US 6,144,339 wird
vorgeschlagen, die Techniken der Entstörung durch polarimetrische
Filtern und durch räumliches Filtern
zu kombinieren.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Unempfindlichkeit der Empfänger von
funkelektrischen Signalen mit Spreizspektrum, die über eine
polarisierte Welle übertragen
werden, gegenüber
Störsignalen
zu verbessern, insbesondere im Rahmen eines Satellitenpositionierungssystems
wie dem GPS-System.
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Sie
hat ein Verfahren zur Entstörung
eines Empfängers
von funkelektrischen Signalen mit Spreizspektrum, die auf einer
polarisierten Welle übertragen
werden, zum Gegenstand, das dadurch bemerkenswert ist, dass es darin
besteht:
- – den
Empfänger
mit einer Empfangsnetzantenne zu versehen, die Elementarantennen
aufweist, die mindestens einen so genannten "angepassten" Ausgangskanal aufweisen, der auf die
Polarisierung der zur Übertragung
verwendeten polarisierten Welle anspricht, wobei bestimmte Elementarantennen
außerdem
einen zweiten, so genannten "gekreuzten" Ausgangskanal aufweisen,
der auf eine Polarisation anspricht, die orthogonal zu derjenigen
der für
die Übertragung
genutzten polarisierten Welle ist,
- – erste
einzelne Entstörungsbehandlungen
durch polarimetrisches Filtern an jeder der Elementarantennen mit
angepasstem Ausgangskanal und gekreuztem Ausgangskanal durchzuführen, um aus
jeder von ihnen durch Kombination der von ihrem angepassten Ausgangskanal
und gekreuztem Ausgangskanal erfassten Signale ein einziges Empfangssignal
zu entnehmen, das eine erste Entstörung erfahren hat, und
- – global
in Höhe
der von den ersten einzelnen Entstörungsbehandlungen durch polarimetrisches Filtern
kommenden Empfangssignale und der von den keinen genutzten gekreuzten
Ausgangskanal aufweisenden Elementarantennen erfassten Empfangssignale
eine zweite allgemeine Entstörungsbehandlung
durch räumliches
Filtern durchzuführen,
um durch Kombination dieser Empfangssignale ein Empfangssignal zu
erhalten, das einer weiteren Entstörung unterzogen wurde und dazu
bestimmt ist, vom Empfänger
genutzt zu werden.
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Vorteilhafterweise
bestehen die ersten einzelnen Entstörungsbehandlungen durch polarimetrisches
Filtern darin, die Signale nach Phase und Amplitude linear zu kombinieren,
die auf dem angepassten Ausgangskanal und dem gekreuzten Ausgangskanal
der gleichen Elementarantenne erfasst werden, um ein Minimum an
Energie nach der Behandlung zu erhalten.
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Vorteilhafterweise
erfolgen die ersten einzelnen Entstörungsbehandlungen durch polarimetrisches
Filtern mit Hilfe von polarimetrischen Filtern, die alle die gleiche
Abstimmung haben, die so bestimmt wird, dass für eine der Elementarantennen
mit angepasstem und gekreuztem Ausgangskanal, die als Bezug genommen
wird, ein Minimum an Energie nach der Behandlung erhalten wird.
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Vorteilhafterweise
erfolgen die ersten einzelnen Entstörungsbehandlungen durch polarimetrisches
Filtern unabhängig
voneinander mit Hilfe von polarimetrischen Filtern, die einzeln
abgestimmt werden, um jedes Mal ein Minimum an Energie nach der Behandlung
zu erhalten.
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Vorteilhafterweise
besteht die zweite allgemeine Entstörungsbehandlung durch räumliches
Filtern darin, die Empfangssignale, die von den ersten einzelnen
Entstörungsbehandlungen
durch polarimetrisches Filtern kommen, und die Empfangssignale, die
von den Elementarantennen erfasst werden, die keinen genutzten gekreuzten
Ausgangskanal aufweisen, nach Amplitude und Phase linear zu kombinieren,
um eine elektronische Ausrichtung der Empfangsnetzantenne zu erhalten,
die der Hauptkeule ihres Strahlungsdiagramms die Form eines schmalen, in
Richtung der Position des Senders der zur Übertragung der funkelektrischen
Signale mit Spreizspektrum verwendeten polarisierten Welle zeigenden Strahls
verleiht.
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Vorteilhafterweise
besteht die zweite allgemeine Entstörungsbehandlung durch räumliches
Filtern darin, die von den ersten einzelnen Entstörungsbehandlungen
durch polarimetrisches Filtern kommenden Empfangssignale und die
von den keinen genutzten gekreuzten Ausgangskanal aufweisenden Elementarantennen
erfassten Empfangssignale nach Amplitude und Phase linear zu kombinieren,
um Löcher
im Strahlungsdiagramm der Empfangsnetzantenne in Richtung der Störsignale
zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise
wird, wenn die zweite allgemeine Entstörungsbehandlung durch räumliches Filtern
darin besteht, die Empfangssignale, die von den ersten einzelnen
Entstörungsbehandlungen durch
polarimetrisches Filtern kommen, und Empfangssignale in Amplitude
und Phase linear zu kombinieren, die von den keinen genutzten gekreuzten Ausgangskanal
aufweisenden Elementarantennen kommen, um Löcher im Strahlungsdiagramm
der Empfangsnetzantenne in Richtung der Störsignalquellen zu erzeugen,
eine der Elementarantennen mit angepasstem Ausgangskanal und gekreuztem Ausgangskanal
als eine Bezugs-Elementarantenne betrachtet,
und die anderen Elementarantennen der Netzantenne werden als Hilfs-Elementarantennen betrachtet,
und die Koeffizienten der linearen Kombination werden dynamisch
eingestellt, damit das aus der linearen Kombination resultierende
Signal mit den es bildenden Empfangssignalen entkorreliert wird,
mit Ausnahme des von der Bezugs-Elementarantenne
kommenden Empfangssignals, nach einer ersten einzelnen Entstörungsbehandlung
durch polarimetrisches Filtern.
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Vorteilhafterweise
können
die polarimetrischen und räumlichen
Behandlungen gleichzeitig durchgeführt werden, wenn mindestens
alle Hilfs-Elementarantennen mit zwei Ausgangskanälen mit
gekreuzten Polarisationen versehen sind.
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Vorteilhafterweise
werden vor der zweiten allgemeinen Entstörungsbehandlung durch räumliches
Filtern zusätzliche
Entstörungsbehandlungen durch
zeitliches oder spektrales Filtern an jedem der Empfangssignale,
die von den ersten einzelnen Entstörungsbehandlungen durch polarimetrisches
Filtern kommen, und an den Empfangssignalen durchgeführt, die
von den keinen genutzten gekreuzten Ausgangskanal aufweisenden Elementarantennen aufgefangen
werden.
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Vorteilhafterweise
wird eine zusätzliche
Entstörungsbehandlung
durch spektrales oder zeitliches Filtern nach der zweiten allgemeinen
Entstörungsbehandlung
durch räumliches
Filtern durchgeführt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
hervor, die als Beispiel angegeben sind. Diese Beschreibung bezieht
sich auf die Zeichnung, in der:
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1 eine
erfindungsgemäße Entstörungsvorrichtung
in Form eines Blockdiagramms zeigt,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer polarimetrischen Filterung zur Entstörung zeigt,
-
3 ein
Ausführungsbeispiel
der in 1 gezeigten Entstörungsvorrichtung zeigt, und
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die 4 und 5 zwei
Varianten der in 1 gezeigten Entstörungsvorrichtung
zeigen, die ebenfalls eine zeitliche oder eine spektrale Filterung enthalten.
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Die
schematisch in 1 dargestellte Vorrichtung zur
Entstörung
durch polarimetrisches und räumliches
Filtern ist dazu bestimmt, auf der Empfangsseite funkelektrische
Signale mit Spreizspektrum zu behandeln, die von Satelliten des
GPS-Navigationssystems
kommen. Sie ist zwischen eine Empfangsantenne 1, die die
von den Satelliten gesendeten Wellen auffängt, und einen GPS-Empfänger 2 eingefügt, wobei
sie aber ggf. hinter die Eingangsstufen des GPS-Empfängers 2 verschoben
werden kann, um Zugang zu Signale mit niedrigerer Frequenz zu haben,
die besser für
eine digitale Verarbeitung geeignet sind. Sie weist eine erste Stufe 3 mit polarimetrischen
Filterungen und eine zweite Stufe 4 mit räumlicher
Filterung auf.
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Die
Empfangsantenne 1 ist eine Netzantenne, die aus einer Gruppierung
von mehreren Elementarantennen 1a, 1b, ..., 1g mit
nach oben gerichtetem hemisphärischem
Strahlungsdiagramm besteht, um das Auffangen der von den vorbeiziehenden
Satelliten kommenden Signale zu erlauben. Sie ist so gestaltet,
dass sie eine zum Himmel gerichtete Empfindlichkeit hat, die auf
die Höhenwinkel
von mehr als einigen Grad begrenzt ist, um so wenig wie möglich von
den Erdstörsignalen
beeinflusst zu werden.
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Die
die Empfangsantenne
1 bildenden Elementarantennen
1a,
1b,
...,
1f können
verschiedene Formen aufweisen. Sie sind zum Beispiel vom Typ "Patch". Es sind viele Arten
bekannt, die im Stand der Technik beschrieben sind, wie zum Beispiel
diejenigen, die in den amerikanischen Patenten
US 5,712,641 oder
US 6,252,553 beschrieben sind. Manche
ihrer Elementarantennen
1b,
1d,
1e,
1f,
1g weisen
zwei gleichzeitige Empfangskanäle
auf, von denen der eine MP auf die Polarisation der von den Satelliten
des Navigationssystems gesendeten Signale abgestimmt ist, die die
rechte Kreispolarisation ist, und der andere CP auf die gekreuzte
Polarisation abgestimmt ist, die hier die linke Kreispolarisation
ist.
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Wenn
eine Elementarantenne 1b bzw. 1d, 1e, 1f oder 1g gleichzeitig
einen auf die Polarisation der das Nutzsignal übertragenden Welle abgestimmten
Empfangskanal MP und einen der gekreuzten Polarisation entsprechenden
Empfangskanal CP liefert, werden ihre beiden Empfangskanäle in einem einzigen
vereinten Empfangskanal von einem einzelnen regelbaren Combiner 3b bzw. 3d, 3e, 3f oder 3g kombiniert,
der zur Stufe 3 mit polarimetrischem Filtern der Entstörungsvorrichtung
gehört
und eingestellt ist, um eine nach Phase und Amplitude gewichtete
Kombination herzustellen, die das Nutzsignal zum Nachteil der Störsignale
bevorzugt. Die von den einzelnen Combinern 3b, 3d, 3e, 3f, 3g kommenden vereinten
Empfangskanäle
und die von den Elementarantennen 1a, 1c ohne
gekreuzten Empfangskanal CP oder mit ungenutzten gekreuzten Empfangskanälen CP kommenden
Empfangskanäle
MP werden anschließend
an die Stufe 4 mit räumlicher
Filterung der Entstörungsvorrichtung
angelegt, die daraus eine globale, nach Phase und Amplitude gewichtete
Kombination herstellt, die das Nutzsignal noch stärker zum
Nachteil der Störsignale
bevorzugt. Diese globale Kombination bildet das entstörte Empfangssignal, das
von der Entstörungsvorrichtung
geliefert und dem GPS-Empfänger 2 vorgelegt
wird.
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Die
allgemeinste Gestaltung eines mit einer Einstellvorrichtung versehenen
einzelnen regelbaren Combiners 3i, der es ermöglicht,
die beiden Empfangskanäle,
den angepassten MP und den gekreuzten CP, einer Elementarantenne 1i innerhalb
der Stufe 3 mit polarimetrischem Filtern zu vereinen, ist
in 2 gezeigt. Man sieht in dieser 2 als
Elemente des einzelnen regelbaren Combiners 3i zwei einzelne
regelbare Dämpfungsglieder/Phasenschieber 31, 32,
von denen der eine 31 den gekreuzten Empfangskanal CP der
Elementarantenne 1i und der andere 32 den angepassten Empfangskanal
MP der Elementarantenne 1i behandelt, ein Subtrahierglied 33,
das das am Ausgang des einzelnen regelbaren Dämpfungsglieds/Phasenschiebers 31 verfügbare Signal
des gekreuzten Empfangskanals CP vom Signal des angepassten Empfangskanals
MP subtrahiert, das am Ausgang des einzelnen regelbaren Dämpfungsglieds/Phasenschiebers 32 verfügbar ist, um
das Signal des vereinten Empfangskanals zu bilden, und einen Prozessor 34,
der die Regelungen der einzelnen regelbaren Dämpfungsglieder/Phasenschieber 31, 32 ausgehend
von den Signalen, die am Antennenausgang auf dem angepassten Empfangskanal
MP und dem gekreuzten Empfangskanal CP vorliegen, und von dem Signal
bestimmt, das am Ausgang des Subtrahierglieds 33 vorliegt.
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Um
die Regelungen der einzelnen regelbaren Dämpfungsglieder/Phasenschieber 31, 32 zu
bestimmen, arbeitet der Prozessor 34 die an den angepassten
MP und gekreuzten Kanal CP anzulegenden Amplituden- und Phasenwerte
derart aus, dass die Leistung der Störsignale minimiert wird, die
eine andere als eine rechte Kreispolarisation aufweisen.
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Der
Aufbau eines einzelnen regelbaren Combiners 3i der Stufe 3 mit
polarimetrischem Filtern kann durch Entfernen des Prozessors 34 vereinfacht werden,
wenn die Stufe 3 mit polarimetrischem Filtern bereits einen
einzelnen regelbaren Combiner mit komplettem Aufbau umschließt. Es ist
nämlich
möglich,
als Bezug eine Elementarantenne mit zwei Empfangskanälen, einem
angepassten MP und einem gekreuzten CP, zu nehmen, zum Beispiel
die Elementarantenne 1g, sie mit einem einzelnen regelbaren
Combiner mit komplettem Aufbau auszustatten, und alle anderen Elementarantennen,
im betrachteten Beispiel die Elementarantennen 1b, 1d, 1e, 1f mit zwei
Empfangskanälen,
einem angepassten MP und einem gekreuzten CP, mit einzelnen Combinern
mit vereinfachtem Aufbau ohne Prozessor auszustatten, die die von
dem zur Bezugs-Elementarantenne gehörenden einzelnen regelbaren
Combiner verwendeten Regelungen wieder aufnehmen.
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Es
ist auch möglich,
einen einzigen Prozessor zwischen allen einzelnen regelbaren Combinern der
Stufe 3 mit polarimetrischem Filtern aufzuteilen. Allgemeiner
gesagt, ist es möglich,
in Höhe
jeder Elementarantenne alle Entstörungsbehandlungen durch polarimetrisches
Filtern anzuwenden, deren Anwendung in Höhe von zwei Empfangskanälen mit
orthogonaler Polarisation einer globalen Antenne bekannt ist.
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3 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform einer
Entstörungsvorrichtung
mit polarimetrischem und räumlichem
Filtern. Man sieht dort von links nach rechts die Elementarantennen
der Empfangsnetzantenne, die Elemente der einzelnen regelbaren Combiner,
die das polarimetrische Filtern unter der Steuerung durch einen
Polarisationsrechner gewährleisten,
und die Elemente eines regelbaren Combiners, die das räumliche
Filtern unter der Steuerung durch einen CRPR-Rechner gewährleisten.
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Unter
den in 3 dargestellten Elementarantennen wird bei manchen 1c nur
der angepasste Empfangskanal MP genutzt, so dass ihr Empfangssignal
keine Entstörungsbehandlung
durch polarimetrisches Filtern erfährt, während bei anderen 1b, 1g,
.. 1f zwei Empfangskanäle,
ein angepasster Kanal MP und ein gekreuzter Kanal CP, von polarimetrischen Entstörungsfilterungen
genutzt und vereint werden.
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Die
in Höhe
der Elementarantennen 1b, bzw. 1g, ..., 1f mit
zwei genutzten Empfangskanälen,
einem angepassten MP und einem gekreuzten CP, mittels einzelner
regelbarer Combiner 31b, 32b, 32c bzw. 31g, 32g, 33g,
... 31f, 32f, 33f durchgeführten polarimetrischen
Entstörungsfilterungen
sind alle gleich, da sie die gleichen Regelungen verwenden, die
von einem Polarisationsrechner 34g bestimmt werden, der
die Elementarantenne 1g als Bezug nimmt.
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Das
räumliche
Filtern erfolgt auf den vereinten Empfangskanälen, die aus den polarimetrischen Enstörungsfilterungen
stammen, die an die Elementarantennen 1b, 1g,
..., 1f mit zwei genutzten Empfangskanälen, einen angepassten MP und
einen gekreuzten CP, und an die angepassten Empfangskanäle MP der
Elementarantennen 1c, die nur einen genutzten Empfangskanal
aufweisen, mittels eines Combiners angelegt werden, der von einzelnen
regelbaren Dämpfungsgliedern/Phasenschiebern 41b, 41f, 41c,
die zur Ausstattung aller berücksichtigten Empfangskanäle mit Ausnahme
des vereinten Empfangskanals, der von der als Bezug für das räumliche Filtern
genommenen Elementarantenne 1g kommt, gehören, einem
Summierglied 42, das die verschiedenen berücksichtigten
Kanäle
summiert, und einem Regelkoeffizientenrechner 43 gebildet
wird, der die oben erwähnte
CRPA-Technik verwendet, eine Technik, die darin besteht, Löcher im
Strahlungsdiagramm der Empfangsnetzantenne 1 in den Richtungen
der Störsignale
zu erzeugen, und die auf der Methode der dynamischen Leistungsminderung
der Störsignale
durch Umkehr der Nebenkeulen beruht, die von den Radarspezialisten
entwickelt wurde und unter der Abkürzung O.L.S. für "Opposition des Lobes
Secondaires" (Umkehr
der Nebenkeulen) (im Englischen C.S.L.C. für "Coherent Side Lobe Canceller") bekannt ist.
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Wie
oben angegeben, ist es ebenfalls möglich, die räumliche
Entstörungsfilterung
durch Anwendung der Technik der Bildung von Strahlen durch die so
genannte FFC-Berechnung ("Beamsteered
array" im Englischen)
durchzuführen,
die ebenfalls von den Radarspezialisten entwickelt wurde und darin besteht,
die Signale der dem räumlichen
Filtern unterzogenen Empfangskanäle
nach Phase und Amplitude zu kombinieren, um im Strahlungsdiagramm
der globalen Antenne einen oder mehrere schmale Strahlen zu erhalten,
die zu den Sendern von Nutzsignalen gerichtet sind. Diese Technik
verwendet keinen Bezugskanal. Sie erfordert das Vorhandensein von
regelbaren Dämpfungsgliedern/Phasenschiebern
in allen berücksichtigten
Empfangskanälen
sowie die Kenntnis der relativen Richtungen der Sender von Nutzsignalen
bezüglich
des Empfängers.
Allgemeiner gesagt, ist es möglich,
in Höhe
der Stufe des räumlichen
Filterns (4 1) alle bereits bekannten Techniken
der Entstörung
durch räumliches
Filtern anzuwenden.
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Die 4 und 5 zeigen
Varianten einer Entstörungsvorrichtung,
die sich von der bezüglich 1 beschriebenen
Entstörungsvorrichtung
durch das Hinzufügen
einer Stufe der Entstörung
durch zeitliches oder räumliches
Filtern unterscheiden. In diesen 4 und 5 haben
die bezüglich 1 unveränderten
Elemente ihr Bezugszeichen beibehalten.
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Wie
oben angegeben, besteht die Entstörung durch zeitliches oder
spektrales Filtern darin, die Spektralstreifen zu unterdrücken oder
zu reduzieren, die über
das Rauschen im von den Nutzsignalen mit Spreizspektrum belegten
Frequenzband hinausgehen, da diese nur von einer Störung kommen
können.
Diese Unterdrückung
oder Reduzierung der Spektralstreifen wirkt sich ebenfalls auf die
Komponenten gleicher Frequenz des Nutzsignals mit Spreizspektrum
aus, das dadurch abgereichert wird, aber diese Abreicherung ist
tolerierbar, solange sie nicht 10 bis 20 Prozent des genutzten Frequenzbands überschreitet.
Die störenden
Spektralstreifen werden durch Spektralanalyse erfasst und durch
ein angepasstes Filtern unterdrückt
oder reduziert, das im frequenziellen oder zeitlichen Bereich durchgeführt wird.
Es gibt viele Arten, die Entstörung
durch zeitliches oder spektrales Filtern durchzuführen. Manche
sind im bereits erwähnten
amerikanischen Patent
US 6,141,371 aufgelistet.
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In
der in 4 dargestellten Entstörungsvorrichtung erfolgt die
Entstörung
durch zeitliches oder spektrales Filtern nach der Entstörung durch
polarimetrisches Filtern, aber vor der Entstörung durch räumliches
Filtern. Um dies durchzuführen,
wird eine Stufe 5 mit zeitlichem oder spektralem Filtern
zwischen die Stufe mit polarimetrischem Filtern 3 und die
Stufe 4 mit räumlichem
Filtern eingefügt.
Diese Stufe 5 mit zeitlichem oder spektralem Filtern setzt sich
aus einzelnen zeitlichen oder spektralen Filtern 5a, 5b, 5f, 5g, 5e, 5d, 5c mit
einstellbaren Koeffizienten zusammen, die jeden der durch das räumliche Filtern
berücksichtigten
Empfangskanäle
behandeln. Wie im Fall der polarimetrischen Filter können die zeitlichen
oder spektralen Filter alle die gleiche Regelung haben, die von
einem Prozessor ausgehend von den Eigenschaften des Signals erarbeitet
werden, das über
einen der Empfangskanäle
geht, die als Bezug genommen werden.
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In
der Entstörungsvorrichtung
der 5 erfolgt die Entstörung durch zeitliches oder
spektrales Filtern als letztes nach der Entstörung durch räumliches
Filtern. Ihre Durchführung
ist einfacher als im Fall der vorhergehenden 4, da sie
nur noch ein einziges zeitliches oder spektrales Filter 5' mit einstellbaren
Koeffizienten erfordert. Dagegen ist ihre nützliche Wirkung der Reduzierung
der Entstörungsleistung
in Höhe
der Bestimmung der Amplituden- und Phasenwichtungskoeffizienten
des räumlichen Filters
nicht spürbar.
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Zum
besseren Verständnis
wurden die Behandlungen des polarimetrischen und räumlichen
Filterns in den 1, 3, 4 und 5 als
durch unterschiedliche Schaltungen hergestellt gezeigt. Es ist offensichtlich,
dass in der Praxis das polarimetrische und das räumliche Filtern beide von einer
gemeinsamen Schaltung erfolgreich durchgeführt werden können. Wenn
das polarimetrische und das räumliche
Filtern hinter den Eingangsstufen eines Empfängers in Höhe von in Form von digitalen
Tastproben verfügbaren
Signalen durchgeführt
werden, können
sie tatsächlich
einem einzigen Signalverarbeitungsprozessor anvertraut werden, unter
der Bedingung, dass dieser eine ausreichende Rechenkapazität aufweist.