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Technische Gebiete
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Funknavigation und insbesondere
Systeme der persönlichen Sicherheit,
die die Position eines Objektes auf der Grundlage von Signalen,
die von einem Satelliten-Funknavigationssystem – GPS – anzeigen und in einer Notfallsituation
eine Notfallnachricht erzeugen, die Positionierungsdaten enthält.
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Stand der Technik
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Eine
der wichtigen Anwendungen einer Benutzereinrichtung, die mit GPS-Signalen
arbeitet, ist ihre Nutzung in Systemen der Verfolgung von Objekten,
einschließlich
in Systemen für Überwachung
und in Systemen der persönlichen
Sicherheit.
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Systeme
der Verkehrsverfolgung und Verkehrsüberwachung (siehe zum Beispiel
die deutsche Patentanmeldung (
DE)
3501035 , Internationale Patentklassifikation G08 G 1/00,
veröffentlicht
am 17.07.86 [1], die Patentanmeldung EPA/EPO (
EP) 0379198 , Internationale Patentklassifikation
G01 S 5/02, G01 S 5/14, veröffentlicht
am 25.07.90, [2], die Anmeldung EPO/EPA (
EP) 0509775 , Internationale Patentklassifikation
G01 S 5/14, veröffentlicht
am 15.04.92 [3], das
US-Patent
(US) 5319374 , Internationale Patentklassifikation G01 S
1/24, G01 S 5/02, G01 S 3/02, G04 C 11/02, veröffentlicht am 07.06.94 [4]),
bei denen das Fahrzeug mit der Einheit für Positionsfeststellung auf
Basis von GPS-Signalen und einer Funkkommunikationseinheit ausgestattet
ist, um eine Verbindung zu einer Zentralstation bereitzustellen,
die die Position eines Fahrzeuges überwacht.
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Es
sind Systeme bekannt, bei denen der Standort eines Fahrzuges auf
Basis von GPS-Signalen ermittelt wird und die Standortdaten im Fall
einer Notfallsituation an eine Verfolgungsstation gesendet werden
(siehe zum Beispiel die deutsche Patentanmeldung (
DE) 3839959 , Internationale Patentklassifikation
G08 B 25/00, G08 G 1/123, B60 Q 9/00, H04 Q 7/00, veröffentlicht
am 12.04.90 [5], das
US-Patent (US)
5355140 , inter nationale Patentklassifikation G01 S 1/08,
G01 S 5/02, veröffentlicht
am 11.10.94 [6], die Anmeldung PCT (
WO)
93/16452 , Internationale Patentklassifikation G08 G 1/123,
veröffentlicht am
19.08.93 [7]).
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In
den oben genannten Systemen zur Verfolgung und Überwachung von Fahrzeugen [1
bis 7] sind die Standardempfänger
von GPS-Signalen für Positionsfeststellung
mit zusätzlichen
Einheiten ausgerüstet,
wodurch die Datenübertragung
zur Position gewährleistet
wird, und weiterhin werden Alarmsignale zu der Überwachungsstation verwendet.
Normalerweise gibt es bei solchen Systemen von GPS-Empfängern keine
besonderen Anforderungen an eine Positionsfeststellung unter Bedingungen
der teilweisen Blockierung eines GPS-Signalempfangs und Anforderungen
in Bezug auf die Miniaturisierung der Ausrüstungen.
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Andererseits
und im Gegensatz zur Fahrzeugpositionierung können die Systeme der persönlichen
Sicherheit zusätzliche
Anforderungen an GPS-Empfänger
stellen, die für
Positionsfeststellung arbeiten. Zuerst betrifft dies die bevorzugte
Unterbringung des GPS-Empfängers
in einem Körper
eines Funktelefons, wie zum Beispiel in einem in der Patentanmeldung
EPO/EPA (
EP) 0528090 ,
Internationale Patentklassifikation G01 S 5/00, veröffentlicht am
24.02.93 [8], beschriebenen System. Dies führt zu der Notwendigkeit, den
GPS-Empfänger
zu miniaturisieren und den Stromverbrauch zu minimieren. Zweitens
kann die Anforderung entstehen, eine Positionsfeststellung unter
Bedingungen der Störung
der GPS-Signale bereitzustellen, zum Beispiel unter Betriebsbedingungen „unter
einem Blätterdach".
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Ein
bekannter GPS-Empfänger
ist mit einem Kommunikationskanal für Senden/Empfangen von Nachrichten
ausgerüstet,
die in einer Notfallsituation erzeugt werden (siehe die Patentanmeldung
PCT (
WO) 97/14057 , Internationale
Patentklassifikation G01 S 5/14, G01 S 1/04, veröffentlicht am 17.04.97 [9]),
wodurch somit das Problem der Objekterkennung unter Bedingungen
der Störung
der GPS-Signale gelöst
wird. Der in [9] beschriebene Empfänger wird als der Prototyp
ausgewählt.
Das verallgemeinerte Schema des als der Prototyp ausgewählten Empfängers wird
in
1 gezeigt.
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Der
Prototyp-Empfänger,
siehe 1, enthält
in Reihe geschaltet den Frequenzumwandler 1 von GPS-Signalen,
die Einheit 2 für
Analog-Digital-Umwandlung von Signalen und den Kanalumschalter 3.
Mit dem ersten Ausgang des Umschalters 3 sind die Einheit 4 zum
Speichern von Abfragewerten von Signalen und der Signalprozessor 5 verbunden.
Mit dem zweiten Ausgang des Umschalters 3 ist die Einheit 6 für herkömmliche
Korrelationsverarbeitung verbunden. Ein Heterodyn-Eingang des Funkfrequenzumwandlers 1 und
ein Takteingang der Einheit 2 für Analog-Digital-Umwandlung
von Signalen sowie ein Takteingang der Einheit 4 zum Speichern von
Abfragewerten von Signalen und der Takteingang der Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung
werden mit den entsprechenden Ausgängen des Signalformers 7 für Signaltakt
und Heterodyn-Frequenzen verbunden, zum Beispiel über Frequenz-Synthesizer. Der
Basiseingang des Signalformers 7, der die Basiseingänge der
entsprechenden Frequenz-Synthesizer umfasst, ist mit einem Ausgang
des Basisgenerators 8 verbunden. Ein Steuereingang des
Signalformers 7, der die Eingänge eines Presets des Frequenzsynthesizer-Steuereingangs
des Umschalters 3 umfasst sowie weiterhin die Eingänge/Ausgänge der
Daten des Signalprozessors 6, und die Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung
sind über
den entsprechenden Datenbus mit dem Navigations-Prozessor 9 verbunden.
Der Navigations-Prozessor 9 ist mit einer Einheit 10 zum
Speichern von Programmen und Daten ausgerüstet. Die periphere Ausrüstungseinheit 11 für die Daten-Eingabe/-ausgabe
und die Einheit 12 für
Senden und Empfangen der Nachrichten auf einem Kommunikationskanal
sind ebenfalls mit dem Navigations-Prozessor 9 verbunden.
Die Einheit 11 wird zum Beispiel als Steuereinheit, als
Tastaturfeld oder als Anzeige ausgeführt und ist mit dem Schnittstellensteckverbinder
ausgerüstet.
Die Einheit 12 ist als Modem ausgeführt und führt zum Beispiel Funkfrequenz-Sprachkommunikation
des Navigations-Prozessors 9 mit der Basisstation 13 aus.
Die Basisstation 13 ist mit einer Vorrichtung für Signalempfang
eines Alarms und von Standortinformationen des Empfängers ausgerüstet, und
ebenfalls mit Vorrichtungen für
Selbstinformation der Ephemeridendaten, Grobkoordinateninformationen
zu der Position des Empfängers,
Daten der Doppler-Verschiebung und Vorrichtungen zum Senden dieser
Daten über
einen Funkkanal zu der Einheit 12.
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Der
Prototyp-Empfänger
arbeitet wie folgt. Die GPS-Signale von einem Ausgang einer Empfangsantenne
werden an den Eingang des Funkfrequenzumwandlers angelegt, wo ihre
Umwandlung in eine niedrigere Frequenz stattfindet. In diesem Vorgang
werden auch Mischer verwendet, die in einer Struktur des Umwandlers 1 beinhaltet
sind, die mit Heterodyn-Signalen (Fr) arbeiten,
die von jeweiligen Ausgängen
des Signalformers 7 kommen. Der Signalformer 7 synthetisiert
Taktsignale (Ft) und Heterodyn-Frequenzen (Fr)
und verwendet für
diesen Zweck ein Signal einer Basisfrequenz (Fb), die von einem
Ausgang des Basisgenerators 8 kommt. Der Preset der Frequenzwerte,
der durch Synthesizer erzeugt wird, wird bewirkt, indem der entsprechende Einstellcode
von dem Navigations-Prozessor 9 zugeführt wird.
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Von
einem Ausgang des Funkfrequenzumwandlers 1 gehen Signale
an einen Eingang der Einheit 2 für beabsichtigte Analog-Digital-Umwandlung eines
Signals, wo sie in digitale Signale umgewandelt werden. Die Abtastfrequenz
oder Samplingrate zum Zeitpunkt der Analog-Digital-Umwandlung wird
durch eine Taktgebung (Ft) bestimmt, die von dem jeweiligen Ausgang
des Signalformers 7 kommt.
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Später werden
die Signale an einen Eingang des Umschalters 3, der für Verarbeitungskanäle verwendet
wird, übergeben,
wobei das Umschalten durch ein Steuersignal bewirkt wird, das von
dem Navigations-Prozessor 9 erzeugt wird.
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In
einer normalen Betriebsart führt
der Umschalter 3 Anschluss eines Ausgangs der Einheit 2 mit
einem Eingang der Einheit 6 (Korrelationsprozessor) durch.
Die Einheit 6 führt
zusammen mit dem Navigations-Prozessor 9 herkömmliche
Korrelationsverarbeitung an empfangenen GPS-Signalen in einem Intervall
von einer Millisekunde aus, einschließlich des Suchens nach Signalen
auf Basis von Frequenz und Code, Verfolgen, Dekodieren, Extraktion einer
Dienstinformation zu Ephemeriden, Extraktion der Navigationsinformationen
(Bestimmung des Funknavigationsparameters – RNP). Insbesondere wird somit
die Bestimmung einer temporalen Position von Peaks von Korrelationsfunktionen
von Störsignalen
sichtbarer Satelliten durch den Navigations-Prozessor 9 weiter
in Berechnungen von Positions-Implementierungen verwendet werden.
Die Korrelationsverarbeitung in der Einheit 6 erfolgt mit
einer Taktrate, die durch eine Taktgebung (Ft) bestimmt wird, die
von einem Ausgang des Signalformers 7 kommt.
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Die
Ortungsinformationen werden an die Einheit 11 (Dateneingabe/-ausgabe) übergeben,
wo sie zum Beispiel auf einem Bildschirm angezeigt werden.
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Die
Ortungsinformationen werden auch an die Einheit 12 übergeben,
die in einer Kommunikationssitzung mit einer Basisstation 13 die
Nachricht zu der Position sowie in dem Fall einer Notfallsituation ein
Alarmsignal, das mittels der Einheit 11 und des Navigations-Prozessors 9 erzeugt
wird, an eine Basisstation sendet.
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An
einer Basisstation 13 erfolgen die Bildung der Ephemeridendaten,
der Grobkoordinatendaten des Empfängers und der Daten der Doppler-Verschiebung
unabhängig
von der Aktivität
des Empfängers,
wobei die genannten Daten über
den Kommunikationskanal an die Einheit 12 des Empfängers übergeben
werden. Diese Daten werden bei dem Empfängerbetrieb unter ungünstigen
Empfangsbedingungen verwendet, wie zum Beispiel bei schlechtem Signal-Rauschverhältnis (oder
einer Blockierung von GPS-Signalen).
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Unter
ungünstigen
Empfangsbedingungen, das heißt
bei einem schlechten Signal-Rauschverhältnis, wie
zum Beispiel bei einem Hit des Empfängers in einer Zone von Blockierung
von GPS-Signalen, verbindet der Umschalter 3 einen Ausgang
der Einheit 2 mit einem Eingang der Einheit 4 (Speicherung
von Signal-Abfragewerten).
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Das
Umschalten des Umschalters 3 wird durch ein Signal gesteuert,
das durch den Navigations-Prozessor 9 geformt wird, zum
Beispiel durch Ergebnisse einer nicht erfolgreichen Suche nach Signalen
unter Nutzung der Einheit 6 oder auf ein Signal des Bedieners,
das von der Einheit 11 kommt.
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Die
Einheit 4 führt
Zwischenspeicherung von Signal-Abfragewerten durch, die von der
Einheit 2 geformt werden, in einem Intervall von etwa einer
Sekunde. Die Aufzeichnung von Abfragewerten in der Einheit 4 erfolgt
mit einer durch die Taktung (Ft), die von einem Ausgang des Signalformers 7 kommt,
bestimmten Taktrate.
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Die
in der Einheit 4 gespeicherten Signal-Abfragewerte werden
von dem Signalprozessor 5 verwendet, der Suchen nach Signalen
und deren Korrelationsverarbeitung zum Zweck der Abfrage der Navigationsinformationen
(RNP) ausführt.
Die Daten zu RNP werden an den Navigations-Prozessor 9 übergeben,
wo die Positionsfeststellung durchgeführt wird. Für die Implementierung des Suchens
nach Signalen, die Abfrage der Navigationsinformationen und die
Positionsfeststellung verwendet der Signalprozessor 5 demzufolge
unter den genannten nachteiligen Bedingungen eines GPS-Signalempfangs
die Ephemeridendaten, die Grobkoordinateninformationen zur Position
und die Doppler- Verschiebung,
die von dem Navigations-Prozessor 9 an dem Kommunikationskanal
von einer Basisstation 13 gewonnen werden.
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Die
in dem Navigations-Prozessor 9 ermittelten Ortungsinformationen
werden zwecks Anzeige an die Einheit 11 übergeben,
und ebenso an die Einheit 12 zwecks Senden an die Basisstation 13,
die den Empfänger überwacht.
Zusammen mit einer Ortungsinformation wird die Basisstation erforderlichenfalls
mit den Nachrichten zu Notfallsituationen versorgt, das heißt die Alarmsignale
werden gesendet, die mittels der Einheit 11 und des Navigations-Prozessors 9 geformt
werden, und sie werden mittels der Einheit 12 über den
Kommunikationskanal zu der Basisstation 13 gesendet.
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Somit
bietet der Prototyp-Empfänger
eine Fähigkeit
des Detektierens des Standortes und von Notrufen unter den üblichen
Bedingungen eines GPS-Signalempfangs sowie auch unter Bedingungen
der Blockierung derselben.
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US 5,663,734 beschreibt
eine Fehlerkorrektur eines lokalen Oszillators in einem GPS-Gerät.
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Eine
der Merkmale des Prototyp-Empfängers,
der in Notfallsituationen eine Nachricht (Alarmsignale mit Ortungsinformationen)
sendet, ist die Notwendigkeit des schnellen Suchens nach Signalen
sowohl unter normalen Bedingungen eines GPS-Signalempfangs als auch unter Bedingungen
der Blockierung desselben. Der Prototyp-Empfänger
erzielt dieses Ergebnis durch Nutzung eines hochstabilen Generators
als dem Basisgenerator 8. Dabei gilt, dass je größer die
Stabilität
des Basisgenerators ist, umso weniger Zeit unter gleichwertigen
Bedingungen erforderlich ist, um die Signale sowohl unter normalen
Bedingungen eines GPS-Signalempfangs als auch unter Bedingungen
der Blockierung derselben zu verfolgen. Diese Aufrechterhaltung
der hohen Stabilität
des Basisgenerators ist jedoch eine arbeitsintensive Aufgabe und
erfordert die Anwendung spezieller Vorrichtungen, wie zum Beispiel
von Thermostabilisierungsvorrichtungen (Temperaturkompensation).
Dies macht den Prototyp-Empfänger
komplizierter und kostspieliger.
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Offenlegung der Erfindung
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Das
technische Problem, auf dessen Lösung die
vorliegende Erfindung ausgerichtet ist, ist die Ausrüstung des
Empfängers
mit Vorrichtungen, die es ermöglichen,
eine Frequenzabweichung des Basisgenerators von einem Sollwert festzustellen,
wobei für
diesen Zweck ein externes hochstabiles Basis-Sinuswellensignal verwendet
wird, das von einer Basisstation auf einem Funkkanal empfangen wird.
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Das
erzielbare Ergebnis ist die Fähigkeit
der Erzeugung von Daten zur Frequenzabweichung des Basisgenerators
von einem Bezugswert, wobei diese Daten danach bei der Erzeugung
der Einstelldaten einer Trägerfrequenz
in dem Navigations-Prozessor 9 zur Steuerung des Signalprozessors 6 und
der Einheit 6 für
Korrelationsverarbeitung durch Suchen nach Signalen verwendet wird.
Weiterhin wird die Ausführung
schneller Suche nach Signalen bei einer Positionsfeststellung sowohl
unter normalen Bedingungen eines GPS-Signalempfangs als auch unter Bedingungen
einer Blockierung derselben ermöglicht,
womit die Anwendung eines einfachen Basisgenerators, nicht kompensierter
Chips, möglich
ist.
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Der
Erfindungsgedanke besteht darin, dass in dem Empfänger von
GPS-Signalen mit einem Kommunikationskanal für Nachrichtenweiterleitung zu
Notfallsituationen, der in Reihe geschaltet den gemeinsamen Funkfrequenzumwandler
von GPS-Signalen, die Einheit für
Analog-Digital-Umwandlung von Signalen und ein Verarbeitungs-Kommunikationsgerät enthält, mit
dem der erste Ausgang in Reihe verbunden ist, die gemeinsame Einheit
zum Speichern von Signal-Abfragewerten und Signalprozessor, und
mit dem zweiten Ausgang – die
Einheit für Korrelationsverarbeitung,
und der Signalprozessor und die Einheit für Korrelationsverarbeitung
sind mit der von dem Navigations-Prozessor versorgten Speichereinheit
zum Speichern von Programmen und Daten verbunden, der Heterodyn-Eingang
des Funkfrequenzumwandlers und die Takteingänge der Einheit für Analog-Digital-Umwandlung
von Signalen, der Einheit zum Speichern von Signal-Abfragewerten und
die Einheit für
Korrelationsverarbeitung sind mit den jeweiligen Ausgängen des
Formers von Signaltakt und Heterodyn-Frequenzen verbunden, gespeist durch
Vorrichtungen zum Bilden von Signaltakt und Heterodyn-Frequenzensynthesizern,
somit ist der Basiseingang des Formers von Signaltakt und Heterodyn-Frequenzen,
gebildet durch Basiseingänge der
jeweiligen Frequenzsynthesizer, mit einem Ausgang des Basisgenerator-Steuereingangs
des Formers von Signaltakt und Heterodyn-Frequenzen, gebildet durch
Eingänge
eines Presets von scharfen Synthesizern, verbunden, und der Steuereingang
eines Verarbeitungs thesizern, verbunden, und der Steuereingang eines
Verarbeitungs-Kommunikationsgerätes ist
mit dem Navigations-Prozessor verbunden, mit dem auch eine Daten-Eingabe-/Ausgabeeinheit
verbunden ist, beide Einheiten für
Senden und Empfangen von Nachrichten über den Kommunikationskanal,
der den Empfänger
und eine Basisstation verbindet, ein Eingang erfolgt zusätzlich in
die Einheit zum Bestimmen von Abweichung einer Signalfrequenz des
Basisgenerators von einem Sollwert, wobei der erste Eingang mit
einem Ausgang des Basisgenerators verbunden ist, wobei der zweite Eingang
durch die Verbindungsleitung einer Signalgebung zu dem jeweiligen
Ausgang der Einheit zum Senden und Empfangen der Nachrichten auf
dem Kommunikationskanal verbunden ist und der Ausgang mit Vorrichtungen
zur Datenspeicherung zur Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einer Sollfrequenz in der Speichereinheit des Navigations-Prozessors
mit Vorrichtungen zum Erzeugen von Daten einer Trägerfrequenz
in dem Navigations-Prozessor zur Steuerung des Signalprozessors
und der Einheit für
Korrelationsverarbeitung durch Suchen nach Signalen verbunden ist.
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Beschreibung der Figuren der
Zeichnungen
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Der
Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung, die Fähigkeit
ihrer Umsetzung und ihre industrielle Nutzung werden durch die Zeichnungen, dargestellt
in den 1 bis 3, veranschaulicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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In 1 wird
ein Schema des Prototyp-Empfängers
gezeigt, bei dem die folgenden Verweisziffern zur Bezeichnung verwendet
werden: 1 – Funkfrequenzumwandler
von GPS-Signalen, 2 – Einheit für Analog-Digital-Umwandlung
von Signalen, 3 – Kommunikationsgerät für Verarbeitung, 4 – Einheit zum
Speichern von Signal-Abfragewerten, 5 – Signalprozessor, 6 – Einheit
für herkömmliche
Korrelationsverarbeitung, 7 – Former von Signaltakt und
Heterodyn-Frequenzen, 8 – Basisgenerator, 9 – Navigations-Prozessor, 10 – Speichereinheit, 11 – Daten-Eingabe-
und -ausgabeeinheit, 12 – Einheit für Senden und Empfangen der
Nachrichten, 13 – Basisstation.
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In 2 wird
ein Schema des genannten Empfängers
in einem betrachteten Ausführungsbeispiel
gezeigt. Seine Elemente sind:
1 – Funkfrequenzumwandler von
GPS-Signalen, 2 – Einheit
für Analog-Digital-Umwandlung von Signalen, 3 – Kommunikationsgerät für Verarbeitung, 4 – Einheit
zum Speichern von Signal-Abfragewerten, 5 – Signalprozessor, 6 – Einheit
für herkömmliche
Korrelationsverarbeitung, 7 – Former von Signaltakt und
Heterodyn-Frequenzen, 8 – Basisgenerator, 9 – Navigations-Prozessor, 10 – Speichereinheit, 11 – Dateneingabe- und -ausgabeeinheit, 12 – Einheit
zum Senden und Empfangen der Nachrichten, 13 – Basisstation, 14 – Einheit
zum Bestimmen der Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert, 15 – Vorrichtung zum Speichern
von Daten zu einer Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert, 16 – Vorrichtung zum Erzeugen
von Daten einer Trägerfrequenz
in dem Navigations-Prozessor.
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In 3 wird
ein Schema der Einheit zur Bestimmung der Abweichung einer Signalfrequenz
des Basisgenerators von einem Sollwert gezeigt, wobei die Verweisziffern
bezeichnen: 17 – Phasendiskriminator, 18 – Frequenzabstimmeinheit, 19 – erster
Frequenzteiler, 20 – zweiter
Frequenzteiler, 21 – integrierende
Verbindung, 22 – Formungseinheit
der Daten zu der Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung
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Die
Einheit zur Bestimmung der Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert enthält
in der praktisch ausgeführten
Version der Ausführung
des Empfängers
den ersten Frequenzteiler, dessen Ausgang über eine Frequenz-Abstimmeinheit mit
dem ersten Eingang eines Phasendiskriminators verbunden ist, dessen
zweiter Eingang über
eine integrierende Verbindung mit einem Steuereingang einer Frequenz-Abstimmeinheit und
mit einem Signaleingang einer Erzeugungseinheit von Daten zur Abweichung
einer Signalfrequenz des Basisgenerators von einem Sollwert verbunden ist;
somit bilden ein Eingang des ersten Frequenzteilers und ein Ausgang
einer Erzeugungseinheit von Daten zur Abweichung einer Signalfrequenz
des Basisgenerators von einem Sollwert dementsprechend den ersten
Eingang und Ausgang der Bestimmungseinheit der Abweichung einer
Signalfrequenz des Basisgenerators von einem Sollwert, und ein Eingang des
zweiten Frequenzteilers und einem Sollwert, und ein Eingang des
zweiten Frequenzteilers und ein Steuereingang einer Erzeugungseinheit
von Daten zur Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert bilden den zweiten Eingang der Einheit zur Bestimmung
der Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators von einem Sollwert.
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Der
beanspruchte Empfänger
von GPS-Signalen mit einem Kommunikationskanal für die Weiterleitung von Nachrichten
zu Notfallsituationen in einer betrachteten Ausführung (2, 3)
enthält
sequenziell verbunden den gemeinsamen Funkfrequenzumwandler 1 von
GPS-Signalen, die Einheit 2 für Analog-Digital-Umwandlung
von Signalen und den Umschalter 3 für Kanalverarbeitung.
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Der
erste Ausgang des Umschalters 3 der Einheit 4 zum
Speichern von Signal-Abfragewerten und
der Signalprozessor 5 sind sequenziell verbunden. Die Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung
ist mit dem zweiten Ausgang des Umschalters 3 verbunden.
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Der
Signalformer 7 für
Taktsignale und Heterodyn-Frequenzen ist mit einer Vorrichtung für die Bildung
von Signaltakt und Heterodyn-Frequenzen – Frequenzsynthesizer (in den
Figuren nicht gezeigt) versehen. Der Basiseingang des Signalformers 7, der
von den Basiseingängen
der Frequenzsynthesizer gebildet wird, ist mit einem Ausgang des
Basisgenerators 8 verbunden. Der Basisgenerator 8 wird
auf der Basis eines einfachen, unkompensierten Chips hergestellt.
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Der
Steuereingang des Signalformers 7, der durch die Eingänge eines
Presets der Synthesizer gebildet wird, wird über den jeweiligen Datenbus
mit dem Navigations-Prozessor 9 verbunden.
Ein Steuereingang des Umschalters 3, die Daten-Eingänge/Ausgänge des
Signalprozessors 5 und der Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung
werden ebenfalls über den
jeweiligen Datenbus mit dem Navigations-Prozessor 9 verbunden.
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Der
Navigations-Prozessor 9 ist mit der Einheit 10 zum
Speichern von Programmen und Daten versehen. Die Einheit 11 für Daten-Eingabe/Ausgabe und
die Einheit 12 für
Senden und Empfangen der Nachrichten an dem Kommunikationskanal
werden ebenfalls mit dem Navigations-Prozessor 9 als dem Peripheriegerät verbunden.
Die Einheit 11 wird zum Beispiel als Steuereinheit, als
Tastaturfeld oder als Anzeige ausgeführt und mit dem Schnittstellensteckverbinder
versehen. Die Einheit 12 wird als Modem ausgeführt, das
zum Beispiel Funkfrequenz-Sprachkommunikation des Navigations-Prozessors 9 mit
einer Basisstation 13 ausführt. Die Basisstation 13 ist mit
Vorrichtungen zum Empfangen der Nachrichten zu Notfallsituationen – Notrufen – und von
Ortungsinformationen des Empfängers
sowie mit Vorrichtungen für
eigene Erzeugung von Ephemeridendaten, Grobkoordinateninformationen
zur Position des Empfängers,
Daten der Doppler-Verschiebung
und Vorrichtungen zur Pflege dieser Daten an einem Funkkanal in
der Einheit 12 auf einer hochstabilen Trägerfrequenz
versehen.
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In
dem genannten Empfänger,
im Gegensatz zu dem Empfänger
des Prototyps, wird zusätzlich
die Bestimmung der Einheit 14 einer Abweichung einer Signalfrequenz
des Basisgenerators 8 von einem Sollwert eingegeben. Der
erste Eingang der Einheit 14 ist mit einem Ausgang des
Basisgenerators 8 verbunden, der zweite Eingang der Einheit 14 ist über die
Verbindungsleitung einer Signalgebung mit dem jeweiligen Ausgang
der Einheit 12 verbunden, und der Ausgang der Einheit 14 ist über die
jeweilige Verbindungsleitung eines Datenaustausches mit der Einheit 15 zum
Speichern von Daten zu einer Abweichung einer Signalfrequenz des
Basisgenerators 8 von einem Sollwert in der Einheit 10 für Speichern des
Navigations-Prozessors 9 verbunden. Die Einheit 15,
die zum Beispiel den Speicherort des Registers der Daten darstellt,
ist mit der Einheit 16 verbunden, die Daten zu einer Trägerfrequenz
in dem Navigations-Prozessor 9 erzeugt, vorgesehen für Steuerung
des Signalprozessors 5 und der Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung
durch Suchen von Signalen. In praktischen Ausführungen enthält die Einheit 14,
die für
die Bestimmung von Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators 8 von
einem Sollwert vorgesehen ist (3), einen
Phasendiskriminator 17, dessen erster Eingang mit einem
Ausgang der Einheit 18 für Frequenzabstimmung verbunden ist;
somit ist der Signaleingang der Einheit 18 mit einem Ausgang
des ersten Frequenzteilers 19 verbunden. Der zweite Eingang
eines Phasendiskriminators 17 ist mit einem Ausgang des
zweiten Frequenzteilers 20 verbunden, und der Ausgang durch
eine integrierende Verbindung 21 ist mit einem Steuereingang der
Einheit 18 und dem Signaleingang der Einheit 22 verbunden,
die Daten zur Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert erzeugt. Der Eingang eines Frequenzteilers 19 bildet den
ersten Eingang der Einheit 14; der Ausgang der Einheit 22 bildet
einen Ausgang der Einheit 14, und ein Eingang von dem Frequenzteiler 20 und
der Steuereingang der Einheit 22 bilden den zweiten Eingang der
Einheit 14. Der Teilungsfaktor eines Fre quenzteilers 20 ist
gleich dem Verhältnis
eines Sollwertes der Mittenfrequenz (F med. norm), auf der die Aktivität eines
Phasendiskriminators 17 implementiert wird, zu der Frequenz
eines externen Bezugssignals (F ext. base), die von einer Basisstation 13 auf
dem Kommunikationskanal durch die Einheit 12 geht. Der
Teilungsfaktor eines Frequenzteilers 19 ist zum Beispiel gleich
dem Verhältnis
eines Sollwertes der scharfen Mittenfrequenz zu dem Sollwert einer
Signalfrequenz, die von dem Basisgenerator 8 geformt wird. Die
Einheit 18 für
Frequenzabstimmung kann zum Beispiel als Frequenzteiler (Frequenzvervielfacher) mit
einem wiederhergestellten Teilungsfaktor ausgeführt werden; die Einheit 22,
die Daten zur Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert erzeugt, wird zum Beispiel als das Register der
Daten eines Steuereingangs und Ausgangs ausgeführt, deren Kategorien dementsprechend
den Steuereingang und Ausgang der Einheit 22 bilden. Die
integrierende Verbindung 21 bildet sich auf dem Ausgang
eines erhaltenen Digitalsignals, zum Beispiel durch Analog-Digital-Umwandlung
des integrierten Signals eines Phasendiskriminators 17. In
dem Fall der analogen Ausführung
der Einheit 18, zum Beispiel als Phasenumschalter, bildet
sich die integrierende Verbindung 21 auf dem Ausgang eines Analogsignals,
und die Struktur der Einheit 22 wird durch den jeweiligen
A/D-Wandler betätigt.
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Der
genannte Empfänger
arbeitet wie folgt.
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Der
Empfänger
muss in einem Bereich sicherer Funkkommunikation mit einer Basisstation 13 platziert
sein. Als Basisstation 13 kann zum Beispiel die Basisstation
eines Mobiltelefonnetzes verwendet werden. In diesem Fall stellt
die Einheit 12 die geeignete Einheit für Senden und Empfangen der
Nachrichten in einem Funktelefon dar. In einer Basisstation 13 erfolgt
die Bildung von Ephemeridendaten, Daten der Grobkoordinateninformationen
zu der Position des Empfängers
und von Daten der Doppler-Verschiebung.
Diese Daten werden in den Empfängern der
Einheit 12 auf einer hochstabilen Trägerfrequenz in etablierten
Kommunikationssitzungen gesendet. Die Ephemeridendaten, Daten (F
ext. base) der Grobkoordinateninformationen und die Daten der Doppler-Verschiebung,
die von der Einheit 12 empfangen werden, werden durch die
Aktivität
des Empfängers
unter ungünstigen
Bedingungen eines GPS-Signalempfangs – bei schlechtem Signal-Rauschverhältnis, unter
Bedingungen der Blockierung von GPS-Signalen – verwendet. Die hochstabile
Trägerfrequenz
(F ext. base), auf der die Daten gesendet werden, wird in dem Empfänger als
externe Bezugsfrequenz verwendet, in Bezug auf welche die Abweichung
einer Signalfrequenz des Basisgenerators 8 von einem Sollwert
bewertet wird. Die Positionsfeststellung wird in dem Empfänger auf GPS-Signalen implementiert.
Die GPS-Signale von dem Ausgang einer Empfangsantenne werden an
einen Eingang des Funkfrequenzumwandlers 1 angelegt, wo
die Umwandlung mit Frequenzreduzierung stattfindet. Somit werden
die Mischer verwendet, die in einer Struktur des Umwandlers 1 beinhaltet
sind, auf Heterodyn-Signalen (Fr) arbeiten, die von jeweiligen Ausgängen des
Signalformers 7 kommen. Der Former 7 synthetisiert
Taktsignale (Taktgeber) (Ft) und Heterodyn-Frequenzen (Fr), wobei
er für
diesen Zweck ein Signal einer Bezugsfrequenz (Fbase)
verwendet, das von einem Ausgang des Basisgenerators 8 kommt.
Der Preset von Frequenzwerten, geformt durch Synthesizer, wird durch
die Zuführung
eines jeweiligen Einstellcodes von dem Navigations-Prozessor 9 gebildet.
Die Instabilität
einer Bezugsfrequenz Fbase und ihr Auswandern
werden in eine Abweichung von Sollwerten von geformten Heterodyn-Frequenzen
widergespiegelt, und demzufolge in dem Auswandern einer Signalfrequenz
in einem Ausgang des Funkfrequenzumwandlers 1. Von einem
Ausgang des Funkfrequenzumwandlers 1 werden Signale an
einen Eingang der Einheit 2 für Analog-Digital-Umwandlung
von Signalen übergeben, wo
sie in digitale Signale umgewandelt werden. Die Diskretisierungszeitrate
bei der Analog-Digital-Umwandlung wird durch eine Taktgebung (Ft)
bestimmt, die von dem jeweiligen Ausgang des Formers 7 kommt.
Weiterhin gehen Signale an einen Eingang des Umschalters 3 (Verarbeitungskanäle), wobei
die Umschaltung ein Steuersignal implementiert, das von dem Navigations-Prozessor 9 kommt.
In normalem Betriebt (das heißt
bei normalem Signal-Rauschverhältnis,
bei Nichtvorliegen einer Blockierung von GPS-Signalen) verbindet
der Umschalter 3 einen Ausgang der Einheit 2 mit
einem Eingang der Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung.
Die Einheit 6 führt
zusammen mit dem Navigations-Prozessor 9 herkömmliche
Korrelationsverarbeitung von angepassten GPS-Signalen in einem Intervall von einer
Millisekunde aus, einschließlich
Suchen nach Signalen zu Frequenz und Code, Verfolgen, Dekodieren,
Extraktion aus Dienstsignalen der Informationen zu Ephemeriden,
Extraktion der Navigationsinformationen (Bestimmung der Funknavigationsparameter – RNP). Insbesondere
wird somit die Bestimmung einer temporalen Position von Peaks von
Korrelationsfunktionen von Rauschsignalen von sichtbaren Satelliten durchgeführt, die
von dem Navigations-Prozessor 9 in Berechnungen der Position
verwendet werden. Die Korrelationsverarbeitung in der Einheit 6 erfolgt
mit einer Taktrate, die von einer Taktgebung (Ft) bestimmt wird,
die von einem Ausgang des Formers 7 kommt. Die von dem
Prozessor 9 berechneten Ortungsinformationen werden an
die Einheit 11 (Daten-Eingabe/-ausgabe) angelegt, wo sie
zum Beispiel auf einem Bildschirm angezeigt werden. Die Ortungsinformationen
werden weiterhin an die Einheit 12 angelegt, die in einer
Kommunikationssitzung mit einer Basisstation 13 die Nachricht
zur Position und gegebenenfalls die Nachricht zu Notfallsituationen – den Notruf –, die durch
die Einheit 11 und den Navigations-Prozessor 9 erzeugt
werden, an eine Basisstation. Unter ungünstigen Bedingungen eines GPS-Signalempfangs,
wie zum Beispiel einem Hit des Empfängers in einem Bereich von
Blockierung von GPS-Signalen,
wenn sich das Signal-Rauschverhältnis
verschlechtert, verbindet der Umschalter 3 den Ausgang
der Einheit 2 mit einem Eingang der Einheit 4 zum
Speichern von Signal-Abfragewerten. Das Schalten des Umschalters 3 erfolgt
auf einem Signal, das von dem Navigations-Prozessor 9 geformt wird,
zum Beispiel durch Ergebnisse erfolglosen Suchens nach Signalen
unter Nutzung der Einheit 6, oder auf einem Signal des
Bedieners, das von der Einheit 11 kommt. Die Einheit 4 führt Zwischenspeicherung
von Signal-Abfragewerten durch, die von der Einheit 2 geformt
werden, in einem Intervall von etwa einer Sekunde. Die Aufzeichnung
der Abfragewerte in der Einheit 4 erfolgt mit einer Taktrate,
die von einer Taktgebung (Ft) bestimmt wird, die von einem Ausgang
des Formers 7 kommt.
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Die
in der Einheit 4 gespeicherten Signal-Abfragewerte werden
durch den Signalprozessor 5 verwendet, der Suchen nach
Signalen und ihre Korrelationsverarbeitung zum Zwecke der Extraktion
der Navigationsinformationen (RNP) ausführt. Für die Durchführung von
Suchen nach Signalen, Extraktion von Navigationsinformationen und
Positionsfeststellung unter ungünstigen
Bedingungen von GPS-Signalempfang verwendet der Signalprozessor 5 somit die
Ephemeridendaten, die Grobkoordinateninformationen zur Position
und Doppler-Verschiebung, die durch den Navigations-Prozessor 9 an
einem Kommunikationskanal von einer Basisstation 13 gewonnen
wurden. Die in dem Navigations-Prozessor 9 ermittelten
Ortungsinformationen werden zwecks Anzeige an die Einheit 11,
und ebenso an die Einheit 12 zwecks Senden an eine Basisstation 13 angelegt, wodurch
Verfolgen des Empfängers
ausgeführt
wird. Zusammen mit den Ortungsinformationen in einer Basisstation
werden gegebenenfalls die Nachrichten zu Notfallsituationen – die Notrufe – gesendet,
die mittels der Einheit 11 und des Navigations-Prozessors 9 geformt
werden, und werden mit Hilfe der Einheit 12 auf einem Kommunikationskanal
an eine Basisstation 13 gesendet.
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Das
Merkmal des beanspruchten Empfängers
(sowie des Prototyp-Empfängers),
das Positionsfeststellung und Senden von Alarminformationen, die
Ortungsdaten in Notfallsituationen enthalten, ist die Notwendigkeit
schnellen Suchens nach Signalen sowohl bei normalem GPS-Signalempfang
als auch unter Bedingungen der Blockierung der Signale. Die Realisierung
schnellen Suchens nach Signalen in dem genannten Empfänger wird
durch genaue Kenntnis der realen Frequenzen bereitgestellt, die als
Ergebnis der Umwandlung in der Einheit 1 erhalten werden.
Der Account realer Frequenzen wird in dem genannten Empfänger durch
Vorrichtungen der Einheit 14 sowie durch Vorrichtungen 15, 16 des
Navigations-Prozessors 9 bereitgestellt.
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Die
Aktivität
dieser Vorrichtungen wird wie folgt durchgeführt.
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In
der Einheit 12 wird das hochstabile Trägersignal (Fbase,
extern) ausgewählt,
zum Beispiel durch eine Schmalbandfilterung von Signalen, die durch
die Kommunikationskanäle
von der Basisstation 13 kommen. In der Einheit 12 wird
auch ein zusätzliches Steuersignal
Vcontr., das das Anliegen eines Signals Fbase,extern eines
bestimmten Pegels anzeigt, geformt. Die Signalkonditionierung Vcontrol, kann zum Beispiel durchgeführt werden,
indem ein Signal Fbase, extern detektiert
und mit einem Schwellenwert verglichen wird. Die Signale Fbase, extern und Vcontrol,
von dem jeweiligen Ausgang der Einheit 12 werden an die
Verbindungsleitung einer Signalisierung an dem zweiten Eingang der
Einheit 14 angelegt. In der Einheit 14 werden
die Signale an den Steuereingang der Einheit 22 angelegt
(Erzeugung von Daten zur Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators
von einem Sollwert), das heißt
an einen Steuereingang des Registers der Daten, die in der Struktur
der Einheit 22 enthalten sind, wodurch die Aufzeichnung
der Daten ermöglicht
wird, die von dem Ausgang einer integrierenden Verbindung 21 kommen.
Das Anliegen eines Signals Vcontrol stellt
Aktivität
in der Einheit 14 nur bei Anliegen eines Signals Fbase, extern bereit, das die Bildung der
offensichtlichen Fehlerdaten (unter Bedingungen des Nichtanliegens
eines Signals Fbase, extern) in Einheit 14 eliminiert.
Das hochstabile Frequenzsignal Fbase, extern wird
an einen Eingang eines Frequenzteilers 20 angelegt, wo
es zu einem Frequenzsignal Fmed. norm umgewandelt
werden wird, das geeignet ist für
eine Frequenz, auf der der Phasendiskriminator 17 arbeitet.
Das Frequenzsignal Fbase des Basisgenerators 8,
das an den ersten Eingang der Einheit 14 angelegt wird,
wird in einem Frequenzteiler 19 zu der Frequenz Fmed. umgewandelt. Normalerweise stimmen die
Frequenzen Fmed. norm und Fmed. nicht überein. Die
Inkongruenz dieser Fre quenzen, die die Abweichung der Frequenz Fbase eines Signals des Basisgenerators 8 von
einem Sollwert beschreibt, wird durch eine PLL-Frequenzschaltung
bestimmt, die durch einen Phasendiskriminator 17, eine
integrierende Verbindung 21 und eine Einheit 18 für Frequenzabstimmung
gebildet wird.
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Die
Schaltung arbeitet wie folgt. Von einem Ausgang eines Frequenzteilers 19 wird
das Frequenzsignal Fmed. an einen Signaleingang
der Einheit 18 für
Frequenzabstimmung angelegt, die die Frequenz eines Signals gemäß einem
Signal (ΔF),
das an ihren Steuereingang von einem Ausgang einer integrierenden
Verbindung 21 angelegt wird, ändert. Das Ausgangssignal der
Einheit 18 wird an den ersten Eingang des Phasendiskriminators 17 angelegt, wo
es mit einem Signal (Fmed. norm.), das von einem Ausgang eines Frequenzteilers 20 an
ihren zweiten Eingang angelegt wird, verglichen wird. Das Verstimmungssignal
von einem Ausgang eines Phasendiskriminators 17 wird an
einen Eingang einer integrierenden Verbindung 21 angelegt,
wodurch ein Steuersignal geformt wird, das proportional zu einer Abweichung
der Frequenzen Fmed. und Fmed. norm. ist. In dem stabilen Betriebswert
stimmt das Signal an einem Ausgang der Einheit 18 in Frequenz und
Phase mit einem Signal Fmed. norm. überein, an einem Ausgang eines
Phasendiskriminators 17 werden Verstimmungen minimiert,
und das Signal ΔF
an einem Ausgang einer integrierenden Verbindung 21 charakterisiert
Wert und Art einer Abweichung von Frequenzen Fmed.
norm und Fmed. Fmed.
norm und Fmed., das heißt es charakterisiert
die Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators 8 von
einem Sollwert. Das Signal ΔF,
das die Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators 8 von
einem Sollwert beschreibt, wird in dem Register der Daten der Einheit 22 festgehalten
(angesichts einer Art). Von den Ausgängen der Kategorien des Registers
der Daten der Einheit 22 werden Übergangsdaten zu dem Wert und der
Art der Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators 8 von
einem Sollwert an die Speichereinheit 10 übergeben,
wo sie mittels der Vorrichtung 15 gespeichert werden. Die
Daten zu der Abweichung einer Signalfrequenz des Basisgenerators 8 von
den in der Vorrichtung 15 gespeicherten Sollwerten werden
danach von dem Element 16 bei der Erzeugung der Einstelldaten
einer Trägerfrequenz
in dem Navigations-Prozessor 9 für Betriebssteuerung des Signalprozessors 5 und
der Einheit 6 für
Korrelationsverarbeitung bei der Suche nach Signalen verwendet.
Das schnelle Suchen nach Signalen wird somit mittels einer Feineinstellung
von Trägerfrequenz in
den Einheiten 5 und 6 gemäß einer realen Signalfrequenzrate,
erhalten von einem Ausgang des Funkfrequenzum wandlers 1,
bereitgestellt. Praktisch kann die schnelle Suche nach Signalen
bei einer Feineinstellung von Frequenzen innerhalb der Grenzen eines
Suchzyklus implementiert werden.
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Wie
aus dem Vorgesagten folgt, ist die beanspruchte Erfindung somit
technisch realisierbar, industriell anwendbar, und löst das Problem
der Bereitstellung des Empfängers
mit technischen Vorrichtungen, die die Bestimmung der Abweichung
einer Bezugsfrequenz (Basisfrequenz) von einem Sollwert ermöglicht,
wobei ein externes hochstabiles Bezugssignal (Basissignal) für diesen
Zweck genutzt wird, welches auf einem Funkkanal von einer Basisstation empfangen
wird. Das damit erzielte Ergebnis, das heißt die Fähigkeit der Erzeugung von Daten
zu der Abweichung der Bezugsfrequenz von einem Sollwert, wird in
Informationen der Einstelldaten einer Trägerfrequenz in dem Navigations-Prozessor 9 für Steuerung
des Signalprozessors 5 und der Einheit 6 für Korrelationsverarbeitung
bei der Suche nach Signalen verwendet, die die Ausführung schneller
Suche nach Signalen bei einer Positionsfeststellung sowohl unter
Bedingungen normalen GPS-Signalempfangs als auch unter Bedingungen
der Blockierung derselben ermöglicht.
Die Anwendung von einfachen Basisgeneratoren – einfachen, unkompensierten
Chips – wird
möglich.
Die genannten Merkmale machen die beanspruchte Erfindung einsetzbar
in Systemen der persönlichen
Sicherheit.