Konzept eines digitalen Empfängers für die Funknavigation mit optimierten Algorithmen zur Signaldemodulation
 

(von Dr.-Ing. Anselm Fabig)

Der folgende Text ist aus einer 1995 am Fachbereich Elektrotechnik der Technischen Universität Berlin (D83) zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur genehmigten Dissertation abgeleitet worden.

Danksagung :

Zum Gelingen und zur Durchführung dieser Arbeit haben viele Menschen beigetragen, die mich während der Jahre der Konzentration auf das Thema unterstützt haben. Mein Dank gilt meiner Mutter Frau Gisela Fabig-Schmager und Frau Beate Stallmann für die Durchsicht und die Korrektur des Roh-Manuskriptes. Mein besonderer Dank gilt meinem langjährigen Kollegen Herrn Dr.-Ing. Marius Schlingelhof  für die anregenden, kritischen und konstruktiven Gespräche während unserer Zusammenarbeit an der TU-Berlin.

Inhalt :

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0. Das vollständige Inhaltsverzeichnis
2
23 k
1. Einleitung
4
dieses File
14 k
2. Funknavigationsverfahren
6
26 k
2.1. VOR (UKW-Drehfunkfeuer)
9
90 k
2.2. DME (Dezimeterwellen-Entfernungsmessung)
16
35 k
2.3. TACAN (Drehfunkfeuer für das Militär)
20
25 k
2.4. ANS (Flächennavigation)
23
68 k
2.5. ILS (Das Instrumentenlandesystem)
26
54 k
2.6. NDB / ADF (Mittelwellen-Peilung)
29
20 k 
2.7. – 
2.9.
Die Hyperbelverfahren
(LORAN, DECCA, OMEGA)
30
56 k
2.10. -
2.10.4.
Die Satellitenverfahren
(GPS und GLONASS)
38
65 k
2.11. -
2.12.
Anforderungen an Navigationsempfänger und 
Auswahl der Verfahren
43
54 k
3.  Prinzipien analoger und digitaler Demodulationsverfahren
47
250 k
4. Direktempfang und LORAN-C-Auswertung
68
259 k
5. VOR-Demodulation und Auswertung
94
166 k
5.6.
5.11.
Substitution der FM-Demodulation beim VOR-Empfang
ILS-Auswertung
103
123 k
6. Ein neues digitales Empfängerkonzept
113
103 k
7. Zusammenfassung
125
7 k
8. Anhang
126
59 k
9. – 11. Quellenverzeichnis, Abkürzungen, Stichwortverzeichnis
130-148
68 k



1. Einleitung

Die Notwendigkeit, sich von einem Ort zu einem anderen Ort zu bewegen, schafft einen Bedarf an Navigation. Dies fällt jedoch erst dann auf, wenn die Orte weit genug, in der Regel außerhalb des gewohnten Erfahrungsbereichs, auseinanderliegen.

Der Wunsch nach ständiger Verfügbarkeit von Navigationsinformation ohne sichtbare Landmarken, hat speziell in der See- und Luftfahrt zu der Entwicklung der verschiedensten Funknavigationssysteme geführt. Angefangen von Lang- und Mittelwellenpeilern in den ersten Jahrzehnten dieses Jahrhunderts bis zu den heutigen Satellitennavigationsverfahren haben ständige Fortschritte in der Technik und steigende Anforderungen des Militärs zur Entwicklung der unterschiedlichen Funknavigationssysteme geführt.

Der Prozeß der Positionsbestimmung bzw. Navigation kann wie folgt formuliert werden.
 
Navigation ist der Prozeß der Analyse und Vorhersage einer relativen Bewegung, um von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt zu gelangen. Die Bewegung wird charakterisiert durch Richtung und Geschwindigkeit. Diese beiden Parameter müssen, unter Berücksichtigung ökonomischer Randbedingungen, so genau wie möglich bestimmt werden. Die Analyse der Bewegung schließt die Bestimmung der augenblicklichen Position mit ein. Dafür sind bestimmte Meß- und Rechenvorgänge notwendig. 

Der Grundgedanke der Positionsbestimmung ist der Schnitt zweier oder mehrerer Standlinien in einem Punkt in der Ebene bzw. dreier oder mehrerer Flächen im Raum. Diese Linien bzw. Flächen müssen nicht notwendigerweise Geraden oder Ebenen sein.

Funknavigationsgeräte sind in der Regel nur zum Empfang der Signale eines bestimmten Verfahrens ausgelegt. Solche Geräte versagen, wenn z.B. aus Gründen der Reichweite innerhalb eines geographischen Gebietes keine zwei Standlinien des entsprechenden Verfahrens mehr verfügbar sind. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein Konzept für einen digitalen Funknavigationsempfänger vorgeschlagen, der den Empfang unterschiedlicher Verfahren ermöglicht. Die gesuchte Position kann dann nicht nur durch den Schnitt verschiedener Standlinien desselben Verfahrens, sondern durch die Kombination von verschiedenen Standlinien unterschiedlicher Verfahren bestimmt werden. Der Empfänger muß notwendigerweise einen großen Frequenzbereich überdecken und verschiedene Demodulationsverfahren beherrschen.

Das vorgestellte Empfängerkonzept nutzt die Vorteile der Digitalen Signalverarbeitung und ermöglicht dadurch Leistungsmerkmale, die mit analogen Empfängern nicht erreichbar sind. Wesentlich am vorgestellten Konzept ist die Trennung von Empfang und Auswertung (Bild 1). Der Empfänger gibt die Standlinieninformation direkt an einen Host-Rechner weiter, erst dort wird sie zu einem Fix weiterverarbeitet. Schlingelhof geht in [83] ausführlich auf die Problematik der Standortbestimmung aus verschiedenen Standlinien ein.
 
 
 
Bild 1: Aufteilung der Blöcke Standlinienbestimmung und Positionsbestimmung 

Durch den Einsatz des digitalen Empfängers kann die funknavigatorisch vorhandene Infrastruktur besser genutzt werden und es können bestimmte geographische Gebiete erschlossen werden, in denen mit nur einem einzelnen Verfahren keine Positionsbestimmung möglich war.


Die vorliegende Arbeit besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen :



Es ist an dieser Stelle anzumerken, daß die Arbeit in einem Zeitraum (1990-1994) entstanden ist, in dem GPS noch zu den teuren und unvollständig ausgebauten Funknavigationsverfahren zählte. Außerdem waren Digitalen Signalprozessoren der eingesetzten Familie nur mit 10 MIPS verfügbar. Beide Situationen haben sich in den letzten Jahren entscheidend verbessert.

Die Verwendung von Auszügen ist -wie bei veröffentlichten wissenschaftlichen Arbeiten üblich- unter vollständiger Quellenangabe (siehe Titelzeilen und erster Absatz) sowie Mitteilung an den Autor gestattet.

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