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001011639 245__ $$aAdvanced signal processing strategies for resilient satellite navigation using multi-correlator structures$$cvorgelegt von Christian Siebert, M. Sc.$$honline
001011639 246_3 $$aNeue Strategien der Signalverarbeitung zur robusten Satellitennavigation unter Anwendung von Multi-Korrelator-Strukturen$$yGerman
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001011639 502__ $$aDissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025$$bDissertation$$cRheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen$$d2025$$gFak06$$o2025-04-07
001011639 500__ $$aVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
001011639 5203_ $$aPositionsbestimmung und Zeitmessung sind zu einer entscheidenden Komponente in einer Vielzahl von Anwendungen geworden. Dies reicht von der Positionierung und Navigation in der Luftfahrt, der Schifffahrt und im Straßenverkehr bis hin zur systemkritischen Zeitsynchronisation von Stromnetzen oder Mobilfunknetzen. Auf globaler Ebene wird dies bereits heute durch globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) realisiert. Allerdings können Umweltbedingungen deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Eine bekannte Fehlerquelle in diesem Zusammenhang ist die Mehrwegausbreitung. Objekte in der Nähe des Empfängers reflektieren die Satellitensignale, was bei herkömmlichen GNSS-Empfängern zu Fehlern oder sogar zum Ausfall führen kann. Eine zweite Fehlerquelle sind atmosphärische Effekte, insbesondere durch die Ionosphäre. Die Sonnenstrahlung ionisiert Atome und Moleküle in dieser Schicht der Atmosphäre. Die dabei entstehenden freien Elektronen führen zu zusätzlichen Signallaufzeitverzögerungen. Da dieser Effekt frequenzabhängig ist, kann er mit einem Mehrfrequenzempfänger unter Verwendung der ionosphärenfreien Kombination weitgehend eliminiert werden. Andere Fehler, wie z.B. Mehrwegfehler, neigen jedoch dazu, durch diesen Prozess verstärkt zu werden. Die Mehrwegausbreitung stellt damit einen limitierenden Faktor für GNSS dar. In der Literatur wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl von Ansätzen zur Reduzierung von Mehrwegeffekten vorgeschlagen. Diese unterscheiden sich in ihrer Wirksamkeit und Komplexität je nach Anwendung und Anforderungen, für die sie entwickelt wurden. Es wurde jedoch festgestellt, dass in Bezug auf Lösungen, die wirksam sind, eine gute Rauschleistung bieten und von angemessener Komplexität sind, in der Literatur eine gewisse Lücke besteht. In dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Reduzierung von Mehrwegeffekten entwickelt, um diese Lücke zu schließen. Die Ausbreitungseigenschaften werden in Form einer LOS (Line-of-Sight)-Verzögerung und einer Impulsantwort, die die Mehrweganteile darstellt, geschätzt. Dies ermöglicht eine verbesserte Schätzung der Signallaufzeit. Der Ansatz wird mit synthetischen Daten, Hardware-Emulationen und realen Messdaten analysiert, um zu bestätigen, dass er die Entwurfskriterien erfüllt. Darüber hinaus wird die Integration in eine fortschrittliche Vector-Tracking (VT) Empfängerarchitektur gezeigt. Die gemeinsame Verarbeitung aller Satelliten erhöht die Zuverlässigkeit in herausfordernden Umgebungen und stellt zusammen mit der erhöhten Mehrwegresilienz des vorgeschlagenen Algorithmus eine leistungsfähige Kombination dar. Zusätzlich wurde die Erweiterung auf die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Frequenzen untersucht. Die dadurch erreichte Beobachtbarkeit der ionosphärischen Laufzeitverzögerungen wird zur aktiven Schätzung des Effekts genutzt. Die Mehrwegresilienz des entwickelten Algorithmus ermöglicht eine genaue Schätzung auch in Mehrwegumgebungen. Schließlich wurde die Erweiterung auf Gruppenantennen untersucht. Die dadurch zusätzlich verfügbare räumliche Domäne erlaubt es, die zeitliche Auflösungsgrenze zu überwinden, die die Effektivität der vorgeschlagenen Lösung gegen Mehrwegeffekte mit kurzen Signallaufzeiten einschränkt.$$lger
001011639 520__ $$aPositioning and timing has become a crucial component in a broad field of applications. This spans from positioning and navigation in aeronautics, maritime, and automobile applications to system critical time synchronization of power grids or mobile telecommunication networks. On a global scale, this is achieved already today with global navigation satellite systems (GNSSs). However, environmental conditions can affect their performance and reliability. A well-known threat in this context is the multipath propagation. Objects in the nearer receiver environment reflect the satellite signals, which can cause errors or even failure of conventional GNSS receivers. A second threat are atmospheric effects, in particular due to the ionosphere. Solar radiation ionizes the remaining atoms and molecules in this layer of the atmosphere. The resulting free electrons introduce additional signal delays. As this effect is frequency-dependent, it can be largely eliminated with a multi-frequency receiver using the ionosphere-free combination. Unfortunately, other errors, such as multipath errors, tend to be amplified in this process. Multipath propagation depicts therewith a limiting factor in GNSS. In the literature, a large number of approaches have been proposed in the past to mitigate the effect of multipath. They vary in effectiveness and complexity depending on the application and requirements they were developed for. Nevertheless, a certain gap has been identified in the literature regarding solutions, that are effective, provide a good noise performance, and are of feasible complexity. In this work, a multipath mitigating algorithm has been developed, that is designed to fill this gap. Propagation characteristics are estimated in the form of a line-of-sight (LOS) delay and an impulse response that represents multipath components. This enables an improved delay estimation. The approach will be analyzed with synthetic data, hardware emulations, as well as actual measurement data, confirming that it fulfills the design criteria. In addition, the integration into an advanced vector tracking (VT) receiver architecture has been shown. The joint processing of all satellites increases reliability in challenging environments and depicts with the increased multipath resilience of the proposed algorithm a strong combination. Moreover, the extension to simultaneously processing multiple frequencies has been explored. The therewith achieved observability of the ionospheric delays is used to actively estimate this effect. The multipath resilience of the underlying developed algorithm allows for an accurate estimation, also in multipath environments. Last but not least, the extension to antenna arrays has been explored. The therewith additionally available spatial domain allows to overcome the temporal resolution limit that was limiting the effectiveness of the proposed solution against short delay multipaths.$$leng
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