Maximum likelihood delay estimation in a navigation receiver for aeronautical applications

The potential of the SAGE (Space Alternating Generalized Expectation Maximization) algorithm for navigation systems in order to distinguish the line-of-sight signal (LOSS) is to be considered. The SAGE algorithm is a low-complexity generalization of the EM (Expectation-Maximization) algorithm, which iteratively approximates the maximum likelihood estimator (MLE) and has been successfully applied for parameter estimation (relative delay, incident azimuth, incident elevation, Doppler frequency, and complex amplitude of impinging waves) in mobile radio environments. This study discusses receivers using a single antenna or an antenna array. Whereas we estimate the complex amplitudes, relative delays, and Doppler frequencies of the impinging waves, in the latter additionally the spatial signature of the impinging waves (incident azimuth and elevation) is estimated. The results of the performed computer simulations and discussion indicate that the SAGE algorithm has the potential to be a very powerful high resolution method to successfully estimate parameters of impinging waves for navigation systems. SAGE has proven to be a promising method to combat multipath for aircraft navigation applications due to its good performance, fast convergence, and low complexity.

ZusammenfassungIn dieser Arbeit wird der SAGE (Space Alternating Generalized Expectation Maximization) Algorithmus im Hinblick auf Verzögerungsschätzung des direkten Ausbreitungspfades (Line-of-sight signal) für Satellitennavigationssysteme untersucht. Der SAGE Algorithmus ist eine komplexitätsreduzierte Generalisierung des EM (Expectation Maximization) Algorithmus, der den Maximum Likelihood Schätzer (MLE) zu approximieren sucht und der schon erfolgreich dazu eingesetzt worden ist Signalparameter (relative Verzögerung, Azimut, Elevation, Dopplerfrequenz und komplexe Amplitude der einfallenden Wellenfronten) in typischen Szenarien für Mobilfunkanwendungen zu schätzen. Diese Studie untersucht Empfänger mit einer Einzelantenne und mit einer Gruppenantenne. Hierbei werden für den Einzelantennenfall die relativen Verzögerungen, die komplexen Amplituden und die Dopplerfrequenzen der einfallenden Wellenfronten geschätzt, im Falle einer Gruppenantenne wird noch zusätzlich die räumliche Signatur (einfallender Azimut und Elevation) der einzelnen Wellenfronten geschätzt. Die Ergebnisse der durchgeführten Computersimulationen und der Untersuchung lassen darauf schließen, dass der SAGE Algorithmus ein leistungsstarkes und hochauflösendes Verfahren ist, das in der Lage ist erfolgreich Signalparameter von einfallenden Wellenfronten für die Anwendung in der Satellitennavigation zu schätzen. SAGE hat sich aufgrund seiner sehr hohen Leistungsfähigkeit, guten Konvergenzeigenschaften und niedrigen Rechenaufwandes, als viel versprechende Methode zur Unterdrückung von Mehrwegesignalen in Satellitennavigationsempfängern für Luftfahrtanwendungen erwiesen.