DE102004035608B4

DE102004035608B4 - Empfänger eines Positionsbestimmungssystems und Verfahren zur Positionsbestimmung mit erhöhter Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE102004035608B4
Application number: DE102004035608.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmid; André Neubauer
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: US7106251B2; CN1725030B; CN1725030A; US20060017615A1; DE102004035608A1

Abstract

Empfänger (1; 20) eines Positionsbestimmungssystems, das auf der Auswertung unterschiedlicher Laufzeiten von Ortungssignalen basiert, wobei die Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern mit bekannten Positionen ausgesendet werden und vom Empfänger (1; 20) empfangen werden, mit – einer Berechnungseinheit (6, 7, 8) zur Berechnung eines statistischen Werts (Λ) anhand eines von dem Empfänger (1; 20) empfangenen Signals, – einer Detektoreinheit (9), die derart ausgestaltet ist, dass sie den statistischen Wert (Λ) mit einem Schwellwert (κ) vergleicht und anhand des Vergleichs bestimmt, ob das empfangene Signal ein Ortungssignal ist, – einer Schätzeinheit (10; 21) zur Schätzung des Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N0) des empfangenen Signals basierend auf dem zweiten nicht-zentralen Moment (M2) des empfangenen Signals und dem vierten nicht-zentralen Moment (M4) des empfangenen Signals und – einer Bestimmungseinheit zur Bestimmung des Schwellwerts (κ) anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N0).

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger eines Positionsbestimmungssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Empfängers eines Positionsbestimmungssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.
Es ist seit längerem bekannt, eine Positionsbestimmung auf der Basis von Funkverbindungen, beispielsweise innerhalb des satellitengestützten GPS(Global Positioning System)-Systems vorzunehmen. Das europäische Satellitennavigationssystem Galileo sowie Positionierungsverfahren auf Basis terrestrischer Funkquellen bieten weitere Anwendungen. Derartige Positionsbestimmungsverfahren und entsprechende Geräte erlauben dem Benutzer, seine Position durch Messung des Abstands zu einer bestimmten Anzahl von drahtlosen Signalquellen wie Satelliten oder Basisstationen zu bestimmen. Beispielsweise überträgt jeder GPS- und Galileo-Satellit einzigartige digitale Sequenzen, die eine Zeitkennung und die Satellitenposition beinhalteten. Die Signale werden für gewöhnlich mit langen Spreizcodes codiert. Die Spreizcodes für die individuellen Satelliten sind nahezu orthogonal zueinander, sodass die Signale im Empfänger voneinander unterschieden werden können. Beispielsweise sind die Spreizcodes der verschiedenen GPS- und Galileo-Satelliten zueinander mittels hochgenauer, in den Satelliten installierter Atomuhren synchronisiert.
Der Empfänger wertet die relativen Verzögerungen zwischen der Signalübertragung verschiedener Funkquellen (GPS-Satelliten, Galileo-Satelliten oder terrestrische Sender) aus und ermittelt daraus so genannte Verzögerungszeitoffsets. Zusammen mit den Daten über die Position und den Zeitbezug der verschiedenen Funkquellen können die Verzögerungszeitoffsets verwendet werden, um den Empfänger exakt zu lokalisieren. Der Empfänger berechnet zu diesem Zweck die so genannten Pseudo-Reichweiten, welche die Entfernung zu jeder Funkquelle darstellen. Eine Navigationssoftware kann dann die Benutzerposition auf der Basis der Pseudo-Reichweite zu jeder Funkquelle und der Position der Funkquellen durch Lösen eines Satzes von nicht-linearen Gleichungen berechnen.
Viele heutzutage gebräuchliche Empfänger von Positionsbestimmungssystemen basieren darauf, die Abtastwerte der empfangenen spreizcodierten Ortungssignale zunächst zu entspreizen und anschließend einer kohärenten und einer nicht-kohärenten Integration zu unterwerfen. Die daraus erhaltenen statistischen Werte werden einem Detektor, beispielsweise einem Neyman-Pearson-Detektor, zugeführt, welcher die Wahrscheinlichkeit für die Erkennung der Ortungssignale gemäß den gewünschten Anforderungen maximiert.
Der Detektor vergleicht die ihm zugeführten statistischen Werte mit einem Schwellwert. Sofern ein statistischer Wert größer als der Schwellwert ist, wird angenommen, dass ein Ortungssignal empfangen wurde. Im umgekehrten Fall wird das empfangene Signal nicht als Ortungssignal eingestuft. Dadurch soll vermieden werden, dass Signale, die keine Ortungssignale sind, zur Positionsbestimmung herangezogen werden. Ferner schließt dieses Verfahren auch aus, dass Ortungssignale mit einer zu kleinen Empfangsamplitude zur Positionsbestimmung herangezogen werden.
Die Druckschrift „Kennemann O.: Lokalisierung von Mobilstationen anhand ihrer Funkmeßdaten, Verlag der Augustinus Buchhandlung, 1997, ISBN 3-86073-620-5, S. 35–41, 63–81, 141–156” beschreibt Verfahren zur Lokalisierung von Mobilstationen.
Die Druckschrift US 59 20 278 A beschreibt ein Verfahren zum Identifizieren oder Kommunizieren mit entfernten Objekten.
Die Druckschrift US 59 45 949 A beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Position von Mobilfunkstationen in einem drahtlosen Kommunikationssystem.
Die Druckschrift US 62 36 365 B1 beschreibt ein Verfahren zur Lokalisierung einer Mobilstation.
Die Druckschrift „Austin M. D., Stüber G. L.: Exact cochannel interference analysis for log-normal shadowed Rician fading channels. In: Electronics letters, 1994, No. 10, S. 748 beschreibt ein Verfahren zur Interferenzanalyse bei Rice-fading Kanälen
Die Druckschrift DE 101 14 052 C1 beschreibt ein Funkübertragungsverfahren im Innenraumbereich zur parallelen Funkübertragung von digitalen Datenteilströmen.
Die Druckschrift DE 10 2004 032 222 A1 beschreibt einen Empfänger eines Positionsbestimmungssystems mit verbesserter Sensitivität.
Die Druckschrift JP 2003-139 843 A beschreibt einen GPS Empfänger mit Bestimmung eines SNR Schwellwerts.
Die Druckschrift „Raghavan, S., K. Tsai and L. Cooper (2004), GPS CDMA Noise Analysis, AIAA-2004-3182 22^nd AIAA International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit 2004 (ICSSC), 9.-12. Mai 2004, Monterey, CA, USA” beschreibt ein Verfahren zur GPS CDMA Störungsanalyse und gibt eine Formal an, nach der ein effektives Signalträger-zu-Störungs-Verhältnis bestimmt werden kann.
Ein Problem besteht darin, dass die individuellen Ortungssignale den Empfänger nicht immer entlang eines direkten Sichtverbindungspfads (line of sight, LOS) erreichen, sondern oftmals durch vielfältige Hindernisse abgeschwächt werden. Zu diesen Hindernissen zählen Gebäudewände und -decken, beschichtete Fenster, Karosserien von Kraftfahrzeugen, Schattenspender sowie Baumkronen. Da bei Satellitennavigationssystemen die verschiedenen Satelliten in vorgegebenen Konstellationen möglichst weiträumig voneinander verteilt sind, erreichen die verschiedenen, von den einzelnen Satelliten ausgesendeten Ortungssignale den Empfänger aus völlig unterschiedlichen Richtungen. Die auf verschiedenen Übertragungspfaden zum Empfänger gelangenden Ortungssignale werden daher unterschiedlich abgeschwächt. Während beispielsweise von dem einen Satelliten ausgestrahlte Ortungssignale eine Wand durchlaufen müssen, durch welche sie um 25 dB abgeschwächt werden, um zu dem Empfänger zu gelangen, erreichen die von einem anderen Satelliten stammenden Ortungssignale den Empfänger möglicherweise über einen Sichtverbindungspfad. Dies kann dazu führen, dass Ortungssignale aufgrund ihrer Abschwächung von dem Detektor nicht mehr als solche erkannt werden bzw. dass der Empfänger Signale, die keine Ortungssignale sind, für Ortungssignale hält.
Ein Empfänger, der zur Positionsbestimmung eingesetzt wird, ist beispielsweise in der Druckschrift „Lokalisierung von Mobilfunkstationen anhand ihrer Funkmeßdaten” von O. Kennemann, erschienen im Verlag der Augustinus Buchhandlung, 1997, offenbart.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Empfänger für ein Positionsbestimmungssystem zu schaffen, der eine höhere Empfindlichkeit als herkömmliche Empfänger aufweist. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Empfänger ist Bestandteil eines Positionsbestimmungssystems. Das dem Positionsbestimmungssystem zugrunde liegende Prinzip beruht darauf, dass Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern ausgesendet werden und anschließend von dem Empfänger empfangen werden. Der Empfänger kann anhand eines von ihm empfangenen Ortungssignals den Sender, von welchem das Ortungssignal ausgesendet wurde, und den Zeitpunkt, zu welchem das Ortungssignal ausgesendet wurde, identifizieren. Für den Fall, dass die Sender nicht ortsfest angeordnet sind, lässt sich aus dem Ortungssignal außerdem noch der Ort, an welchem sich der betreffende Sender zum Sendezeitpunkt befand, ableiten. Da der Empfänger die Zeitpunkte, zu denen Ortungssignale von unterschiedlichen Sendern empfangen wurden, kennt, kann er anhand der Laufzeitunterschiede der einzelnen Ortungssignale seine genaue Position ermitteln.
Der erfindungsgemäße Empfänger weist eine Berechnungseinheit auf, welche aus einem empfangenen Signal einen statistischen Wert berechnet. Der statistische Wert wird einer Detektoreinheit zugeführt, die einen Vergleich des statistischen Werts mit einem Schwellwert durchführt. Anhand des Ergebnisses dieses Vergleichs kann die Detektoreinheit bestimmen, ob das empfangene Signal ein synchronisiertes Ortungssignal ist. Vorzugsweise kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Detektoreinheit anhand des durchgeführten Schwellwertvergleichs darüber hinaus entscheidet, ob ein empfangenes Ortungssignal zur Positionsbestimmung des Empfängers herangezogen wird. Es kann nämlich vorkommen, dass das Ortungssignal während der Übertragung vom Sender zum Empfänger derart abgeschwächt worden ist, dass es sich bei seinem Empfang nur ungenügend vom Rauschen unterscheiden lässt.
Des Weiteren weist der erfindungsgemäße Empfänger eine Schätzeinheit und eine Bestimmungseinheit auf.
Die Schätzeinheit dient zur Schätzung des Verhältnisses der Signalträgerleistung (carrier power) C zur Rauschleistungsspektraldichte (noise power spectral density) N₀ des empfangenen Signals in Abhängigkeit von einer Abtastperiode, mit der das empfangene Signal im Empfänger abgetastet wird.
Anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung zur Rauschleistungsspektraldichte des empfangenen Signals bestimmt die Bestimmungseinheit den Schwellwert, welcher anschließend von der Detektoreinheit für den Schwellwertvergleich herangezogen wird. Die Schätzung des besagten Verhältnisses und die anschließende Anpassung des Schwellwerts wird insbesondere für jedes empfangene Signal durchgeführt.
Der erfindungsgemäße Empfänger weist gegenüber herkömmlichen Empfängern von Positionsbestimmungssystemen den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit auf. Die höhere Empfindlichkeit ergibt sich aus der Abhängigkeit des Schwellwerts von dem Quotienten C/N₀.
Wird ein Ortungssignal beispielsweise bei der Funkübertragung so stark abgeschwächt, dass der anhand des empfangenen synchronisierten Ortungssignals ermittelte statistische Wert kleiner als der eingestellte Schwellwert ist, so würde das empfangene synchronisierte Ortungssignal von dem Empfänger nicht als solches erkannt. Im umgekehrten Fall, d. h. bei einem zu kleinen Schwellwert, könnten Rauschsignale oder nicht-synchronisierte Signale fälschlicherweise für das Ortungssignal gehalten werden.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass das Verhältnis der Signalträgerleistung zur Rauschleistungsspektraldichte eines empfangenen Signals die Abschwächung angibt, die das Signal bei seiner Übertragung vom Sender zum Empfänger erfahren hat. Anhand dieses Verhältnisses kann der Schwellwert folglich so eingestellt werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein empfangenes synchronisiertes Ortungssignal detektiert wird, maximiert wird.
Der erfindungsgemäße Vorteil der erhöhten Empfindlichkeit bezüglich der Detektion von Ortungssignalen gilt sowohl für die Mehrwege-Signalausbreitung, bei welcher die Ortungssignale aufgrund von Reflexionen einen längeren Weg im Vergleich zum Sichtverbindungspfad zurücklegen, bis sie vom Empfänger empfangen werden, als auch für eine Signalübertragung über den Sichtverbindungspfad.
Die Bestimmungseinheit kann derart ausgestaltet sein, dass sie zunächst die Wahrscheinlichkeitsdichte (probability density function), die das empfangene Signal nach der Verarbeitung im Empfänger durch kohärente und nicht-kohärente Integration aufweist, anhand des geschätzten Quotienten C/N₀ berechnet. Anschließend wird der Schwellwert des Detektors anhand der Wahrscheinlichkeitsdichte unter Berücksichtigung des geschätzten Quotienten C/N₀ berechnet.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Bestimmungseinheit kann vorgesehen sein, dass die Bestimmungseinheit, nachdem sie die Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet hat, den Schwellwert aus einer Tabelle ausliest. In dieser Tabelle sind die Werte der Wahrscheinlichkeitsdichte mit den zugehörigen Schwellwerten aufgetragen. Die Tabelle wird vorzugsweise vor der Durchführung der Positionsbestimmung erstellt.
Eine weitere Alternative zur Bestimmung des Schwellwerts bildet eine Tabelle, die direkt die Detektorschwellwerte für die geschätzten Quotienten C/N₀ auflistet. Auch diese Tabelle wird vorzugsweise vor der Durchführung der Positionsbestimmung auf der Basis von vorberechneten Wahrscheinlichkeitsdichten erstellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers wird ein Wert für die Fehldetektionswahrscheinlichkeit fest vorgegeben. Die Fehldetektionswahrscheinlichkeit stellt die Wahrscheinlichkeit dafür dar, dass ein Signal, welches kein synchronisiertes Ortungssignal ist, von der Detektoreinheit fälschlicherweise für ein Ortungssignal gehalten wird. Dies passiert beispielsweise in dem Fall, in dem sich das durch Nicht-Ortungssignale erzeugte zufällige Rauschen so unglücklich kombiniert, dass es einen statistischen Wert erzeugt, der über dem Schwellwert liegt. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers fließt in die Berechnung des Schwellwerts neben dem geschätzten Quotienten C/N₀ auch der Wert für die Fehldetektionswahrscheinlichkeit ein.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers sieht vor, dass die Berechnungseinheit eine Reihenschaltung enthält, welche einen ersten Integrator zur kohärenten Integration, einen Betragsquadrat- oder Betragsbildner und einen zweiten Integrator zur nicht-kohärenten Integration umfasst. In die Reihenschaltung werden von einem Analog-Digital-Wandler erzeugte Abtastwerte des empfangenen Signals eingegeben. Am Ausgang der Reihenschaltung sind die statistischen Werte abgreifbar.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sender die Ortungssignale spreizcodieren. In diesem Fall weist die Berechnungseinheit eine Einheit zur Entspreizung des empfangenen Signals auf.
Es stehen grundsätzlich mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, um Werte, aus denen der Quotient C/N₀ abgeschätzt werden soll, aus dem Empfangspfad auszukoppeln. Beispielsweise können die von der Berechnungseinheit generierten statistischen Werte der Schätzeinheit zugeführt werden, um daraus den Quotienten C/N₀ abzuleiten. Alternativ dazu können die von der Entspreizeinheit erzeugten Werte der Schätzeinheit zugeführt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine weitere Schätzeinheit vor, die zur Schätzung des Rice-Faktors der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde, eingesetzt wird. Der geschätzte Rice-Faktor wird bei der Bestimmung des Schwellwerts von der Bestimmungseinheit berücksichtigt.
Der Rice-Faktor ist charakteristisch für die Stärke eines über einen Sichtverbindungspfad übertragenen Signals in Bezug zur Stärke der über Nicht-Sichtverbindungspfade übertragenen Signale. Bei einer Mehrwege-Signalausbreitung ist der Rice-Faktor folglich ein Maß für die Qualität oder die Zuverlässigkeit der Funkverbindung für die durchzuführende Positionsbestimmung. Der Rice-Faktor ist proportional zu dem Verhältnis zwischen der Signalstärke der Sichtverbindungskomponente und der Varianz der Mehrwegekomponente. Die Berücksichtigung des Rice-Faktors führt zu einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit des Empfängers bezüglich der Detektion von Ortungssignalen.
Zur Schätzung des Rice-Faktors können die Verfahren herangezogen werden, die in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 027 666 A1 „Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Genauigkeit von Positionsbestimmungs-Verfahren durch Abschätzung des Rice-Faktors einer Funkverbindung” angegebenen sind.
Ferner ist in der deutschen Patentanmeldung ”Empfänger eines Positionsbestimmungssystems mit verbesserter Sensitivität” ( DE 10 2004 032 222 A1 ) ein Empfänger eines Positionsbestimmungssystems offenbart, bei welchem die Anpassung des Schwellwerts anhand des geschätzten Rice-Faktors durchgeführt wird.
Vorzugsweise wird das Verhältnis der Signalträgerleistung zur Rauschleistungsspektraldichte des empfangenen Signals von der Schätzeinheit entsprechend folgender Gleichung geschätzt:
In Gleichung (1) stehen T_s für die Periode, mit der das empfangene Signal abgetastet wird, und y_v für die komplexe Einhüllende des empfangenen Signals im Basisband. Der Erwartungswert E{x} wird durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert.
Der Rice-Faktor lässt sich beispielsweise anhand der nachfolgend aufgeführten Gleichungen (2) und (3) bestimmen, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und E ^{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird:
Das Positionsbestimmungssystem kann ein satellitengestütztes System sein. In diesem Fall sind die Sender auf den in dem jeweiligen System verwendeten Satelliten angebracht. Insbesondere kann das Positionsbestimmungssystem ein GPS-System, ein GLONASS-System oder ein Galileo-Systems sein. Es kann sich im Prinzip aber auch um ein rein terrestrisches Positionsbestimmungssystem mit terrestrischen Funkquellen handeln. Derartige Positionsbestimmungssysteme können beispielsweise auf den Auswerteverfahren „time of arrival” (TOA), „time difference of arrival” (TDOA) oder „enhanced observed time difference” (E-OTD) beruhen. Die genannten Auswerteverfahren können auch in amerikanische, europäische oder asiatische Mobilfunksysteme implementiert werden, wie beispielsweise GSM, GPRS, EDGE, UMTS, DCS-1800, IS-136, IS-95, PCS-1900, CDMA-2000 und PDC.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Positionsbestimmung eines zu einem Positionsbestimmungssystems gehörenden Empfängers.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Vergleich eines statistischen Werts mit einem Schwellwert durchgeführt. Dazu wird zunächst der statistische Wert anhand eines von dem Empfänger empfangenen Signals berechnet. Des Weiteren wird das Verhältnis der Signalträgerleistung zur Rauschleistungsspektraldichte des empfangenen Signals in Abhängigkeit von einer Abtastperiode, mit der das empfangene Signal im Empfänger abgetastet wird, geschätzt. Anhand dieses geschätzten Verhältnisses wird der Schwellwert eingestellt. Der Schwellwert wird dabei so eingestellt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein empfangenes synchronisiertes Ortungssignal detektiert wird, maximiert wird. Anschließend kann anhand des Ergebnisses des genannten Vergleichs bestimmt werden, ob das empfangene Signal ein synchronisiertes Ortungssignal ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gleichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Positionsbestimmung auf wie der erfindungsgemäße Empfänger.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Empfängers 1 als erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Empfängers;
2 ein Blockschaltbild eines Empfängers 20 als zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Empfängers;
3a bis 3j Auftragungen der Wahrscheinlichkeit P_d für die Detektion des Ortungssignals gegen den Quotienten C/N₀ aus der Signalträgerleistung C und der Rauschleistungsspektraldichte N₀;
4 ein Blockschaltbild einer Schätzvorrichtung 50 zur Schätzung des Quotienten C/N₀;
5 ein Blockschaltbild einer Simulationsschaltung 80;
6 eine Darstellung von mit der Simulationsschaltung 80 erhaltenen Simulationsergebnissen für einen AWGN-Funkkanal;
7 ein Histogramm der aus der Simulation erhaltenen Amplituden der empfangenen Einhüllenden;
8a und 8b Darstellungen der aus der Simulation erhaltenen C/N₀-Werte; und
9 ein Blockschaltbild einer Schätzvorrichtung 100 zur Schätzung des Rice-Faktors K.
In 1 ist das Blockschaltbild eines Empfänger 1 eines Positionsbestimmungssystems dargestellt. Vorliegend handelt es sich um ein GPS-System. Die von den Satelliten des GPS-Systems ausgesendeten Ortungssignale werden von einer Antenne 2 empfangen. Der Antenne 2 ist eine RF-Frontend-Stufe 3 nachgeschaltet. Die RF-Frontend-Stufe 3 gibt die Quadraturkomponenten der komplexen Einhüllenden r(t) eines empfangenen Ortungssignals im Basisband aus: r(t) = √2C·d(t)·c(t)·exp(j·Δφ(t)) + n(t) (4)
In Gleichung (4) stehen d(t) für das Datensignal, c(t) für den empfangenen Spreizcode, Δφ(t) = φ(t) – φ_r(t) für den Phasenoffset zwischen der empfangenen Signalphase φ(t) und der Referenzphase φ_r(t) und n(t) für das komplexwertige additive weiße Gaußsche Rauschen (additive white Gaussian noise; AWGN) mit Mittelwert Null.
Nach der Verarbeitung durch die RF-Frontend-Stufe 3 wird das empfangene Ortungssignal von einem hinter der RF-FrontendStufe 3 angeordneten Analog-Digital-Wandler 4 zu Zeitpunkten ν abgetastet (ν ∈
). Die Abtastwerte r_ν werden entspreizt, indem sie ein Multiplizierer 5 mit dem komplex-konjugierten lokalen PRN Referenzspreizcode c * / r,ν+τmodL multipliziert. Die daraus erhaltenen Produkte werden in einem kohärenten Integrator 6 gemäß folgender Gleichung (5) aufsummiert:
Der Parameter L = T_c/T_s (L ∈
) gibt das Verhältnis zwischen der kohärenten Integrationszeit T_c und der Abtastperiode T_s an.
Durch Ausführen der Summation in Gleichung (5) ergibt sich:
In Gleichung (6) geben R_rc(τ) die zirkulare Kreuzkorrelationsfunktion zwischen c_ν und c_r,ν+τmodL, Δω den Frequenzversatz nach der Dopplerentfernung und w_μ = w_I,μ + j·w_Q,μ das resultierende komplexwertige additive weiße Gaußsche Rauschen mit Mittelwert Null an. Für die Erwartungswerte E{w 2 / I} und E{w 2 / Q} gilt:
Die von dem kohärenten Integrator 6 ausgegebenen Werte s_μ werden einem Betragsquadrat- bzw. Betragsbildner 7 und anschließend einem nicht-kohärenten Integrator 8 zugeführt. Bei der nicht-kohärenten Integration werden N = T_n/T_c Werte aufsummiert, wobei T_n die nicht-kohärente Integrationszeit angibt. Durch eine Division von Gleichung (6) durch σ 2 / w nehmen die Inphase-Komponente w_I und die Quadratur-Komponente w_Q des additiven weißen Gaußschen Rauschens eine Standardnormalverteilung mit Varianz Eins an. Von dem nicht-kohärenten Integrator 8 wird der nachfolgend aufgeführte statistische Wert Λ_AWGN ausgegeben
In einem nachgeschalteten Detektor 9 wird der statistische Wert Λ_AWGN mit einem Schwellwert κ_AWGN verglichen. Sofern Λ_AWGN κ_AWGN gilt, wird angenommen, dass eine Hypothese H₁ zutrifft, nach welcher das empfangene Signal ein von einem Satelliten ausgesendetes Ortungssignal ist, welches die getestete Code-Phase τ aufweist. Im umgekehrten Fall, nämlich für Λ_AWGN < κ_AWGN, gilt eine Hypothese H₀, welche besagt, dass das an der Antenne 2 empfangene Signal kein synchronisiertes Ortungssignal ist, welches die getestete Code-Phase τ aufweist.
Die Funktionsweise des Detektors 9 basiert auf dem Neyman-Pearson-Kriterium, welches die Wahrscheinlichkeit für die Detektion des Ortungssignals maximiert, sofern eine feste Rate für eine Fehldetektion, bei welcher ein Signal fälschlicherweise für das synchronisierte Ortungssignal mit der getesteten Code-Phase τ gehalten wird, vorgegeben ist.
Die Wahrscheinlichkeit P_f für eine Fehldetektion wird folgendermaßen berechnet:
Der Schwellwert κ wird anhand von Gleichung (9) berechnet, indem für die Wahrscheinlichkeit P_f ein fester Wert, beispielsweise 10^–3, vorgegeben wird.
Die Wahrscheinlichkeit P_d für die Detektion des Ortungssignals ist durch die nachfolgende Gleichung gegeben:
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichte (probability density function) p_Λ eine nicht-zentrale χ²-Verteilungsfunktion:
I_M/2-1(x) ist die modifizierte Bessel-Funktion erster Art und (M/2 – 1)ter Ordnung. Die Anzahl M_AWGN der Freiheitsgrade der χ²-Verteilungsfunktion von Gleichung (11) und der Nicht-Zentralitätsparameter γ 2 / AWGN berechnen sich wie folgt:
Die Erfindung sieht vor, dass der Quotient C/N₀ aus der Signalträgerleistung C und der Rauschleistungsspektraldichte N₀ geschätzt wird und dass anhand des Quotienten C/N₀ der optimale Schwellwert κ ermittelt wird, für welchen die Detektionswahrscheinlichkeit eines empfangenen synchronisierten Ortungssignals maximiert ist. Für die Rauschleistungsspektraldichte N₀ gilt N₀ = k·T₀, wobei k = 1,38·10^–23 J/K die Boltzmann-Konstante und T₀ = 290 K die Raumtemperatur sind. Der optimale Schwellwert κ kann mittels der Gleichungen (7), (9), (11) und (13) berechnet werden, sofern gemäß dem Neyman-Pearson-Kriterium für die Wahrscheinlichkeit P_f ein fester Wert, beispielsweise 10^–3, vorgegeben wird. Für die Schätzung des Quotienten C/N₀ ist in 1 die Schätzeinheit 10 vorgesehen. Die Bestimmung des Schwellwerts κ kann entweder in der Schätzeinheit 10 oder in dem Detektor 9 erfolgen.
In 1 ist vorgesehen, dass die Schätzeinheit 10 von dem nicht-kohärenten Integrator 8 gespeist wird. Alternativ dazu kann eine Schätzeinheit zur Schätzung des Quotienten C/N₀ auch dem Multiplizierer 5 nachgeschaltet sein. Das Blockschaltbild eines derartigen Empfängers 20 ist in 2 dargestellt. Der Empfänger 20 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Empfänger 1 lediglich durch die Anordnung der Schätzeinheit 21 und dem dementsprechend unterschiedlichen inneren Aufbau der Schätzeinheit 21 im Vergleich zur Schätzeinheit 10. Alternativ zu den beiden genannten Möglichkeiten kann die Schätzeinheit auch von dem kohärenten Integrator 5 oder von dem Betragsquadrat- bzw. Betragsbildner 7 gespeist werden.
Den vorstehend beschriebenen Gleichungen liegt ein AWGN-Kanalmodell zugrunde. Die Erfindung ist jedoch für beliebige Kanalmodelle gültig. Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch auf Rice- sowie Rayleigh-Kanalmodelle angewandt.
Sofern das empfangene Signal eine dominante, stationäre, d. h. nicht schwundbehaftete, Signalkomponente wie das Sichtverbindungssignal aufweist, gehorcht die Einhüllende des empfangenen Signals einer Rice-Verteilung. Ferner erzeugt der Rice-Mehrwegekanal eine komplexwertige weiße Gaußsche Rauschvariable u mit Mittelwert Null, die in der Bestimmungsgleichung der Einhüllenden r(t) des empfangenen Ortungssignals als multiplikativer Faktor auftritt. Für die Einhüllende x der Variable u gilt:
Nach „Probability, Random Variables and Stochastic Processes” von A. Papoulis und A. U. Pillai, erschienen bei McGraw-Hill, New York, 2002, folgt die Einhüllende x folgender Rice-Schwundverteilung (Ricean fading distribution) p_x(x):
I₀(x) ist die modifizierte Bessel-Funktion erster Art und nullter Ordnung. A 2 / u ist die Signalstärke der Sichtverbindungskomponente: A 2 / u = E{u_I}² + E{u_Q}² (16)
Der Rice-Faktor K ist definiert als das Verhältnis zwischen der Signalstärke der Sichtverbindungskomponente und der Varianz der Mehrwegekomponente:
Daraus folgt für die komplexe Einhüllende des Rice-Mehrwegekanals im Basisband: r(t) = √2C·d(t)·c(t)·exp(j·Δφ(t))·u(t) + n(t) (18)
Ferner gelten:
Für die aus dem kohärenten Integrator 6 ausgegebenen Werte s_μ gilt im Falle einer Rice-Verteilung folgende Gleichung:
Die Addition der beiden Gaußschen Variablen mit Mittelwerten ungleich Null in Gleichung (23) erzeugt eine weitere Gaußsche Variable mit Mittelwert ungleich Null. Die aus der genannten Addition hervorgegangene Gaußsche Variable kann normiert werden, um eine Normalverteilung ungleich Null und mit Varianz Eins zu erzeugen.
Die von dem Detektor 9 durchzuführende Schwellwertentscheidung weist die folgende Form auf:
Für σ 2 / Ri gilt:
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichte (probability density function)
eine nicht-zentrale χ²-Verteilungsfunktion:
I_M/2-1(x) ist die modifizierte Bessel-Funktion erster Art und (M/2-1)ter Ordnung. Die Anzahl M_Rice der Freiheitsgrade der χ²-Verteilungsfunktion von Gleichung (26) und der Nicht-Zentralitätsparameter γ 2 / Rice berechnen sich wie folgt:
Falls das dominante Sichtverbindungssignal schwächer wird, entartet die Rice-Verteilung zu einer Rayleigh-Verteilung und der Rice-Faktor K nimmt den Wert Null an. Für eine Rayleigh-Verteilungen weist daher die Bestimmungsgleichungen für die Wahrscheinlichkeitsdichte
folgende Form auf:
Dabei gelten:
Erfindungsgemäß wird sowohl bei einem zugrunde liegenden Rice- als auch bei einem Rayleigh-Kanalmodell der Quotient C/N₀ zunächst geschätzt und anschließend anhand des Quotienten C/N₀ der optimale Schwellwert κ ermittelt. Im Fall einer Rice-Verteilung wird der optimale Schwellwert κ mittels der Gleichungen (9), (25), (26) und (28) berechnet. Im Fall einer Rayleigh-Verteilung liegen der Berechnung des Schwellwerts κ die Gleichungen (9), (29) und (31) zugrunde.
Zur Bestimmung des optimalen Schwellwerts κ stehen grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Entweder wird der optimale Schwellwert κ während der Positionsbestimmung des Empfängers anhand des Quotienten C/N₀ berechnet oder diese Berechnung wird bereits vorab durchgeführt und die Ergebnisse werden in eine Tabelle eingetragen, aus welcher während des Ablaufs des Positionsbestimmungsverfahrens nur noch der zu einem geschätzten Wert für den Quotienten C/N₀ gehörige Schwellwert κ ausgelesen werden muss.
Des Weiteren ist es möglich, in die Bestimmung des optimalen Schwellwerts κ im Falle einer Rice-Verteilung den Rice-Faktor K einfließen zu lassen. Dazu wird der Rice-Faktor K genauso wie der Quotient C/N₀ geschätzt und geht anschließend in die Bestimmung des optimalen Schätzwerts κ ein. Die Schätzung des Rice-Faktors K kann ebenfalls in der Schätzeinheit 10 bzw. 21 durchgeführt werden.
Die Erfindung führt zu einer erheblichen Erhöhung der Empfindlichkeit des Empfängers. Je größer die nicht-kohärente Integrationszeit T_n ist, desto größer ist die Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Empfängern. Beispielsweise beträgt für eine nicht-kohärente Integrationszeit T_n von 10 Sekunden der Gewinn an Empfindlichkeit 14,3 dB. Für eine nicht-kohärente Integrationszeit T_n von 100 Sekunden beträgt der Gewinn 16,8 dB.
Weitere Beispiele für die Erhöhung der Empfindlichkeit sind in den 3a bis 3j gegeben. In den genannten Figuren ist jeweils die Wahrscheinlichkeit P_d für die Detektion des Ortungssignals gegen den Quotienten C/N₀ in Abhängigkeit von der nicht-kohärenten Integrationszeit T_n aufgetragen. Die gestrichelten Kurven geben die Wahrscheinlichkeit P_d eines herkömmlichen Empfängers wieder, während die durchgezogenen Kurven die für einen erfindungsgemäßen Empfänger geltende Wahrscheinlichkeit P_d angeben. Zur Berechnung der in den 3a bis 3j abgebildeten Kurven wurden P_f = 10^–3 und T_c = 20 ms gesetzt. Der Positionsbestimmung des Empfängers liegt vorliegend der Standard GPS L1-C/A und ein AWGN-Kanalmodell zugrunde.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Schätzung des Quotienten C/N₀ erläutert.
Das Verhältnis der Signalträgerleistung C zu der Rauschleistungsspektraldichte N₀ N/T_s der komplexen Einhüllenden eines empfangenen Ortungssignals im Basisband y_ν = √C·a_ν + √N·w_ν (32) kann mittels des zweiten nicht-zentralen Moments
und des vierten nicht-zentralen Moments
geschätzt werden. Hierbei bezeichnen a_ν die normalisierten komplexen Ortungssignalsymbole, w_ν die normalisierten komplexen Rauschwerte, N die Rauschleistung und T_s die Abtastperiode.
Wenn angenommen wird, dass das Ortungssignal und das Rauschen unabhängige Zufallsprozesse mit Mittelwert Null sind und die Inphase- und Quadraturkomponenten des Rauschens unabhängig voneinander sind, so vereinfachen sich die Gleichungen (33) und (34) folgendermaßen: M₂ = C + N (35) M₄ = k_a·C² + 4·C·N + k_w·N² (36) k_a gibt die Kurtosis des Ortungssignals und k_w die Kurtosis des Rauschens an:
Durch Auflösen obiger Gleichungen nach C und N erhält man:
Für die Kurtosis k_a eines M-PSK-Signals sowie eines GPS- oder Galileo-Ortungssignals gilt: k_a = 1 (41)
Des Weiteren gilt für die Kurtosis k_w des Rauschens: k_w = 2 (42)
Insgesamt ergibt sich für das Verhältnis der Signalträgerleistung C zu der Rauschleistungsspektraldichte N₀ der komplexen Einhüllenden eines M-PSK-Signals, insbesondere im GPS- oder Galileo-Standard:
In 4 ist das Blockschaltbild eine Schätzvorrichtung 50 gezeigt, mittels welcher der Quotient C/N₀ gemäß Gleichung (43) abgeschätzt werden kann.
In die Schätzvorrichtung 50 werden Signalwerte über einen Eingang 51 eingegeben. Dem Eingang 51 ist ein Betragsquadratbildner 52 nachgeschaltet. Der Ausgang des Betragsquadratbildners 52 ist mit den Eingängen eines Quadratbildners 53 und eines laufenden Mittelwertbildners 54 verbunden. Der laufende Mittelwertbildner 54 liefert Näherungswerte für die in Gleichung (43) auftretenden Terme E{|y_ν|²}. Der Ausgang des Quadratbildners 53 speist den Eingang eines laufenden Mittelwertbildners 55. Der laufenden Mittelwertbildner 55 liefert Näherungswerte für die in Gleichung (43) auftretenden Terme E{|y_ν|⁴}.
Hinter den laufenden Mittelwertbildner 54 sind ein Quadratbildner 56 und ein Zweifach-Multiplizierer 57 in Reihe angeordnet. Der Ausgang des Zweifach-Multiplizierers 57 ist an einen Eingang eines Addierers 58 geschaltet. Dem anderen Eingang des Addierers 58 wird der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 55 mit negativem Vorzeichen zugeführt. Dem Addierer 58 ist ein Wurzelbildner 59 nachgeschaltet, dessen Ausgang mit negativem Vorzeichen einem Addierer 60 zugeführt wird. Außerdem wird dem Addierer 60 der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 54 zugeführt.
Ein Multiplizierer/Dividierer 61 ist an seinem Multiplizierer-Eingang mit dem Ausgang des Wurzelbildners 59 verbunden. Die Dividierer-Eingänge des Multiplizierer/Dividierers 61 werden mit dem Ausgang des Addierers 60 und der Abtastperiode T_s, die von einer Einheit 62 bereitgestellt wird, gespeist. Der Schätzwert für den Quotienten C/N₀ wird am Ausgang 63 der Schätzvorrichtung 50 bereitgestellt.
In 5 ist das Blockschaltbild einer Simulationsschaltung 80 für die Durchführung einer Simulation eines AWGN-Funkkanals dargestellt. Die Simulationsschaltung 80 kann auch in Software implementiert sein.
Die Simulationsschaltung 80 umfasst einen Sender 81, einen AWGN-Funkkanal 82, eine Schätzvorrichtung 83 zur Schätzung des Quotienten C/N₀ sowie Ausgabevorrichtungen 84 und 85 zur Ausgabe des geschätzten C/N₀-Werts bzw. zur Ausgabe von ermittelten C/N₀-Kurven.
In 6 sind die Simulationsergebnisse für den AWGN-Funkkanal abgebildet. Der Simulation des AWGN-Funkkanals lag ein Wert von 10 dBHz für das Verhältnis C/N₀ zugrunde. In 7 sind die Amplituden der empfangenen Einhüllenden in einem Histogramm aufgetragen. Die Diagramme der 8a und 8b zeigen die geschätzten C/N₀-Werte. Aus den 8a und 8b ist ersichtlich, dass die geschätzten C/N₀-Werte sich dem Wert 10 dBHz annähern.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Schätzung des Rice-Faktors K erläutert. Dieses Verfahren ist in der oben bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 027 666 A1 beschrieben.
Das Verfahren zur Schätzung des Rice-Faktors K beruht auf den zweiten und vierten nicht-zentralen Momenten der Rice-Verteilung. Ganz allgemein lässt sich das nicht-zentrale Moment der Rice-Verteilung durch folgende Gleichung angeben:
In Gleichung (44) steht ₁F₁(i; y; z) für die konfluente hypergeometrische Funktion. Die geraden nicht-zentralen Momente der Rice-Verteilung werden zu gewöhnlichen Momenten vereinfacht. Insbesondere gilt daher: E{R²} = A² + 2σ² (45) E{R⁴} = A⁴ + 8σ²A² + 8σ⁴ (46)
Oben wurde bereits die Definition des Rice-Faktors K angegeben:
Da alle individuellen Momente der Rice-Verteilung von a und K abhängen, wird eine Hilfsfunktion definiert, die nur noch von dem Rice-Faktor K abhängt:
Auflösen von Gleichung (49) nach K liefert eine nicht-negative Lösung, die eine Abschätzung des Rice-Faktors K angibt:
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine schnelle Konvergenz und eine niedrige Implementierungskomplexität aus.
In 9 ist ein Blockschaltbild einer Schätzvorrichtung 100 zur Schätzung des Rice-Faktors K gemäß obiger Gleichung (50) dargestellt.
Gemäß dem in 9 dargestellten Blockschaltbild werden Signalwerte in die Schätzvorrichtung 100 über einen Eingang 101 eingegeben. Die Signalwerte werden zunächst einem Betragsquadratbildner 102 zugeführt. Dessen Ausgang ist mit dem Eingang eines Quadratbildners 103 und mit dem Eingang eines laufenden Mittelwertbildners 104 verbunden. Der laufende Mittelwertbildner 104 liefert Näherungswerte für die in der Gleichung (50) auftretenden Terme E ^{R²}. Der Ausgang des Quadratbildners 103 wird dem Eingang eines laufenden Mittelwertbildners 105 zugeführt. Der laufende Mittelwertbildner 105 liefert Näherungswerte für die in der Gleichung (50) auftretenden Terme E ^{R⁴}. Der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 104 wird dem Eingang eines Quadratbildners 106 und dem ersten Eingang eines Multiplizierers 107 zugeführt. Der Ausgang des Quadratbildners 106 wird dem ersten Eingang eines Addierers 108 zugeführt, während der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 105 dem zweiten Eingang des Addierers 108 mit negativem Vorzeichen zugeführt wird. Der Ausgang des Quadratbildners 106 wird außerdem einem Zweifach-Multiplizierer 109 zugeführt. Dessen Ausgang wird einem ersten Eingang eines Addierers 110 zugeführt, dessen zweitem Eingang der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 105 mit negativem Vorzeichen zugeführt wird. Der Ausgang des Addierers 110 ist mit einem Wurzelbildner 111 verbunden, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers 107 in Verbindung steht. Der Ausgang des Multiplizierers 107 wird einem ersten Eingang eines Addierers 112 mit negativem Vorzeichen zugeführt und einem zweiten Eingang des Addierers 112 wird der Ausgang des Zweifach-Multiplizierers 109 mit negativem Vorzeichen zugeführt und einem dritten Eingang des Addierers 112 wird der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 105 zugeführt. Der Ausgang des Addierers 112 wird dem Multiplizierer-Eingang eines kombinierten Multiplizierer/Dividierers 113 zugeführt, während dem Dividierer-Eingang der Ausgang des Addierers 108 zugeführt wird. Dem Multiplizierer-Eingang wird der Zähler des rechten Ausdrucks der Gleichung (50) zugeführt, während dem Dividierer-Eingang der Nenner zugeführt wird. Der Ausgang des kombinierten Multiplizierer/Dividierers 113 liefert den Schätzwert des Rice-Faktors K. Der Schätzwert kann am Ausgang 114 der Schätzvorrichtung 100 abgegriffen werden.

Claims

Empfänger (1; 20) eines Positionsbestimmungssystems, das auf der Auswertung unterschiedlicher Laufzeiten von Ortungssignalen basiert, wobei die Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern mit bekannten Positionen ausgesendet werden und vom Empfänger (1; 20) empfangen werden, mit – einer Berechnungseinheit (6, 7, 8) zur Berechnung eines statistischen Werts (Λ) anhand eines von dem Empfänger (1; 20) empfangenen Signals, – einer Detektoreinheit (9), die derart ausgestaltet ist, dass sie den statistischen Wert (Λ) mit einem Schwellwert (κ) vergleicht und anhand des Vergleichs bestimmt, ob das empfangene Signal ein Ortungssignal ist, – einer Schätzeinheit (10; 21) zur Schätzung des Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals basierend auf dem zweiten nicht-zentralen Moment (M2) des empfangenen Signals und dem vierten nicht-zentralen Moment (M4) des empfangenen Signals und – einer Bestimmungseinheit zur Bestimmung des Schwellwerts (κ) anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀).
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Detektoreinheit (9) derart ausgestaltet ist, dass sie anhand des Vergleichs des statistischen Werts (Λ) mit dem Schwellwert (κ) zusätzlich bestimmt, ob das empfangene Signal zur Positionsbestimmung des Empfängers verwendet wird.
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) berechnet und dass sie den Schwellwert (κ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet.
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) berechnet und dass sie den Schwellwert (κ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte mittels einer Tabelle bestimmt.
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie den Schwellwert (κ) anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) mittels einer Tabelle bestimmt.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie den Schwellwert (κ) anhand einer vorgegebenen festen Fehldetektionswahrscheinlichkeit berechnet, wobei die Fehldetektionswahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit dafür ist, dass das empfangene Signal kein synchronisiertes Ortungssignal ist, aber von der Detektoreinheit für ein Ortungssignal gehalten wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Berechnungseinheit Abtastwerte (r_ν) des empfangenen Signals eine Reihenschaltung (6, 7, 8) speisen, welche einen ersten Integrator (6) zur kohärenten Integration, einen Betragsquadrat- oder Betragsbildner (7) und einen zweiten Integrator (8) zur nicht-kohärenten Integration umfasst.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die von den Sendern ausgesendeten Ortungssignale spreizcodiert sind, und – dass in der Berechnungseinheit eine Entspreizeinheit (5) zur Entspreizung des empfangenen Signals vorgesehen ist.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Schätzeinheit (10; 21) zur Schätzung des Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals von der Berechnungseinheit (6, 7, 8) mit dem statistischen Wert (Λ) oder von der Entspreizeinheit (5) mit den entspreizten Abtastwerten des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals gespeist wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass eine weitere Schätzeinheit vorgesehen ist, welche zur Schätzung des Rice-Faktors (K) der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde, ausgestaltet ist, und – dass die Bestimmungseinheit zur Bestimmung des Schwellwerts (κ) derart ausgestaltet ist, dass sie zur Bestimmung des Schwellwerts (κ) ferner den geschätzten Rice-Faktor (K) heranzieht.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass das Verhältnis der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals von der Schätzeinheit (10; 21) entsprechend
geschätzt wird, wobei T_s die Periode zum Abtasten des empfangenen Signals ist, y_ν die komplexe Einhüllende des empfangenen Signals im Basisband ist und der Erwartungswert E{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) von der Schätzeinheit (10; 21) entsprechend
oder entsprechend
geschätzt wird, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und E ^{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Sender des Positionsbestimmungssystems auf Satelliten oder terrestrisch angeordnet sind.
Verfahren zur Positionsbestimmung eines Empfängers (1; 20) eines Positionsbestimmungssystems, das auf der Auswertung unterschiedlicher Laufzeiten von Ortungssignalen basiert, wobei die Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern mit bekannten Positionen ausgesendet werden und vom Empfänger (1; 20) empfangen werden, mit den Schritten: (a) Berechnen eines statistischen Werts (Λ) anhand eines von dem Empfänger (1; 20) empfangenen Signals; (b) Vergleichen des statistischen Werts (Λ) mit einem Schwellwert (κ); (c) Bestimmen anhand des Ergebnisses des Vergleichs, ob das empfangene Signal ein Ortungssignal ist; (d) Schätzen des Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals basierend auf dem zweiten nicht-zentralen Moment (M2) des empfangenen Signals und dem vierten nicht-zentralen Moment (M4) des empfangenen Signals; und (e) Bestimmen des Schwellwerts (κ) anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (c) anhand des Ergebnisses des Vergleichs zusätzlich bestimmt wird, ob das empfangene Signal zur Positionsbestimmung des Empfängers verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (e) die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals berechnet wird, und – dass der Schwellwert (κ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (e) die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals berechnet wird, und – dass der Schwellwert (κ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte mittels einer Tabelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (e) der Schwellwert (κ) anhand des geschätzten Verhältnisses der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals mittels einer Tabelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schwellwert (κ) anhand einer vorgegebenen festen Fehldetektionswahrscheinlichkeit berechnet wird, wobei die Fehldetektionswahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit dafür ist, dass das empfangene Signal kein synchronisiertes Ortungssignal ist, aber im Schritt (c) für ein Ortungssignal gehalten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (a) Abtastwerte (r_ν) des empfangenen spreizcodierten Signals entspreizt werden, – dass die entspreizten Abtastwerte kohärent integriert werden, – dass die Betragsquadrate der Ergebnisse der kohärenten Integration gebildet werden, und – dass die Betragsquadrate nicht-kohärent integriert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, – dass das Verhältnis der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals anhand des statistischen Werts (Λ) oder anhand von entspreizten Abtastwerten des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals oder anhand von kohärent integrierten entspreizten Abtastwerten des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals oder anhand des Betrags von kohärent integrierten entspreizten Abtastwerten des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals geschätzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde, geschätzt wird, und – dass der geschätzte Rice-Faktor (K) zur Bestimmung des Schwellwerts (κ) herangezogen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, – dass das Verhältnis der Signalträgerleistung (C) zur Rauschleistungsspektraldichte (N₀) des empfangenen Signals entsprechend
geschätzt wird, wobei T_s die Periode zum Abtasten des empfangenen Signals ist, y_ν die komplexe Einhüllende des empfangenen Signals im Basisband ist und der Erwartungswert E{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) entsprechend
oder entsprechend
geschätzt wird, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und E ^{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, – dass die Sender des Positionsbestimmungssystems auf Satelliten oder terrestrisch angeordnet sind.