DE102004051388A1

DE102004051388A1 - Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines Signals für einen in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfänger

Info

Publication number: DE102004051388A1
Application number: DE102004051388A
Authority: DE
Inventors: Alexander Steingass; Andreas Lehner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: DE102004051388B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines hinsichtlich seiner wesentlichen Eigenschaften bekannten Signals (S), welches insbesondere über die Ermittlung seiner Laufzeit (Ð) in einem Navigationssystem zur Ortsbestimmung eines in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfängers (1) nutzbar ist, wird zunächst das an einem Empfänger (1) ankommende Signal (s) erfasst. Mittels eines Vergleichs des tatsächlich erfassten Signals (s) mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen (r) wird anschließend der Übertragungskanal für das Signal (S) geschätzt und anhand des geschätzten Übertragungskanals der Empfangszeitpunkt für das Signal (s) bestimmt. Erfindungsgemäß werden bei der Abschätzung des Übertragungskanals die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Modell-Übertragungskanäle berücksichtigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines Signals, welches insbesondere über die Ermittlung seiner Laufzeit in einem Navigationssystem zur Ortsbestimmung eines in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfängers nutzbar ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Empfänger zum Empfangen von Signalen für die Ortsbestimmung in einem Navigationssystem sowie ein entsprechendes System.

Verfahren, bei denen die aktuelle Position eines Empfängers auf Basis der Laufzeiten von Signalen ermittelt wird, die von verschiedenen Referenzpunkten aus an den Empfänger übermittelt werden, bieten eine sehr elegante Möglichkeit, Ortsbestimmungen von Personen oder Empfängern allgemein durchzuführen. Das derzeit bekannteste System, das auf dem Prinzip der Ortsbestimmung mittels der Erfassung von Signallaufzeiten beruht, ist das GPS-System (Global Positioning System). Dieses im Prinzip weltweit zur Verfügung stehende System weist als Kernelement 28 Satelliten auf, welche die Erde umkreisen und Signale aussenden, die von einem Benutzer des Systems zur Ortsbestimmung genutzt werden können. Mit einem geeigneten Empfänger kann der Benutzer auf der Erde aufgrund von Laufzeitmessungen der Satellitensignale seine Position bestimmen, wobei für den Empfänger zur genauen Positionsbestimmung jeweils vier Satelliten gleichzeitig „sichtbar" sein müssen. Durch eine geeignete Anordnung der Umlaufbahnen für die Satelliten ist dies im wesentlichen zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort der Erde möglich.

Die Genauigkeit, mit der die Position eines Empfängers mit Hilfe des GPS-Systems bestimmt werden kann, hängt in entscheidendem Maße davon ab, wie genau die Laufzeiten der von den verschiedenen Satelliten empfangenen Signale bestimmt werden können. Berücksichtigt man, dass sich das Navigationssignal annähernd mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, so hat eine Fehleinschätzung der Laufzeit von einer μs in etwa einen Entfernungsfehler von annähernd 300 m zur Folge. Da das GPS-System derart ausgelegt ist, dass die internen Uhren der Satelliten mit der Uhr des Empfängers synchronisiert sind und dementsprechend dem Empfänger bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt ein Signal von einem Satelliten ausgesendet wurde, reduziert sich das primäre Problem der Laufzeitbestimmung dementsprechend darauf, den Empfangszeitpunkt für das Signal exakt zu bestimmen. Problematisch ist in diesem Zusammenhang allerdings, dass die im Blickfeld des Empfängers befindlichen Satelliten permanent und gleichzeitig ihre Signale übermitteln und der Empfänger somit aus der Summe aller empfangenen Signale jeweils die einzelnen, zur Ortsbestimmung nutzbaren Signale gezielt herausfiltern muss.

Die klassische Vorgehensweise zur Lösung des soeben geschilderten Problems besteht in einer Auswertung der Autokorrelationsfunktion, die sich durch eine Korrelation des am Empfänger eintreffenden und mit weiteren Signalen vermischten Signals mit einem in dem Empfänger generierten Korrelations-Signal, welches ein Duplikat des von dem Satelliten übermittelten Navigationssignals darstellt, ergibt. Bei dem GPS-System bestehen die von den Satelliten übermittelten Navigationssignale aus Folgen von negativen und positiven Impulsen, die zu einem quasi-zufälligen Signal, dem so genannten PRN-(Pseudo Random Noise)-Code zusammengefügt wurden. Die Autokorrelationseigenschaften dieser auch als Gold-Codes bezeichneten Signale sind dabei derart gewählt, dass sich durch die Bestimmung des Maximums der im Empfänger gebildeten Autokorrelationsfunktion der Zeitpunkt des Empfangs des PRN-Codes ermitteln läßt. Im Idealfall, in dem das von dem Satelliten übermittelte Signal während der Übertragung nicht verfälscht wird, ließe sich auf diese Weise der Empfangszeitpunkt des Signals mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen.

Problematisch ist allerdings, dass eine ideale Signalübertragung niemals vorliegt. Vielmehr wird das Navigationssignal auf seinem Weg vom Satelliten zum Empfänger durch verschiedene äußere Einflüsse verfälscht. Eines der größten Probleme stellt dabei der so genannte Mehrwegeempfang (Multipath) des Signals dar, der infolge von (Mehrfach)-Reflexionen des Satellitensignals auftritt. An Gebäuden, Bäumen, Bergen oder anderen Objekten in der Umgebung des Empfängers können die GPS-Signale reflektiert werden und hierdurch als zusätzliche Echo-Signale zu dem auf direktem Wege übermittelten Satellitensignal zum Empfänger gelangen. Durch Überlagerungen des direkt übermittelten Signals mit den Echo-Signalen wird letztendlich das am Empfänger eintreffende Signal derart verfälscht, dass die zuvor beschriebene Vorgehensweise zur Bestimmung des Empfangszeitpunkts mittels Kreuzkorrelation keine ausreichende Genauigkeit mehr bietet. Vielmehr hat sich gezeigt, dass auch effektivere Vorgehensweisen zur Auswertung der Korrelationsfunktion nicht in der Lage sind, Echo-Signale in ausreichender Weise von dem auf direktem Wege übermittelten Signal abzutrennen und damit eine eindeutige Erfassung des Empfangszeitpunkts zu ermöglichen.

Um auch in einer derartigen Mehrwegeumgebung genauere Ortsbestimmungen durchführen zu können, werden sogenannte Superresolution-Verfahren eingesetzt, welche eine Alternative bzw. Ergänzung zur Ermittlung der Signallaufzeit mittels Kreuzkorrelation darstellen. Diese Superresolution-Verfahren beruhen auf Algorithmen, mit denen der sogenannte Kanal für die Signalübertragung abgeschätzt werden soll. Der Übertragungskanal stellt dabei ein theoretisches Modell dar, mit dem die Veränderung des Satellitensignals auf dem Weg von dem Satelliten zu dem Empfänger beschrieben wird. In diesem Kanal-Modell unterscheiden sich die Echosignale gegenüber dem auf direktem Wege übertragenen Primärsignal (direct path) hinsichtlich ihrer durch eine Verzögerungszeit verlängerten Laufzeit, der schwächeren Signalstärke sowie einer eventuell veränderten Bandbreite und Phase. Im Rahmen der Superresolution-Algorithmen wird nunmehr versucht, einen theoretischen Übertragungskanal abzuschätzen, dessen Einfluss auf das Satellitensignal weitestgehend der Realität entspricht. Dies erfolgt anhand eines Vergleichs des tatsächlich am Empfänger eingetroffenen Signals mit auf Basis von verschiedenen Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen. Bekannte Algorithmen hierfür sind beispielsweise der so genannte MUSIC (Multiple Signal Classification)-Algorithmus oder der ESPRIT (Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques)-Algorithmus. Wurde ein Kanal gefunden, der die bestmögliche Schätzung für die Übertragung des Satellitensignals ermöglicht, kann aus diesem dann die Laufzeit für das direkt (also ohne Reflexionen) übertragene Satellitensignal abgeleitet werden.

Durch die oben beschriebenen Superresolution-Verfahren kann zwar die Genauigkeit bei der Ermittlung der Signallaufzeit in Mehrwegeumgebungen verbessert werden, nach wie vor stellt sich allerdings das Problem, dass die Schätzung des Übertragungskanals nur mit einer bestimmten Genauigkeit erfolgen kann. Da die Abschätzung des Kanals ausschließlich anhand des beobachteten bzw. tatsächlich empfangenen Signals erfolgt (sog. Aposteriori-Schätzung), ist das gewonnene Ergebnis immer mit einer gewissen Unsicherheit bzw. einem Fehler behaftet. Dieses Problem stellt sich nicht nur bei dem GPS-System sondern allgemein immer dann, wenn der Zeitpunkt des Empfangs eines Signals möglichst genau bestimmt werden soll, das Signal allerdings während der Übertragung durch Reflexionen oder andere äußere Einflüsse verfälscht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten zur Positionsbestimmung in Navigationssystemen weiter zu verbessern. Insbesondere soll bei Systemen, bei denen die Ortsbestimmung eines Empfängers anhand einer ermittelten Laufzeit eines oder mehrere Signale erfolgt, die Genauigkeit der Bestimmung des Empfangszeitpunkts des Signals weiter verbessert werden. Der durch Reflexionen des Signals in der Umgebung des Empfängers hervorgerufene Mehrwegefehler soll dabei möglichst weitgehend unterdrückt werden.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen definierte Erfindung gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass Signalechos im Hinblick auf ihre Laufzeitverzögerung und Leistung mit unterschiedlich hoher Wahrscheinlichkeit auftreten. Einfluss auf das Auftreten von Signalechos hat dabei insbesondere die Art der Umgebung, in der sich der Empfänger befindet. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass bestimmte Signalechos vorwiegend dann auftreten, wenn sich der Empfänger an einem Ort befindet, an dem das Satellitensignal von Häuserwänden in der Umgebung des Empfängers reflektiert wird. Derartige Signalechos treten allerdings für den Fall, dass sich der Empfänger in einer ländlichen Umgebung befindet, mit deutlich geringerer Wahrscheinlichkeit auf. Andere Signalechos wiederum spielen vorwiegend beim Empfang der Navigationssignale in einer ländlichen Umgebung eine Rolle, während sie hingegen in einer Großstadt nur sehr selten bzw. gar nicht auftreten. Wieder andere Signalechos treten unabhängig von der Umgebung des Empfängers nahezu nie auf. Eine Auswertung experimentell gewonnener Messdaten hat nunmehr gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Echo-Signalen im Wesentlichen einer generellen oder mittleren Wahrscheinlichkeitsverteilung folgen, wobei diese mittlere Verteilung allerdings je nach dem, in welcher Umgebung sich der Empfänger des Signals befindet, in bestimmter Weise modifiziert bzw. beeinflusst wird. Hierbei spielt auch die Elevation des das Signal ausstrahlenden Satelliten bzw. des Senders allgemein eine Rolle.

Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, die Erkenntnis über das Auftreten von Signalechos – die sogenannten Apriori-Wahrscheinlichkeiten – bei der Bestimmung des Empfangszeitpunkts eines Signals zu nutzen. Da ein bei der Abschätzung des Übertragungskanals verwendeter Modell-Übertragungskanal im Wesentlichen das Auftreten mehrerer Signalechos beschreibt, geben die Apriori-Wahrscheinlichkeiten Auskunft darüber, wie wahrscheinlich ein bestimmter Modell-Übertragungskanal überhaupt ist. Auf Basis dieser Informationen kann dementsprechend die Abschätzung des Übertragungskanals deutlich verbessert werden, was wiederum eine genauere Bestimmung des Empfangszeitpunkts sowie der Signallaufzeit erlaubt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines in seinen wesentlichen Eigenschaften bekannten Signals, welches insbesondere über die Ermittlung seiner Laufzeit in einem Navigationssystem zur Ortsbestimmung eines in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfängers nutzbar ist, weist dementsprechend die folgenden Schritte auf:

a) Erfassen des an einem Empfänger ankommenden Signals,
b) Abschätzen des Übertragungskanals für das Signal mittels eines Vergleichs des tatsächlich erfassten Signals mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen und
c) Bestimmen des Empfangszeitpunkts für das Signal anhand des in Schritt b) geschätzten Überagungskanals,

wobei erfindungsgemäß bei der Abschätzung des Übertragungskanals in Schritt b) die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Existenz der verwendeten Modell-Übertragungskanäle berücksichtigt werden.

Die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Apriori-Wahrscheinlichkeiten kann in unterschiedlicher Weise erfolgen.

Bei einer einfachen Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass eine einzige Wahrscheinlichkeitsverteilung genutzt wird, welche die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Echos verschiedener Verzögerung und Leistung angibt. Bei dieser Basis-Variante stellt die Wahrscheinlichkeitsverteilung ein Mittel sämtlicher für verschiedene Umgebungs-Typen gewonnener Wahrscheinlichkeitsverteilungen dar und wird unabhängig davon verwendet, in welcher Umgebung sich der Empfänger gerade befindet. Diese Basis-Wahrscheinlichkeitsverteilung kann entweder im Rahmen experimenteller Messungen gewonnen oder durch ein theoretisches Modell beschrieben werden, welches die aus Messungen oder anderen theoretischen Berechnungen gewonnen Erkenntnisse in vereinfachter Weise beschreibt. Obwohl diese Lösung es nicht ermöglicht, das unterschiedliche Echo-Verhalten in verschiedenen Umgebung zu berücksichtigen, kann trotz allem eine Verbesserung im Vergleich zu bisher bekannten Kanal-Abschätzungen erzielt werden, da solche Modell-Übertragungskanäle, welche grundsätzlich gesehen nur äußerst selten auftreten, bei der Auswertung des empfangenen Signals im Rahmen der Superresolution-Algorithmen nicht berücksichtigt werden.

Bei einer verbesserten Variante ist vorgesehen, dass nunmehr auch die Umgebung, in der sich der Empfänger des Navigationssignals befindet, berücksichtigt wird. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, hat sich gezeigt, dass sich die Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Signalechos zumindest in bestimmten Bereichen verändern, wenn sich die Umgebung des Empfängers verändert. Um dies berücksichtigen zu können, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass je nachdem, in welcher Umgebung sich der Empfänger gerade befindet, unterschiedliche Verteilungen für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten verwendet werden. Dies könnte zum einen dadurch erfolgen, dass die in der Basis-Variante verwendete mittlere Wahrscheinlichkeitsverteilung in bestimmten Bereichen modifiziert wird. Eine hierzu alternative Möglichkeit besteht allerdings darin, aus einer Reihe von unterschiedlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die jeweils ein bestimmtes Umgebungs-Szenario beschreiben, diejenige Wahrscheinlichkeitsverteilung auszuwählen, die der aktuellen Umgebung des Empfängers entspricht.

Bei dieser erweiterten Variante muss dementsprechend gewährleistet sein, dass der das Empfangssignal auswertende Controller des Empfängers die Information erhält, welche Wahrscheinlichkeitsverteilung gerade heranzuziehen ist bzw. in welcher Weise die Ausgangs-Wahrscheinlichkeitsverteilung zu modifizieren ist. Da der Empfänger aus vorherigen Signalauswertungen und Berechnungen seiner Position in etwa weiß, an welcher Position er sich gerade befindet, muss er dementsprechend lediglich noch die Information erhalten, welcher Art von Umgebung diese Position entspricht. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer elektronischen Landkarte erfolgen, die in dem Empfänger gespeichert ist. Eine hierzu alternative Möglichkeit könnte allerdings auch darin bestehen, die Information, welche Wahrscheinlichkeitsverteilung heranzuziehen ist, von einer lokalen Basisstation des Navigationssystems aus zu übermitteln. Es wäre sogar denkbar, dass die vollständige Wahrscheinlichkeitsverteilung für die aktuelle Position generell durch die Basisstation an die Empfänger des Systems in der Umgebung der Basisstation übermittelt wird, was hinsichtlich der Möglichkeiten zur Verbesserung der Erkenntnisse über das Auftreten von Signalechos weitere Vorteile mit sich bringt.

Eine andere Möglichkeit wiederum würde darin bestehen, die Art der Umgebung des Empfängers nicht indirekt über die aktuelle Position sondern mittels geeigneter Sensoren direkt zu ermitteln. Denkbar wäre beispielsweise die Verwendung eines optischen oder akustischen Sensors, dessen Signale von einer geeigneten Auswerteeinrichtung ausgewertet werden. Diese ermittelt anhand der Signale, in welcher Art von Umgebung der Empfänger sich befindet und wählt dann dementsprechend eine geeignete Wahrscheinlichkeitsverteilung aus. Auch eine rein manuelle Auswahl einer geeigneten Wahrschheinlichkeitsverteilung durch einen Benutzer des Empfängers wäre selbstverständlich denkbar.

Die Verwendung unterschiedlicher Wahrscheinlichkeitsverteilungen in Abhängigkeit davon, in welcher Umgebung sich der Empfänger gerade befindet, ermöglicht eine nochmals bessere Abschätzung des Übertragungskanals für das Navigationssignal. Dieser Vorteil beruht darauf, dass nunmehr die spezifischen Echos, die in der jeweiligen Umgebung auftreten, besser erkannt und bei der Auswertung des empfangenen Signals berücksichtigt werden können.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung beruht darauf, dass bei der Auswertung eines empfangenen Signals im Rahmen der Schätzung des besten Übertragungskanals jedes Mal neue Informationen darüber erhalten werden, welche Echos bei der Übermittlung der Signale gerade aufgetreten sind. Es kann nunmehr vorgesehen sein, dass diese Informationen zusätzlich in die bereits vorliegenden Erkenntnisse hinsichtlich der Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Signalechos einfließen und bei späteren Signalauswertungen berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, die ursprünglich verwendeten Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Signalechos werden bei einer besonderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens permanent auf Basis der aktuellen Signalauswertungen aktualisiert. Die der Abschätzung der Übertragungskanäle zugrunde gelegten Apriori-Wahrscheinlichkeiten sind in diesem Fall noch aussagekräftiger und zuverlässiger, da sie auf Erkenntnissen der Signalausbreitung in der direkten Umgebung, in der sich der Empfänger gerade befindet, beruhen. Es wird hierbei quasi ein selbstlernendes System gebildet, welches die bestmögliche Abschätzungen der Übertragungskanäle für die aktuelle Umgebung des Empfängers ermöglicht. Wiederum besteht bei dieser dritten Variante zunächst die Möglichkeit, dass jeder Empfänger für sich selbst die Aktualisierung der in einem entsprechenden Speicher abgelegten Wahrscheinlichkeitsverteilungen vornimmt. Es wäre allerdings auch denkbar, dass dieses Fortschreiben und Aktualisieren der Wahrscheinlichkeitsverteilungen durch eine lokale Basisstation des Navigationssystems erfolgt, welche in Kontakt mit den verschiedenen Empfängern in ihrer Umgebung ist. Der Vorteil dieser zweiten Möglichkeit würde darin bestehen, dass das Aktualisieren der Wahrscheinlichkeitsverteilung(en) anhand einer deutlich größeren Anzahl von Signalmessungen erfolgt.

Grundsätzlich gesehen wird durch die vorliegende Erfindung somit die Möglichkeit eröffnet, eine genauere Abschätzung des Übertragungskanals für das empfangene Signal vorzunehmen. Dies wiederum erlaubt eine exakte Bestimmung des Empfangszeitpunkts, der Signallaufzeit und damit der Positionsbestimmung des Empfängers in einem Navigationssystem.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau eines Satellitennavigationssystems;
2 die Vorgehensweise bei der Signalauswertung mittels Autokorrelation;
3 ein Schema zur Verdeutlichung einer effektiveren Auswertung der Korrelationsfunktion mittels einer sog. Early-Late-Approximation;
4 die Ausgestaltung einer sog. DLL-Schaltung, in der eine Auswertung im Rahmen der Early-Late-Approximation stattfindet;
5 das Ausgangssignal der in 4 dargestellten Schaltungsanordnung;
6 ein Schema zur Signalübermittlung in einer Mehrwegeumgebung;
7a schematisch ein Kanalmodell mit einem Echosignal;
7b schematisch ein Multipath-Kanal-Modell mit mehreren Signalechos;
7c den Einfluss des Übertragungskanals auf das Satellitensignal;
8 das vollständige Schaltbild eines Empfängers;
9–12 die Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Signalechos in unterschiedlichen Umgebungen bzw. bei verschiedenen Satelliten-Elevationen;
13 den Einfluss der Elevation eines Satelliten auf die Signalverzögerung eines Echosignals;
14 eine erste schematische Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Signalechos;
15 eine zweit schematische Wahrscheinlichkeitsverteilung;
16 das Schaltbild eines erfindungsgemäß erweiterten Signalempfängers;
17 ein Schema zur Funktionsweise eines Navigationssystems gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung; und
18 eine erweiterte Darstellung der Positionsbestimmung eines Empfängers gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Bevor das Konzept der vorliegenden Erfindung, welches auf der Berücksichtigung von Apriori-Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Signalechos bei der Auswertung von Signalen beruht, näher besprochen wird, soll zunächst die generelle Problematik bei der Signalauswertung in einer Mehrwegeumgebung erläutert werden. Dies soll im Folgenden anhand des GPS-Systems erfolgen. Es ist allerdings darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf dieses System beschränkt ist. Selbstverständlich kann die Berücksichtigung von Apriori-Wahrscheinlichkeiten auch in anderen Satelliten-Navigationssystemen, wie beispielsweise dem zukünftig geplanten europäischen Galileo-System erfolgen. Allgemein ist die vorliegende Erfindung in allen Systemen bzw. immer dann von Vorteil, wenn eine exakte Bestimmung des Zeitpunkts des Empfangs eines Signals erforderlich ist.
Das schematisch in 1 dargestellte GPS-System ist derart konzipiert, dass die Positionsbestimmung eines Empfängers 1 in X-, Y- und Z-Richtung überall und jederzeit ermöglicht ist. Die Position wird dabei aus einer Messung der Distanzen, welche unterschiedlich codierte Signale von den Satelliten 2₁ bis 2₄ zu dem GPS-Empfänger 1 zurücklegen, abgeleitet. Da die Geschwindigkeit, mit der sich die Signale fortbewegen, bekannt ist, ist also eine Messung der Laufzeiten τ₁ bis τ₄ für die Signale der Satelliten 2₁ bis 2₄ erforderlich.
Sollen in einem dreidimensionalen Raum die Koordinaten eines unbekannten Punktes, beispielsweise des Orts des Empfängers 1 durch Streckenmessung bestimmt werden, so sind von mindestens drei bekannten Punkten aus die Strecken zu dem unbekannten Punkt zu messen. Beim GPS-System werden die bekannten Punkte durch die Satelliten 2₁ bis 2₄ gebildet, deren Anordnung auf den verschiedenen Umlaufbahnen bekannt ist. Ausgehend von den bekannten Satellitenposition können dann die Koordinaten des Empfängers 1 abgeleitet werden. Die Distanz zwischen den verschiedenen Satelliten 2₁ bis 2₄ und dem unbekannten Ort des Empfängers 1 kann dabei durch Messungen der Laufzeiten τ₁ bis τ₄ von Radiosignalen abgeleitet werden, die von den Satelliten 2₁ bis 2₄ ausgesendet werden. Die Satelliten 2₁ bis 2₄ senden diese Signale permanent im sogenannten Broadcast-Betrieb aus, d. h., es ist nicht erforderlich, dass der Empfänger 1 von sich aus mit den Satelliten 2₁ bis 2₄ Kontakt aufnimmt.
Für eine dreidimensionale Positionsbestimmung benötigt der Empfänger 1 die Entfernung zu mindestens drei Satelliten. Betrachtet man lediglich einen einzelnen Satelliten, so zeichnet das ausgesandte Signal eine Kugelsphäre um den Satelliten herum nach, auf deren Oberfläche das Signal gleichzeitig empfangen werden kann. Um dementsprechend die dreidimensionale Position des Empfängers 1 bestimmen zu können, müssen mindestens drei Kugeln zum Schnitt gebracht werden, d.h., es müssen mindestens drei Satelliten-Signale empfangen werden.
Da die Entfernungen zu diesen drei Satelliten 2₁ bis 2₄ allerdings nur dann mit hinreichender Genauigkeit bestimmbar wären, wenn der Empfänger 1 exakt auf die Systemzeit der Satelliten 2₁ bis 2₄ synchronisiert ist, ist es erforderlich, dass der Empfänger 1 die Systemzeit selbst errechnet. Hierfür wird mindestens ein weiterer Satellit benötigt, über dessen zusätzliches Navigationssignal sich letztendlich nicht nur die genaue Position des Empfängers 1 sondern auch die genaue Systemzeit bestimmen lässt. Voraussetzung hierfür ist, dass die Signallaufzeiten τ₁ bis τ₄ für die zwischen den Satelliten 2₁ bis 2₄ und dem Empfänger 1 übermittelten Signale genau bestimmt werden können.
Das von einem GPS-Satelliten ausgesendete Signal zur Ortsbestimmung besteht prinzipiell gesehen aus zwei Teilen, einem militärisch genutzten Teil und einem zivilen Teil. Für die nachfolgenden Erläuterungen soll ausschließlich der zivile Teil betrachtet werden. Als Navigationssignal wird hierbei in einem CDMA (Code Divison Multiple Access)-Verfahren ein Datensignal mittels einer Spreizfolge spektral gespreizt und auf ein Trägersignal aufmoduliert. Für jeden Satelliten wird dabei ein unterschiedlicher Spreizcode als Navigationssignal verwendet, der möglichst gute Kreuzkorrelationseigenschaften aufweist und es dementsprechend dem Empfänger, der die verschiedenen Spreizcodes der Satelliten kennt, erlaubt, die Signale der Satelliten zu unterscheiden.
Wie in 2 schematisch dargestellt ist, sendet ein Satellit 2 also als Navigationssignal in regelmäßigen Abständen eine Codesequenz aus, die gemeinsam mit weiteren Signalen (insbesondere den Codesequenzen der anderen Satelliten) beim Empfänger 1 eintrifft. Für den Empfänger 1, dem die Codesequenzen der verschiedenen Satelliten bekannt sind, besteht nunmehr die Aufgabe darin, festzustellen, zu welchem Zeitpunkt die Codesequenz tatsächlich eingetroffen ist. Unter der Voraussetzung, dass dem Empfänger 1 bekannt ist, zu welchem Zeitpunkt der Satellit 2 die Codesequenz ausgesendet hat, könnte auf diese Weise die Laufzeit des Signals bestimmt werden.
Da die Codesequenz des Satelliten 2 bekannt ist, würde die geeignete Vorgehensweise zur Ermittlung des Empfangszeitpunkts darin bestehen, eine Kreuzkorrelation durchzuführen. Hierbei wird in einem Signalprozessor 10 des Empfängers 1 das empfange Signal mit einem Duplikat der bekannten Codesequenz korreliert. Die sich hierbei ergebende sog. Autokorrelationsfunktion AKF weist im Idealfall für eine Verzögerungszeit
des in dem Signalprozessor 10 erzeugten Korrelationssignals, die der Laufzeit des Satellitensignals entspricht, ein Maximum auf, so dass die Aufgabe also darin besteht, das Maximum der Autokorrelationsfunktion AKF zu bestimmen. Dieser Ansatz ist allerdings nicht realisierbar, da aufgrund der zu verarbeitenden Datenmengen die Suche nach einem Maximum der Autokorrelationsfunktion AKF zu komplex wäre.
Um dieses Problem zu umgehen, wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Suche nach dem Maximum einer Funktion aus mathematischer Sicht gleichbedeutend mit der Suche nach der Nullstelle der ersten Ableitung dieser Funktion ist. Zwar wäre auch die Bildung der Ableitung und die Suche der entsprechenden Nullstelle mit einem erheblichen Rechenaufwand verbunden, allerdings besteht nun die Möglichkeit, die Differenzierung lediglich anzunähern. Entsprechend der Darstellung in 3 kann die Ableitung der Autokorrelationsfunktion f(τ) nämlich durch den folgenden Differenzquotienten angenähert werden:
Diese Näherung wird auch als sogenannte Early-Late-Approximation bezeichnet, wobei entsprechend der Darstellung in 3 durch die Wahl eines genügend kleinen Zeitabstands Δτ die Zweipunktnäherung immer besser approximiert werden kann. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht nun darin, dass lediglich zwei Korrelationen zur Ermittlung der Ableitung in dem Approximationspunkt f(τ) erforderlich sind.
Die Ausgestaltung einer sogenannten Delay-Locked-Loop (DLL), mit der das in 3 schematisch dargestellte Verfahren umgesetzt werden kann, ist in 4 dargestellt.
Das am Empfänger eintreffende Satellitensignal s(t) wird mit zwei verschiedenen Signalen korreliert, die in zwei Signalgeneratoren CG1 und CG2 erzeugt und einmal um die Zeit τ ^ – Δτ/2 und das andere mal um die Zeit τ ^ + Δτ/2 verzögert werden. Die auf diese Weise enthaltenen Korrelationswerte werden subtrahiert, so dass sich letztendlich der in der obigen Gleichung beschriebene Differenzenquotient für die Verzögerungszeit
als Ausgangsignal ergibt. Dieses Ausgangssignal wird nochmals gefiltert und als Eingangssignal einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO zugeführt, der in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Differenzenquotienten die Verzögerungszeit τ ^ variiert. Aufgabe der auf diese Weise gebildeten Regelschleife ist es nun, die Verzögerungszeit τ ^ derart zu verändern, dass der Detektorausgang möglichst nahe bei Null liegt. Das hierbei entstehende Ausgangssignal des Detektors ist schematisch in 5 dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass für den Fall, dass die Verzögerungszeit τ ^ der Signallaufzeit τ_L entspricht, der Detektorausgang gleich null ist.
Im Falle einer ungestörten Übertragung der Navigationssignale von den Satelliten zu dem Empfänger könnte das durch die in 4 dargestellte Delay-Locked-Loop ermittelte Ergebnis hinsichtlich einer optimalen Verzögerungszeit τ_L unmittelbar als Ergebnis für die Laufzeit des Satellitensignals herangezogen werden. In diesem Fall würde nämlich die in der oben beschriebenen Weise aufgefundene Nullstelle der Ableitung der Korrelationsfunktion AKF exakt der Signallaufzeit entsprechen. In der Realität allerdings ist das Navigationssignal einer Reihe unterschiedlicher Einflüsse ausgesetzt, welche das Signal verfälschen und damit insbesondere auch zu einem Fehler in der Bestimmung des Empfangszeitpunkts bzw. der Signallaufzeit führen. Die vorliegende Erfindung befasst sich insbesondere mit der Auswirkung von Mehrwegeffekten, deren Entstehung schematisch in 6 dargestellt sind.
Wie die Darstellung in 6 zeigt, bestehen für das von dem Satelliten 2 übermittelte Navigationssignal verschiedene Möglichkeiten, beim Empfänger 1 einzutreffen. Neben dem direkt übermittelten Signal s₀ (direct path) treffen bei dem Empfänger 1 in der Regel noch weitere Signale s₁ und s₂ ein, die über Reflexionen an Objekten 4, 5 in der Umgebung des Empfängers 1 an diesen weitergeleitet wurden. Diese Echosignale s₁ und s₂ weisen hinsichtlich ihrer Eigenschaften große Ähnlichkeiten zu dem direkt übermittelten Signal s₀ auf, unterscheiden sich allerdings von diesem Primärsignal s₀ insbesondere im Hinblick auf ihre Laufzeit, ihre Leistung sowie ihre Phase.
Die Darstellung in 6 verdeutlicht, dass für die Ermittlung der Entfernung zwischen dem Empfänger 1 und dem Satelliten 2 ausschließlich das Primärsignal s₀ herangezogen werden sollte, welches auf direktem Wege übermittelt wurde. Problematisch ist allerdings, dass herkömmliche Empfänger, die auf der Auswertung des am Empfänger eintreffenden Signals mittels Autokorrelation beruhen, nicht in der Lage sind, exakt zwischen dem Primärsignal s₀ und den Echosignalen s₁ und s₂ zu unterscheiden. Letztendlich wird am Empfänger 1 die Summe aller drei Signale s₀, s₁, s₂ ausgewertet, was zu einer Nullpunktverschiebung des in 5 dargestellten Ausgangssignals des Detektors der Delay-Locked-Loop führt. Mit anderen Worten, die am Empfänger 1 eintreffenden Echosignale führen zu einer Fehleinschätzung des Empfangszeitpunkts für das Primärsignal s₀, die sich wiederum in einer Fehlbeurteilung der Signallaufzeit und damit in einem Fehler in der Positionsbestimmung niederschlägt. Diese Problematik besteht insbesondere für kurze Laufzeitverzögerungen, die kleiner als die sog. Chipdauer des Satellitensignals sind.
Die Beeinflussung des von dem Satelliten übertragenen Signals auf dem Weg zu dem Empfänger hin in einer Mehrwegeumgebung kann anhand des in den 7a und 7b dargestellten Kanalmodells verdeutlicht werden. 7a zeigt das Modell für den Fall, das lediglich ein zusätzliches Signalecho auftritt. Am Empfänger 1 treffen in diesem Fall zwei Signalanteile ein, zum Einen das direkt übertragene Signal s₀(t) sowie zum Anderen das Echosignal s₁(t). Die Entstehung des Echosignals s₁(t) kann durch einen Multiplikationsblock einerseits und einen Zeitverzögerungsblock andererseits modelliert werden. In dem Multiplikationsblock wird das von dem Satelliten 2 ausgegebene ursprüngliche Signal S(t) mit einer (eventuell zeitabhängigen) komplexen Konstante a₁(t) multipliziert und das daraufhin entstehende Ergebnis um den Zeitraum τ₁ verzögert. Das hieraus entstehende Echosignal s₁(t) wird dann mit dem direkten Signal s₀(t) summiert und als Gesamtsignal s(t) an den Empfänger 1 übermittelt. Auch das direkt übertragene Signal t₀(t) wird mit einer komplexen Konstante a₀(t) multipliziert und um die Signallaufzeit τ₀ verzögert. Die Konstanten a₀ und a₁ beschreiben zum Einen die Leistungsabschwächung der Signale auf dem Weg zum Empfänger 1 sowie zum Anderen eine eventuelle Phasenverschiebung der Signalanteile.
Der allgemeine Fall, in dem mehrere Echos auftreten, ist in 7b dargestellt. Hierbei sind dem auf direktem Wege übermittelten Signal s₀ mehrere Echosignale s₁ bis s₃ überlagert, die jeweils durch ihre Laufzeiten τ₁ bis τ₃ sowie durch die die Signalabschwächung beschreibenden Konstanten a₁ bis a₃ charakterisiert werden können.
Der allgemeine Einfluss eines Kanals auf das Satellitensignal kann somit entsprechende Darstellung in 7c dadurch beschrieben werden, dass das ursprüngliche Satellitensignal S(t) von dem Übertragungskanal h(t) zu dem am Empfänger eintreffenden Signal s(t) umgewandelt wird, wobei der Übertragungskanal durch folgende Gleichung charakterisiert werden kann:
Aus der Darstellung der 7a und 7b ist erkennbar, dass für den Fall, dass der Übertragungskanal bekannt ist, auch in einfacher Weise die für die Positionsbestimmung interessierende Laufzeit des Signals ermittelt werden kann. Diese entspricht nämlich dem ersten Verzögerungskoeffizienten τ₀, welcher den Einfluss des Kanals auf das direkt übertragene Signal s₀ charakterisiert.
Eine Ermittlung der Signallaufzeit (hierunter soll im Folgenden die Laufzeit τ₀ des auf direktem Wege übermittelten Signals verstanden werden) kann somit auch durch eine Abschätzung des Übertragungskanals h(t) bestimmt werden, wozu die eingangs erwähnten Superpositions-Algorithmen verwendet werden. Vereinfacht gesagt wird im Rahmen dieser Superresolution-Verfahren das am Empfänger tatsächlich eintreffende Signal mit mehreren synthetischen Signalen verglichen, die unter Zugrundelegung verschiedener Modellkanäle berechnet wurden. Als beste Schätzung für den Übertragungskanal wird dann derjenige Modellkanal angesehen, für den die Abweichung zwischen synthetischem Signal und tatsächlich empfangenem Signal minimal wird. Es wird also das Minimum folgender Funktion gesucht:
wobei s(t) dem tatsächlich eintreffenden Signal und r(t) dem unter Zugrundelegung eines Modellkanals berechneten synthetischen Signal entspricht. Anzumerken ist, dass die Berechnung des synthetischen Signals r(t) selbstverständlich erst dadurch ermöglicht ist, dass dem Empfänger die verschiedenen Codesequenzen der Satelliten bekannt sind. Zumindest die wesentlichen Eigenschaften des übermittelten Signals müssen also zur Abschätzung des Übertragungskanals im Rahmen der Superpositions-Algorithmen bekannt sein.
Das Schaltbild eines Empfängers 1, der auf der soeben beschriebenen Signalauswertung beruht, ist in 8 dargestellt. Dem Antenneneingang 11 des Empfängers 1 ist eine HF-Stufe 12 nachgeschaltet, welche das eintreffende Signal in geeigneter Weise aufbereitet, also insbesondere filtert und verstärkt. Dieses wird dann in einem Signalprozessor 10 zum Einen einer Delay-Locked-Loop 13 und zum Anderen einem FIR-Filter 14 zugeführt. Wie zuvor erläutert wurde, kann aufgrund der Mehrwegeeffekte durch die Delay-Locked-Loop 13 lediglich eine Grobabschätzung der Signallaufzeit erhalten werden. Diese Information ist allerdings erforderlich, um in dem Block 15 diejenigen Bereiche des über das FIR-Filter laufenden Signals einzugrenzen, welche für die anschließende Signalauswertung von Bedeutung sind. Im FIR-Filter 14 selbst findet eine nochmalige Korrelation des am Antenneneingang 11 eintreffenden Signals mit der entsprechenden Codesequenz statt, um aus der Summe der am Empfänger 1 eintreffenden Signale diejenigen Anteile herauszufiltern, die dem Satelliten, dessen Distanz von dem Empfänger 1 ermittelt werden soll, zuzurechnen sind. Das hierbei am Ausgang des Signalprozessors 10 entstehende Signal wird dann einem Controller 20 zugeführt, in dem die letztendliche Signalauswertung im Rahmen der Superresolution-Verfahren durchgeführt wird. Als Ergebnis hiervon wird die Signallaufzeit und dementsprechend die Position des Empfängers 1 bestimmt.
Das soeben beschriebene Verfahren ermöglicht derzeit die bestmögliche Auswertung des an dem Empfänger eintreffenden Navigationssignals. Nachteilig ist allerdings, dass die Abschätzung eines Übertragungskanals ausschließlich anhand des eintreffenden bzw. beobachteten Satellitensignals erfolgt. Die Abschätzung beruht also auf verhältnismäßig wenig Informationen über die aktuellen Umstände der Signalübertragung und wird auch als Aposteriori-Schätzung bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung bietet nunmehr die Möglichkeit, das Ergebnis der Abschätzung des Übertragungskanals deutlich zu verbessern. Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt hierbei, dass verschiedene Echosignale mit unterschiedlich hohen Wahrscheinlichkeiten in einer Mehrwegeumgebung auftreten. Dies wurde im Rahmen umfangreicher Messungen festgestellt, bei denen das an einem in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfänger eintreffende Signal dahingehend analysiert wurde, welche Echo-Komponenten in dem Signal enthalten sind. Ergebnisse dieser Messungen sind in den 9 bis 12 dargestellt, die nachfolgend besprochen werden sollen. Diese 9 bis 12 zeigen die anhand von Auswertungen der Kanalimpulsantwort ermittelten Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Signalechos, wobei die Wahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von der Laufzeitverzögerung τ sowie der Intensität des Echosignals im Vergleich zu dem auf direktem Wege übermittelten Signal dargestellt sind. Genau genommen handelt es sich bei den dargestellten Wahrscheinlichkeitsverteilungen um Dichtefunktionen, da die Wahrscheinlichkeit für ein Echo mit einer ganz bestimmten Verzögerung und Leistung immer verschwindend klein sein wird und der Genauigkeit der Messungen ebenfalls Grenzen gesetzt sind.
Die Laufzeitverzögerung entspricht hierbei der Dauer, um die das Echosignal im Vergleich zu dem direkt übermittelten Signal verzögert beim Empfänger eintrifft. Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit, die in etwa der Lichtgeschwindigkeit c entspricht, bedeutet also eine Laufzeitverzögerung von 1 ns eine verlängerte Wegstrecke für das Echosignal um ca. 0,3 m. Jede der 9 bis 12 zeigt nun die Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Signalechos in unterschiedlichen Situationen des Empfängers.
9 zeigt zunächst eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (die Wahrscheinlichkeiten sind in dB dargestellt) für den Fall, dass sich der Empfänger in einer Stadt befindet und der das Navigationssignal aussendende Satellit eine Elevation von 20° aufweist. Erkennbar ist zunächst, dass im linken Bereich der Verteilung bei einer Verzögerung von 0 ns ein erster Bereich I mit einer sehr hohen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Signalkomponenten existiert. Dies ist verständlich, da eine Verzögerung von 0 ns bedeutet, dass es sich hierbei um das direkt übertragene Signal (direct path) handelt.
Von diesem ersten Bereich I zu trennen ist der weitere Teil der Wahrscheinlichkeitsverteilung, der die Signalechos betrifft. Hierbei ist zunächst bemerkenswert, dass zwischen dem ersten Bereich I und dem Bereich der Echokomponenten bei einer Verzögerung von ca. 10 ns eine Lücke II existiert, in der die Wahrscheinlichkeiten im Vergleich zum Bereich I und zu den nachfolgenden Echosignalen deutlich abfällt. Echosignale, die eine Verzögerungszeit von lediglich wenigen ns aufweisen und damit durch Reflexionen des Signals in der unmittelbaren Umgebung des Empfängers entstanden sind, spielen also lediglich eine untergeordnete Rolle.
Der sich an diese Lücke II anschließende Bereich der Wahrscheinlichkeitsverteilung kann grundsätzliche gesehen dadurch charakterisiert werden, dass die Kurven, welche die Leistung der Signalkomponenten in Abhängigkeit von der Laufzeitverzögerung bei gleichbleibender Wahrscheinlichkeit darstellen, abfallen. Dies kann beispielsweise deutlich den Kurven für eine Wahrscheinlichkeit von –30 db oder –35 db entnommen werden. Der Abfall kann dabei durch eine exponentielle Kurve angenähert werden.
Abweichend von diesem allgemeinen Abfall existieren allerdings weitere Bereiche, in denen trotz allem eine etwas höhere Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Signalkomponenten besteht. In der dargestellten Verteilung sind beispielsweise Bereiche III, IV und V bei Laufzeitverzögerungen von ca. 80ns, 150ns und 230ns zu erkennen. Ein weiterer Bereich VI einer erhöhten Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Echosignalen, ein sog. Echo-Cluster besteht bei einer Verzögerung von ca. 380 ns. Diese besonderen Bereiche sind auf die besonderen Reflexionseigenschaften der Umgebung des Empfängers zurückzuführen und treten signifikant dann auf, wenn sich der Empfänger in einer Stadt befindet. Die Kenntnis dieser Bereiche sowie des allgemeinen Abfalls der Wahrscheinlichkeitsverteilung wird nun – wie später erläutert wird – bei der Auswertung der empfangenen Signale berücksichtigt.
10 zeigt wiederum eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für einen sich in einer Stadt befindlichen Empfänger, wobei nunmehr allerdings der Satellit eine Elevation von 60° aufweist. Erkennbar ist zunächst, das die Verteilung im Vergleich zu einer Elevation von 20° deutlich in der X-Achse komprimiert wurde. Dies wird verständlich, wenn man berücksichtigt, dass die Verlängerung der Wegstrecke der Echosignale von dem Einfallswinkel des Signals abhängt. Der Darstellung in 13, welche die Reflexion eines Echosignals s₁ an einer senkrechten Häuserwand 40 zeigt, kann diese Abhängigkeit entnommen werden. Deutlich wird, das die längere Wegstrecke L von dem Einfallswinkel ε des Signals abhängt. Hierbei wird angenommen, dass das direkte Signal s₀ und das Echosignal s₁ parallel zueinander verlaufen, was aufgrund der großen Entfernung des Satelliten gerechtfertigt ist.
Trotz der Komprimierung der Wahrscheinlichkeitsverteilung weist allerdings auch die Verteilung von 10 die charakteristischen Merkmale für eine städtische Umgebung auf. Zunächst einmal ist wiederum der Bereich I der direkten Übertragung durch eine Lücke II von dem allgemeinen Echobereich getrennt und der Echobereich fällt wiederum näherungsweise exponentiell ab. Auch die Echo-Cluster III, IV, V und IV sind vorhanden, wobei nunmehr die Bereiche III, IV und V einen gemeinsamen größeren Bereich VII bilden und der Bereich IV aufgrund der höheren Elevation des Satelliten zu einer Verzögerungszeit von ca. 170 ns verschoben wurde.
11 zeigt nunmehr eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für eine ländliche Umgebung bei einer Satelliten-Elevation von lediglich 5°. Deutlich ist, dass der Echobereich im Vergleich zur Stadt zunächst stärker abfällt, allerdings bei Verzögerungen oberhalb von 250 ns neue Echo-Cluster VIII und IX entstehen. Der stärkere – allerdings wiederum in etwa exponentielle Abfall des „normalen" Echobereichs kann dadurch erklärt werden, dass in einer ländlichen Umgebung weniger Gebäude oder allgemein Objekte in der näheren Umgebung des Empfängers existieren, welche das Signal reflektieren. Andererseits können nunmehr auch Signalkomponenten durch Reflexionen an weiter entfernten Objekten (z.B. Bäumen oder Bergen) entstehen, was das Entstehen der neuen Bereich VIII und IX erklärt. Im übrigen ist auch in diesem Fall der direkte Bereich I von dem Echobereich durch eine Lücke II mit niedriger Wahrscheinlichkeit getrennt.
12 zeigt abschließend noch die Messergebnisse bei einer Elevation von 70°, wiederum für eine ländliche Umgebung. Deutlich wird, dass die Verteilung aufgrund des hohen Einfallswinkel wiederum komprimiert wurde. Der hohe Einfallswinkel des Signals hat ferner zur Folge, das die in 11 erkennbaren Bereiche VIII und IX nunmehr keine Rolle spielen. Auch bei dieser Verteilung sind allerdings die allgemeinen Charakteristiken, nämlich die Lücke II sowie der näherungsweise exponentielle Abfall der Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Echosignale erkennbar.
Aus den dargestellten Messergebnissen können nunmehr folgende allgemeinen Erkenntnisse gewonnen werden:

a) Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Echosignal auftritt, welches eine Verzögerungszeit von lediglich wenigen Nanosekunden (insbesondere eine Verzögerung im Bereich von 10 ns) aufweist, ist sehr gering. Echosignale, deren Übertragungsweg somit lediglich einige wenige Meter (10 ns entsprechen einer Distanzverlängerung von 3 m) länger ist als der Übertragungsweg des direkt übertragenen Signals, treten nur mit äußerst niedriger Wahrscheinlichkeit auf bzw. spielen keine Rolle.
b) In sämtlichen Umgebungsszenarien kann die Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Echosignalen im Wesentlichen durch eine abfallende Kurve beschrieben werden. Bei gleichbleibender Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Echosignals fällt somit die Leistung des Echosignals bei zunehmender Verzögerungszeit ab. Die hierbei entstehende Kurve kann in etwa durch eine exponentiell abfallende Kurve oder eine Hyperbel angenähert werden.
c) Diese allgemeine Wahrscheinlichkeitsverteilung wird je nachdem, in welcher Umgebung sich der Empfänger befindet, modifiziert. Dabei treten je nach Art der Umgebung zusätzliche Bereiche (sog. Echo-Cluster) in Erscheinung, in denen das Entstehen von Signalechos wahrscheinlich ist. Diese Bereiche können beispielsweise auf Reflexionen des Signals an Bäumen, Häusern oder anderen Objekten zurückgeführt werden.
d) Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Signalechos auch durch die Elevation des Senders bzw. Satelliten beeinflusst werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch den Einfallswinkel des Signals der Weg des Echosignals und damit dessen Laufzeitverzögerung beeinflusst wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr vorgeschlagen, die aus den obigen Messungen gewonnenen Erkenntnisse bei der Auswertung des an dem Empfänger eintreffenden Signals zu berücksichtigen. Erfindungsgemäß wird nunmehr also berücksichtigt, dass bei den im Rahmen der Superresolution-Algorithmen untersuchten Modell-Übertragungskanälen unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten dafür bestehen, dass diese Kanäle auch tatsächlich im aktuellen Fall vorliegen. Wie weiter oben erläutert wurde, kann jeder Modellkanal durch die Summe des direkten Übertragungswegs mit den verschiedenen Signalechos beschrieben werden. Diese verschiedenen Signalechos weisen nunmehr allerdings eine unterschiedliche sog. Apriori-Wahrscheinlichkeit auf, was erfindungsgemäß bei dem Vergleich des tatsächlich empfangenen Signals mit den synthetischen, anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten Signalen berücksichtigt wird.
Das nachfolgende Beispiel soll den erfindungsgemäßen Gedanken verdeutlichen. Beispielsweise wird im Rahmen eines Superresolution-Verfahrens überprüft, inwiefern das tatsächlich empfangene Satellitensignal s(t) mit zwei synthetisch berechneten Signalen r₁(t) bzw. r₂(t) übereinstimmt, die auf Basis beiden folgenden (vereinfachten) Modellkanäle berechnet wurden:
Für den Fall, dass beide synthetische Signale etwa die gleiche Übereinstimmung mit dem tatsächlich empfangenen Signal aufweisen, könnte bei der bisherigen Vorgehensweise entsprechend dem Stand der Technik keine Aussage darüber getroffen werden, ob nun der erste Modell-Übertragungskanal die bessere Abschätzung darstellt oder der zweite. Geht man allerdings davon aus, dass sich der Empfänger innerhalb einer Großstadt befindet und der Satellit eine Elevation von 20° aufweist, so kann aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung von 9 gefolgert werden, dass der erste Modell-Kanal die bessere Abschätzung darstellt. Der Grund hierfür ist, dass die (in 9 gesondert gekennzeichneten) Wahrscheinlichkeiten P_1–0 bis P_1–3 dafür, dass die in diesem ersten Modellkanal angenommen Signalechos auftreten, deutlich höher sind als die Wahrscheinlichkeiten P_2–0 bis P_2–3 für den zweiten Modell-Übertragungskanal. Die in den Wahrscheinlichkeitsverteilungen enthaltenen Apriori-Wahrscheinlichkeiten geben somit darüber Auskunft, inwiefern der bei der Abschätzung im Rahmen des Superresolution-Algorithmus untersuchte Modell-Übertragungskanal überhaupt für die tatsächlich vorliegende Situation wahrscheinlich ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr also vorgeschlagen, bei der Auswertung des empfangenen Signals im Rahmen der Superresolution-Verfahren, bei denen das tatsächlich erfasste Signal mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen verglichen wird, die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Modell-Übertragungskanäle zu berücksichtigen. Beispielsweise könnte anhand der verwendeten Wahrscheinlichkeitsverteilungen die sog. Verbund- bzw. Gesamtwahrscheinlichkeit P(h(t)) für das Auftreten des Modell-Übertragungskanals h(t) ermittelt werden, die dann als Wichtungsfaktor bei der Suche nach dem Minimum berücksichtigt wird. Anstelle der obigen Gleichung wird also nunmehr das Minimum folgender Funktion gesucht:
wobei mit F(P) allgemein die Wichtungsfunktion für die ermittelten Verbundwahrscheinlichkeiten P(h(t)) bezeichnet wird. Beispielsweise könnte F(P) = P^–1 gewählt werden. In diesem Fall müßte also folgendes Minimum bestimmt werden:
Es wäre allerdings auch denkbar, für die Wichtungsfunktion F andere Funktionstypen zu wählen, insbesondere wäre auch der Einsatz einer logarithmische Funktion (F(P) = log P) denkbar. Die bei dieser Vorgehensweise erforderliche Verbundwahrscheinlichkeit P(h(t)) für einen gesamten Übertragungskanal kann dann auf Basis der verwendeten Wahrscheinlichkeitsverteilungen wie folgt ermittelt werden.
Zunächst sei p(P, τ) die Wahrscheinlichkeitsverteilungsdichtefunktion für den Auftritt eines Echos mit der Leistung P und der Verzögerung τ. Dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass in dem Bereich
ein Signalecho auftritt wie folgt:
Die Wahrscheinlichkeit hingegen, dass kein Echo im genannten Bereich auftritt, ist P ~(P, τ) = 1 – P(P₁, τ₁).
Nimmt man an, dass das gesamte relevante Feld der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion in ein regelmäßiges Raster mit der Weite ΔP in Leistungsrichtung und Δτ in Verzögerungsrichtung in N Leistungsabschnitte P_n und K Verzögerungsabschnitte τ_k quantisiert ist, so ergibt sich die vereinfachte Beziehung P(Pn, τk) = p(Pn, τk)·ΔP·Δτ
Die Verbundwahrscheinlichkeit P(h(t)) für einen Kanal mit der Kanalimpulsantwort h(t) errechnet sich ebenfalls durch Quantisierung. Hierzu sein ein Kanal h(t) mit insgesamt F Echos an den Positionen τ₁ ... τ_F und den Pfadleistungen P₁ ... P_F gegeben. Wird mit M die Menge aller möglichen Permutationen aus P_n und τ_k bezeichnet, so ergibt sich für diese eine Mächtigkeit von N·K. Sei ferner mit F die Menge F = {(P1, τ1)...(PF, τF)}über die Echos des Kanals definiert, so ergibt sich die Verbundwahrscheinlichkeit des Kanals h(t) schließlich zu
Letztendlich läßt sich also aus den Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten einzelner Signalechos die Gesamt- bzw. Verbundwahrscheinlichkeit für den gesamten Kanal berechnen.
Auch andere Vorgehensweisen zur Berücksichtigung der Apriori-Wahrscheinlichkeit für den gesamten Modellkanal wären denkbar. Ferner bestünde auch die Möglichkeit, die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für jedes einzelne Signalecho getrennt zu berücksichtigen. In jedem Fall kann hierdurch eine bessere Schätzung des Übernagungskanals erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene Weise implementiert werden. Verschiedene Möglichkeiten hierfür sollen nachfolgend erläutert werden.
a) Basis-Variante
Bei dieser ersten Variante wird für sämtliche Umgebungen, in denen sich der Empfänger befindet, eine gemeinsame Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Signalechos angenommen, die in etwa einem Mittelwert für die unterschiedlichen Umgebungen darstellt. Eine vereinfachte allgemeine Basis-Wahrscheinlichkeitsverteilung, die beispielsweise herangezogen werden könnte, ist in 14 dargestellt. Die dargestellte Form der Wahrscheinlichkeitsverteilung beruht zunächst auf der oben genannten Erkenntnis, dass zwischen dem direkten Übertragungspfad I und den die (relevanten) Signalechos beschreibenden Bereich eine Lücke II bzw. Bereich existiert, in dem die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Signalechos äußerst gering ist. Derartige Signalechos werden bei der Basis-Variante beispielsweise gar nicht berücksichtigt und erhalten dementsprechend die Wahrscheinlichkeit 0.
Der weitere Bereich, der die Wahrscheinlichkeiten für die verschiedenen Signalechos beschreibt, wurde – wie oben erwähnt – durch eine in etwa exponentiell abfallende Kurve angenähert. Innerhalb dieses Bereichs können verschiedene Abstufungen für die Wahrscheinlichkeiten bestehen. Allerdings wäre es in einer besonders einfachen Version des erfindungsgemäßen Verfahrens auch denkbar, dass die Wahrscheinlichkeiten für Signalechos, die innerhalb dieses Echobereichs liegen, alle gleich sind und Echosignale, die außerhalb dieses Bereichs liegen, nicht berücksichtigt werden bzw. eine Apriori-Wahrscheinlichkeit von 0 aufweisen. Dies stellt eine erste Annäherung an die tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen dar. Durch die angedeuteten Abstufungen innerhalb dieses Bereichs allerdings kann eine bereits etwas verbesserte Abschätzung ermöglicht werden.
In dieser Basis-Variante ist es unerheblich, in welcher Umgebung sich der Empfänger tatsächlich befindet. Inwiefern sich also die tatsächliche Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Signalechos zumindest in bestimmten Bereichen verändert, wird hierbei also nicht berücksichtigt. Trotz allem kann auch bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bereits eine deutlich verbesserte Abschätzung der Übertragungskanäle erhalten werden, da bewußt solche Signalechos „ausgeblendet" werden, die in der Realität nur äußert selten oder gar nicht vorkommen.
b) Umgebungsszenarien-Variante
Bei dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird berücksichtigt, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Signalechos davon abhängig sind, in welcher Umgebung sich der Empfänger befindet. Es werden somit nunmehr unterschiedliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen zur Verfügung gestellt, die je nachdem, ob sich der Empfänger beispielsweise in einer Stadt oder auf dem Land befindet, bei der Abschätzung der Übertragungskanäle berücksichtigt werden. Die verschiedenen Szenarien sind dabei nicht nur auf die beiden genannten Anwendungsfälle „Stadt" und „Land" beschränkt, es wäre durchaus denkbar, noch weitere Unterteilungen wie z. B. „Kleinstadt", „Gebirge", „Küste" und dergleichen vorzunehmen.
In jedem Fall ist nunmehr also vorgesehen, dass unterschiedliche Wahrscheinlichkeitsverteilungen herangezogen werden, die je nach dem ausgewählt werden, in welcher Umgebung sich der Empfänger gerade befindet. Um hierbei eine möglichst automatisierte Auswahl durchführen zu können, muss der Empfänger also die Information besitzen, wo er sich gerade befindet und welcher Art von Umgebung die aktuelle Position entspricht. Die erstgenannte benötigte Information ist naturgemäß bei einem Navigationssystem verfügbar, da dem Empfänger ohnehin zumindest eine grobe Einschätzung der aktuellen Position möglich ist. Die erfindungsgemäße Erweiterung besteht also primär darin, dem Empfänger zusätzlich auch noch die Information mitzuteilen, in welcher Art von Umgebung er sich befindet und welche Wahrscheinlichkeitsverteilung dementsprechend heranzuziehen ist. Hierfür sind zumindest zwei Alternativen denkbar, die nunmehr erläutert werden sollen.
Gemäß einer ersten Alternative wird in dem Empfänger selbst die benötigte Information bereitgestellt. Mit anderen Worten, neben den Daten über die zu verwendenden Wahrscheinlichkeitsverteilungen ist in dem Empfänger auch eine digitale Landkarte abgespeichert, die darüber Informationen enthält, welcher Art von Umgebung die gerade berechnete Position entspricht. Der Controller 20 eines auf diese Weise ausgestalteten Empfängers 1 ist dementsprechend wie in 16 dargestellt ausgestaltet. Neben dem Verarbeitungsblock 21 zur Auswertung des Navigationssignals ist ein Speicher 22 vorgesehen, in dem einerseits Informationen hinsichtlich der zu berücksichtigenden Wahrscheinlichkeitsverteilungen (Bereich 22a) und andererseits die digitale Landkarte (Bereich 22b) gespeichert sind. Zur Auswertung des Navigationssignals führt der Empfänger somit zunächst eine Grobeinschätzung der aktuellen Position des Empfängers durch, ermittelt dann anhand der Informationen in der digitalen Landkarte, in welcher Umgebung er sich befindet und greift dementsprechend dann auf die geeignete in dem Speicher enthaltene Wahrscheinlichkeitsverteilung zurück. Das Ergebnis kann dann einer Verarbeitungseinheit 23 zugeführt werden, die beispielsweise die erhaltene Information über die Position des Empfängers an ein Display oder eine andere Ausgabeeinheit weiterleitet.
Bei dieser ersten Alternative ist der Empfänger somit in der Lage, vollkommen selbständig eine geeignete und in seinem Speicher enthaltene oder ggf. generierte Wahrscheinlichkeitsverteilung auszuwählen. Bei einer zweiten Variante ist hingegen vorgesehen, dass diese Informationen durch eine externe Quelle zur Verfügung gestellt werden. Hierfür kann beispielsweise ein externer Server verwendet werden, der in Kontakt mit mehreren in seiner Umgebung befindlichen Empfängern steht und diesen jeweils die benötigte Information, in welcher Art von Umgebung sie sich befinden, zur Verfügung stellt.
Die entsprechende Ausgestaltung eines derartigen Systems ist in 17 dargestellt. Hierbei ist also eine Basisstation 30 mit einem Server 31 vorgesehen, der die oben angesprochenen Informationen hinsichtlich einer digitalen Landkarte enthält und in Kontakt mit den Empfängern 1 steht. Sobald ein Empfänger 1 nunmehr seine (grobe) Position an die Basisstation 30 übermittelt, kann diese anhand der Informationen in dem Server 31 ermitteln, in welcher Art von Umgebung sich der Empfänger 1 befindet. Als Antwort auf die Anfrage des Empfängers 1 übermittelt die Basisstation 30 dann die Information, welche Art von Wahrscheinlichkeitsverteilung heranzuziehen ist. Bei den Basisstationen 30 könnte es sich beispielsweise auch um die Referenzstationen handeln, die im Rahmen des differentiellen GPS-Systems ohnehin bereits genutzt werden.
Der Vorteil dieser zweiten Alternative besteht darin, dass die umfangreichen Daten hinsichtlich der Information, welche Positionen welchen Arten von Umgebungen entsprechen, nicht in dem Empfänger gespeichert werden müssen. Da sich diese Informationen im Laufe der Zeit mitunter auch ändern können, bietet die Bereitstellung dieser Daten durch einen zentralen Server darüber hinaus auch die Möglichkeit, diese Daten permanent zu aktualisieren und damit auf dem neuesten Stand zu halten.
Ergänzend dazu könnte der Server im Übrigen auch dazu genutzt werden, die verschiedenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen an den Empfänger zu übermitteln, so dass auch diese Daten nicht mehr unmittelbar in dem Empfänger gespeichert werden müssen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass in einem Speicher des Empfängers jeweils nur eine der aktuellen Position entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung gespeichert ist, welche bei Veränderung der Umgebung des Empfängers durch eine neue, von dem Server übermittelte Wahrscheinlichkeitsverteilung ersetzt bzw. überschrieben wird.
Eine dritte Alternative, welche die automatische Auswahl einer geeigneten Wahrscheinlichkeitsverteilung ermöglicht, besteht darin, die An der Umgebung unmittelbar, d.h. nicht über die vorherige Ortsbestimmung zu erfassen. In diesem Fall ist der Empfänger mit einem separaten Sensor ausgestattet, der bestimmte Informationen über seine Umgebung erfaßt und aus diesen Informationen ableitet, in welcher Art von Umgebung er sich befindet. Ein entsprechender Sensor könnte sowohl optischer (z.B. eine Video- oder Infrarot-Kamera oder ein Lasermessgerät mit entsprechender Auswerteeinheit) als auch akustischer (z.B. ein Mikrophon) Natur sein. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass weder in dem Empfänger selbst noch in einem zentralen Server Daten bezüglich einer digitalen Landkarte gespeichert werden müssen.
Schließlich bestünde als weitere Alternative selbstverständlich auch noch die Möglichkeit, dass ein Benutzer des Empfängers über ein entsprechendes Eingabeelement manuell die Information vorgibt, in welcher Umgebung er sich befindet bzw. welche Wahrscheinlichkeitsverteilung heranzuziehen ist.
Welche Arten von Wahrscheinlichkeits-Verteilungen also tatsächlich verwendet werden, wird somit nunmehr durch die aktuelle Umgebung, in der sich die Empfänger befinden, beeinflusst. Dabei bestünde zum einen die Möglichkeit, dass der Empfänger dann aus mehreren zur Verfügung gestellten Wahrscheinlichkeits-Verteilungen diejenige auswählt bzw. von dem Server übermittelt bekommt, die der aktuellen Umgebung entspricht. Diese individuellen Wahrscheinlichkeitsverteilungen können (wie die in den 9 bis 12 dargestellten Verteilungen) auf der Basis experimenteller Messungen gewonnen werden, es wäre allerdings auch denkbar, diese Verteilungen theoretisch zu berechnen. Hierfür könnten beispielsweise die Grundlagen der geometrischen Optik oder bekannte Raytracing-Verfahren, mit den das Auftreten von Echos numerisch bestimmt werden kann, herangezogen werden.
Eine alternative Lösung hierzu wäre allerdings auch, dass die in 14 dargestellte Basis-Wahrscheinlichkeitsverteilung je nachdem, in welcher Umgebung sich der Empfänger befindet, modifiziert wird. Wie anhand der 9 bis 12 erläutert wurde, ist nämlich die grundsätzliche Wahrscheinlichkeitsverteilung ortsunabhängig und wird lediglich in einigen Bereichen durch die aktuelle Umgebung modifiziert. Denkbar wäre also, dass der in 14 dargestellten allgemeinen Wahrscheinlichkeitsverteilung je nach Umgebung bestimmte Bereiche hinzugefügt werden, wie dies schematisch in 15 nachgestellt ist. Beispielsweise wird dann für den Fall, dass sich der Empfänger in einer Stadt befindet, die Wahrscheinlichkeitsverteilung durch Zusatzblöcke, welche die für eine Stadt typischen Echo-Cluster charakterisieren, ergänzt. Aus Klarheitsgründen wurde hierbei in 15 auf eine weitere Abstufung der Wahrscheinlichkeiten innerhalb des Echobereichs verzichtet.
In jedem Fall ist sichergestellt, dass die Abschätzung des Übertragungskanals im Vergleich zu der Basisvariante nochmals verbessert wird, da die verwendeten Apriori-Wahrscheinlichkeiten hinsichtlich des Auftretens von Echo-Signalen gezielt auf die aktuelle Umgebung des Empfängers abgestimmt und nochmals aussagekräftiger sind.
Ferner kann in Ergänzung der Basis-Variante oder der Umgebungsszenarien-Variante auch noch die Elevation des Satelliten berücksichtigt werden, da diese – wie zuvor erläutert – ebenfalls die Wahrscheinlichkeitsverteilung beeinflußt. Wiederum könnte entweder je nach Elevations-Winkel eine vorbereitete Wahrscheinlichkeitsverteilung lokal oder von einem Server abgerufen oder die gerade verwendete Wahrscheinlichkeitsverteilung entsprechend dem Elevations-Winkel verschoben bzw. geeignet modifiziert werden.
c) Selbstlernende Variante
Die abschließend beschriebene Variante der vorliegenden Erfindung stellt praktisch eine Weiterbildung der beiden oben genannten Varianten dar. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass bei jeder Auswertung des empfangenen Satellitensignals bzw. bei jeder Abschätzung des Übertragungskanals Informationen darüber erhalten werden, welche Signalechos gerade aufgetreten sind. Diese Informationen können nunmehr bei der weiteren Auswertung von Navigationssignalen berücksichtigt werden, indem sie in die verwendeten Wahrscheinlichkeitsverteilungen eingearbeitet werden. Bei der dritten Variante ist also vorgesehen, dass die verwendeten Wahrscheinlichkeits-Verteilungen fortwährend aktualisiert werden, wobei die jeweils aktuell gewonnenen Erkenntnisse über das Auftreten von Echo-Signalen berücksichtigt werden.
Es wird hierdurch ein quasi selbstlernendes System geschaffen, bei dem die Wahrscheinlichkeitsverteilungen fortwährend aktualisiert und damit verbessert werden, so dass letztendlich der Empfänger jeweils auf die aktuellsten Erkenntnisse hinsichtlich des Auftretens von Signalechos zurückgreifen kann. Dieser selbstlernende Mechanismus kann sowohl bei der Basis-Variante als auch bei der zweiten Variante, in der die aktuelle Umgebung berücksichtigt wird, eingesetzt werden. Bei der Basis-Variante wird dann die für alle Umgebungen gemeinsam geltende Basis- Wahrscheinlichkeitsverteilung fortwährend aktualisiert und verbessert. Bei der ortsabhängigen Variante hingegen wird jeweils diejenige Wahrscheinlichkeitsverteilung, die gerade verwendet wird und der aktuellen Umgebung des Empfängers entspricht, modifiziert.
Der Vorteil dieser selbstlernenden Variante besteht ferner auch darin, dass auch bestimmte Empfangseigenschaften des Empfänger hierdurch berücksichtigt werden, dass also die verwendeten Wahrscheinlichkeitsverteilungen im Laufe der Zeit unmittelbar auf den Empfängertyp bzw. eine spezielle Empfangsantenne abgestimmt werden.
Im Übrigen wäre es auch bei dieser selbstlernenden Variante denkbar, dass das Fortschreiben und Aktualisieren der Wahrscheinlichkeitsverteilungen wiederum durch einen zentralen Server erfolgt, der in einer Basisstation – wie in 17 dargestellt – angeordnet ist. In diesem Fall ist also vorgesehen, dass die Empfänger fortwährend ihre Erkenntnisse über das Auftreten von Signalechos an den Server übermitteln, der diese Erkenntnisse auswertet und in die Wahrscheinlichkeitsverteilungen einarbeitet, die dann wiederum als Rückmeldung an die Empfänger übermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine bessere Abschätzung des Übertragungskanals für ein empfangenes Signal und dementsprechend auch eine bessere Bestimmung der Signallaufzeit. Neben dem sich daraus unmittelbar ergebenden Vorteil, dass nämlich die Position eines Empfängers in einem Navigationssystem besser bestimmt werden kann, ergibt sich aus der Kenntnis der Apriori-Wahrscheinlichkeiten über das Auftreten von Signalechos noch der weitere Vorteil, dass eine Aussage hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Kanalabschätzung bzw. der Positionsbestimmung getroffen werden kann. Die Apriori-Wahrscheinlichkeiten erlauben es also zusätzlich auch, eine Wahrscheinlichkeit dafür anzugeben, dass sich der Empfänger tatsächlich gerade an einer bestimmten Position befindet. Dies ermöglicht in einer besonderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens die Möglichkeit, dem Nutzer des Empfängers nicht nur eine einzelne Position anzuzeigen, an der er sich mit größter Wahrscheinlichkeit befindet. Stattdessen kann – wie in 18 dargestellt – eine Wahrscheinlichkeitsverteilung angezeigt werden, die für die Umgebung des Empfängers angibt, an welcher Stelle er sich mit welcher Wahrscheinlichkeit befindet. Diese Darstellung ist nochmals aussagekräftiger über die Güte der Positionsbestimmung und in verschiedenen Anwendungsgebieten für Navigationssysteme von großem Nutzen. Insbesondere kann bei dieser Darstellung auch berücksichtigt werden, dass ggf. mehrere Position mit gleich hoher Wahrscheinlichkeit existieren.
Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung somit die Möglichkeit geschaffen, die Auswertung eines empfangenen Signals – insbesondere eines Navigationssignals – in einer Mehrwegeumgebung deutlich zu verbessern. Da auf Erkenntnisse hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Signalechos zurückgegriffen wird, kann die Abschätzung des Übertragungskanals deutlich verbessert werden. Dies wiederum allerdings ermöglicht eine genauere Beurteilung des Empfangszeitpunkts bzw. der Signallaufzeit und damit eine verbesserte Positionsbestimmung des Empfängers. Insbesondere die Möglichkeiten zur fortwährenden Aktualisierung der Wahrscheinlichkeitsverteilungen erlauben es ferner, neueste Erkenntnisse über das Auftreten von Signalechos berücksichtigen zu können.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines hinsichtlich seiner wesentlichen Eigenschaften bekannten Signals (S), welches insbesondere über die Ermittlung seiner Laufzeit (τ) in einem Navigationssystem zur Ortsbestimmung eines in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfängers (1) nutzbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Erfassen des an einem Empfänger (1) ankommenden Signals (s), b) Abschätzen des Übertragungskanals für das Signal (S) mittels eines Vergleichs des tatsächlich erfassten Signals (s) mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen (r) und c) Bestimmen des Empfangszeitpunkts für das Signal (s) anhand des in Schritt b) geschätzten Übertragungskanals, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschätzung des Übertragungskanals in Schritt b) die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Modell-Übertragungskanäle berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschätzung des Übertragungskanals eine für alle Situationen geltende allgemeine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschätzung des Übertragungskanals ein von der Umgebung des Empfängers (1) anhängige Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus mehreren vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten eine der Umgebung des Empfängers (1) zugeordnete Wahrscheinlichkeitsverteilung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen auf Basis von Messungen erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen theoretisch berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass allgemeine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten entsprechend der Umgebung des Empfängers (1) modifiziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl, welche der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen verwendet wird bzw. in welcher Weise die allgemeine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten zu modifizieren ist, durch manuell vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl, welche der vorgegebenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen verwendet wird bzw. in welcher Weise die allgemeine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten zu modifizieren ist automatisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der bereits empfangenen Signale die Position des Empfängers (1) zumindest geschätzt und anhand dieser Position die Art der Umgebung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Umgebung durch einen Vergleich der Position des Empfängers (1) mit den Daten einer digitalen Landkarte bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Landkarte in einem Speicher (22) des Empfängers (1) abgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalen Landkarte in einem zentralen Server (31) gespeichert ist, mit dem der Empfänger (1) in Kontakt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Umgebung des Empfängers (1) durch einen an dem Empfänger (1) vorgesehenen optischen oder akustischen Sensor bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Apriori-Wahrscheinlichkeiten von der Elevation eines das Signal aussendenden Satelliten (2) abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Apriori-Wahrscheinlichkeiten von einer Basisstation (30) übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Abschätzung des Übertragungskanals erhaltenen Informationen hinsichtlich des Auftretens von Signalechos von dem Empfänger (1) an die Basisstation (30) übermittelt werden, wobei die Basisstation (30) auf Basis der übermittelten Informationen die Apriori-Wahrscheinlichkeiten aktualisiert.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation (30) die Informationen einer Vielzahl von Empfängern erhält.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der ermittelten Empfangszeitpunkte mehrere Signale die Position des Empfängers (1) bestimmt wird.
Verfahren zum Erstellen einer Verteilung für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten des Entstehens von Signalechos in der Mehrwegeumgebung eines Empfängers (1), wobei a) mehrere hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaften bekannte Signale (S) zu dem Empfänger (1) übermittelt und b) die Übertragungskanäle für die Signale (S) mittels eines Vergleichs der tatsächlich erfassten Signale (s) mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen (r) abgeschätzt werden und mittels der geschätzten Übertragungskanäle eine Statistik über das Auftreten von Signalechos erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Apriori-Wahrscheinlichkeiten bei der Abschätzung der Übertragungskanäle in Schritt b) berücksichtigt werden.
Empfänger (1) zum Empfangen und Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines hinsichtlich seiner wesentlichen Eigenschaften bekannten Signals (S), welches insbesondere über die Ermittlung seiner Laufzeit (τ) in einem Navigationssystem zur Ortsbestimmung des in einer Mehrwegeumgebung befindlichen Empfängers (1) nutzbar ist, wobei der Empfänger aufweist: a) eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des Signals, b) einen Signalprozessor zum Auswerten des Signals sowie c) einen Controller zum Abschätzen des Übertragungskanals für das Signal (S) mittels eines Vergleichs des tatsächlich erfassten Signals (s) mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen (r) sowie Bestimmen des Empfangszeitpunkts für das Signal (s) anhand des geschätzten Übertragungskanals, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller dazu ausgebildet ist, bei der Abschätzung des Übertragungskanals die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Modell-Übertragungskanäle zu berücksichtigen.
Empfänger nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (21) eine Speichereinrichtung (22) aufweist, in der Informationen hinsichtlich der Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Modell-Übertragungskanäle gespeichert sind.
Empfänger nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vorgegebene Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten gespeichert sind, welcher verschiedenen Umgebungen des Empfängers (1) entsprechen.
Empfänger nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ein Eingabeelement zur manuellen Auswahl einer geeigneten Wahrscheinlichkeitsverteilung aufweist.
Empfänger nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (21) automatisch einer der aktuellen Umgebungen des Empfängers (1) entsprechende Wahrscheinlichkeitsverteilung auswählt.
Empfänger nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (21) auf Basis bereits empfangener Signale die Position des Empfängers (1) zumindest schätzt und der einen Vergleich mit in dem Speicher (22) enthaltenen weiteren Daten eine geeignete Wahrscheinlichkeitsverteilung auswählt.
Empfänger nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (21) einen optischen oder akustischen Sensor zur Ermittlung der aktuellen Umgebung des Empfängers (1) aufweist.
Empfänger nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass dies zur Verwendung in einem Navigationssystem vorgesehen ist.
Navigationssystem zur Bestimmung der Position eines Empfängers (1), mit • mehreren Sendern (2₁ –2₄ ), welche von bekannten Positionen aus Navigationssignale aussenden, • mindestens einem Empfänger (1), der die von den Sendern (2₁ –2₄ ) übermittelten Signale erfaßt, ihre Laufzeiten ermittelt und auf Basis der ermittelten Laufzeiten sein Position bestimmt, wobei zur Bestimmung der Laufzeit eines Signals dessen Empfangszeitpunkt durch eine Abschätzung des Übertragungskanals für dieses Signal (S) mittels eines Vergleichs des tatsächlich erfassten Signals (s) mit mehreren anhand von Modell-Übertragungskanälen berechneten synthetischen Empfangs-Signalen (r) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abschätzung des Übertragungskanals in Schritt b) die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für die Modell-Übertragungskanäle berücksichtigt werden.
Navigationssystem nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger entsprechend einem der Ansprüche 22 bis 30 ausgestaltet ist.
Navigationssystem nach Anspruch 30 oder 31, gekennzeichnet durch eine Basisstation (30), welche dem mindestens einen Empfänger (1) Informationen hinsichtlich der zu verwendenden Apriori-Wahrscheinlichkeiten übermittelt.