DE102005028657B4

DE102005028657B4 - Verfahren zum Reduzieren von durch Mehrwegeempfang verursachten Störungen in Satellitennavigationsempfängern und Navigations-empfänger zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102005028657B4
Application number: DE200510028657
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. Steingass; Andreas Lehner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-06-21
Also published as: DE102005028657A1

Abstract

Verfahren zum Reduzieren von durch Mehrwegeempfang verursachten Störungen des in einem Empfänger eines Satellitennavigationssystems empfangenen Signals eines Navigationssatelliten unter Verwendung einer Mehrwegeempfang unterdrückenden Korrelation, gekennzeichnet durch eine Kombination der Mehrwegeempfang unterdrückenden Korrelation mit einer Schätzung des Mehrwegekanals in solcher Weise, dass zunächst in einem ersten Zweig mit dem ursprünglich empfangenen Signal eine direkte Grobschätzung mittels einer reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelation vorgenommen wird, dass dann mit dem ursprünglich empfangenen Signal in einem zweiten Zweig eine Kanalschätzung durchgeführt wird, bei der eine die Mehrwegeanteile nicht unterdrückende Standardkorrelation ausgeführt wird, dass in diesem zweiten Zweig in einem nächsten Schritt eine im Empfänger erzeugte Replika des Sendesignals durch einen rauschfreien, anhand des Kanalschätzergebnisses der Standardkorrelation gewonnenen Modellkanal übertragen und mittels einer Mehrwegeanteile unterdrückenden, speziellen Korrelation korreliert wird und parallel dazu eine entsprechende Korrelation mit der Replika des Sendesignals durchgeführt wird, dass von diesen beiden parallelen Korrelationen jeweils das Argument Max gebildet, d.h....

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren von durch Mehrwegeempfang verursachten Störungen des in einem Empfänger eines Satellitennavigationssystems empfangenen Signals eines Navigationssatelliten unter Verwendung einer Mehrwegeempfang unterdrückenden Korrelation sowie einen Navigationsempfänger zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

In EP 1 031 848 A1 ist ein Empfänger eines Satellitennavigationssystems beschrieben, in welchem durch Korrelation die negativen Effekte der Mehrwegeausbreitung reduziert werden. In EP 1 255 387 A1 ist ein Empfänger beschrieben, in welchem eine im Empfänger erzeugte Replika des Sendesignals durch einen anhand eines Kanalschätzer-Ergebnisses gewonnenen Modellkanal übertragen wird. Dieses Ergebnis wird in einer Korrelationseinheit verwendet, um eine Schätzung des tatsächlichen Sendesignals durchzuführen.

Beim Empfangen von Signalen in Satellitennavigationssystemen, wie z.B. GPS (Global Positioning System) oder dem zukünftigen Galileo, kommt es unter anderem zum Empfang von Reflexionssignalen infolge von Mehrwegeausbreitungseffekten der Satellitensignale. Diese Reflexionssignale stellen eine Störung dar, welche die Genauigkeit von Navigationsempfängern bei der Positions- und Entfernungsermittlung beeinträchtigt. Solche Reflexionssignale bzw. deren Störeinflüsse müssen daher reduziert werden.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, sogenannte Multipath Estimating Receiver zu verwenden, die eine Schätzung des Mehrwegekanals vornehmen.

Es werden zu diesem Zweck auch Empfänger eingesetzt, die mit Hilfe eines speziellen Korrelators den Empfang reflektierter Signale weitgehend unterdrücken, so dass im wesentlichen nur das direkte Empfangssignal ausgewertet wird. Solche speziellen Korrelatoren, die den Mehrwegeempfang unterdrücken, sind beispielsweise der sogenannte Double-Delta-Korrelator und der Strobe-Korrelator^TM und sind im Konferenzbeitrag von M. Irsigler, G. W. Hein, B. Eissfeller: "Multipath Performance Analysis for Future GNSS Signals" in Proceedings of the National Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, ION NTM 2004, 26.–28. Januar 2004, San Diego California beschrieben.

Bei den erwähnten bekannten Störunterdrückungstechniken bestehen jedoch Nachteile.

Bei den speziellen Korrelatoren, die Mehrwegeempfang unterdrücken, also z.B. beim Double-Delta-Korrelator, existiert das Problem, dass zwar im Mehrwegefall bessere Ergebnisse geliefert werden, aber die Entfernungsmessung für AWGN (Additive White Gaussian Noise; additives weißes Gauß-förmiges Rauschen) schlechter wird.

Bei einer Ausführung mit Kanalschätzer ist die Schätzung besonders gut, wenn die Reflexionen außerordentlich stark sind und deutlich über dem Rauschen liegen. In diesem Fall speziell sind allerdings kleinere Schätzfehler besonders schwerwiegend.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, in Satellitennavigationsempfängern Mehrwegeempfangsstörungen noch besser zu unterdrücken, als dies bei den bekannten Techniken des sogenannten Multipath Estimating Receivers, der eine Schätzung des Mehrwegeempfangs vornimmt, und der speziellen Korrelatoren, die Mehrwegeempfang durch Korrelation unterdrücken, der Fall ist, so dass genauere und sicherere Entfernungs- und Positionsschätzungen unter Anwendung des jeweiligen Satellitennavigationssystems erreicht werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird die gestellte Aufgabe durch eine Kombination der Mehrwegeempfang unterdrückenden Korrelation mit einer Schätzung des Mehrwegekanals gelöst und zwar in einer solchen Weise, dass zunächst in einem ers ten Zweig mit dem ursprünglich empfangenen Signal eine direkte Grobschätzung mittels einer reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelation vorgenommen wird, dass dann mit dem ursprünglich empfangenen Signal in einem zweiten Zweig eine Kanalschätzung durchgeführt wird, bei der eine die Mehrwegeanteile nicht unterdrückende Standardkorrelation ausgeführt wird, dass in diesem zweiten Zweig in einem nächsten Schritt eine im Empfänger erzeugte Replika des Sendesignals durch einen rauschfreien, anhand des Kanalschätzergebnisses der Standardkorrelation gewonnenen Modellkanal übertragen und mittels einer Mehrwegeanteile unterdrückenden, speziellen Korrelation korreliert wird und parallel dazu eine entsprechende Korrelation mit der Replika des Sendesignals durchgeführt wird, dass von diesen beiden parallelen speziellen Korrelationen jeweils das Argument Max gebildet, d.h. der Verzögerungswert, für den die Korrelation maximal ist, berechnet wird und aus diesen beiden Verzögerungswerten der Differenzwert erzeugt wird, und dass dieser Differenzwert, der einen Restfehler des speziellen Korrelators darstellt, vom Ergebnis der mittels der reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelation durchgeführten direkten Grobschätzung subtrahiert wird, so dass sich aus dieser Subtraktion das korrigierte Korrelationsresultat ergibt.

Die grundlegende Idee beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Verfahren des sogenannten Multipath Estimating Receivers, der eine Schätzung des Mehrwegeempfangs vornimmt, und der speziellen Korrelatoren, die Mehrwegeempfang durch Korrelation unterdrücken, in geschickter Weise im Satellitennavigationsempfänger zu kombinieren. Zunächst erfolgt dabei eine Grobschätzung mittels eines Spezialkorrelators, der Reflexionssignale gut unterdrückt. Dann erfolgt eine Kanalschätzung mit dem ursprünglichen Empfangssignal. Durch die Standardkorrelation bei diesem Kanal schätzungsverfahren werden die Multipfadanteile nicht unterdrückt und können somit besonders sicher geschätzt werden. Im nächsten Schritt wird das Sendesignal als Replika durch den Modellkanal übertragen und zwar im Gegensatz zum realen Kanal rauschfrei und dann wiederum mittels eines Spezialkorrelators korreliert, der Reflexionssignale gut unterdrückt. Weiterhin wird die gleich geartete Spezialkorrelation mit der Replika des Sendesignals durchgeführt, wobei diese Korrelation in zweckmäßiger Weise nur einmal notwendig ist, da sie statisch ist. Von den beiden letztgenannten Korrelationen wird das Argument Max gebildet, also der Verzögerungswert berechnet, für den die Korrelation maximal ist. Die Differenz dieser beiden Verzögerungswerte stellt den Fehler dar, den der Spezialkorrelator, der Mehrwegeempfang durch die Korrelation unterdrückt, erfährt, wenn er ein Signal über den geschätzten Kanal empfangen würde. Dieser Fehler wird nun von der im ersten Zweig erfolgten direkten Grobschätzung der DLL (Delay Locked Loop) mit Spezialkorrelator abgezogen.

Bei dem Verfahren zur Mehrwegestörungsunterdrückung nach der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine völlig neuartige rekursive Kanal/Entfernungsschätzung.

Der große Vorteil dieses Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Spezialkorrelator den Mehrwegeempfang also bereits ohne Kenntnis der Eigenschaften des wirklichen Übertragungskanals unterdrückt. Eine Fehlschätzung des Kanals ohne ein solches Verfahren könnte fatale Positionslösungen zur Folge haben. Deren Folgen werden durch das durch die vorliegende Erfindung geschaffene Verfahren begrenzt.

In vorteilhafter Weise werden die speziellen Korrelationen, die reflektierte Signale gut unterdrücken, jeweils durch eine Double-Delta-Korrelation oder durch eine Strobe-Korrelation^TM ausgeführt.

Ein Navigationsempfänger zur Durchführung dieses neuen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass eingangsseitig in einem ersten Zweig eine DLL (Delay Locked Loop) mit einem reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelator und in einem zweiten Zweig ein Multipfad-Kanalschätzer vorgesehen sind, denen beiden das ursprünglich von einem Navigationssatelliten ausgesendete und nach Durchlaufen eines wirklichen Übertragungskanals empfangene Signal zugeführt wird, dass zur Erzeugung einer Replika des vom Satelliten ausgesendeten Sendesignals ein Signalgenerator vorgesehen ist, dass ein rauschfreier Modellkanal vorgesehen ist, dessen Kanaleigenschaften durch die im Multipfad-Kanalschätzer gewonnene Kanalimpulsantwort bestimmt sind und dem die im Signalgenerator erzeugte Replika des Sendesignals zum Übertragen darin zugeführt wird, dass an den Modellkanal einerseits und unmittelbar an den Signalgenerator andererseits jeweils ein reflektierte Signale gut unterdrückender, spezieller Korrelator mit gleichen Eigenschaften angeschlossen ist, dass das mit diesen beiden gleichartigen speziellen Korrelatoren jeweils gewonnene Argument Max, d.h. der Verzögerungswert, für den die Korrelation maximal ist, jeweils als ein Eingangswert an einen Subtrahierer herangeführt ist und dass der den Differenzwert dieser beiden Eingangswerte abgebende Ausgang des Subtrahierers mit einem Eingang eines weiteren Subtrahierers verbunden ist, an dessen anderen Eingang der Ausgang der im ersten Zweig liegenden DLL mit dem reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelator angeschlossen ist und an dessen Ausgang das korrigierte Korrelationsresultat ansteht.

Die speziellen Korrelatoren in einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Navigationsempfänger sind vorzugsweise jeweils gleichartige Double-Delta-Korrelatoren oder Strobe-Korrelatoren^TM.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens und des Navigationsempfängers nach der vorliegenden Erfindung sind in den sich unmittelbar oder mittelbar auf den Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 5 rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Figur erläutert, welche in einem Blockschaltbild einen Satellitennavigationsempfänger mit den zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wesentlichen Elementen zeigt.

Das von einem Navigationssatelliten 1 eines Satellitennavigationssystems, wie z.B. GPS oder Galileo, ausgesendete, codierte Signal wird nach Durchlaufen eines wirklichen Kanals 2 an einem Navigationssatellitenempfänger 3 über eine hier nicht dargestellte Antenne und einen Highend-Empfangsteil aufgenommen. In einer DLL (Delay Locked Loop) mit einem Spezialkorrelator 4, der auf Reflexionen zurückgehende Signalanteile gut unterdrückt, erfolgt in einem ersten Zweig eine direkte Grobschätzung des Empfangssignals. Als Spezialkorrelator 4 kann vorteilhaft ein sogenannter Double-Delta-Korrelator vorgesehen werden. In einem zweiten Zweig wird in einem Multipfad-Kanalschätzer 5 eine Kanalschätzung mit dem ursprünglichen Empfangssignal durchgeführt. Auf Grund der hierbei ausgeführten Standardkorrelation werden die Multipfadanteile nicht unterdrückt und können somit besonders sicher und zuverlässig geschätzt werden. In einem folgenden Schritt wird in diesem zweiten Zweig eine in einem Signalgenerator 6 gewonnene Replika des Sendesignals durch einen Modellkanal 7 übertragen, der ausgehend von der im Multipfad-Kanalschätzer 5 ermittelten Kanalimpulsantwort erstellt wird. Dieser Modellkanal 7 ist im Gegensatz zum wirklichen Übertragungskanal 2 rauschfrei. Die durch den Modellkanal 7 übertragene Sendesignalreplika wird wiederum mittels eines speziellen Korrelators 8, der ebenfalls als Double-Delta-Korrelator ausgeführt ist, korreliert. Darüber hinaus wird parallel in einem gleiche Eigenschaften aufweisenden Korrelator 9, der also im Beispiel auch als Double-Delta-Korrelator realisiert ist, eine Korrelation mit der Replika des Sendesignals durchgeführt. Diese letztgenannte Korrelation ist nur einmal nötig, da sie statisch ist. Von den beiden speziellen Korrelatoren 8 und 9 wird jeweils das Argument Max 10 bzw. 11 gebildet, also der Verzögerungswert berechnet, für den die Korrelation maximal ist. Der in einem Subtrahierer 12 ermittelte Differenzwert dieser beiden Verzögerungswerte stellt den Fehler dar, den der als Double-Delta-Korrelator ausgeführte Spezialkorrelator 4 erfährt, wenn er ein Signal über den geschätzten Kanal empfangen würde. Dieser Restfehler wird nun mittels eines Subtrahierers 13 von der direkten Schätzung der DLL (Delay Locked Loop) mit Spezialkorrelator 4 (= Double-Delta-Korrelator) abgezogen, so dass sich aus dieser Subtraktion das korrigierte Korrelationsresultat mit der korrigierten Korrelatorposition τ ergibt.

Ein großer Vorteil besteht darin, dass ein Spezialkorrelator 4, wie z.B. ein Double-Delta-Korrelator oder ein Strobe-Korrelator^TM, den Mehrwegeempfang bereits ohne Kenntnis der Kanaleigenschaften unterdrückt. Eine Fehlschätzung des Kanals ohne Anwendung eines solchen Verfahrens kann nämlich verhängnisvolle Positions- oder Entfernungsbestimmungen nach sich ziehen. Durch das Verfahren nach der Erfindung werden derartige Folgen in starkem Maße begrenzt.

1: Navigationssatellit
2: Wirklicher Kanal
3: Satellitennavigationsempfänger
4: DLL mit Double-Delta-Korrelator
5: Multipfad-Schätzer
6: Signalgenerator von Sendesignalreplika
7: Modellkanal
8, 9: Double-Delta-Korrelator
10, 11: Argument Max
12, 13: Subtrahierer

Claims

Verfahren zum Reduzieren von durch Mehrwegeempfang verursachten Störungen des in einem Empfänger eines Satellitennavigationssystems empfangenen Signals eines Navigationssatelliten unter Verwendung einer Mehrwegeempfang unterdrückenden Korrelation, gekennzeichnet durch eine Kombination der Mehrwegeempfang unterdrückenden Korrelation mit einer Schätzung des Mehrwegekanals in solcher Weise, dass zunächst in einem ersten Zweig mit dem ursprünglich empfangenen Signal eine direkte Grobschätzung mittels einer reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelation vorgenommen wird, dass dann mit dem ursprünglich empfangenen Signal in einem zweiten Zweig eine Kanalschätzung durchgeführt wird, bei der eine die Mehrwegeanteile nicht unterdrückende Standardkorrelation ausgeführt wird, dass in diesem zweiten Zweig in einem nächsten Schritt eine im Empfänger erzeugte Replika des Sendesignals durch einen rauschfreien, anhand des Kanalschätzergebnisses der Standardkorrelation gewonnenen Modellkanal übertragen und mittels einer Mehrwegeanteile unterdrückenden, speziellen Korrelation korreliert wird und parallel dazu eine entsprechende Korrelation mit der Replika des Sendesignals durchgeführt wird, dass von diesen beiden parallelen Korrelationen jeweils das Argument Max gebildet, d.h. der Verzögerungswert, für den die Korrelation maximal ist, berechnet wird und aus diesen beiden Verzögerungswerten der Differenzwert erzeugt wird, und dass dieser Differenzwert, der einen Restfehler der speziellen Korrelatien darstellt, vom Ergebnis der mittels der reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelation durchgeführten direkten Grobschätzung subtrahiert wird, so dass sich aus dieser Subtraktion das korrigierte Korrelationsresultat ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelationen jeweils durch eine Double-Delta-Korrelation ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelationen jeweils durch eine Strobe-Korrelation^TM ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Replika des Sendesignals durchgeführte Korrelation nur einmal und nicht fortlaufend vorgenommen wird.
Navigationsempfänger zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eingangsseitig in einem ersten Zweig eine DLL (Delay Locked Loop) mit einem reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelator (4) und in einem zweiten Zweig ein Multipfad-Kanalschätzer (5) vorgesehen sind, denen beiden das ursprünglich von einem Navigationssatelliten (1) ausgesendete und nach Durchlaufen eines wirklichen Übertragungskanals (2) empfangene Signal zugeführt wird, dass zur Erzeugung einer Replika des vom Satelliten ausgesendeten Sendesignals ein Signalgenerator (6) vorgesehen ist, dass ein rauschfreier Modellkanal (7) vorgesehen ist, dessen Kanaleigenschaften durch die im Multipfad-Kanalschätzer gewonnene Kanalimpulsantwort bestimmt sind und dem die im Signalgenerator erzeugte Replika des Sendesignals zum Übertragen darin zugeführt wird, dass an den Modellkanal einerseits und unmittelbar an den Signalgenerator andererseits jeweils ein reflektierte Signale gut unterdrückender, spezieller Korrelator (8; 9) mit gleichen Eigenschaften angeschlossen ist, dass das mit diesen beiden gleichartigen speziellen Korrelatoren jeweils gewonnene Argument Max (10; 11), d.h. der Verzögerungswert, für den die Korrelation maximal ist, jeweils als ein Eingangswert an einen Subtrahierer (12) herangeführt ist und dass der den Differenzwert dieser beiden Eingangswerte abgebende Ausgang des Subtrahierers mit einem Eingang eines weiteren Subtrahierers (13) verbunden ist, an dessen anderen Eingang der Ausgang der im ersten Zweig liegenden DLL mit dem reflektierte Signale gut unterdrückenden, speziellen Korrelator (4) angeschlossen ist und an dessen Ausgang das korrigierte Korrelationsresultat (τ) ansteht.
Navigationsempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die speziellen Korrelatoren (4, 8, 9) gleichartige Double-Delta-Korrelatoren sind.
Navigationsempfänger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die speziellen Korrelatoren (4, 8, 9) gleichartige Strobe-Korrelatoren^TM sind.