DE102006033912A1

DE102006033912A1 - Method for specifying the receiving time of characteristic radio signal that involves at least one reflector and two measurements and is dependent on several variables

Info

Publication number: DE102006033912A1
Application number: DE102006033912A
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: 2005-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

The method involves the use of at least one reflector in a chamber at a specific hypothetical position and using at least two measurements which determine the value of the hypothetical position. The entrance probabilities of the reflecting object may be dependent on the position of the satellite, namely azimuth and elevation, as well as the surroundings and the statistical division of the movement of the reflected object implemented in a model.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines hinsichtlich seiner wesentlichen Eigenschaften bekannten Funksignals.The The invention relates to a method for determining the reception time a radio signal known with regard to its essential properties.

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).Method, where the current position of a receiver based on the maturity of signals is determined by different reference points out to the recipient Be, provide a very elegant way of locating of persons or recipients generally perform. The currently best-known system based on the principle of location is based on the detection of signal propagation times, is the GPS system (Global Positioning System).

Dieses im Prinzip weltweit zur Verfügung stehende System weist 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.This in principle available worldwide standing system has 28 satellites orbiting the earth and send out signals from a user of the location system can be used. With a suitable receiver the user on earth due to runtime measurements of the Satellite signals determine its position, with the receiver for exact position determination, four satellites at a time must be "visible" a suitable arrangement of the orbits for the satellites is this in the essential at any time and in any place on earth possible.

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 1 μs in etwa einen Entfernungsfehler von annähernd 300 m zur Folge.The Accuracy with which the position of a receiver using the GPS system can be determined depends to a decisive extent on how exactly the terms of the different satellites received signals can be determined. Considering that that is Navigation signal approximate Moved at the speed of light, so has a misjudgment of Running time of 1 μs approximately a distance error of approximately 300 m result.

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.There the GPS system is designed so that the internal clocks of the Satellite with the clock of the receiver are synchronized and accordingly known to the receiver, to which When a signal has been sent from a satellite, it is reduced the primary one Problem of transit time determination accordingly, the reception time for the To determine signal exactly.

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.Problematic is in this context, however, that in the field of view of receiver satellites permanently and simultaneously transmit their signals and the receiver Thus, from the sum of all received signals in each case the individual, must filter targeted for localization signals targeted.

Die klassische Vorgehensweise zur Lösung des vorstehend 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.The classic approach to the solution The problem described above is an evaluation the autocorrelation function, which is characterized by a correlation of the at the receiver incoming and mixed with other signals with signal one in the receiver generated correlation signal, which is a duplicate of the navigation signal transmitted by the satellite represents results. In the GPS system consist of those transmitted by the satellites Navigation signals from sequences of negative and positive impulses, which becomes a quasi-random one Signal, the so-called PRN (pseudo Random Noise) code joined together were.

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.The Autocorrelation properties of these also known as gold codes Signals are chosen in such a way that by determining the maximum of the formed in the receiver Autocorrelation function determines the time of receipt of the PRN code. in the Ideally, in which the signal transmitted by the satellite during transmission not distorted will, let In this way, the reception time of the signal with very determine high accuracy.

Allerdings liegt eine ideale Signalübertragung niemals vor. 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.Indeed is an ideal signal transmission never before. Rather, the navigation signal is on its way from the satellite to the receiver falsified by various external influences. One the biggest problems represents the so-called multipath reception (multipath) of the signal due to (multiple) reflections of the satellite signal occurs. On buildings, trees Bergen or other objects in the vicinity of the receiver can GPS signals are reflected and thereby as additional echo signals to be transmitted directly Satellite signal to the receiver reach.

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.By superposing the directly transmitted signal with the echo signals, the signal arriving at the receiver is ultimately corrupted in such a way that the procedure described above for determining the time of reception by means of cross-correlation no longer offers sufficient accuracy. Much more It has been shown that even more effective methods for evaluating the correlation function are not able to separate echo signals sufficiently from the directly transmitted signal and thus to enable unambiguous detection of the reception time.

Um auch in einer derartigen Mehrwegeumgebung genauere Ortsbestimmungen durchführen zu können, werden sogenannte Superre solution-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.Around even in such a multi-way environment more accurate location determinations carry out to be able to are used so-called Superre solution method, which is a Alternative or supplement to determine the signal transit time by means of cross-correlation. These superresolution methods are based on algorithms with which the so-called channel for the signal transmission estimated shall be.

Der Übertragungskanal stellt dabei ein theoretisches Modell dar, mit dem die Veränderung des Satellitensignals auf dem Weg vom Satelliten zum Empfänger beschrieben wird. In diesem Kanal-Modell unterscheiden sich die Echosignale gegenüber dem auf direktem Wege übertragenen Primärsignal hinsichtlich ihrer durch eine Verzögerungszeit verlängerten Laufzeit, der schwächeren Signalstärke sowie einer eventuell veränderten Bandbreite und Phase.The transmission channel represents thereby a theoretical model, with which the change of the satellite signal on the way from the satellite to the receiver becomes. In this channel model, the echo signals differ across from directly transmitted primary signal in terms of their extended by a delay time Runtime, the weaker signal strength as well as possibly changed Bandwidth and 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.in the The framework of superresolution algorithms is now trying a theoretical transmission channel estimate whose influence on the satellite signal largely corresponds to reality. This is done based on a comparison of actually arrived at the receiver Signals calculated on the basis of different model transmission channels synthetic reception signals.

Bekannte Algorithmen hierfür sind beispielsweise der sogenannte 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.Known Algorithms for this For example, the so-called MUSIC (Multiple Signal Classification) algorithm or ESPRIT (Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques) algorithm. Was found a channel that the best possible estimate for the transmission the satellite signal allows can from this then the duration for the direct (ie without reflections) transmitted Satellite signal are derived.

Durch die vorstehend 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.By Although the above-described superresolution method can indeed the accuracy of determining the signal transit time in multipath environments improved, but the problem still arises that the estimate the transmission channel can only be done with a certain accuracy. Since the estimation of the Channel exclusively based on the observed or actually received signal takes place (so-called aposteriori estimate), is the result obtained always with a certain uncertainty or a mistake.

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.This Problem arises not only with the GPS system, but in general whenever possible when the time of receipt of a signal exactly to be determined, but the signal during transmission is corrupted by reflections or other external influences.

Es ist vorgeschlagen worden, die Erkenntnis auszunutzen, 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.It It has been proposed to exploit the knowledge that signal echoes in terms of their propagation delay and performance with different high probability occur. Influence on the appearance of In particular, signal echoes have the nature of the environment in which the receiver located.

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.So For example, it has been shown that certain signal echoes are predominantly occur when the recipient is in one place, where the satellite signal reflects off house walls in the vicinity of the receiver becomes. However, such signal echoes occur in the event that the receiver in a rural one Environment is much less likely to.

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.Other Signal echoes, in turn, play predominantly when receiving the navigation signals in a rural Environment a role while They, however, in a big city only very rarely or not at all. Again other signal echoes occur independently from the environment of the receiver almost never on.

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. eines Satelliten-Senders eine Rolle.A Evaluation of experimentally obtained measurement data has now shown that the probabilities for the occurrence of echo signals essentially a general or mean probability distribution, these being average distribution, however, depending on the environment the receiver of the signal is modified or influenced in a certain way becomes. This also plays the elevation of the signal radiating Satellite or a satellite transmitter a role.

In DE 10 2004 051 388 wird 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.In DE 10 2004 051 388 It is proposed to use the knowledge about the occurrence of signal echoes - the so-called apriori probabilities - in determining the reception time of a signal. Since a model transmission channel used in the estimation of the transmission channel essentially describes the occurrence of several signal echoes, the apriori probabilities provide information about how likely a particular model transmission channel is at all. On the basis of this information, accordingly, the estimation of the transmission channel can be significantly improved, which in turn allows a more accurate determination of the reception time and the signal propagation time.

Hierbei können die Apriori-Wahrscheinlichkeiten in unterschiedlicher Weise berücksichtigt werden. Bei einer einfachen Variante ist vorgesehen, eine einzige Wahrscheinlichkeitsverteilung zu nutzen, welche die Apriori-Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Echos verschiedener Verzögerung und Leistung angibt. Bei dieser 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.in this connection can the apriori probabilities are taken into account in different ways become. In a simple variant is provided, a single Probability distribution to use, which the apriori probabilities for the Occurrence of echoes indicating different delay and power. In this variant, the probability distribution is set Funds of all for different Environment types of obtained probability distributions and becomes independent used in which environment the receiver is currently located.

Diese 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.These Probability distribution can be either experimental Measurements obtained or described by a theoretical model which is the result of measurements or other theoretical calculations gained knowledge in a simplified way describes. Even though this solution it not possible the different echo behavior in different environment too can take into account despite all, an improvement compared to previously known channel estimates be achieved.

Bei einer weiteren Variante ist vorgesehen, nunmehr auch die Umgebung, in der sich der Empfänger des Navigationssignals befindet, zu berücksichtigen. Wie bereits vorstehend erwähnt, hat sich gezeigt, dass sich die Wahrscheinlichkeitsverteilungen für das Auftreten von Signalechos zumindest in bestimmten Bereichen verändern, wenn sich die Umgebung des Empfängers ändert. Um dies zu berücksichtigen, können je nachdem, in welcher Umgebung sich der Empfänger gerade befindet, unterschiedliche Verteilungen für die Apriori-Wahrscheinlichkeiten verwendet werden.at another variant is provided, now also the environment, in which the recipient of the Navigation signal is to be considered. As mentioned above mentioned, has been shown that the probability distributions for the Occurrence of signal echoes change at least in certain areas, if the environment of the recipient changes. Around to take this into account can depending on the environment in which the receiver is currently located, different Distributions for the apriori probabilities are used.

Dies könnte zum einen dadurch erfolgen, dass die in der einfachen Variante verwendete mittlere Wahrscheinlichkeitsverteilung in bestimmten Bereichen modifiziert wird. Eine Alternative besteht darin, aus einer Reihe von unterschiedlichen Wahrscheinlichkeitsverteilungen, die jeweils ein bestimmtes Umgebungsszenario beschreiben, diejenige Wahrscheinlichkeitsverteilung auszuwählen, die der aktuellen Umgebung des Empfängers entspricht.This could on the one hand done by that used in the simple variant modified mean probability distribution in certain areas becomes. An alternative consists of a number of different ones Probability distributions, each describing a specific environmental scenario, to select the probability distribution of the current environment Recipient equivalent.

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.at this extended variant must be guaranteed accordingly be that the receiving signal evaluating controller of the receiver the Receives information, which probability distribution is to be used or in which way to modify the output probability distribution is. Because the receiver from previous signal evaluations and calculations of its position in about white, at which position he is at right now, he must accordingly only the information received, what kind of environment this position corresponds. This can be done, for example, with the help of a electronic map, which is stored in the receiver is.

Die Information, welche Wahrscheinlichkeitsverteilung heranzuziehen ist, kann jedoch auch von einer lokalen Basisstation des Navigationssystems aus übermittelt werden. Die vollständige Wahrscheinlichkeitsverteilung für die aktuelle Position kann generell auch 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.The Information about which probability distribution to use is, but can also be from a local base station of the navigation system transmitted from become. The complete Probability distribution for The current position can generally also be determined by the base station to the recipients of the system is transmitted in the environment of the base station, with regard to the possibilities to improve knowledge about the occurrence of signal echoes brings more benefits.

Ferner kann die Art der Umgebung des Empfängers auch mittels geeigneter Sensoren, beispielsweise optischer oder akustischer Sensoren, deren Signale von einer geeigneten Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, direkt ermittelt werden. Anhand der Signale wird ermittelt, in welcher Art von Umgebung der Empfänger sich befindet und dann wird dementsprechend eine geeignete Wahrscheinlichkeitsverteilung ausgewählt.Further The nature of the recipient's environment can also be determined by means of appropriate Sensors, for example optical or acoustic sensors whose Signals are evaluated by a suitable evaluation device, be determined directly. Based on the signals is determined in which Kind of environment of the receiver is and then becomes accordingly a suitable probability distribution selected.

Eine andere Methode 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. Diese Informationen können 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 permanent auf Basis der aktuellen Signalauswertungen aktualisiert.A Another method is based on that when evaluating a received Signal in the estimate the best transmission channel new information about it every time are received, which echoes in the transmission of the signals just appeared. This information can be added to the already existing Insights into the probabilities of occurrence of signal echoes and later Signal evaluations taken into account become. In other words, the originally used probability distributions for the Occurrence of signal echoes will be permanent based on the current Signal evaluations updated.

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 beruhen, in der sich der Empfänger gerade befindet. Es wird hierbei quasi ein selbstlernendes System gebildet, welches die bestmöglichen Abschätzungen der Übertragungskanäle für die aktuelle Umgebung des Empfängers ermöglicht.The a priori probabilities used in the estimation of the transmission channels are in this case even more meaningful and reliable, since they are based on findings of the signal propagation in the direct environment in which the receiver is currently located. It is almost a Selbstler formed system that allows the best possible estimates of the transmission channels for the current environment of the receiver.

Hierbei besteht zunächst die Möglichkeit, dass jeder Empfänger für sich selbst die Aktualisierung der in einem entspre chenden Speicher abgelegten Wahrscheinlichkeitsverteilungen vornimmt. Dieses Fortschreiben und Aktualisieren der Wahrscheinlichkeitsverteilungen kann auch durch eine lokale Basisstation des Navigationssystems erfolgen, die in Kontakt mit verschiedenen Empfängern in ihrer Umgebung ist. In dem vorstehend beschriebenen Fall erfolgt das Aktualisieren der Wahrscheinlichkeitsverteilung(en) anhand einer deutlich größeren Anzahl von Signalmessungen.in this connection exists first the possibility, that every recipient for themselves even the update of the stored in a corre sponding memory Probability distributions makes. This update and Updating the probability distributions can also be done by a local base station of the navigation system carried out in Contact with different recipients is in their environment. In the case described above takes place updating the probability distribution (s) based on a significantly larger number of signal measurements.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten zur Positionsbestimmung in Navigationssystemen noch weiter zu verbessern. Insbesondere soll die Genauigkeit der Bestimmung des Empfangszeitpunkts des Signals weiter verbessert werden.Of the The present invention is accordingly based on the object the possibilities for positioning in navigation systems even further. In particular, the accuracy of the determination of the reception time of the signal can be further improved.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren zum Bestimmen des Empfangszeitpunkts eines Signals durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.According to the invention This object is achieved in a method for determining the reception time of a Signal by the features in the characterizing part of the claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are the subject of dependent claims.

Durch die Erfindung wurde erkannt, dass die Schätzung der Kanalimpulsantwort wesentlich durch eine längere Beobachtung des Empfangssignals verbessert werden kann. Da sich der Kanal jedoch mit der Zeit verändert, ist es notwendig die Veränderung der Dopplerfrequenz und der Verzögerungen der Echosignale zu kennen. Aus den Messdaten der Beobachtung kann die räumliche Auftrittwahrscheinlichkeit von Reflexionen in verschiedenen ländlichen und städtischen Umgebungen bestimmt werden. Diese Apriori-Information wird nun nach der Erfindung genutzt, um die zeitliche Veränderung der Dopplerfrequenz der reflektierten Signale und deren Verzögerungsverlauf zu schät zen. Beide Verläufe ergeben sich geometrisch aus der Bewegung des Empfängers und/oder der reflektierenden Objekte. Die Empfangsbewegungsrichtung und Geschwindigkeit wird als bekannt vorausgesetzt. Wie die Messungen zeigen sind Reflektoren stationär bzw. sie bewegen sich parallel mit dem Empfänger zum Beispiel auf einer Hausmauer. In diesem Zusammenhang wird auf 2 hingewiesen, die dazu ein Messbeispiel gibt.The invention has recognized that the estimation of the channel impulse response can be substantially improved by a longer observation of the received signal. However, as the channel changes over time, it is necessary to know the change in the Doppler frequency and the delays of the echo signals. Observational measurement data can be used to determine the spatial probability of reflections in different rural and urban environments. This Apriori information is now used according to the invention to estimate the time change of the Doppler frequency of the reflected signals and their delay curve zen. Both courses result geometrically from the movement of the receiver and / or the reflecting objects. Reception movement direction and speed are assumed to be known. As the measurements show reflectors are stationary or they move parallel to the receiver, for example on a house wall. In this context is on 2 pointed out, which gives a measurement example.

Im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also mittels der bekannten räumlichen Auftrittswahrscheinlichkeiten von reflektierenden Objekten, der bekannten Empfängerbewegung und der bekannten Verteilung der Bewegung der reflektierenden Objekte eine Apriori-Schätzung des Doppler und Verzögerungsverlaufs der einzelnen Pfade gemacht. Im zweiten Schritt wird diese Schätzung als Apriori-Information in der Schätzung der Kanalimpulsantwort genutzt.in the first step of the method according to the invention So is by means of the known spatial occurrence probabilities of reflective objects, the known receiver motion and the known ones Distribution of the movement of the reflecting objects an apriori estimate of the Doppler and deceleration made of individual paths. In the second step, this estimate is called Apriori information in the estimate used the channel impulse response.

Die räumliche Auftrittswahrscheinlichkeit von reflektierenden Objekten werden abhängig von Satellitenposition (Azimut und Elevation) und der Umgebung, sowie die Statistik der Reflektorbewegung in einem Model implementiert.The spatial Probability of occurrence of reflective objects dependent from satellite position (azimuth and elevation) and the environment, and the statistics of the reflector movement implemented in a model.

Durch das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann die Schätzung der Kanalimpulsantwort wesentlich verbessert werden. Die Schätzung wird genauer durch längere Beobachtung, da das Rauschen dann weniger Einfluss hat. Die momentane Phase der Reflexion ergibt sich aus der beschriebenen Distanzänderung zwischen Empfänger und Reflektor (Doppler) und einem sehr schmalbandigen Prozess am Reflektor. Dominierend ist hier der Doppler durch die Bewegung, welcher bei der beschriebenen Methode gut geschätzt werden kann und damit auch die Schätzung der Kanalimpulsantwort verbessert.By The method according to the present invention can estimate the Channel impulse response can be significantly improved. The estimate will more precisely by longer ones Observation, since the noise then has less influence. The momentary Phase of the reflection results from the described distance change between recipients and reflector (Doppler) and a very narrowband process at the Reflector. Dominating here is the Doppler through the movement, which can be well appreciated in the method described and thus also the estimation the channel impulse response improved.

Zur Erläuterung des Verfahrens nach der Erfindung dienen die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:to explanation of the method according to the invention serve the attached drawings. Show it:

1 die Auftrittswahrscheinlichkeit einer Reflektorposition im stätischen Umfeld für eine Satellitenposition 30° Elevation und 25° Azimut, und 1 the probability of occurrence of a reflector position in the static environment for a satellite position 30 ° elevation and 25 ° azimuth, and

2 die kumulative Wahrscheinlichkeit der Reflektorbewegung. 2 the cumulative probability of the reflector movement.

Beispielsweise zeigt 1 die Auftrittswahrscheinlichkeit der Reflektorposition relativ zu einem Empfänger im städtischen Umfeld. Die x-Achse ist die Empfängerbewegungsrichtung (Straße). Der Satellit befindet sich schräg links vor dem Empfänger, die höchstwahrscheinliche Reflektorposition liegt auf der rechten Straßenseite direkt hinter dem Empfänger.For example, shows 1 the probability of occurrence of the reflector position relative to a receiver in the urban environment. The x-axis is the receiver movement direction (road). The satellite is located diagonally to the left in front of the receiver, the most likely reflector position is on the right side of the road directly behind the receiver.

In 2 ist die kumulative Wahrscheinlichkeit der Reflektorbewegung ersichtlich. Dabei ist auf der x-Achse das Verhältnis aus Empfänger- zu Reflektorgeschwindigkeit aufgetragen. Es ist daraus ersichtlich, dass etwa 70% der Reflektoren sich kaum in dem Beispiel für 40° Elevation im städtischen Umfeld bewegen und damit als stationär angesehen werden können.In 2 the cumulative probability of reflector movement is apparent. In this case, the ratio of receiver to reflector speed is plotted on the x-axis. It can be seen that about 70% of the reflectors can hardly move in the example of 40 ° elevation in the urban environment and thus can be considered as stationary.

In Verfahren nach dem Stand der Technik wird ein hypothetischer Kanalzustand h ^(t,τ) zu einem Zeitpunkt t angenommen. Somit kann unter dieser Annahme ein hypothetisches Empfangssignal r ^(t,τ) errechnet werden. Diese Berechnung geschieht durch die Faltung des bekannten Sendesignals s(t) mit der hypothetischen Kanalimpulsantwort: r ^(t,τ) = s(t)·h ^(t,τ) In prior art methods, a hypothetical channel state h ^ (t, τ) is assumed at a time t. Thus, under this assumption, a hypothetical received signal r ^ (t, τ) can be calculated. This calculation is done by convolving the known transmit signal s (t) with the hypothetical channel impulse response: r ^ (t, τ) = s (t) · h ^ (t, τ)

Durch Vergleich des tatsächlichen Empfangssignals und des hypothetischen Empfangssignals kann bestimmt werden, inwieweit sich die beiden Signale ähneln. Als Maß hierfür bietet sich der mittlere quadratische Fehler an: Ψ(t)= ∫|r(t,τ) – r ^(t,τ)|2dτ By comparing the actual received signal and the hypothetical received signal, it can be determined to what extent the two signals are similar. As a measure of this, the mean square error offers: Ψ (t) = ∫ | r (t, τ) - r ^ (t, τ) | 2 dτ

Durch Ausprobieren kann man nun für alle hypothetischen Kanalzustände h ^(t,τ) zu einem Zeitpunkt t die beste Übereinstimmung finden. Der so gefundene hypothetische Kanalzustand h ^(t,τ) ist die beste Schätzung für den tatsächlichen Kanalzustand. Es ist also zu finden:

By trial and error one can now find the best match for all hypothetical channel states h ^ (t, τ) at a time t. The hypothetical channel state h ^ (t, τ) thus found is the best estimate for the actual channel state. So it is to be found:

Diese Schätzung wird als Maximum Likelihood Schätzung bezeichnet. Dieses Verfahren ist beliebig komplex und somit selten realisierbar. Geeignete Verbesserungen sind der ESPRIT oder der MUSIC Algorithmus.These estimate is called maximum likelihood estimation designated. This procedure is arbitrarily complex and thus rare realizable. Suitable improvements are the ESPRIT or the MUSIC algorithm.

Hinsichtlich der Erfindung kann aus den Erkenntnissen der Messung geschlossen werden, dass Reflektoren in der Regel aus kleinen Flächen bestehen, die entweder ortsfest sind oder sich mit dem Empfänger mitbewegen. Ferner ist es leicht nachvollziehbar, dass eine Schätzung, die auf mehreren Messungen beruht, besser ist als eine, die auf nur einer Messung beruht. Das Problem hierbei ist jedoch, dass sich der Übertragungskanal während der Beobachtung (Messung) verändert. Daher muss nun ein geeignetes Modell (mit geeigneten Hypothesen) gefunden werden.Regarding The invention can be concluded from the findings of the measurement be that reflectors usually consist of small areas, who are either stationary or moving with the receiver. Furthermore, it is easy to see that an estimate, the based on multiple measurements, is better than one based on only based on a measurement. The problem here, however, is that the transmission channel while the observation (measurement) changed. Therefore, a suitable model (with appropriate hypotheses) must now being found.

1. Teil: Schätzung aufgrund mehrerer Beobachtungen1st part: estimate due several observations

Das Verfahren kann an einem einfachen Beispiel erklärt werden:
Es wird angenommen, während einer Beobachtungsdauer zwischen zwei Zeitpunkten t₁ und t₂ strahlt ein Reflektor eine gewisse Leistung in Richtung Empfänger (Hypothese 1). Ferner wird angenommen, die Fahrtstrecke des Empfängers ist zu jedem Zeitpunkt bekannt (Hypothese 2). Weiterhin wird angenommen, die Position des Reflektors in seinen drei Koordinaten (Hypothese 3) ist bekannt. Diese aus einigen oder allen Unterhypothesen bestehende Gesamthypothese Ω wird zugrunde gelegt.The method can be explained by a simple example:
It is assumed that during a period of observation between two times t ₁ and t ₂ a reflector radiates a certain power in the direction of the receiver (hypothesis 1). It is further assumed that the route of the receiver is known at all times (hypothesis 2). Furthermore, it is assumed that the position of the reflector in its three coordinates (hypothesis 3) is known. This total hypothesis Ω, consisting of some or all sub-hypotheses, is used.

Für den Fall, dass Ω zutrifft, kann für eine Fahrt zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ Pfadverzögerung und Phase für diesen Reflektor berechnet werden mit:

For the case that Ω holds, for a trip between the times t ₁ and t ₂ path delay and phase for this reflector can be calculated with:

Hierbei sind:in this connection are:

r →_z(t)r → _z (t): der Vektor vom Empfänger zum Satellitthe vector from the receiver to satellite
r →_r(t)r → _r (t): der Vektor vom Empfänger zum Reflektor.the vector from the receiver to Reflector.

Die relative Phase (zum direkten Pfad) lässt sich mit

bestimmen. Hierbei ist λ die Wellenlänge.The relative phase (to the direct path) can be with

determine. Here, λ is the wavelength.

Aus diesen Verläufen von Phase und Verzögerung lässt sich für einen Reflektor die Kanalimpulsantwort h(t,τ), wie folgt, berechnen:Out these courses of phase and delay let yourself for one Reflector calculate the channel impulse response h (t, τ) as follows:

Für einen Reflektor: h(t,τ) = δ(t) + A(t)exp(j·φ(t))·δ(t – Δτ(t)) For a reflector: h (t, τ) = δ (t) + A (t) exp (j * φ (t)) * δ (t - Δτ (t))

Hierbei bezeichnet A(t) den Reflexionsfaktor des Reflektors.in this connection A (t) denotes the reflection factor of the reflector.

Für mehrere Reflektoren:

wobei N die Anzahl der Reflektoren bezeichnet und der Laufindex i die einzelnen Reflektoren adressiert.For several reflectors:

where N denotes the number of reflectors and the running index i addresses the individual reflectors.

Im Gegensatz zum Stand der Technik kann nun ein Vergleich der Kanalimpulsantwort über die gesamte Fahrt erfolgen:

In contrast to the prior art, a comparison of the channel impulse response over the entire journey can now take place:

Ψ ist hier ein Maß der Ähnlichkeit zwischen hypothetischem Verlauf der Kanalimpulsantwort und tatsächlich beobachteter Messreihe der Kanalimpulsantwort. Ähnlich wie im Stand der Technik ergibt eine Suche durch alle Hypothesen die beste Schätzung zur Bestimmung der Kanalimpulsantwort.

wobei Ω die Gesamthypothese, also die Kombination aller Einzelhypothesen bezeichnet.Here, Ψ is a measure of the similarity between the hypothetical course of the channel impulse response and actually observed measurement series of the channel impulse response. Similar to the prior art, a search through all hypotheses yields the best estimate for determining the channel impulse response.

where Ω denotes the total hypothesis, ie the combination of all individual hypotheses.

Aus dieser Schätzung lässt sich dann hochgenau die Laufzeit Satellit – Empfänger bestimmen. Wie auch im Stand der Technik ist die Suche hier sehr aufwendig. Geeignete Verfahren sind hier die Maximum Likelihood Suche ggf. kann auch ein modifizierter ESPRIT oder MUSIC Algorithmus zum Einsatz kommen.Out this estimate let yourself then high precision the term satellite - receiver determine. As well as in the State of the art, the search here is very expensive. Suitable methods Here are the maximum likelihood search, if necessary, can also be a modified ESPRIT or MUSIC algorithm are used.

In diesem Verfahren kommt der Formulierung der Hypothesen aus verständlichen Gründen eine erhebliche Bedeutung zu. Daher müssen diese besonders sorgfältig gewählt und formuliert werden. Hier können insbesondere folgende Einflüsse aufgenommen werden:

• Die Anzahl der Reflektoren zu jedem Zeitpunkt der Messungen
• Eine gewisse natürliche Veränderung des Reflektors in Pfadverzögerung und Phase
• Eine gewisse Lebensdauer eines Reflektors (Es kann sein, dass ein Reflektor während des Beobachtungsintervalls plötzlich verschwindet oder erscheint).
• Eine gewisse Veränderung der Reflektivität des Reflektors
• Der Weg des Empfängers

In this process, the formulation of the hypotheses for understandable reasons, a significant importance. Therefore, these must be chosen and formulated with particular care. In particular, the following influences can be recorded here:

• The number of reflectors at each point in the measurements
• A certain natural change of the reflector in path delay and phase
• A certain lifetime of a reflector (It may happen that a reflector suddenly disappears or appears during the observation interval).
• A certain change in the reflectivity of the reflector
• The way of the recipient

Natürlich wird jede Erweiterung der Hypothesen den Suchraum weiter aufblähen und die Suche erschweren, da jede Hypothese mit den angegebenen Gleichungen untersucht werden muss und sich erst im nachhinein herausstellt, ob diese untersuchte Hypothese besser ist als andere; jedoch kann angenommen werden, dass mit zunehmender Rechenleistung solche Probleme lösbar sind. Ferner gibt Teil 2 nachstehend einen Weg vor, wie die Komplexität reduziert werden kann.Of course it will any expansion of hypotheses further inflate the search space and complicate the search, as any hypothesis with the given equations has to be examined and only emerges afterwards whether this tested hypothesis is better than others; however, can It can be assumed that with increasing computing power such problems solvable are. Further, Part 2 below provides a way to reduce complexity can be.

Teil 2.Part 2.

Hinzufügen von Apriori InformationenAdd from Apriori information

Durch umfangreiche Untersuchungen (Messungen) der Anmelderin sind Statistiken über die Reflektoren bekannt. Insbesondere sind bekannt:

• Die unbedingte mittlere Wahrscheinlichkeit einen Reflektor an einer Position relativ zum Empfänger vorzufinden
• Die bedingte mittlere Wahrscheinlichkeit, einen Reflektor an einer Position relativ zum Empfänger vorzufinden, bei gegebener Satellitenposition relativ zum Empfänger
• Die Wahrscheinlichkeit für eine gewisse Anzahl gleichzeitig wirkender Reflektoren
• Der Prozess, wie sich die Anzahl der Reflektoren über die Zeit verändert
• Das Spektrum der unkontrollierten, zusätzlichen Veränderung des Reflektors, beispielsweise durch Verändern der Reflektivität (Fenster oder Türen in vorbeiziehenden Häuserfronten).
• Das räumliche Verhältnis der Reflektoren, die ortsfest sind und die sich mit dem Empfänger mitbewegen.

Extensive investigations (measurements) of the applicant are known statistics on the reflectors. In particular, it is known:

• The unconditional mean probability of a reflector at a position relative to the receiver to find
The conditional mean probability of finding a reflector at a position relative to the receiver, given the satellite position relative to the receiver
• The probability of a certain number of concurrent reflectors
• The process of how the number of reflectors changes over time
• The spectrum of uncontrolled, additional changes in the reflector, for example by changing the reflectivity (windows or doors in passing fronts).
• The spatial relationship of the reflectors, which are stationary and which move with the receiver.

Da diese Statistiken bekannt sind, lässt sich die Schätzung aufgrund der Hypothesen weiter verbessern und/oder vereinfachen. So macht es insbesondere wenig Sinn, Hypothesen zu untersuchen, die von vorneherein eine extrem geringe Apriori-Wahrscheinlichkeit aufweisen (beispielsweise weit entfernte Reflektoren). In jedem Falle kann diese Statistiken verwendet werden um die Schätzung zu verbessern. Dieses geschieht in besonders vorteilhafter Weise mit der Regel von Bayes. Diese bekannte Regel verknüpft optimal eine beobachtete Wahrscheinlichkeit (Aposteriori) und eine bekannte generelle Wahrscheinlichkeit (Apriori)There These statistics are known, the estimate can be due further improve and / or simplify the hypotheses. So does in particular, it makes little sense to examine hypotheses from the outset an extremely low apriori probability have (for example, far away reflectors). In each Trap, these statistics can be used to estimate improve. This happens in a particularly advantageous manner the rule of Bayes. This known rule optimally links an observed one Probability (aposteriori) and a known general probability (A priori)

Claims

Method for determining the reception time of a radio signal known in terms of its essential properties, characterized in that at least one reflector is assumed in space at a specific position (hypothesis) and at least two measurements are used to evaluate this hypothesis and by means of suitable search methods that hypothesis to find the one that best suits the measurements.

Method according to claim 1, characterized in that that spatial Occurrence probabilities of the reflecting objects depending on the satellite position, i. Azimuth and elevation, as well as from the Environment and the statistical distribution of the movement of the reflective Objects are implemented in a model.

Method according to claim 1 or 2, characterized that an apriori estimate the Doppler frequency and delay curve the radio signal paths and thus the apriori estimate of Channel impulse response by a longer Observation time can be improved.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the movement of the reflecting objects because of that is essentially known because arise from observation measurements that has the reflective objects especially in known territory stationary or that they move in parallel with the receiver.

Method according to one of the preceding claims, characterized that further formulated hypotheses for the estimate yet one or more of the following influences are recorded: • the number the reflectors at each point of the measurements • a certain amount Lifespan of a reflector • a certain change the reflectivity of the reflector • of the Way of the receiver.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that to improve the estimate based on the hypotheses Add one or more of the following Apriori information: • an unconditional medium probability, a reflector at a position relative to the recipient to be found • the conditional mean probability, a reflector at a position relative to the receiver at given satellite position relative to the receiver • the probability for one Number of simultaneously acting reflectors • the process of how the Number of reflectors over the time changes • the spectrum the uncontrolled additional change of the reflector by change the reflectivity • the spatial relationship the reflectors, which are stationary and which move with the receiver.