DE102014110244A1

DE102014110244A1 - Polarimetrische Antennenanordnung und Umschalter zur Lokalisierung von RF-Emittern mit einem einzelnen Sensor

Info

Publication number: DE102014110244A1
Application number: DE102014110244.4A
Authority: DE
Inventors: Alexis-Paolo Garcia-Ariza; Uwe Trautwein; Reiner S. Thomä; Martin Käske
Original assignee: Medav GmbH
Current assignee: Saab Sensor Systems Germany GmbH
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Für ein Ortungssystem, das die unbekannte Position von HF-Emittern mit einer einzigen Beobachterstation in einer städtischen Umgebung bei Mehrwegausbreitung schätzt, werden eine Antenne und ein Umschalter mit einem besonderen Verkabelungsschema bereitgestellt. Die Antenne umfasst eine Anzahl zweifach polarisierter Antennenelemente, die gleiche (oder beliebige) Zwischenwinkel aufweisen, und erfasst die gesamte Polarisationsebene. Jedes Antennenelement umfasst eine vertikale Dipolantenne (V) und eine horizontale Monopolantenne (H). Damit man die besten Ortungsergebnisse erhält, können die Antennenelemente mit Hilfe des Umschalters beliebig kombiniert werden. Der Umschalter ist ein neu entwickelter hoch verstärkender Halbleiterumschalter mit fünf Kanälen, die die Kombination von 10 Antennenports erlauben. Simulationen und Messungen haben bewiesen, dass man mit gemischten Konfigurationen der Antennenelemente die besten Ortungsergebnisse erhält. Es hat sich auch erwiesen, dass eine Kalibrierung der Antenne nötig ist, da die Polarisationsempfindlichkeit der Antenne auch vom Ankunftswinkel abhängig ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Lokalisieren eines Hochfrequenz-Emitters in einem städtischen Umfeld, und zwar bevorzugt durch den Einsatz eines einzigen Sensors. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und einen einzigen Sensor bzw. eine Antenne zum Orten nicht kooperierender unbekannter mobiler Hochfrequenz-Emitter in komplizierten städtischen Umfeldern mit Mehrwegausbreitung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren ist das Interesse an der Ortung der Emitter von Hochfrequenz-Aussendungen (HF) gewachsen, und zwar in den Bereichen öffentliche Sicherheit, Frequenzbereichszuweisungen, Sicherheitsdienste und Notfälle. Zivile und militärische Behörden wollen die unbekannten Standorte von Hochfrequenz-Emittern herausfinden, beispielsweise Kriminelle, die mit Mobiltelefonen oder Satellitentelefonen kommunizieren, Notrufe von Personen, die ein Mobiltelefon benutzen, oder der Sender von Spionen oder feindlichen Streitkräften.
In städtischen Umfeldern versagen bekannte Verfahren zum Orten der Emitter von Hochfrequenz häufig, beispielsweise eine Triangulation mit Hilfe des Ankunftswinkels (Angle-of-Arrival, AOA) oder Zeitdifferenz der Ankunft (Time-Difference-Of-Arrival, TDOA), weil sie eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Emitter und dem Sensor benötigen, die bei den komplexen Ausbreitungsbedingungen für elektromagnetische Wellen in einer Stadt häufig nicht gegeben ist.
Die besonderen Schwierigkeiten, die bei Ortungsvorhaben in städtischen Umfeldern auftreten, werden nun kurz erklärt. Für die bekannten Verfahren ist wie oben beschrieben generell eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Emitter und dem Sensor erforderlich, damit sie korrekt arbeiten. In städtischen Umgebungen führen metallische Objekte (Lampenmasten, Verkehrszeichen, Verkleidungstafeln von Gebäuden), Bauwerke, Bewuchs und andere statische und bewegliche Hindernisse zu Beugung, Abschattung, Streuung und Reflexion der elektromagnetischen Wellen. Dies bedeutet, dass das ursprünglich ausgesendete Signal in zahlreiche Teilsignale aufgespalten wird, die am Sensor aus unterschiedlichen Richtungen ankommen, und zwar überlagert und mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen, unterschiedlichen Feldstärken, unterschiedlichen Polarisationen und unterschiedlichen Signal-Rausch-Abständen. Abhängig von der Position des Emitters und des Sensors ist eine direkte Sichtverbindung im Allgemeinen nicht vorhanden.
1 zeigt ein beispielhaftes Szenario in einer Stadt. In 1 ist "MS (Mobile Station)" ein Beispiel für einen Emitter, und "OS (Observer)" stellt beispielhafte Positionen eines Sensors für Ortungszwecke dar (in dieser Anmeldung werden die Begriffe "Beobachter" (Observer) und "Sensor" synonym gebraucht). Die gelben Bereiche im Stadtplan zeigen Gebiete ohne direkte Sichtverbindung zu einer Sensorposition hinter abschattenden Gebäuden. Die hellgrünen Bereiche im Stadtplan zeigen Gebiete, in denen eine direkte Sichtverbindung zwischen Emitter und Sensor möglich ist. Die punktierten dunkelgrünen Linien mit den Sinuskurven zeigen Beispiele für Mehrwegausbreitungen.
Zudem bedeutet das Orten von nicht kooperierenden Emittern, dass die unbekannten mobilen Emitter weder mit der Sensorstation noch mit der Basisstation eines Mobilfunknetzes zusammenarbeiten. Daher muss am Sensor der Standort des unbekannten mobilen Emitters lediglich aus den übertragenen elektromagnetischen Wellen bestimmt werden. Den obigen Erläuterungen und 1 ist zu entnehmen, dass das Orten eines unbekannten Emitters und solchen Bedingungen eine herausfordernde Aufgabe ist, die sich in vielen Fällen mit herkömmlichen Verfahren nicht lösen lässt. < Einfügung Seite 2a mit Ansätzen [0006a] bis [0006c]>
Entsprechend zu den genannten Schwierigkeiten des Stands der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung (eine Antenne und einen Umschalter) bereitzustellen, und zwar zum Orten unbekannter nicht kooperierender Emitter von elektromagnetischen Wellen mit einem einzigen Sensor bei Mehrwegausbreitung in komplizierten städtischen Umfeldern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Lösung dieses Problems wird durch eine Vorrichtung erzielt, die elektromagnetische Wellen aufnimmt, die beliebige Polarisationsrichtungen haben. Die Vorrichtung ist Teil einer Sensorvorrichtung zum Orten von Hochfrequenz-Emittern in komplexen Umgebungen bei Mehrwegausbreitung und enthält eine Antenne, die eine Anzahl zweifach polarisierte Antennenelemente umfasst, und einen Umschalter, der eine Anzahl Schaltelemente umfasst, wobei die Schaltelemente so betätigt werden können, dass eine beliebige Kombination von Antennenelementen für den Empfang und die Verarbeitung der elektromagnetischen Wellen gewählt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst jedes Antennenelement eine vertikal angeordnete Antenneneinheit, die vertikal polarisiert ist. Die Antenneneinheit kann eine Dipolantenne sein. Jedes Antennenelement kann zudem eine horizontal angeordnete Antenneneinheit umfassen, die horizontal polarisiert ist. Die Antenneneinheit kann eine Monopolantenne sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die Anzahl der Antennenelemente fünf. Die Antennenelemente weisen generell den gleichen oder beliebige Zwischenwinkel auf. Es wird in Betracht gezogen, DF-Antennen (DF = Direction Finding, Peilung) mit polarimetrischen Elementen herzustellen, die einen beliebigen Abstand haben. Die Anzahl der Antennenelemente kann gleich der Anzahl der Schaltelemente sein; jedoch ist die Anzahl der Empfangskanäle geringer. Durch das Verringern der Anzahl der Kanäle (Hardwareempfänger) lassen sich die Kosten des DF-Sensors beträchtlich verringern. Für eine vollständig polarimetrische DF mit fünf Elementen werden zehn Empfangskanäle benötigt, um die Fähigkeiten der polarimetrischen Antennen voll auszunutzen (jede Antenne weist zwei Ports auf). Mit der neuartigen Umschaltung und Verkabelung werden nicht mehr zehn Kanäle benötigt, sondern nur fünf Kanäle, damit alle möglichen polarimetrischen Kombinationen abgedeckt sind. Damit besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung darin, dass jedes Schaltelement des Umschalters unabhängig von jedem anderen Schaltelement angesteuert wird. Die jeweiligen Steuersignale für die Schaltelemente können bevorzugt von einem Schieberegister geliefert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Antennenelemente derart versetzt angeordnet, dass beide Polarisationen des selben Antennenelements gemessen werden können.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Empfang von elektromagnetischen Wellen, die beliebige Polarisationsrichtungen aufweisen, an einer Sensorvorrichtung zum Lokalisieren von Hochfrequenz-Emittern in komplizierten
Szenarios bei Mehrwegausbreitung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (i) das Bereitstellen einer Antenne, die eine Anzahl zweifach polarisierter Antennenelemente umfasst; und (ii) das Bereitstellen eines Umschalters, der eine Anzahl Schaltelemente umfasst, wobei die Schaltelemente so betätigt werden, dass eine beliebige Kombination von Antennenelementen für den Empfang und die Verarbeitung der elektromagnetischen Wellen gewählt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Anzahl der Antennenelemente gleich der Anzahl der Schaltelemente, und die Anzahl der Empfangskanäle ist halb so groß. Die beliebige Kombination der Antennenelemente kann umfassen, dass beide Polarisationsrichtungen des selben Antennenelements für die weitere Verarbeitung genutzt werden. Die Summation und Nachverarbeitung aller möglichen Kombinationen aller Antennenports, insgesamt zehn, ist unter Verwendung von nur fünf Empfangskanälen möglich. Dadurch verbessert sich der Rauschabstand SNR, die DF-Genauigkeit und der Ortungsfehler bei der Verwendung von SSL unter Mehrwegausbreitungsbedingungen (siehe die Abbildungen). Damit ist SSL bei Mehrwegausbreitung in städtischen Szenarios, am Stadtrand oder in ländlichen Umgebungen unter Verwendung eines einzigen DF-Sensors möglich, der die Erfindung ausführt.
Man versteht die Erfindung zusammen mit den beiliegenden Abbildungen, die dazu dienen, die bevorzugten Ausführungsformen zu erläutern, am besten. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen eingeschränkt, die in den Abbildungen offenbart sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In dem beiliegenden Zeichnungssatz zeigt:
1 ein beispielhaftes Ortungsszenario in einer Stadt, wobei SSL auch in vorstädtischen, ländlichen, hügeligen oder ebenen Bereichen möglich ist;
2 ein beispielhaftes Simulationsergebnis eines Ray-Tracers, der die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in einem dreidimensionalen Stadtplan simuliert;
3 eine Ansicht der Antenne und des Umschalters der Erfindung;
4 eine Skizze eines Antennenelements mit einem vertikalen Dipol (V-Einheit) und einem horizontalen Monopol (H-Einheit);
5 das XPD über dem Winkelbereich des Azimuthwinkels ϕ und des Erhebungswinkels θ für den vertikalen Dipol (V-Einheit) des beispielhaften Antennenelements bei 405 MHz;
6 das XPD über dem Winkelbereich des Azimuthwinkels ϕ und des Erhebungswinkels θ für den horizontalen Monopol (H-Einheit) des beispielhaften Antennenelements bei 405 MHz;
7 die Standardabweichung der Azimuthschätzung über der Korrelationsstärke für verschiedene gemischte Polarisationen der Antennenanordnung;
8 die Standardabweichung der Azimuthschätzung über der Korrelationsphase für verschiedene gemischte Polarisationen der Antennenanordnung;
9 die Standardabweichung der Azimuthschätzung über der Polarisationstrennung für verschiedene gemischte Polarisationen der Antennenanordnung;
10 gemessene MUSIC-Spektren über dem Azimuthbereich für vier verschiedene Antennenkonfigurationen, wobei die Quellen bei –30° (V-polarisiert) und bei 30° (H-polarisiert) angeordnet sind, und die gestrichelten vertikalen Linien den tatsächlichen Standort der beiden Quellen darstellen, die eine Mehrwegausbreitung (2 Wege) emulieren;
11 gemessene MUSIC-Spektren über dem Azimuthbereich für vier verschiedene Antennenkonfigurationen, wobei die Quellen bei –10° (V-polarisiert) und bei 10° (H-polarisiert) angeordnet sind, und die gestrichelten vertikalen Linien den tatsächlichen Standort der beiden Quellen darstellen, die eine Mehrwegausbreitung (2 Wege) emulieren;
12 den Schaltplan eines bekannten Antennenumschalters;
13 die Schaltelemente aus 12 und die zugehörigen Schaltleitungen;
14 den modifizierten Umschalter der Erfindung; und
15 Kombinationen der Antenneneinheiten, die durch den neuartigen Umschalter der Erfindung und die besondere Verkabelung möglich sind, wobei auch die mögliche Umordnung der Kombinationen abhängig von der Zeit durch eine Nachverarbeitung dargestellt ist; und
16 den gemessenen Ortungsfehler (mittlerer quadratischer Fehler) eines unbekannten Emitters (bewegliches Ziel, Zeitpunkte auf der x-Achse) in städtischer Umgebung unter Verwendung eines einzigen Peilungssensors, der den neuartigen Umschalter und die Verkabelung verwendet, sowie den Ortungsfehler für eine vollständig vertikale Anordnung (a) und verschiedene gemischte Polarisationen (b).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ortungssensoren sind oft komplizierte und sperrige Gerätschaften, die einen Lastwagen mit elektronischen Anlagen und einen Anhänger mit einem Teleskop-Antennenmast umfassen. Auf AOA basierende Triangulationsverfahren benötigen in der Regel mehrere Sensoren (mindestens 2 für ein bewegliches Ziel). Bei TDOA sind mindestens 3 Sensoren und eine Synchronisation der Sensoren erforderlich. Daher wünscht man hinsichtlich der Kosten und der Komplexität von Ortungssystemen, den unbekannten Emitter mit nur einer einzigen Sensorvorrichtung orten zu können. Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung wurden gemäß dieser Anforderungen entwickelt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun ein Ortungssystem und ein Ortungsverfahren im Überblick beschrieben, für das die Antenne und der Umschalter der Erfindung verwendet werden. Das Erfüllen der vorstehenden schwierigen Aufgaben ist möglich, wenn vorab verfügbare Information über die Geometrie und das elektromagnetische Verhalten des Gebiets, in dem der Ortungsvorgang stattfindet, ausgenutzt und vorab in den Ortungsvorgang einbezogen wird. Dies wird nun ausführlicher erklärt.
Es sei eine Stadt gegeben, in der ein unbekannter Emitter geortet werden soll. Hierfür wird zuerst eine hoch auflösende dreidimensionale Karte dieser Stadt verwendet. Karten dieser Art sind im Handel erhältlich und werden beispielsweise aus Satellitenbildern und -messungen erzeugt. Mit dieser Karte werden die Ausbreitungseigenschaften von elektromagnetischen Wellen in der Stadt für Positionen des unbekannten Emitters auf einem engmaschigen Gitter und für geeignete vordefinierte Positionen des Sensors simuliert. Die Ausbreitungssimulationen erfolgen mit Hilfe von Ray-Tracing. Ray-Tracer sind auf dem Gebiet der Netzplanung und des Entwurfs von mobilen Kommunikationssystemen etabliert. Ausgehend von der genannten hoch auflösenden Stadtkarte sagt der Ray-Tracer einen Satz von Mehrfachausbreitungswegen für jeden potentiellen Hochfrequenzkanal zwischen Emitter und Beobachter vorher und erzeugt einen Satz Ankunftsrichtungen und relativen Ankunftszeiten, die die Sensorstation misst. Hierzu gehören die Signalstärke, die Ausbreitungsverzögerung, die Polarisation sowie die Abgangs- und Ankunftswinkel für jeden Strahl (siehe beispielsweise: [1] C. Degen, F. Govaers, W. Koch, "Emitter Localization under Multipath Propagation Using SMC-Intensity Filters," Proc. of the 16th International Conference on Information Fusion, 2013, Istanbul, Turkey).
Zum besseren Verständnis zeigt 2 (aus [1]) beispielhafte Simulationsergebnisse eines derartigen Ray-Tracings in städtischer Umgebung. In 2 sind die vorhergesagten Feldstärken in den Straßen der Stadt durch unterschiedliche Farben dargestellt. Das schwarze Kreuz zeigt einen beispielhaft vorgegebenen Beobachter, und das Antennensymbol zeigt den zugeordneten beispielhaften Emitter. Beispiele für Mehrwegausbreitung sind mit durchgezogenen schwarzen Linien, punktierten schwarzen Linien und grauen Linien dargestellt.
Die Vorhersageergebnisse des Ray-Tracers und die Messergebnisse der Ortungseinrichtung werden mit einem Zusammenführalgorithmus kombiniert. Für eine gegebene Emitter-Beobachter-Geometrie verarbeitet der Zusammenführalgorithmus die gemessenen Mehrfach-Ausbreitungswege am Sensor und die vorhergesagten Mehrfach-Ausbreitungswege der Ray-Tracing-Simulation. Ein geeigneter Zuordnungsalgorithmus (siehe beispielsweise [1]) ermittelt die beste Übereinstimmung und gewinnt einen Ortungsschätzwert für die gesuchte Position des Emitters.
In einer praktischen Implementierung des beschriebenen Ortungssystems ist neben den Verarbeitungsalgorithmen die Antenne einer Sensorstation ein kritisches und äußerst anspruchsvolles Teil, auf das sehr viel Sorgfalt verwendet werden muss. Der Gegenstand dieser Patentanmeldung ist eine Vorrichtung, die die Antennenanordnung und den zugehörigen Umschalter umfasst, den die Erfinder für den Einsatz im oben erläuterten Ortungssystem mit nur einer einzigen Sensorstation für die Ortung an einem Standort (SSL, Single-Site-Location) bei Mehrwegausbreitungsbedingungen entwickelt haben, und zwar sowohl im städtischen Umfeld als auch in Vorstädten und auf dem Land einschließlich hügeliger oder ebener Terrains. Die im obigen Überblick beschriebenen Ray-Tracing-, Zusammenführ- und Zuordnungsalgorithmen dienen dem besseren Verständnis der Probleme, Verfahren und Ortungsprozeduren der Erfindung; sie gehören nicht zum Gegenstand dieser Patentanmeldung.
Im Folgenden werden die Eigenschaften der Antennenanordnung und des Umschalters kurz beschrieben. Natürlich wünscht man, die Größe, das Gewicht, die Kosten und die Komplexität der Antenne so klein wie möglich zu halten und ihre Ortungsleistung zu maximieren. Ein Beispiel für die Einrichtung der Erfindung, die eine Antenne und einem Umschalter umfasst, ist in 3 dargestellt. Das zirkular polarisierte Antennenelement oben in 3 gehört nicht zur Einrichtung der Erfindung; im Weiteren wird darauf nicht eingegangen. Die Einrichtung der Erfindung in 3 umfasst in der Mitte der Abbildung eine Antennenanordnung mit (im abgebildeten Beispiel) fünf zweifach polarisierten Antennenelementen, die jeweils zwei Ports und gleiche Zwischenwinkel aufweisen, und unten in der Abbildung einen Umschalter. Die zweifach polarisierten Antennenelemente dienen zum Erfassen der gesamten Polarisationsebene.
Im Folgenden wird sich zeigen, dass die Verwendung der gesamten Polarisationsebene und eine Kombination der Sätze mit gemischten Polarisationen aus den insgesamt zehn Ports in der Lage ist, die Ortungsergebnisse zu verbessern.
Ganz allgemein verdoppelt der Einsatz von zweifach polarisierten Antennenelementen die Anzahl der Antennenports bezogen auf einfach polarisierte Antennenelemente. D. h., dass sich die erforderliche Anzahl der Empfängerports ebenfalls verdoppelt. Sollen weniger Empfängerports als Antennenports verwendet werden, um die Kosten und die Komplexität der Ortungseinrichtung zu begrenzen, so müssen bestimmte Antennenkonfigurationen gewählt werden. Die Auswahl von geeigneten Antennenkonfigurationen erfolgt mit Hilfe des neu entwickelten Umschalters der Erfindung.
In der Erfindung wird eine Antenne mit zweifach polarisierten Elementen verwendet, da eine derartige Antenne die gesamte Polarisationsebene abdeckt und damit die Schätzung des Ankunftswinkels verbessern kann. Unterschiedliche Antennenkonfigurationen beeinflussen die Schätzgenauigkeit des Ankunftswinkels. Damit man von der Emitterpolarisation unabhängig ist, wird nicht von einer bestimmten Polarisation des Emittersignals ausgegangen. Dies bedeutet, dass sich die Polarisation der einzelnen Mehrwegkomponenten aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften auf den Pfaden voneinander unterscheiden können. Daher wird die Polarisation als zusätzlicher Parameter in der Ortungsprozedur behandelt.
Der Umschalter der Erfindung ist ein neu entwickelter Halbleiter-Breitband-Umschalter, der eine Anzahl unterschiedlicher Antennenkonfigurationen unterstützt, die sich durch die gewählten Antennenelemente unterscheiden. Konfigurationen mit ausschließlich vertikalen Elementen und ausschließlich horizontalen Elementen sowie Konfigurationen mit gemischten Elementen und eine Summierung aller möglichen Kombinationen sind unter Verwendung der 10 Antennenports möglich und wurden von den Erfindern hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Ortungsgenauigkeit untersucht. Die notwendigen neuartigen Umschaltschemata und die Verkabelung wurden entwickelt.
Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In den zurückliegenden Jahren wurde die Schätzung der Ankunftswinkel von Mehrfachsignalen, die an einer Antennenanordnung eintreffen, auf unterschiedliche Weisen untersucht. Es hat sich gezeigt, dass die Schätzung der Ankunftswinkel verbessert werden kann, wenn unterschiedliche Polarisationen der Quelle einbezogen werden. Zu diesem Zweck ist eine Anzahl polarisierter Antennenelemente erforderlich. Ganz allgemein verdoppelt der Einsatz von zweifach polarisierten Antennenelementen die Anzahl der Antennenports. Sind weniger Empfängerports verfügbar als Antennenports vorhanden sind (dies ist in der Regel der Fall, da die üblicherweise verwendeten Hochleistungs-Breitbandempfänger sehr kostspielige Geräte sind), müssen bestimmte Antennenkonfigurationen gewählt werden. Die Verbindung der gewählten Antennenelemente mit den Empfängerports erfolgt über einen geeigneten Umschalter in Verbindung mit einer besonderen Verkabelung. Die Antennenanordnung und der Umschalter der Erfindung werden nun ausführlich beschrieben.
Ein Beispiel für die Antenne der Erfindung ist in 3 dargestellt. 3 zeigt oben ein zirkular polarisiertes Antennenelement, in der Mitte eine Antenne mit einer Anzahl (im abgebildeten Beispiel fünf) zweifach polarisierter Antennenelemente mit gleichen Zwischenwinkeln, und unten einen Umschalter. Die Verkabelung, die die Antennenelemente mit dem Umschalter verbindet, befindet sich innerhalb der Vorrichtung und ist in 3 nicht zu sehen. Natürlich ist in der Erfindung die Anzahl der zweifach polarisierten Antennenelemente nicht auf fünf Elemente eingeschränkt. Jede andere Anzahl von Antennenelementen, die für ein bestimmtes Problem geeignet ist, kann verwendet werden. Zudem können in der Erfindung die Winkel zwischen den Antennenelementen entsprechend zu einem besonderen Problem frei gewählt werden.
Der Frequenzbereich der beispielhaften zweifach polarisierten Antennenelemente in der Mitte in 3 reicht von 0,3 GHz bis 1 GHz. Natürlich kann der Frequenzbereich der Antenne der Erfindung je nach Bedarf an andere Frequenzbereiche angepasst werden.
Jedes Antennenelement umfasst eine vertikal angeordnete Antenneneinheit, die in diesem Fall eine Dipolantenne ist (wird auch als V-Einheit bezeichnet) und eine horizontal angeordnete Antenneneinheit, die in diesem Fall eine Monopolantenne ist (wird auch als H-Einheit bezeichnet). Die Dipolantenne ist vertikal polarisiert, und die Monopolantenne ist horizontal polarisiert. Selbstverständlich kann man andere Antenneneinheiten verwenden, um die Erfindung an eine bestimmte Situation oder ein besonderes Problem anzupassen. 4 zeigt eine Skizze eines Antennenelements mit einem vertikalen Dipol (V-Einheit) und einem horizontalen Monopol (H-Einheit) auf einem Befestigungsarm (in der Zeichnung links). Im Befestigungsarm sind zwei HF-Kabel (ein Kabel für die V-Einheit und ein Kabel für die H-Einheit) an zwei HF-Stecker am Ende des Arms geführt. Die Stecker stellen die Verbindung zu der Verkabelung im Antennenmast und im Umschalter her.
Wie bereits angegeben ist die Beispielantenne für die Peilung gedacht, wobei beide Polarisationskomponenten der einfallenden elektromagnetischen Welle genutzt werden. Daher müssen die polarimetrischen Eigenschaften der Antenne bekannt sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Polarisationseigenschaften die Genauigkeit der Positionsschätzung stark beeinflussen können. Daher haben die Erfinder die Polarisationseigenschaften der Beispielantenne sowohl durch Simulationen als auch durch Messungen untersucht.
Wird eine bestimmte Polarisation der Antenneneinheiten vorausgesetzt und werden die Kreuzpolarisationseigenschaften außer Acht gelassen, so kann sich die Schätzgenauigkeit verschlechtern oder es werden Richtungen des eintreffenden Signals nicht beachtet. Um diese Nachteile zu verhindern haben die Erfinder das Kreuzpolarisations-Auflösevermögen (XPD, Cross Polarisation Discrimination) der Anordnungselemente der oben angegebenen Beispielantenne untersucht. Das XPD ist definiert als Verhältnis der empfangenen Leistung für die kopolare und kreuzpolare Anregung. XPD = 10 log₁₀(Leistung_co/Leistung_cross)
Das XPD über den Winkelbereichen des Azimuthwinkels ϕ und des Erhebungswinkels θ für die einfallenden Signale ist in 5 für die V-Einheit und in 6 für die H-Einheit eines beispielhaften Antennenelements abgebildet. Das sich ergebende XPD ist farblich codiert. Die Skala befindet sich rechts in den Abbildungen. Wie man sieht ist das XPD vom Winkel abhängig. Für die V-Einheit liegt das XPD generell oberhalb von 10 dB. Dies reicht aus um die V-Einheit als ausschließlich vertikal polarisiert zu betrachten. Das XPD der H-Einheit kann unter 0 dB liegen. Damit ist die H-Einheit über den gesamten Winkelbereich nicht ausschließlich horizontal polarisiert, und sie beobachtet kreuzpolarisierte Wellen.

Zum Aufnehmen der winkelabhängigen Polarisationsempfindlichkeit der Antenne in die Ortungsprozedur haben die Erfinder zuerst eine Kalibrierung der polarimetrischen Antennenanordnung durch Simulation und reale Messungen in einem offenen Prüfgelände vorgenommen. Der Einfluss bestimmter Antennenkonfigurationen auf die Schätzgenauigkeit des Ankunftsazimuths wurde untersucht. Die Erfinder haben vier aussichtsreiche Antennenkonfigurationen mit fünf Sensoren je Konfiguration überprüft, die unten in Tabelle 1 zu sehen sind. Innerhalb einer Antennenkonfiguration wurde eine Einheit von jedem Antennenelement verwendet. TABELLE 1

Konfiguration	Element 1	Element 2	Element 3	Element 4	Element 5
VVVVV	V-Einheit	V-Einheit	V-Einheit	V-Einheit	V-Einheit
HHHHH	H-Einheit	H-Einheit	H-Einheit	H-Einheit	H-Einheit
VHVHV	V-Einheit	H-Einheit	V-Einheit	H-Einheit	V-Einheit
HVHVH	H-Einheit	V-Einheit	H-Einheit	V-Einheit	H-Einheit

Zum Simulieren (und Emulieren) von 2 Mehrwegkomponenten wurden ein erster horizontal polarisierter Pfad des einfallenden Signals mit einem Azimuthwinkel ϕ von –30° und einem Erhebungswinkel θ von –10° und ein zweiter vertikal polarisierter Pfad mit einem Azimuthwinkel ϕ von 30° und einem Erhebungswinkel θ von –10° verwendet. Zudem wurde davon ausgegangen, dass keine Verzögerungsdifferenz zwischen den beiden Pfaden vorhanden war. Der Einfluss auf die Korrelationsstärke und die Korrelationsphase auf die Schätzgenauigkeit wurde untersucht.
7 zeigt die Standardabweichung der Azimuthschätzung über der Korrelationsstärke. In 7 gehört die durchgezogene Linie zum ersten Pfad, und die gestrichelte Linie gehört zum zweiten Pfad. Wie man sieht hängt die Schätzgenauigkeit von der Korrelationsstärke ab. Mit zunehmender Korrelationsstärke nimmt die Schätzgenauigkeit für jede Konfiguration ab. Die beste Genauigkeit ausgedrückt durch die geringste Standardabweichung für jeden Pfad liefert die Antennenkonfiguration VHVHV. Die höchste Standardabweichung findet man im ersten Pfad für die Konfiguration VVVVV. Wie oben beschrieben sind die V-Einheiten vertikal polarisiert und weisen ein XPD > 10 dB auf. Damit ist die empfangene Leistung des horizontal polarisierten ersten Pfads klein, wodurch der Signal-Rausch-Abstand schlechter wird und die Schätzabweichung anwächst. Das Gleiche gilt für die Konfiguration HHHHH und den zweiten vertikal polarisierten Pfad. Verglichen mit der VVVVV-Konfiguration ist die Standardabweichung für den kreuzpolarisierten Pfad geringer, da die H-Einheiten ein XPD < 0 dB aufweisen und daher mehr Leistung aus der Kreuzpolarisation empfangen.
Der Einfluss der Korrelationsphase auf die Schätzgenauigkeit ist in 8 dargestellt. In 8 gehört die durchgezogene Linie zum ersten Pfad, und die gestrichelte Linie gehört zum zweiten Pfad. Wiederum wird die beste Genauigkeit für beide Pfade von der Antennenkonfiguration VHVHV geliefert, und die höchste Standardabweichung tritt für den ersten Pfad und die Konfiguration VVVVV auf. Wie bei der Korrelationsstärke beschrieben ist das XPD der V-Einheiten die Erklärung für diesen Effekt.
Schließlich haben die Erfinder noch die Auswirkung der Polarisationstrennung auf die Schätzgenauigkeit untersucht. Der Polarisationswinkel β des ersten Pfads wurde festgehalten und der Polarisationswinkel β des zweiten Pfads wurde variiert. Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt. In 9 gehört die durchgezogene Linie zum ersten Pfad, und die gestrichelte Linie gehört zum zweiten Pfad. Für eine Trennung Δβ = 0 sind beide Pfade horizontal polarisiert. Daher zeigen Antennenkonfigurationen mit vorherrschenden V-Einheiten höhere Standardabweichungen als Konfigurationen mit überwiegenden H-Einheiten. Mit zunehmender Polarisationstrennung nimmt die Standardabweichung für Konfigurationen mit dominierenden V-Einheiten ab, da der zweite Pfad stärker vertikal polarisiert wird. Dies gilt außer für den ersten Pfad und die VVVVV-Konfiguration, da der Pfad durch das XPD der Einheit unterdrückt wird. Dadurch wird der Signal-Rausch-Abstand schlechter und die Schätzabweichung nimmt zu. Die beste Genauigkeit bezüglich einer geringen Standardabweichung erzielt man mit der Konfiguration VHVHV.
Die Erfinder haben nun Messungen ausgeführt, die den obigen Simulationen entsprochen haben. Wie bei den simulierten Fällen wurde eine H-polarisierte Emitterantenne bei einem Azimuthwinkel von 30° angeordnet, und eine V-polarisierte Emitterantenne wurde bei einem Azimuthwinkel von –30° angeordnet. Die Absicht hinter dieser Einstellung ist das Simulieren von Mehrwegausbreitung. Die Erhebungswinkel wurden auf –10° gesetzt. Ein Mehrfach-Sinussignal mit 15 MHz Bandbreite und 407,5 MHz Mittenfrequenz wurde als Testsignal verwendet.
Anschließend haben die Erfinder den Einfluss der betrachteten Antennenkonfiguration auf eine Ankunftsrichtungs-Schätzvorrichtung untersucht, in der MUSIC-Spektren verwendet werden (für MUSIC-Spektren siehe [2] R. 0. Schmidt, "A signal subspace approach to multiple emitter location and spectral estimation," Ph.D. dissertation, Stanford University, 1982). Für jede Emitterantenne wurde das MUSIC-Spektrum über dem Azimuthbereich berechnet. Es wurde davon ausgegangen, dass die Erhebungswinkel bekannt waren. Weiterhin wurde der Einfluss der betrachteten zweifach polarimetrischen Antennenkalibrierdaten untersucht. Für Richtungfeststellzwecke müssen die Spitzenwerte in dem MUSIC-Spektrum erfasst werden, da sie den Standorten der Quelle zugeordnet sind. Die sich ergebenden MUSIC-Spektren sind in 10 dargestellt. 10 zeigt MUSIC-Spektren über dem Azimuthbereich für die folgenden Antennenkonfigurationen: (a) VVVVV, (b) HHHHH, (c) VHVHV and (d) HVHVH.
Zunächst kann man feststellen, dass die MUSIC-Spektren verbessert werden, wenn die zweifach polarimetrischen Antennenkalibrierdaten einbezogen werden. Dies ist besonders für die Anordnung HHHHH (10(b)) offensichtlich, da die kreuzpolarisierte Quelle sichtbar wird. Sodann zeigt sich, dass hinsichtlich der Erfassbarkeit der Quellen in den MUSIC-Spektren nicht gemischte Konfiguration weniger gut anwendbar sind. Insbesondere in den MUSIC-Spektren der Konfiguration VVVVV (10(a)) wird die horizontal polarisierte Quelle unterdrückt, und es kann nur die vertikal polarisierte Quelle erfasst werden. Die MUSIC-Spektren der gemischten Konfigurationen (10(c) und 10(d)) zeigen schärfere und höhere Spitzenwerte an den beiden Quellenstandorten; sie sind daher besser verwendbar. Eine Erklärung hierfür ist das Messen der Polarisationsebene mit kopolaren Einheiten in den gemischten Konfigurationen. Die Erfinder betrachten die HVHVH-Konfiguration als die beste Möglichkeit, da verglichen mit der VHVHV-Konfiguration kleinere Nebenmaxima auftreten. Eine Erklärung für die Nebenmaxima sind Mehrdeutigkeiten im Anordnungsverteiler. Mehrdeutigkeiten treten auf, wenn der Abstand zwischen benachbarten Einheiten größer ist als λ/2. Dies bewirkt räumliches Aliasing und daher erhöhte Nebenmaxima.
Zusätzlich haben die Erfinder Messungen mit einer V-polarisierten Quelle bei –10° und einer H-polarisierten Quelle bei 10° vorgenommen (Enger Winkel zwischen den Quellen. In einer derartigen Konfiguration ist es schwierig, die Quellen zu unterscheiden.). Das dabei verfolgte Ziel bestand darin, Mehrwegausbreitung mit kleinen Zwischenwinkeln zu emulieren, wie sie in einem städtischen Umfeld auftreten können, beispielsweise bei einem unbekannten Emitter in einer Straße. Die Erhebungswinkel betrugen –10°. Die MUSIC-Spektren wurden für den einfach und den zweifach polarimetrischen Fall berechnet. Die Ergebnisse sind in 11 dargestellt. 11 zeigt MUSIC-Spektren über dem Azimuthbereich für die folgenden Antennenanordnungen: (a) VVVVV, (b) HHHHH, (c) VHVHV und (d) HVHVH. Das Einbeziehen von zweifach polarimetrischen Kalibrierdaten verbessert wiederum das MUSIC-Spektrum, da die Spitzenwerte an den Quellenstandorten verbessert werden. In den MUSIC-Spektren der VVVVV-Konfiguration (11(a)) ist die kreuzpolarisierte Quelle nicht erfassbar. In der HHHHH-Konfiguration (11(b)) ist die vertikal polarisierte Quelle zwar sichtbar, jedoch schwer zu erfassen. Daher sind nicht gemischte Konfigurationen für die Peilung von beiden Quellen nicht verwendbar. Betrachtet man die MUSIC-Spektren der gemischten Konfigurationen, (11(c) und 11(d)), so zeigen sich Spitzenwerte an beiden Quellenstandorten. Somit sind gemischte Konfigurationen für die Peilung von beiden Quellen anwendbar. In den Spektren der VHVHV-Konfiguration treten zwei Spitzenwerte auf, die höher sind als der Spitzenwert der Quelle bei –10°, und zwar durch Mehrdeutigkeiten im Anordnungsverteiler. Daher wird die HVHVH-Konfiguration wegen geringerer Nebenmaxima als die beste Anordnung betrachtet.
Wie man den vorstehenden Simulations- und Messergebnissen entnehmen kann, verbessert die neuartige polarimetrische Antennenanordnung der Erfindung die Ortungsgenauigkeit verglichen mit einfach polarisierten Ansätzen. Mit den gemischten Antennenkonfigurationen kann man Quellen (die eine Mehrwegausbreitung emulieren) mit beiden Polarisationen erkennen, die nicht sichtbar sind, wenn Antennenkonfigurationen mit einer einzigen Polarisation verwendet werden, und man kann Quellen unter sehr kleinen Winkeln trennen, die unterschiedliche Polarisationen haben. Dieser Fall ist in städtischen Umgebungen möglich.
Um die oben beschriebenen Antennenelementkonfigurationen für die weitere Verarbeitung zu nutzen, werden der Umschalter und die Verkabelung der Erfindung verwendet. Im Folgenden werden der Umschalter und die Verkabelung ausführlich erklärt.
12 zeigt den Schaltplan eines Antennenumschalters, der dem Anmelder bereits bekannt war (in der Zeichnung mit "switch" bezeichnet) und fünf Schaltelemente für fünf Antennenelementsignale umfasst. Dieser Umschalter wurde bereits zum Verbinden von Signalen von Antennenelementen an Empfängerports verwendet. 12 zeigt ferner die zugehörige Elektronik und Eingangssignale von den Antennenelementen (Band A, Band B und Band C). Zusätzlich zu einer Kalibrierquelle und Eingaben aus dem Band C, auf die hier nicht weiter eingegangen wird, zeigt die Abbildung Eingaben aus dem Band A und dem Band B, die Signale von den entsprechenden polarisierten Antennenelementen der erfindungsgemäßen Antenne liefern.
Bei diesem herkömmlichen Umschalter sind jedoch die einzelnen Schaltelemente alle gekoppelt. D. h., dass es nicht möglich ist, die einzelnen Schaltelemente in nicht synchronisierter Weise zu steuern. Der Grund dafür ist, dass in diesem bekannten Umschalter die Bandumschaltleitungen, die die Abläufe der Schaltelemente steuern (in 12 nicht dargestellt) allen Schaltelementen gemeinsam sind. 13 zeigt die fünf Schaltelemente in 12 und die zugehörigen Schaltleitungen, über die die einzelnen Schaltelemente betätigt werden, in den Farben blau und rot. Wie man sieht werden die Schaltelemente jeweils gemeinsam von der roten bzw. der blauen Schaltleitung gesteuert. Diese Schalterart gestattet es nur, jeweils ein Band (Band A oder Band B) zu wählen und mit den Ports der Empfänger zu verbinden, siehe Tabelle 2 unten. Sie ist daher nicht geeignet für die gewünschten gemischten Antennenkonfigurationen der Erfindung. Tabelle 2 zeigt, dass man entweder die vertikalen Antenneneinheiten des Bands A oder die horizontalen Antenneneinheiten des Bands B gemeinsam mit den Empfängerports verbinden kann. TABELLE 2

Ports 1 2 3 4 5

Band A 1V 2V 3V 4V 5V

Band B 1H 2H 3H 4H 5H
Wünscht der Anwender des Ortungssystems, eine Mischung aus horizontal und vertikal polarisierten Signalen zu messen, so müssen die Empfänger mit einigen V-Einheiten und einigen H-Einheiten der Antennenelemente verbunden werden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die einzelnen Schaltelemente nicht synchronisiert gesteuert werden. Beispiele für zwei bevorzugte Anordnungen von Antennensignalen (siehe die oben beschriebenen Simulations- und Messergebnisse für die Antennen) sind in Tabelle 3 zu finden. Tabelle 3 zeigt zwei Kombinationen von vertikalen und horizontalen Antenneneinheiten, die bevorzugt mit den Empfängerports verbunden werden. TABELLE 3

Ports 1 2 3 4 5

1V 2H 3V 4H 5V

1H 2V 3H 4V 5H
Die Erfinder haben daher den bekannten Umschalter so abgewandelt, dass einzeln für jedes Element zwischen den vertikalen und horizontalen Antennenelementen umgeschaltet werden kann. Dies wurde dadurch erreicht, dass das Umschalter-Steuersystem zum Steuern der einzelnen Schaltelemente um ein Schieberegister in den Schaltleitungen erweitert wurde.
14 zeigt den modifizierten Umschalter der Erfindung. Die rote Schaltleitung in 13, die für alle Schaltelemente gemeinsam ist, wurde durch ein Schieberegister (in der Zeichnung mit "SHR" bezeichnet) und eigene Schaltleitungen für jedes Schaltelement ersetzt. Dieser Umschalter erlaubt nun eine beliebige Wahl der polarisierten Einheiten eines jeden Anordnungselements mit Hilfe eines zugeordneten Musters im Schieberegister. Dies bedeutet, dass für jedes Antennenelement die vertikal polarisierte Antenneneinheit oder die horizontal polarisierte Antenneneinheit beliebig gewählt werden kann. Die gewählten Antenneneinheiten können mit beliebigen anderen Antenneneinheiten kombiniert werden, die in gleicher Weise gewählt werden. Verwendet man diesen modifizierten Umschalter, so können Signalkombinationen gemäß Tabelle 3 oben gewählt werden.
Nur mit dem oben angegebenen Steuerschema ist es jedoch nach wie vor nicht möglich, beide Polarisationen eines Antennenelements zu messen, d. h. die Signale sowohl von der horizontal polarisierten als auch von der vertikal polarisierten Einheit des selben Antennenelements zu nutzen. Man kann diese Einschränkung beseitigen, indem man die Antenneneinheiten in Band A und Band B in der untenstehenden Reihenfolge anordnet, siehe Tabelle 4. TABELLE 4

Ports 1 2 3 4 5

1V 2V 3V 5V 4V

3H 4H 5H 1H 2H
Mit dieser innovativen Umschaltsteuerung und Reihenfolge der Antenneneinheiten, die durch die Verkabelung der Erfindung erzielt wird, ist eine beliebige Wahl der Polarisationen möglich. Die neue Verkabelung und Umschaltsteuerung, siehe 15, erlaubt es, beide Polarisationen von jedem beliebigen Element der Anordnung zu wählen und jede mögliche gemischte Polarisation zu erzeugen. Das quadratische rote und blaue Feld in der Mitte von 15 zeigt einige mögliche physische Optionen. Wie man in der letzten Zeile des roten und blauen Felds in der Mitte sehen kann, werden beide (vertikale und horizontale) Antenneneinheiten des Antennenelements 1 verwendet (CH1, CH4). Ferner werden beide (vertikale und horizontale) Antenneneinheiten des Antennenelements 2 verwendet (CH2, CH5). Das quadratische rote und blaue Feld rechts unten in 15 zeigt einige Umstellungen der Reihenfolge der Antenneneinheiten, die durch eine Nachverarbeitung möglich sind.
Mit dieser innovativen Umschaltsteuerung und Reihenfolge der Antenneneinheiten können die Erfinder auch alle möglichen gemischten Polarisationen in der Nachverarbeitung nutzen, so dass nicht nur 5 Antennenelemente aufgenommen werden, sondern alle 10 Antennenports und Kombinationen mit beiden Polarisationen, wobei nur 5 Empfänger verwendet werden. Bei der Ortung mit nur einem einzigen DF-Sensor werden also 5 Empfängerkanäle für die polarimetrische Peilung (DF) eingespart. Es ist nun machbar, alle möglichen Polarisationskombinationen zu summieren, um das SNR und die DF-Genauigkeit zu verbessern. Dadurch verbessern sich auch die Ortungsergebnisse bei einer Ortung an einem Standort (SSL) bei Mehrwegausbreitung.
Mit Hilfe dieser Innovation führten die Verfasser Messungen in einem städtischen Umfeld mit umfangreicher Mehrwegausbreitung aus, um den Standort eines unbekannten Emitters zu schätzen, wobei ein einziger DF-Sensor eingesetzt wurde, in dem die innovative Umschaltsteuerung und die innovative Verkabelung für die polarimetrischen Antenneneinheiten vorgenommen wurde. Die SSL-Ergebnisse sind in 16 zu sehen. Dort ist der Ortungsfehler (mittlerer quadratischer Fehler) für einen bewegten Emitter, der sich auf einer vorbestimmten Trajektorie bewegt (es wurden mehrere Durchläufe untersucht, um Störungen und zeitveränderliche Effekte einzubeziehen), zu sehen. Ergebnisse sind angegeben für die Antennenanordnung mit VVVVV-polarisierten Elementen (a), für HHHHH-polarisierte Elemente (b) und für zwischen den Elementen gemischte Polarisationen (c). Der unbekannte Emitter wurde in einem Kraftfahrzeug angeordnet, in dem ein Signalgenerator ein Mehrträgersignal mit einer Mittenfrequenz von 475 MHz, 5 MHz Bandbreite und 10 Watt Sendeleistung aussendete (es wurde eine vertikal polarisierte Monopolantenne verwendet). Der DF-Sensor mit der polarimetrischen Antennenanordnung und der innovativen Umschaltsteuerung wurde auf einem Mast in 10 m Höhe über dem Erdboden angeordnet. Der DF-Sensor befand sich (feste Position) ungefähr 1,5 km von den Emitterstandorten entfernt im Stadtgebiet. Der Ortungsfehler (mittlerer quadratischer Fehler) des Emitters wurde anhand aufgezeichneter GPS-Daten auf der gewählten Trajektorie berechnet (die Zeitpunkte auf der X-Achse geben unterschiedliche Emitterpositionen in Abhängigkeit von der Zeit an). Wie man den Ortungsfehlerergebnissen in 16 entnehmen kann, verbessern die gemischten Polarisationen den Ortungsfehler, der in manchen Fällen von ungefähr 1 km auf weniger als 100 m sinkt, wenn man VVVVV- und HHHHH- mit VHVVH-Anordnungen vergleicht. Aufgrund der zeitveränderlichen Ausbreitungsbedingungen während der verschiedenen Messdurchgänge treten einige Ausreißer auf. Es sei darauf hingewiesen, dass für manche Standorte der Ortungsfehler bei Verwendung der Erfindung unter 20 m lag. Dabei zeigte VHVVH die geringsten Ortungsfehler. Die Ergebnisse beweisen den Nutzen der Innovation für SSL bei Mehrwegausbreitung mit einem einzigen DF-Sensor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

C. Degen, F. Govaers, W. Koch, "Emitter Localization under Multipath Propagation Using SMC-Intensity Filters," Proc. of the 16th International Conference on Information Fusion, 2013, Istanbul, Turkey [0034]
R. 0. Schmidt, "A signal subspace approach to multiple emitter location and spectral estimation," Ph.D. dissertation, Stanford University, 1982 [0057]

Claims

Vorrichtung zum Empfangen elektromagnetischer Wellen mit beliebigen Polarisationsrichtungen, wobei die Vorrichtung Teil einer Erfassungseinrichtung zum Orten von Hochfrequenzemittern in komplizierten Umgebungen bei Mehrwegausbreitung ist, und die Vorrichtung umfasst: eine Antenne, die eine Anzahl zweifach polarisierter Antennenelemente umfasst; und einen Schalter, der eine Anzahl Schaltelemente aufweist, wobei die Schaltelemente so betätigt werden können, dass eine beliebige Kombination von Antennenelementen für den Empfang und die Verarbeitung der elektromagnetischen Wellen gewählt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Antennenelement eine vertikal angeordnete Antenneneinheit umfasst, die vertikal polarisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Antenneneinheit eine Dipolantenne ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Antennenelement eine horizontal angeordnete Antenneneinheit umfasst, die horizontal polarisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Antenneneinheit eine Monopolantenne ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Antennenelemente gleiche oder beliebige Zwischenwinkel aufweisen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anzahl der Antennenelemente gleich der Anzahl der Schaltelemente ist, und die Anzahl der Empfangskanäle geringer ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes Schaltelement des Umschalters unabhängig von jedem anderen Schaltelement gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die jeweiligen Steuersignale für die Schaltelemente von einem Schieberegister geliefert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Antenneneinheiten in einer Reihenfolge angeordnet sind, die es erlaubt, beide Polarisationen des selben Antennenelements zu messen.
Verfahren zum Empfangen elektromagnetischer Wellen mit beliebigen Polarisationsrichtungen an einer Erfassungseinrichtung zum Orten von Hochfrequenzemittern in komplizierten Umgebungen bei Mehrwegausbreitung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: das Bereitstellen einer Antenne, die eine Anzahl zweifach polarisierter Antennenelemente umfasst; und das Bereitstellen eines Schalters, der eine Anzahl Schaltelemente aufweist, wobei die Schaltelemente so betätigt werden können, dass eine beliebige Kombination von Antennenelementen für den Empfang und die Verarbeitung der elektromagnetischen Wellen gewählt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Anzahl der Antennenelemente gleich der Anzahl der Schaltelemente ist und die Anzahl der Empfangskanäle halb so groß ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die beliebige Kombination von Antennenelementen umfasst, dass beide Polarisationsrichtungen des selben Antennenelements für die weitere Verarbeitung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Summieren und Nachverarbeiten aller möglichen Kombinationen aller Antennenports, insgesamt 10, unter Verwendung von nur 5 Empfangskanälen möglich ist, und das SNR, die DF-Genauigkeit und der Ortungsfehler unter Verwendung von SSL bei Mehrwegausbreitung verbessert wird.
Der Gebrauch der Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 und des Verfahrens nach irgendeinem der Ansprüche 11 bis 14 für SSL bei Mehrwegausbreitung in städtischen, vorstädtischen und ländlichen Umgebungen.