-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Multipath Effektes bei einem GNSS Empfänger sowie ein System für ein Kraftfahrzeug zum durchführen eines solchen Verfahrens.
-
Der Begriff Multipath ist unter anderem auch unter dem Begriff Mehrwegausbreitung geläufig. Hiernach wird der englische Begriff Multipath synonym für die Mehrwegausbreitung verwendet. Es beschreibt den Umstand, dass ein Signal, z. B. von einem Satelliten, einen Empfänger nicht nur auf dem direkten Wege, sondern auch indirekt erreicht, nachdem es vorher an einem Objekt in der Umgebung reflektiert wurde. Dieser Umstand ist nicht nur auf Satellitensignale, sondern auf jegliche mittels elektromagnetischer Wellen übertragenen Signale anwendbar, wobei die Auswirkungen in der Satellitennavigation zu besonders deutlichen Abweichungen in der Positionsbestimmung führen. Die Abweichungen treten sowohl bei einer konstruktiven als auch bei einer destruktiven Interferenz zwischen dem reflektierten und dem ursprünglichen Signal auf. Es ist daher zur Erhöhung der Präzision bei der Positionsbestimmung wichtig, solche Signale zu identifizieren.
-
Im Anwendungsfeld der Kraftfahrzeuge gewinnen positionsbasierte Funktionen zunehmend an Bedeutung. Aufgrund des steigenden Bedarfs an Rechenleistung bei im Verhältnis dazu schwachem Zuwachs an Rechenleistung aufgrund eines hohen Kostendrucks bedarf es ein Verfahren, das auf eine einfache Weise die Erkennung von Multipath Signalen ermöglicht.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Verfahren oder ein System aufzuzeigen, womit es auf einfache Weise möglich ist zu erkennen, ob ein Signal auf direktem oder auf indirektem Wege einen Empfänger erreicht hat.
-
Die Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst mittels eines Verfahrens der eingangs genannten Art, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, die durch Bezugnahme ausdrücklich zum Inhalt der Beschreibung gemacht werden.
-
Es wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen mittels eines Globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) Empfängers unterschiedliche Signale von einem GNSS Satelliten zu empfangen, wobei der GNSS Empfänger eine aus unmittelbar empfangenen Signalen ermittelte Kenngröße mit einem im Wesentlichen konstanten Sollwert umfasst, und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- – Empfangen mindestens zweier voneinander unabhängigen, vorzugsweise auf einen Messwert basierende Signale,
- – Ermitteln eines aktuellen Kenngrößenwertes aus zumindest dem ersten und dem zweiten Signal,
- – Bewerten des Kenngrößenwertes in Bezug auf den Sollwert, und
- – Erkennen eines Multipath Effektes, wenn der Kenngrößenwert eine Abweichung aufweist, die vom vorbekannten Sollwert abweicht.
-
Die Erfindung basiert auf den Grundgedanken, die Veränderungen des Kenngrößenwertes dazu zu verwenden, um Multipath-Effekte auf empfangene Signale zu erkennen. Wesentlich ist hierbei die Annahme, dass der Kennwert im Normalfall, d. h. ohne Einfluss von Multipath Effekten, im Wesentlichen konstant ist, sich aber aufgrund der Multipath Effekte merkbar verändert. Aus der Differenz zwischen dem Sollwert der Kenngröße und einem aktuellen ermittelten Kenngrößenwert kann daher die Erkennung vom Multipath Effekten durchgeführt werden.
-
Dieser Kenngrößenwert ist aus mindestens zwei unterschiedlichen Signalen ermittelbar. Ohne Multipath-Effekte auf die Signale ist und bleibt der Kenngrößenwert im Wesentlichen konstant und entspricht daher dem Sollwert der Kenngröße bzw. dem Soll-Kenngrößenwert. Ermittelt man diese Kenngrößenwerte auf Basis von aktuell empfangenen Signalen, die durch Multipath Effekte verändert wurden, weicht der aktuelle Kenngrößenwert von dem konstanten Soll-Kenngrößenwert ab. Weicht der aktuelle Kenngrößenwert aus zwei empfangenen Signalen wesentlich vom Soll-Kenngrößenwert ab, so kann daraus die Folgerung gezogen werden, dass eines der beiden oder beide empfangenen Signale vorher eine Reflektion an einem Objekt erfahren hat bzw. haben. Durch kontinuierliche Betrachtung oder Ermittlung des aktuellen Kenngrößenwertes aus zwei aktuell empfangenen Signalen und dem Vergleich des aktuellen Kenngrößenwertes mit dem Soll-Kenngrößenwert kann für jedes Paar von empfangenen Signalen ein Einfluss von Multipath Effekten festgestellt werden. Der Kenngrößenwert kann beispielsweise aus dem Verhältnis zwischen einem Offset des ersten Signals zu einem Offset des zweiten Signals gebildet werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Offset um einen Offset in der Laufzeitmessung.
-
Der Soll-Kenngrößenwert muss zunächst ermittelt werden und vorliegen. Es kann dabei offen bleiben, auf welchem Wege der Sollwert der Kenngröße ermittelt wird und wie oft dieser aktualisiert wird. Sobald der Soll-Kenngrößenwert ermittelt ist, kann dieser zumindest für einen gewissen Zeitraum als konstant angenommen werden.
-
Eine wesentliche Voraussetzung ist, dass die empfangenen Signale bzw. ein solches Signalpaar einen Rückschluss auf denselben Messwert ermöglichen, jedoch voneinander unabhängige Signale darstellen. Ein solcher Messwert kann z. B. die Laufzeit der Signale mit Bezug auf denselben Zeitpunkt sein, zu dem die Signale von einem Satelliten abgesendet wurden. Die Signale ermöglichen dem Empfänger somit den gleichen Messwert auf zwei unterschiedliche Wege zu ermitteln. So ist es bspw. möglich für jedes Signal eine vom anderen Signal unabhängige Laufzeitmessung durchzuführen, um feststellen zu können, ob beide Signale in etwa das gleiche Ergebnis liefern.
-
Vorzugsweise weisen die Signale unterschiedliche Trägersignale oder Trägerfrequenzen auf. Ein Beispiel für unterschiedliche Trägersignale im Anwendungsbereich von Navigationssatelliten sind z. B. C/A Code Signale und P/Y Code Signale. Ein Beispiel Signale unterschiedlicher Trägerfrequenzen sind Signale auf L1, L2 oder L5 Frequenzen.
-
Das Verfahren ist auf eine Vielzahl von heute gängigen Globalen Satelliten Navigationssystemen anwendbar, wie bspw. GPS, Galileo, Glonass und BeiDou.
-
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass der Kenngrößenwert einen atmosphärisch bedingten Fehler in den Signalen umfasst. Der Kenngrößenwert berücksichtigt, die durch die Troposphäre und Ionosphäre verursachten Empfangsverzögerung der Signale. Besonders bevorzugt ist es daher die Abweichung der Laufzeit der Signale aufgrund atmosphärischer Einflüsse als Kennwert zu verwenden. Die Berechnung von atmosphärisch bedingten Einflüssen auf die Laufzeit liegt in GNSS Empfängern in Straßenkraftfahrzeugen in der Regel vor, so dass hier kein zusätzlicher Rechenaufwand notwendig ist. Der Abgleich des aktuellen Kenngrößenwertes mit dem hier beschriebenen Sollwert ist mit geringem Rechenaufwand realisierbar. Zudem ist es für die Verwendung des Verfahrens in einem Straßenkraftfahrzeug besonders vorteilhaft, da sich die Annahme des konstanten Sollwertes auf innerhalb eines beschränkten Bewegungskreises mit ausreichend hoher Genauigkeit zutrifft.
-
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass der Sollwert der Kenngröße nach Ablauf einer vordefinierten Periode, bei Eintreten eines vordefinierten Ereignisses oder bei Umweltänderungen neu ermittelt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Sollwert möglichst aktuell bleibt.
-
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass der Kenngrößenwert einen vordefinierten oberen und unteren Schwellenwert übersteigt.
-
Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Erweiterung des Verfahrens dahingehend, dass der obere und untere Schwellenwert relativ in Bezug auf den Sollwert der Kenngröße oder auf einen absoluten Wert festgelegt wird.
-
Darüber hinaus beinhaltet eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass eines der Schwellenwerte im Wesentlichen ohne Vorlauf überschritten wird, d. h. der Wert der Kenngröße sich schlagartig bzw. augenblicklich ändert und eines der Schwellenwerte überschreitet. Auf diese Weise ist ein deutlicher aber möglicherweise vereinzelt auftretender Einfluss des Multipath Effektes erkennbar. Der zu betrachtende Zeitraum kann beispielsweise auf die Anzahl einer oder einiger Daten oder Samples eingeschränkt sein. Es könnte beispielsweise auch im Bereich von Bruchteilen einer Sekunde liegen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt eine Abweichung, bei welcher der Kenngrößenwert innerhalb eines vordefinierten Zeitraums einen ersten Toleranzbereich überschreitet. Der hier anzuwendende Zeitraum ist wesentlich größer als der Zeitraum der vorgenannten Ausführungsform. Der Zeitbereich könnte beispielsweise im Bereich von mehreren Sekunden liegen. Die Dauer von 5 Sekunden hat sich in ersten Tests als vorteilhaft erwiesen.
-
Vorteilhafterweise wird die vorgehende Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens damit kombiniert, dass berücksichtigt wird, ob die zeitliche Änderung der Kenngröße bzw. der Differenz oder Abweichung der Kenngröße eine Tendenz aufweist. Auf diese Weise sind durch Multipath verursachte schleichende Effekte (Drift) erkennbar, die aufgrund der geringen Amplitude der Abweichung sonst innerhalb einer tolerierbaren Abweichung bleiben könnten.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei vorteilhafter weiterbildet, indem der erste Toleranzbereich in Bezug auf oder abhängig von einem Messwert aus dem ersten und / oder zweiten Signal eingestellt wird. Die Höhe der Abweichung über den Zeitraum kann auf diese Weise flexibel an einen jeweiligen Signalwert angepasst werden, um die Sensibilität der Multipath Erkennung anzupassen.
-
Ferner umfasst eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch eine Abweichung, bei welcher der Kenngrößenwert einen zweiten Toleranzbereich überschreitet.
-
Besonders vorteilhaft ist es hierbei das erfindungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, dass der zweite Toleranzbereich in Bezug auf die Signalstärke des ersten und / oder des zweiten Signals eingestellt wird. Auf diese Weise kann ein Einfluss von Multipath auf das Rauschverhalten der Signale besser berücksichtigt werden.
-
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass die Signale sich durch ihre Trägerfrequenz unterscheiden.
-
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass die Signale sich durch ihre Modulationsfrequenz unterscheiden.
-
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass ein C/A Signal und ein P/Y Signal miteinander verglichen werden.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft das erfindungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, dass ein L1 Signal und ein L2 bzw. L5 Signal oder andere Kombinationen der Trägerfrequenzen eines GNSS miteinander verglichen werden.
-
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass nach Erkennen eines Multipath Effektes die empfangenen GNSS Signale als fehlerhaft markiert werden.
-
Die Aufgabe wird ferner gelöst gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung betreffend ein System gemäß für ein Kraftfahrzeug zum Empfangen von Satellitensignalen zur Bestimmung der Eigenposition des Fahrzeugs und zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ausführungsformen, wobei der Empfänger ausgebildet ist, Signale unterschiedlicher Frequenzen zu empfangen und zu verarbeiten.
-
Bei dem System handelt es sich vorzugsweise um ein Sensorfusionssystem zum zusammenführen einer Vielzahl von Sensordaten mit unterschiedlichen Ausgangsgrößen.
-
Die Erfindung wird nachfolgend Anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
-
2 eine exemplarische Darstellung einer Laufzeitmessung eines Signals.
-
3a, 3b eine exemplarische Darstellung der Kenngrößenbe stimmung anhand der Laufzeitmessung zweier Signale.
-
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 1 umfassend einen Empfänger oder Mehrfrequenzempfänger A, der dazu ausgelegt ist zwei unterschiedliche voneinander unabhängige Signale S1, S2 auf unterschiedlichen Frequenzen f1, f2 zu empfangen. Ein solcher Mehrfrequenzempfänger A ist aus dem Stand der Technik weitestgehend bekannt.
-
Die Auswahl der zu betrachtenden Signale kann in Abhängigkeit vom Empfänger und von der Verfügbarkeit der Signale erfolgen. Vorteilhaft ist jedoch die Verwendung zweier Signale, die sich durch ihre Trägerfrequenz, Modulationsfrequenz und / oder Signaltyp, bspw. C/A und P/Y Signal unterscheiden. Es ist auch möglich mehr als zwei Signale zur Multipath Auswertung zu verwenden.
-
2 zeigt den Abgleich von 3 Phasenverschobenen Repliken zu einem empfangenen Signal S, nämlich voreilend E (Early), zeitgleich P (Prompt) und nacheilend L (Late). Auf der Abszisse ist die Zeitverschiebung aufgetragen, wobei der Nullpunkt den Anfang der Zeitmarke des Empfängers abbildet. Nachfolgend werden der Kürze der Begriffe halber die in der Wissenschaft gängigen englischen Begriffe für die Repliksignale verwendet.
-
Die Phasenverschiebung von Prompt zu den anderen Repliken Early und Late beträgt jeweils eine Nav-Chiplänge, was bei einem C/A Code 10ms und bei einem P/Y Code 1ms entspricht. Die Darstellung in 2 zeigt, um welche Zeit die Repliken Early und Late verschoben werden müssen, damit sie mit dem empfangenen Signal S übereinstimmen. Hieraus ergibt sich die Laufzeitmessung mit einer Dauer von t2 beim Korrelationsmaximum korr_max.
-
Empfängt man nun nicht nur ein Signal sondern zwei Signale S1, S2 und ermittelt hierfür die Entfernung zum Satelliten bzw. die Signallaufzeitmessung für beide Signale in Bezug zum selben Zeitpunkt, bspw. C/A und P/Y Code, so sollten die Ergebnisse in etwa identisch sein, da beide Signale S1, S2 zum gleichen Zeitpunkt die gleiche Entfernung zum Satelliten aufweisen sollten.
-
Reflektionen wirken sich bei den unterschiedlichen Signalen leicht unterschiedlich aus. Aufgrund anderer Abtastraten und Auflösungen kommen noch Einflüsse durch unterschiedliche Messmethoden hinzu.
-
Ein durch Multipath verzerrtes Signal hätte daher zufolge, dass sich der Zeitpunkt t2 zu dem das Repliksignal Prompt mit dem empfangenen Signal das Korrelationsmaximum korr_max erreicht, sich um einen gewissen Wert zu t2‘ verschiebt, bspw. 5% der Nav-Chiplänge. Eine solche Verschiebung hätte zur Folge, dass der Multipath-Einfluss auf ein Signal gemäß dem C/A Code 500µs = 149500m und auf den P/Y Code jedoch nur 50µs = 14950m betragen würde. Da die Entfernung zwischen C/A und P/Y in etwa identisch sein sollten, aber in diesem Beispielfall 135 km voneinander abweichen, kann über das Verfahren der Multipath erkannt werden.
-
3a und 3b zeigen den Korrelationspeak und damit die Signallaufzeit, für die Signale S1 und S2.
-
3a zeigt den Offset beider Signale unter idealen Bedingungen und bildet damit den Sollwert der Kenngröße. Da aufgrund unterschiedlicher Signaleigenschaften (z.B.: unterschiedlicher Frequenzen) die Signallaufzeit beider Signale leicht unterschiedlich ist – Signal S2 wird auf dem Übertragungsweg (z. B. durch die Ionosphäre) stärker verzögert – ergibt sich ein Offset beider Signale zueinander.
-
3b zeigt wie sich der aktuelle Kenngrößenwert verändert, wenn Multipath vorliegt, der sich aufgrund unterschiedlicher Signaleigenschaften unterschiedlich auf die beiden Signale auswirkt. Signal S1 und S2 werden beide durch den Multipath verzögert, jedoch wird Signal S2 stärker verzögert wie S1.
-
Es ist also möglich aus dem veränderten Offset zwischen den beiden Signalen S1 und S2 einen Multipath Effekt zu erkennen. Der Sollwert der Kenngröße wäre dann die Differenz bzw. der Offset in der Laufzeitmessung zwischen den beiden Signalen S1, S2, vorzugsweise abzüglich der jeweiligen Verzerrung die Laufzeiten durch atmosphärische Faktoren. Der aktuelle Kenngrößenwert wäre dann auf Basis der aktuell empfangenen Signale zu ermitteln, wovon eines dann durch Multipath verfälscht sein kann.
-
Der normale Sollwert der Kenngröße könnte bspw. einen Offset von 5m zwischen den Signalen aufweisen. Wenn der aktuelle Kenngrößenwert, d. h. Offset bei einem Signalpaar auf 15m springt, so ist davon auszugehen, dass ein Multipath Effekt vorliegt. Die Differenz zwischen den beiden Signalen kann auch in anderen Einheiten ermittelt werden, bspw. in Nav-Chiplängen.
-
Ein weiteres Beispiel für eine Kenngröße ist nachfolgend beschrieben. Mittels Mehrfrequenzempfängern kann aus den empfangenen Signalen der Einfluss atmosphärischer Störeffekte ermittelt werden. Diese Größe kann ebenfalls als Kenngröße verwendet werden. Es berücksichtigt u. a. den Einfluss der Ionosphäre und Troposphäre auf die Brechung und Absorption der Signale. Die Kenngröße hängt größtenteils von mehreren Faktoren in der Ionosphäre und Troposphäre ab, wie z. B. Tageszeit, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Wolkendichte, etc. und kann über einen gewissen Zeitraum als konstant angenommen werden. Aufgrund dieser Annahme kann der Sollwert der Kenngröße auch als konstanter Offset verwenden werden. Subtrahiert man den Sollwert vom aktuellen Kenngrößenwert bzw. dem aktuellen atmosphärischen Offset, so verbleibt eine Restdifferenz die nicht atmosphärisch bedingt ist und auf Multipath Effekte zurückzuführen ist. Der so ermittelte Differenzwert eignet sich somit auch dazu unterschiedliche Abweichungstypen aufgrund Multipath zu erkennen.
-
Eine Kenngröße im Sinne der Erfindung ist somit vorzugsweise ein Offset zwischen den empfangenen Signalen, der in der Regel einen konstanten Wert aufweist und durch Multipath unterschiedliche Abweichungen vom Sollwert aufweisen kann.
-
Für den Vergleich zwischen dem Sollwert und dem aktuellen Kenngrößenwert weist das System 1 eine Recheneinheit C auf, die die Differenz ΔK aus den beiden Größen ermittelt. Ferner weist System mehrere Vergleichseinheiten 20, 30, 40 auf, die dazu geeignet sind einmalige, schleichende Multipath-Effekte oder einen Einfluss auf durch Multipath verändertes Rauschverhalten der Signale anhand der Differenz ΔK zu erkennen.
-
Die erste Vergleichseinheit 20 vergleicht die Differenz ΔK in Bezug auf einen oberen und unteren Schwellenwert s_max, s_min. Die Schwellenwerte können relativ in Bezug auf den Sollwert der Kenngröße oder in Bezug auf einen absoluten Wert festgelegt werden. Überschreitet die Differenz ΔK eines dieser Schwellenwerte s_max, s_min, so ist festzustellen, dass eines der Signale S1, S2 den Empfänger nicht auf direktem Wege erreicht hat und somit fehlerhaft ist und zu verwerfen ist. Auf diese Weise ist es möglich einzelne Ausreißer im Kenngrößenwert aufgrund von Multipath Effekten zu erkennen.
-
Die zweite Vergleichseinheit 30 überprüft, ob eine langsame bzw. schleichende Veränderung der Differenz ΔK vorliegt. Hierzu wird eine Zeitraum t_D definiert, in der die Differenz ΔK innerhalb eines Toleranzbereiches D bleiben muss. Auf diese Weise ist ein sogenannter Drift der Signale durch Multipath erkennbar. Der aktuelle Kenngrößenwert, bspw. die Offset in der Laufzeitmessung, könnte sich innerhalb von mehreren Sekunden um mehrere Millimeter pro Sekunde verändern. Der für einen Zeitraum bzw. Zeitfenster festgelegte Toleranzbereich stellt sicher, dass solche Drifts erkannt werden.
-
Die Vergleichseinheit 40 berücksichtigt, ob der Multipath auf das Rauschverhalten eine negative Wirkung hat. Hierzu wird ein weiterer Toleranzbereich D_r eingeführt, der in Abhängigkeit von der Signalstärke eingestellt wird.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Rechenaufwand zur Erkennung von Multipath Effekten relativ gering ist, da es lediglich erforderlich ist den aktuellen Kenngrößenwert aus den beiden Signalen zu ermitteln und mit einem im Wesentlichen Konstanten Soll-Kenngrößenwert zu vergleichen.
