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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Funkempfänger zum Empfang von Funksignalen von mindestens einem Positionsbestimmungssystem, insbesondere einem globalen Navigationssystem, zur lokalen Positionsbestimmung.
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Funkempfänger für Positionsbestimmungssysteme sind zum Empfang von Funksignalen von Sendestationen, beispielsweise Satelliten, ausgebildet. Über Triangulation kann mit einer genügend großen Anzahl an empfangenen Funksignalen der Funkempfänger seine Position im dreidimensionalen Raum bestimmen. Insbesondere in der Umgebung von Gebäuden oder anderen Hindernissen ist es jedoch möglich, dass der Signalweg der Funksignale nicht ein direkter Weg zwischen Sendestation und Funkempfänger ist, sondern dass die Funksignale an Hindernissen gestreut und/oder reflektiert werden. Wird dies vom Funkempfänger nicht erkannt, ergibt sich der Nachteil einer ungenaueren und/oder fehlerhaften Positionsbestimmung des Funkempfängers.
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Es ist die Aufgabe der Offenbarung einen effizienteren Funkempfänger für Positionsbestimmungssysteme bereitzustellen, welcher insbesondere eine verbesserte Positionsbestimmung mit erhöhter Genauigkeit und reduzierter Fehlerrate durch eine effiziente Verarbeitung der empfangenen Funksignale realisiert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Offenbarung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnungen.
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Die Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch einen Funkempfänger gelöst werden kann, welcher unterschiedlich polarisierte Funksignale empfangen und verarbeiten kann. Ein reflektiertes und/oder gestreutes Funksignal kann eine veränderte Polarisation gegenüber dem ursprünglich ausgesendeten Funksignal aufweisen. Der Funkempfänger ist polarisationssensitiv ausgebildet, sodass zwischen direkt empfangenen und/oder gestreut respektive reflektiert empfangenen Signalen unterschieden werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Offenbarung einen Funkempfänger zum Empfang von Funksignalen von mindestens einem Positionsbestimmungssystem mit einer Empfangsvorrichtung, welche eine Antennenanordnung aufweist, wobei die Antennenanordnung zumindest eine Funksignalantenne zum Empfangen von Funksignalen sowie ein erstes Einspeisungselement und ein zweites Einspeisungselement aufweist, wobei das erste Einspeisungselement und das zweite Einspeisungselement unterschiedliche polarisationsabhängige Empfindlichkeiten aufweisen, wobei die Antennenanordnung eine erste Funksignalleitung und eine zweite Funksignalleitung aufweist, wobei die erste Funksignalleitung ausgebildet ist, ein von der Antennenanordnung empfangenes Funksignal als ein erstes Funkempfangssignal bereitzustellen, und wobei die zweite Funksignalleitung ausgebildet ist, ein von der Antennenanordnung empfangenes weiteres Funksignal als ein zweites Funkempfangssignal bereitzustellen und einer Signalverarbeitungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, eine Position des Funkempfängers auf der Basis des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals zu bestimmen.
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Die erste Funksignalleitung kann dem ersten Einspeisungselement nachgeschaltet sein und die zweite Funksignalleitung kann dem zweiten Einspeisungselement nachgeschaltet sein. Insbesondere kann die jeweilige Funksignalleitung mit dem jeweiligen Einspeisungselement über eine Steckverbindung elektrisch verbunden sein. Weiterhin kann die elektrische Verbindung zwischen der jeweiligen Funksignalleitung und dem Einspeisungselement eine Lötverbindung sein. Insbesondere kann die jeweilige Funksignalleitung in das jeweilige Einspeisungselement integriert sein.
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Das Positionsbestimmungssystem kann ein globales Navigationssystem sein, welches eine Mehrzahl von Sendestationen aufweisen kann. Das Positionsbestimmungssystem kann satellitengestützt und insbesondere ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS), beispielsweise das Global Positioning System (GPS) oder das Galileo-System sein.
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Die Genauigkeit der Positionsbestimmung durch den Funkempfänger mit Hilfe des Positionsbestimmungssystems kann durch eine Unterscheidung der empfangenen Funksignale in direkt empfangene und indirekt empfangene Funksignale vorteilhaft erhöht werden. Direkt empfangene Funksignale können dadurch ausgezeichnet sein, dass zwischen einer Sendestation des Positionsbestimmungssystems und dem Funkempfänger keine Hindernisse vorhanden sind, welche ein von der Sendestation gesendetes Funksignal signifikant beeinflussen können. Indirekt empfangene Funksignale können dadurch ausgezeichnet sein, dass zwischen einer Sendestation des Positionsbestimmungssystems und dem Funkempfänger zumindest ein Hindernis vorhanden ist, welches das von der Sendestation gesendete Funksignal signifikant beeinflussen kann. Eine signifikante Beeinflussung des Funksignals kann insbesondere durch Streuung und/oder Reflektion an einer oder mehreren Oberflächen des Hindernisses begründet sein, sodass das Funksignal beispielsweise in seiner Polarisation verändert sein kann.
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Das Funksignal kann insbesondere ein Hochfrequenzsignal sein, welches an Oberflächen von Gebäuden reflektiert und/oder gestreut werden kann. Gestreute und/oder reflektierte Funksignale können am Funkempfänger mit direkten Funksignalen überlagert sein. Der erfindungsgemäße Funkempfänger kann ausgebildet sein die überlagerten Funksignale zu trennen. Weiterhin kann der Funkempfänger ausgebildet sein den Empfang von ausschließlich direkt empfangenen Funksignalen, den Empfang von ausschließlich indirekt empfangenen Funksignalen und/oder den Empfang von sowohl direkt als auch indirekt empfangenen Funksignalen zu unterscheiden.
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Die Antennenanordnung des Funkempfängers kann insbesondere für unterschiedlich polarisierte Funksignale unterschiedliche Empfangsempfindlichkeiten aufweisen, sodass eine Antenneninformation mit der polarisationsabhängigen Empfangsempfindlichkeit der mindestens einen Funksignalantenne der Antennenanordnung bereitgestellt sein kann. Mit dieser Antenneninformation und dem ersten Funkempfangssignal und dem zweiten Funkempfangssignal kann der Funkempfänger die Polarisation und/oder Polarisationsanteile des ursprünglich empfangenen Funksignals ermitteln und feststellen, ob das empfangene Funksignal direkt oder indirekt übertragen wurde.
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Die Antennenanordnung kann eine Mehrzahl von physikalisch getrennten Funksignalantennen und/oder zumindest eine mehrfach gespeiste Antenne aufweisen, wobei die Funksignalleitungen, welche mit den Funksignalantennen gekoppelt sein können, als Wellenleiter, insbesondere als Koax-Wellenleiter oder als planare Wellenleiter ausgebildet sein können.
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In einer Ausführungsform sind die erste Funksignalleitung und die zweite Funksignalleitung mit der zumindest einen Funksignalantenne gekoppelt.
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Die Antenne kann eine Mehrzahl an unterschiedlichen, polarisationsabhängigen Empfangsempfindlichkeiten aufweisen, welche jeweils über ein separates Einspeisungselement bereitgestellt sein können. Insbesondere kann die Antenne unterschiedliche Empfangsempfindlichkeiten für unterschiedlich zirkulär, elliptisch und/oder linear polarisierte Funksignale aufweisen. Funksignale können in einem elektrischen Leiter der Antenne einen elektrischen Strom induzieren, welcher als Funkempfangssignal der Signalverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt sein kann.
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In einer Ausführungsform weist die Antennenanordnung eine weitere Funksignalantenne auf, wobei die erste Funksignalleitung mit der ersten Funksignalantenne gekoppelt ist, und wobei die zweite Funksignalleitung mit der zweiten Funksignalantenne gekoppelt ist.
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Die Empfangsempfindlichkeit einer Funksignalantenne kann von der geometrischen Form und/oder der Verschaltung von elektrischen Leitern innerhalb der Funksignalantenne bestimmt sein. Durch die Verwendung separater Funksignalantennen können unterschiedliche Empfangsempfindlichkeiten realisiert sein, wobei die jeweiligen Funksignale über separate Funkempfangsleitung als Funkempfangssignal der Signalverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt sein können. Die separaten Funksignalantennen können unterschiedliche richtungsabhängige Empfangsempfindlichkeiten aufweisen. Vorteilhafterweise sind der Signalverarbeitungsvorrichtung Informationen über die Empfangscharakteristik der Funksignalantennen bereitgestellt. Insbesondere Signalverstärkung, Polarisationsabhängigkeit, Richtungsabhängigkeit und Frequenzbereich der Funksignalantenne können relevante Parameter für die Weiterverarbeitung der empfangenen Funksignale durch die Signalverarbeitungsvorrichtung sein.
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In einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungsvorrichtung der Empfangsvorrichtung nachgeschaltet und der Signalverarbeitungsvorrichtung ist über die erste Funksignalleitung das erste Funkempfangssignal zugeführt und über die zweite Funksignalleitung das zweite Funkempfangssignal zugeführt.
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So kann jedes Funkempfangssignal einer bestimmten Funksignalantenne mit einer spezifischen polarisationsabhängigen Empfangsempfindlichkeit zugeordnet sein.
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In einer Ausführungsform weist die Signalverarbeitungsvorrichtung eine Antenneninformation über die polarisationsabhängige Empfangsempfindlichkeit des ersten Einspeisungselements und des zweiten Einspeisungselements auf, um mit dem ersten Funkempfangssignal und dem zweiten Funkempfangssignal die Polarisation oder Polarisationsanteile eines von dem ersten Einspeisungselement und dem zweiten Einspeisungselement empfangenen Funksignals zu bestimmen.
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Die erste und zweite Funksignalleitung können elektrische, insbesondere Koxial- oder Planar-Leiter sein. Die Funksignalantenne der Antennenanordnung kann das Funksignal in ein Funkempfangssignal wandeln. Es kann notwendig sein, dass der Signalverarbeitungsvorrichtung eine Antenneninformation bereitgestellt ist, welche zumindest die polarisationsabhängigen Empfangsempfindlichkeiten der Funksignalantenne aufweist. Mit einer Funksignalantenne, welche mindestens zwei unterschiedliche polarisationsabhängige Empfangsempfindlichkeiten für Funksignale aufweist und mindestens zwei Funksignalleitungen aufweist, welche den unterschiedlichen Empfangsempfindlichkeiten zugeordnet sind, kann die ursprüngliche Polarisation und/oder entsprechende Polarisationsanteile eines empfangenen Funksignals durch die Signalverarbeitungsvorrichtung bestimmt werden.
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In einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungsvorrichtung ausgebildet unter Verwendung der Antenneninformation das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal zu verarbeiten, um zu unterscheiden, ob die empfangenen Funksignale vor dem Empfang durch die Empfangsvorrichtung reflektiert und/oder gestreut wurden.
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Mit der Antenneninformation kann der Signalverarbeitungsvorrichtung die jeweilige polarisationsabhängige Empfangsempfindlichkeit der Antennenelemente bekannt sein. Ist dem Funkempfänger bekannt, welche Polarisation ein Funksignal beim Senden durch die Sendestation aufweist, kann der Funkempfänger auf Grundlage dieser Information die Funkempfangssignale verarbeiten, um zu unterscheiden, ob die empfangenen Funksignale vor dem Empfang durch die Empfangsvorrichtung reflektiert und/oder gestreut wurden. Dies ist möglich, da sich die Polarisation eines Funksignals durch Streuung und/oder Reflektion ändern kann.
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In einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungsvorrichtung ausgebildet das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal in eine Mehrzahl von digitalen Signalen aufzuspalten und eine Laufzeitberechnung der Mehrzahl der digitalen Signale durchzuführen, um eine Positionsinformation des Funkempfängers zu erhalten.
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Das erste und zweite Funkempfangssignal können Hochfrequenzsignale sein, welche mit einem Trägersignal mit einer Frequenz im Bereich von 0.1 GHz bis 10 GHz, insbesondere mit einer Frequenz von 1.57 GHz übertragen werden können. Für die weitere Verarbeitung der Funkempfangssignale kann es vorteilhaft sein, dass das Trägersignal der Funkempfangssignale durch ein niederfrequenteres Trägersignal ausgetauscht wird, sodass der Frequenzbereich, welchen die Funkempfangssignale belegen, als Frequenzblock in der Frequenz verschoben sein kann. Insbesondere kann das niederfrequente Trägersignal eine Frequenz im Bereich von 0 MHz bis 15 MHz aufweisen.
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Das erste und zweite Funkempfangssignal können jeweils aus einer Mehrzahl von Funksignalen zusammengesetzt sein, welche von einer Mehrzahl von Sendestationen gesendet sein können. Der Zwischensignalprozessor kann ausgebildet sein diese Mehrzahl von Funksignalen zu diskretisieren und zu trennen. Dadurch können die Funksignale insbesondere bezüglich der unterschiedlichen Sendestationen getrennt werden. Diese Diskretisierung und Trennung der Funkempfangssignale kann insbesondere durch Abtastung und/oder Korrelation mit den Code-Division-Multiple-Access Spreizfolgen der Sendestationen, insbesondere der Positionsbestimmungssystem-Satelliten erfolgen. Anschließend kann die Signalverarbeitungsvorrichtung eine Pseudorange-Berechnung durchführen und dadurch eine vorläufige Position des Funkempfängers berechnen. Die Pseudorange-berechnung kann insbesondere durch einen Basisband-prozessor realisiert sein.
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In einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungsvorrichtung ausgebildet, durch eine zeitliche Verschiebung einzelner digitaler Signale der Mehrzahl von digitalen Signalen aus der Positionsinformation eine endgültige Positionsinformation zu generieren.
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In einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungsvorrichtung ausgebildet, das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal synchron zu verarbeiten.
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Die Antennenanordnung kann eine Mehrzahl von Funksignalantennen und/oder die jeweilige Funksignalantenne kann eine Mehrzahl von Antennenelementen aufweisen, welche der Signalverarbeitungsvorrichtung eine Mehrzahl von Funkempfangssignalen bereitstellen können. Die Signalverarbeitungsvorrichtung kann ausgebildet sein die Mehrzahl der Funkempfangssignale synchron zu verarbeiten.
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Die Synchronisation der Verarbeitung der Funkempfangssignale in der Signalverarbeitungsvorrichtung erreicht den Vorteil, dass das Vorhandensein von indirekt empfangenen Funksignalen und der Einfluss der indirekt empfangenen Funksignale auf die Positionsbestimmung effizient erfasst sein können. Die Signallaufzeit der empfangenen Funksignale kann unterschiedlich sein, wobei durch die synchrone Verarbeitung der empfangenen Funksignale dieser Signallaufzeitunterschied erhalten sein kann, um die Zeitdifferenz zu einem späteren Zeitpunkt zu verarbeiten.
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In einer Ausführungsform weist der Funkempfänger ferner einen Signalprozessor, insbesondere einen Hochfrequenzsignalprozessor, auf, welcher der Antennenanordnung nachgeschaltet und der Signalverarbeitungsvorrichtung vorgeschaltet ist, wobei der Signalprozessor ausgebildet ist, das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal synchron zu verarbeiten, um das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal gefiltert und verstärkt der Signalverarbeitungsvorrichtung zuzuführen.
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In einer Ausführungsform ist ein Zwischenfrequenzsignalprozessor dem Signalprozessor nachgeschaltet und der Signalverarbeitungsvorrichtung vorgeschaltet, welcher ausgebildet ist, das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal zu verarbeiten, um das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal in der Frequenz zu verschieben, insbesondere herunterzumischen und in eine Mehrzahl von digitalen Signalen aufzuspalten, bevor die Mehrzahl der digitalen Signale der Signalverarbeitungsvorrichtung zugeführt wird.
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In einer Ausführungsform sind der Signalprozessor und der Zwischenfrequenzsignalprozessor in die Signalverarbeitungsvorrichtung integriert.
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Insbesondere kann die Signalverarbeitungsvorrichtung ein Software-Defined-Radio aufweisen, welches dem Signalprozessor nachgeschaltet sein kann und die Korrelation der Funkempfangssignale und die Pseudorange-Berechnung in einem Software-Programm realisieren kann. Das Software-Defined-Radio kann den Zwischenfrequenzsignalprozessor ersetzen.
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In einer Ausführungsform ist für das erste Funkempfangssignal und für das zweite Funkempfangssignal jeweils ein separater Signalprozessor und jeweils ein separater Zwischenfrequenzsignalprozessor vorgesehen, wobei die Verarbeitung des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals durch die separaten Signalprozessoren und die Verarbeitung des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals durch die separaten Zwischensignalprozessoren synchronisiert ist.
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In einer Ausführungsform ist die Signalverarbeitungsvorrichtung ausgebildet, die Signalstärke des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals zu messen.
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Die gemessene Signalstärke der Funkempfangssignale kann auf Grundlage der Antenneninformation durch die Signalverarbeitungsvorrichtung verarbeitet werden, um die ursprüngliche Polarisation und/oder Polarisationsanteile der empfangenen Funksignale zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform weist die Antennenanordnung eine mehrfach gespeiste Antenne auf, welche ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Funksignalen mit voneinander abweichenden Polarisationen zu empfangen und der Signalverarbeitungsvorrichtung eine Mehrzahl von Funkempfangssignalen bereitzustellen.
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Die mehrfach gespeiste Antenne kann eine Mehrzahl von Einspeisungselementen zum Empfang von zirkular, linear und/oder elliptisch polarisierten Funksignalen aufweisen. Im Funkempfänger kann ein jeweiliges Funkempfangssignal der jeweiligen Funksignalantenne verarbeitet werden. Eine Verarbeitung der Signalstärke und/oder der Ankunftszeitpunkte der einzelnen Funkempfangssignale in der Signalverarbeitungsvorrichtung kann zum einen eine Indikation des Vorhandenseins eines indirekt empfangenen Funksignals, und zum anderen eine Informationen über die Zeitverschiebung zwischen direkt und indirekt empfangenen Funksignalen bereitstellen. Aus der Zeitverschiebungsinformation kann auf eine Abweichung der durchgeführten Pseudorange-Berechnung eines Funkempfangssignals, welches von einer rechtshändig zirkular polarisierten Funksignalantenne empfangen wurde, geschlossen werden.
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Als mehrfach gespeiste Antenne können beispielsweise Dual-Zirkular-Polarisierte Antennen und/oder Dual-Linear-Polarisierte Antennen verwendbar sein. Dual-Linear-Polarisierte Antennen können mithilfe von Polarisatoren wiederum rechtshändig und linkshändig zirkular polarisierte Funksignale generieren. Die Polarisatoren können hierbei aus Hochfrequenzleistungsteilern und Verzögerungselementen zusammengesetzt sein. Die Verwendung von mehrfach gespeisten Antennen kann hierbei besonders vorteilhaft sein, falls der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist. Eine mehrfach gespeiste Antenne kann gegenüber einer Mehrzahl an separaten Antennen einen vorteilhaft reduzierten Bauraum aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist die Antennenanordnung ausgebildet, rechtshändig polarisierte und linkshändig polarisierte Funksignale zu empfangen.
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Das von den Sendestationen des Positionierungssystems, insbesondere von Satelliten gesendete Funksignale können rechtshändig zirkular polarisiert sein, d.h. die Trajektorie des elektrischen Feldes der Funksignale beschreibt einen Kreis. Der Kreis-Trajektorie lassen sich folglich zwei orthogonale Funksignalkomponenten mit annähernd gleicher Signalamplitude und 90° Phasenverschiebung zuordnen. Das direkt empfangene Funksignal ist in erster Linie entsprechend dem gesendeten Funksignal rechtshändig zirkulär polarisiert. Das indirekt empfangene Funksignal kann jedoch eine von der rechtshändig zirkulären Polarisation des direkt empfangenen Funksignals abweichende Polarisation aufweisen. Das indirekt empfangene Funksignal kann beispielsweise von einem dielektrischen oder metallischen Objekt reflektiert sein und kann ungleiche Amplituden der orthogonalen Funksignalkomponenten aufweisen. Es kommt damit zu einer Verformung der Kreis-Trajektorie zu einer elliptisch geformten Trajektorie des elektrischen Feldes des Funksignals. Zudem kann sich auch die Drehrichtung der Polarisation von rechtshändig zu linkshändig ändern.
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In einer Ausführungsform weist die Antennenanordnung eine Array-Antenne auf, welche ausgebildet ist, den Einfallswinkel empfangener Funksignale zu messen.
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Der Einfallswinkel empfangener Funksignale kann von der Signalverarbeitungsvorrichtung verarbeitet werden, um eine Plausibilitätsprüfung mit einer Positionsinformation der Sendestationen des Positionsbestimmungssystems durchzuführen: Empfängt der Funkempfänger eine Mehrzahl von Funksignalen von unterschiedlichen Sendestationen und ist dem Funkempfänger zusätzlich die Position der Sendestationen bekannt, kann der Funkempfänger durch einen Vergleich der Einfallswinkel der empfangenen Funksignale die Position des Funkempfängers ermitteln. Ein indirekt empfangenes Funksignal kann einen Empfangswinkel aufweisen, welcher von dem erwarteten Empfangswinkel bei direktem Empfang des Funksignals abweicht. Somit kann der Funkempfänger anhand des Einfallswinkels feststellen, ob ein Funksignal direkt oder indirekt empfangen wurde. Eine Information über den Einfallswinkel eines Funksignals kann mit der Antenneninformation über die Polarisation eines Funksignals kombiniert werden, um zwischen direkt und indirekt empfangenen Funksignalen zu unterscheiden und somit die Positionsbestimmung durch den Funkempfänger zu verbessern, und insbesondere eine genauere Position zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform weist der Funkempfänger einen Taktgeber auf, welcher ausgebildet ist, die Verarbeitung des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals durch den Signalprozessor und den Zwischenfrequenzsignalprozessor zu synchronisieren.
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Der Taktgeber kann in einen der Signalprozessoren und/oder Zwischenfrequenzsignalprozessoren integriert sein, wobei der Taktgeber die Verarbeitung der Funkempfangssignale synchronisiert und vorteilhafterweise ein Signallaufzeitunterschied der Funkempfangssignale erhalten sein kann. In Bezug auf die Ausführungsform in welcher für jedes Funkempfangssignal ein separater Signalprozessor und ein separater Zwischenfrequenzsignalprozessor ausgebildet sind, kann der Taktgeber elektrisch mit allen Signalprozessoren und/oder Zwischenfrequenzsignalprozessoren verbunden sein, um die Signalverarbeitung in allen Signalprozessoren und/oder Zwischenfrequenzsignalprozessoren zu synchronisieren. Weiterhin können die Signalprozessoren und/oder Zwischenfrequenzsignalprozessoren ausgebildet sein die Signalverarbeitung untereinander zu synchronisieren. Ferner kann ein einzelner Signalprozessor ausgebildet sein alle anderen Signalprozessoren und/oder Zwischenfrequenzsignalprozessoren zu synchronisieren. Ferner kann ein einzelner Zwischenfrequenzsignalprozessor ausgebildet sein alle anderen Signalprozessoren und/oder Zwischenfrequenzsignalprozessoren zu synchronisieren.
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In einer Ausführungsform kann der Funkempfänger in Positionsbestimmungssystemen, welche mittels Sensordatenkombination, insbesondere mit Inertialsensoren, eine Positionsbestimmung auch bei Abschattung der Funksignale des Positionsbestimmungssystems, beispielsweise durch Tunnel, realisieren.
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In einer Ausführungsform kann der Funkempfänger durch die Verarbeitung der Funksignale gefälschte Funksignale des Positionsbestimmungssystems (Spoofing) erkennen.
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Weitere Ausführungsbeispiele werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1, 2, 3 einen Funkempfänger in einigen Ausführungsformen;
- 4a, 4b eine Antennenanordnung in einigen Ausführungsformen;
- 5 einen Signalprozessor und einen Zwischenfrequenzsignalprozessor in einer Ausführungsform; und
- 6, 7 Empfang von Funksignalen durch den Funkempfänger in einigen Ausführungsformen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Funkempfängers 100 zum Empfang von Funksignalen 101 von mindestens einem Positionsbestimmungssystem 103. Der Funkempfänger 100 umfasst eine Empfangsvorrichtung 105, welche eine Antennenanordnung 107 aufweist, wobei die Antennenanordnung 107 zumindest eine Funksignalantenne 109 zum Empfangen von Funksignalen 101 und ein erstes Einspeisungselement 111 und ein zweites Einspeisungselement 113 aufweist. Das erste Einspeisungselement 111 und das zweite Einspeisungselement 113 weisen unterschiedliche polarisationsabhängige Empfindlichkeiten auf. Die Antennenanordnung 107 weist eine erste Funksignalleitung 117 und eine zweite Funksignalleitung 119 auf, wobei die erste Funksignalleitung 117 ausgebildet ist, ein von der Antennenanordnung 107 empfangenes Funksignal als ein erstes Funkempfangssignal bereitzustellen und die zweite Funksignalleitung 119 ist ausgebildet, ein von der Antennenanordnung 107 empfangenes weiteres Funksignal als ein zweites Funkempfangssignal bereitzustellen. Der Funkempfänger 100 weist eine Signalverarbeitungsvorrichtung 115 auf, welche ausgebildet ist, eine Position des Funkempfängers 100 auf der Basis des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals zu bestimmen.
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Der Funkempfänger 100 kann sich in an einer beliebiger Position relativ zu den Sendestationen des Positionsbestimmungssystems 103 befinden. Die Entfernung zwischen Sendestation und Funkempfänger 100 kann durch die Signalstärke des von der Sendestation gesendeten Funksignals 101 und der Antennenverstärkung der Antennenanordnung 107 begrenzt sein. Für eine Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum können Funksignale 101 von drei Sendestationen genutzt werden. Da die Uhrzeit zwischen dem Positionsbestimmungssystem 103 und dem Funkempfänger 100 asynchron sein kann, kann eine vierte Sendestation genutzt werden, um eine genaue Positionsbestimmung des Funkempfängers 100 zu realisieren. Der Funkempfänger 100 kann insbesondere in einem Smartphone, Fahrzeug auf der Erdoberfläche oder Flugzeug in der Atmosphäre angeordnet sein. Zur Positionsbestimmung des Funkempfängers 100 kann es vorteilhaft sein, dass dem Funkempfänger 100 die Position der Sendestationen bekannt ist, oder die Position der Sendestationen als Information in den Funksignalen 101 enthalten ist.
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In einer Ausführungsform sind die Funksignale 101 der Sendestationen des Positionsbestimmungssystems 103 rechtshändig zirkular polarisiert. Um Änderungen der Polarisation des ursprünglich rechtshändig zirkular polarisierten Funksignals 101 zu erkennen, kann die Antennenanordnung 107 vorteilhafterweise mindestens eine Funksignalantenne 109 aufweisen, welche bezüglich zirkular und/oder elliptisch polarisierter Funksignale 101 unterschiedliche Empfangsempfindlichkeiten aufweisen kann und diese über unterschiedliche Funksignalleitungen 117, 119 als Funkempfangssignale bereitstellen kann. Beispielsweise eine Funksignalantenne 109 mit einer erhöhten Empfangsempfindlichkeit für rechtshändig zirkular polarisierte Funksignale 101 gegenüber Funksignalen 101 mit anderen Polarisationen und einer Funksignalantenne 109 mit einer Empfangsempfindlichkeit für linkshändig zirkular polarisierte Funksignale gegenüber Funksignalen 101 mit anderen Polarisationen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Funkempfängers 100, welcher ferner ein Signalprozessor 203, insbesondere einen Hochfrequenzsignalprozessor, aufweist, welcher der Antennenanordnung 107 nachgeschaltet und der Signalverarbeitungsvorrichtung 115 vorgeschaltet ist, wobei der Signalprozessor 203 ausgebildet ist, das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal synchron zu verarbeiten, um das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal gefiltert und verstärkt der Signalverarbeitungsvorrichtung 115 zuzuführen.
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Für das erste Funkempfangssignal und für das zweite Funkempfangssignal kann jeweils ein separater Signalprozessor 203 ausgebildet sein, wobei die Verarbeitung des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals durch die separaten Signalprozessoren 203 synchronisiert ist.
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Die Signalprozessoren 203 können über eine elektrische Leitung, insbesondere eine Synchronisierungsleitung 209, miteinander verbunden sein, wobei die Verarbeitung der Funkempfangssignale durch die Signalprozessoren 203 über die Synchronisierungsleitung 209 synchronisiert sein kann.
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Die Antennenanordnung 107 kann eine Mehrzahl von Funksignalantennen 109, 201, 205, insbesondere drei Funksignalantennen 109, 201, 205 aufweisen, welche jeweils über eine separate Funksignalleitung 117, 119, 211 mit dem Signalprozessor 203 verbunden sein können, insbesondere elektrisch verbunden sein können. Die durch die separaten Signalprozessoren 203 verarbeiteten Funkempfangssignale können über separate Signalleitungen der Signalverarbeitungsvorrichtung 115 bereitgestellt sein. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 115 generiert eine Positionsinformation, welche zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt sein kann. Zusätzlich zu der Positionsinformation, kann die Signalverarbeitungsvorrichtung 115 weitere Informationen bezüglich der empfangenen Funksignale 101 bereitstellen. Diese Informationen können insbesondere die Polarisationen, die Signalpegel, die Einfallswinkel, die Frequenz und/oder die Anzahl der empfangenen Funksignale 101 sein. Zudem kann eine Information über die Anzahl und/oder Position der Sendestationen, von welchen der Funkempfänger 100 ein Funksignal 101 empfangen hat, bereitgestellt sein.
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Durch die Erweiterung der Antennenanordnung 107 um die Mehrzahl von Funksignalantennen 109, 201, 205, insbesondere durch die Erweiterung um eine Mehrzahl von Einspeisungselementen 111, 113, 207 kann die Leistung des Funkempfängers 100, insbesondere in Bezug auf eine genauere und/oder schnellere Positionsbestimmung, vorteilhaft erhöht sein.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Funkempfängers 100, welcher einen Zwischenfrequenzsignalprozessor 301 aufweist, welcher dem Signalprozessor 203 nachgeschaltet und der Signalverarbeitungsvorrichtung 115 vorgeschaltet ist. Der Zwischenfrequenzsignalprozessor 301 ist ausgebildet, das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal zu verarbeiten, um das erste Funkempfangssignal und das zweite Funkempfangssignal in der Frequenz zu verschieben, insbesondere herunterzumischen und in eine Mehrzahl von digitalen Signalen 501 aufzuspalten, bevor die Mehrzahl der digitalen Signale 501 der Signalverarbeitungsvorrichtung 115 zugeführt wird.
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Der Signalprozessor 203 und der Zwischenfrequenzsignalprozessor 301 können in die Signalverarbeitungsvorrichtung 115 integriert sein.
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Für das erste Funkempfangssignal und für das zweite Funkempfangssignal können jeweils ein separater Signalprozessor 203 und jeweils ein separater Zwischenfrequenzsignalprozessor 301 ausgebildet sein, wobei die Verarbeitung des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals durch die separaten Signalprozessoren 203 und die Verarbeitung des ersten Funkempfangssignals und des zweiten Funkempfangssignals durch die separaten Zwischensignalprozessoren 301 synchronisiert ist.
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Die Zwischenfrequenzsignalprozessoren 301 können über eine elektrische Leitung, insbesondere eine Synchronisierungsleitung 303, miteinander verbunden sein, wobei die Verarbeitung der Funkempfangssignale durch die Zwischenfrequenzsignalprozessoren 301 über die Synchronisierungsleitung 209 synchronisiert sein kann.
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4a zeigt eine schematische Darstellung der Antennenanordnung 107, welche eine Funksignalantenne 109 zum Empfangen von Funksignalen 101 aufweist. Das erste Einspeisungselement 111 und das zweite Einspeisungselement 113 weisen unterschiedliche polarisationsabhängige Empfindlichkeiten auf und die erste Funksignalleitung 117 ist ausgebildet, ein erstes Funkempfangssignal bereitzustellen und die zweite Funksignalleitung 113 ist ausgebildet, ein zweites Funkempfangssignal bereitzustellen.
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Durch die Integration von zwei unterschiedlichen polarisationsabhängigen Empfangsempfindlichkeiten in die eine Funksignalantenne 109 kann der Bauraum der Antennenanordnung 107 vorteilhaft reduziert sein.
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4b zeigt eine schematische Darstellung der Antennenanordnung 107 welche eine Funksignalantenne 109 zum Empfangen von Funksignalen 101 aufweist. Das erste Einspeisungselement 111 und das zweite Einspeisungselement 113 weisen unterschiedliche polarisationsabhängige Empfindlichkeiten auf und die erste Funksignalleitung 117 ist ausgebildet, ein erstes Funkempfangssignal bereitzustellen und die zweite Funksignalleitung 119 ist ausgebildet, ein zweites Funkempfangssignal bereitzustellen.
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Insbesondere kann die Funksignalantenne 109 zwei unterschiedliche, einen Winkel einschließende, linear-polarisationsabhängige Empfangsempfindlichkeiten aufweisen und die unterschiedlich linear polarisierten Funksignale 101 als Funkempfangssignale über separate Leitungen einem Polarisator 401 zuführen. Der Polarisator 401 kann Teil der Antennenanordnung 107 sein. Der Polarisator 401 kann ausgebildet sein die linearpolarisationsabhängig empfangenen Funksignale 101 in zirkular polarisierte Signale wandeln.
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Die Funksignalantenne 109 kann insbesondere eine Dual-Linear-Polarisierte Funksignalantenne 109 sein. Der Polarisator 401 kann aus Hochfrequenzleistungsteilern und/oder Verzögerungselementen zusammengesetzt sein. Weiterhin können mehrfach gespeiste Antennen verwendet werden, sodass der Bauraum der Antennenanordnung 107 vorteilhaft reduziert sein kann.
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5 zeigt eine schematische Darstellung der Verarbeitung eines Funkempfangssignals mit dem Signalprozessor 203 und dem Zwischenfrequenzsignalprozessor 301. Der Signalprozessor 203 weist eine Filtervorrichtung 503 auf, welcher das Funkempfangssignal über die Funksignalleitung 117 bereitgestellt ist. Die Filtervorrichtung 503 ist ausgebildet das Funkempfangssignal zu filtern. Weiterhin weist der Signalprozessor 203 eine Verstärkungsvorrichtung 505 auf, welche ausgebildet ist das Funkempfangssignal zu verstärken. Die Verarbeitung des Funkempfangssignals durch den Signalprozessor 203 kann durch die Synchronisierungsleitung 209 mit weiteren Signalprozessoren verbunden sein, sodass die Signalverarbeitung durch den Signalprozessors und die weiteren Signalprozessoren synchronisiert sein kann.
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Der Zwischenfrequenzsignalprozessor 301 kann eine weitere Verstärkungsvorrichtung 507 aufweisen, welche das von dem Signalprozessor 203 verarbeitete Funkempfangssignal bereitgestellt ist. Die weitere Verstärkungsvorrichtung 507 kann ausgebildet sein das Funkempfangssignal zu verstärken und einem Analog-Digital-Wandler 509 bereitzustellen. Der Analog-Digital-Wandler 509 kann ausgebildet sein das Funkempfangssignal von einem ersten Trägersignal auf ein zweites Trägersignal zu verschieben, das Funkempfangssignal abzutasten und/oder zu korrelieren und/oder das Funkempfangssignal in eine Mehrzahl von digitalen Signalen 501 aufzuspalten. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 115 kann eine weitere Aufspaltung der Signale in Basisbandsignale der Sendestationen und zugehörige Korrelatorsignale realisieren, welche zusammen die digitalen Signale 501 bilden, welche an einem Signalausgang des Zwischenfrequenzsignalprozessors 301 bereitgestellt sein können.
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Die weitere Verstärkungsvorrichtung 507 und/oder der Analog-Digital-Wandler 509 können über gemeinsame oder separate Synchronisierungsleitungen 303 synchronisiert sein, sodass die Verarbeitung der Funkempfangssignale mit Verstärkungsvorrichtungen und Analog-Digital-Wandlern in weiteren Zwischenfrequenzsignalprozessoren 301 synchronisiert sein kann.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Funkempfängers 100, welcher ein direktes Funksignal 101 und/oder ein indirektes Funksignal 601 von dem Positionsbestimmungssystem 103 empfängt. Insbesondere können das direkte und das indirekte Funksignal 101, 601 von derselben Sendestation des Positionsbestimmungssystems 103 gesendet sein.
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Der Funkempfänger 100 kann in einem Fahrzeug angeordnet sein und/oder das indirekte Funksignal 601 kann von einem Hindernis, insbesondere einem Gebäude reflektiert sein. Durch die Reflektion des indirekten Funksignals 601 an dem Hindernis kann sich die Polarisation des indirekten Funksignals 601 ändern. Insbesondere kann die Polarisationsrichtung von rechtshändig zirkular zu linkshändig zirkular geändert sein. Weiterhin können der Empfangswinkel und/oder die Signalstärke des indirekten Funksignals 601 von dem Empfangswinkel respektive der Signalstärke des direkten Funksignals 101 abweichen.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Funkempfängers 100, welcher zwei indirekte Funksignale 601, 701 von dem Positionsbestimmungssystem 103 empfängt. Insbesondere können die zwei indirekten Funksignal 601, 701 von derselben Sendestation des Positionsbestimmungssystems 103 gesendet sein.
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Das indirekte Funksignal 601 kann von einem Hindernis, insbesondere einem Gebäude reflektiert sein. Das indirekte Funksignal 701 kann von einem Hindernis, insbesondere einem Gebäude gestreut sein. Durch die Reflektion und/oder Streuung der Funksignale 601, 701 an einem Hindernis kann sich die Polarisation, der Empfangswinkel und/oder die Signalstärke des jeweiligen Funksignals 601, 701 ändern. Insbesondere kann durch die Wechselwirkung mit einem Hindernis die Polarisation der indirekten Funksignal 601, 701 von zirkular polarisiert zu elliptisch polarisiert geändert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Funkempfänger
- 101
- Funksignal
- 103
- Positionsbestimmungssystem
- 105
- Empfangsvorrichtung
- 107
- Antennenanordnung
- 109
- Funksignalantenne
- 111
- Einspeisungselement
- 113
- Einspeisungselement
- 115
- Signalverarbeitungsvorrichtung
- 117
- Funksignalleitung
- 119
- Funksignalleitung
- 201
- Funksignalantenne
- 203
- Signalprozessor
- 205
- Funksignalantenne
- 207
- Einspeisungselement
- 209
- Synchronisierungsleitung
- 211
- Funksignalleitung
- 301
- Zwischenfrequenzsignal prozessor
- 303
- Synchronisierungsleitung
- 401
- Polarisator
- 501
- digitales Signal
- 503
- Filtervorrichtung
- 505
- Verstärkungsvorrichtung
- 507
- Verstärkungsvorrichtung
- 509
- Analog-Digital-Wandler
- 601
- Funksignal
- 701
- Funksignal
