DE102022211922A1

DE102022211922A1 - Verfahren zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102022211922A1
Application number: DE102022211922.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Strobel; Mohammad Tourian
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-16
Also published as: WO2024099642A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses (1) auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers (2) eines Fahrzeugs (3), umfassend zumindest folgende Schritte:a) Ermitteln einer ersten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals (4), das während eines ersten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers (2) empfangen wird,b) Ermitteln mindestens einer zweiten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals (4), das während mindestens eines zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers (2) empfangen wird, wobei das erste Beobachtungszeitfensters und das zweite Beobachtungszeitfensters zeitlich teilweise überlappen,c) Analysieren, ob aus den Zeitreihen von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses ein Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss (1) im Umfeld des GNSS-Empfängers (2) gezogen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers eines Fahrzeugs, der mittels des Fahrzeugs in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird. Darüber hinaus werden ein Computerprogramm ein Lokalisierungssystem sowie eine Verwendung einer GNSS-Reflektometrie-Methode beschrieben. Die Erfindung kann insbesondere bei GNSS-basierten Lokalisierungssystemen für das zumindest teilweise automatisierte, autonome oder teilautonome Fahren zur Anwendung kommen.
Stand der Technik
Mit Hilfe des Global Navigation Satellite System (GNSS) ist es möglich, an jedem Punkt der Erde eine georäumliche Positionsbestimmung vorzunehmen. Ein GNSS-Satellit umkreist die Erde und sendet kodierte Signale, mit deren Hilfe der GNSS-Empfänger die Entfernung bzw. den Abstand vom Empfänger zum Satelliten berechnet, indem er die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt des Signalempfangs und der Sendezeit schätzt. Die geschätzten Entfernungen zu Satelliten können beispielsweise von GNSS-Sensoren in eine Schätzung für die Position des Empfängers umgewandelt werden, falls genügend Satelliten verfolgt werden (typischerweise mehr als 5). Derzeit gibt es mehr als 130 GNSS-Satelliten, die die Erde umkreisen, was bedeutet, dass üblicherweise höchstens 65 von ihnen im lokalen Horizont sichtbar sind.
In den letzten Jahren hat die satellitengestützte Positionsbestimmung eine rasante Entwicklung erfahren. In den Anfängen der Satellitennavigation mussten sich GNSS-Empfänger zur Bestimmung ihrer Position auf eine einzige Konstellation von Satelliten im Orbit verlassen, entweder auf das amerikanische GPS- oder das russische GLONASS-System. Heute gibt es mit dem europäischen Galileo-System und dem chinesischen Beidou-System mehr einsatzbereite Systeme sowie mehrere regionale Erweiterungssysteme, die zu den beiden ursprünglichen Systemen hinzukommen. Heute sind GNSS-Empfänger mit mehreren Konstellationen, die gleichzeitig Signale von allen GNSS-Konstellationen in der Umlaufbahn empfangen können, die Norm. Dadurch sind die Empfänger in der Lage, eine größere Anzahl von Satelliten zu verfolgen, selbst wenn große Teile des Himmels verdeckt sind, wie z. B. in städtischen (oder tatsächlichen) Straßenschluchten, was die Genauigkeit erhöht und die Zeit für eine Positionsbestimmung verkürzt.
Mehrwegeffekte sind eine wichtige Fehlerquelle für GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite Systems). Dieses Phänomen bezieht sich auf die Kombination von LOS-Signalen (Line-of-Sight) und einer Reihe von NLOS-Signalen (Non-Line-of-Sight), die von nahe gelegenen Hindernissen ein oder mehrere Male reflektiert werden, bevor sie die Empfängerantenne erreichen. Mehrwegsignale unterscheiden sich vom LOS-Signal in Leistung, Codeverzögerung, Trägerphase und Frequenz, die alle die Korrelationskurve zwischen dem empfangenen Signal und der vom Empfänger erzeugten Nachbildung verzerren, was zu Pseudoentfernungsfehlern (Codephase) von mehreren zehn Metern führen kann. Die Mehrwege-Interferenz entsteht, wenn ein Signal auf verschiedenen Wegen zur Antenne gelangt. Ihre Hauptursache ist die Nähe der Antenne zu den reflektierenden Strukturen, und sie ist wichtig, wenn das Signal von einem Satelliten mit geringer Elevation kommt. Dieser Fehler ist für verschiedene Frequenzen unterschiedlich. Er wirkt sich sowohl auf die Phasenmessungen als auch auf die Codemessungen aus. Im Falle des Codes kann er einen theoretischen Wert von 1,5 mal der Wellenlänge („Chip“) erreichen. Das bedeutet zum Beispiel, dass der Mehrweg im GPS-C1-Code bis zu 450 Meter betragen kann, obwohl obere Werte von mehr als 15 Metern schwer zu beobachten sind. In der Regel beträgt er weniger als 2 oder 3 Meter. Der theoretische Höchstwert der Phase liegt bei einem Viertel der Wellenlänge. Für die GPS-L1- oder -L2-Signale bedeutet dies etwa 5 Zentimeter, in der Regel ist es jedoch weniger als 1 Zentimeter.
In der Literatur wurden zahlreiche Techniken zur Abschwächung von Mehrwegeffekten entwickelt. Unter den untersuchten Methoden zur Verringerung von Mehrwegeffekten haben Techniken zur Überwachung der Signalqualität und -integrität auf Empfängerebene viel Aufmerksamkeit erhalten, da sie keine größeren Hardwareänderungen erfordern. Ein typischer GNSS-Empfänger besteht aus einem HF-Frontend, das das HF-Signal abwärts konvertiert und abtastet, einer Signalverarbeitungsstufe, in der die Signale erfasst, verfolgt und Messungen generiert werden, sowie einer Navigationslösung. In jeder dieser Stufen kann eine Integritätsüberwachung durchgeführt werden. Der Mehrwegfehler kann minimiert werden, indem die Qualität der Antenne verbessert wird, d. h. indem sie das aus bestimmten Richtungen mit geringer Elevation kommende Signal abschwächt und die Antenne (wenn möglich) von reflektierenden Objekten entfernt wird.
Offenbarung der Erfindung
Hier vorgeschlagen wird gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers eines Fahrzeugs, der mittels des Fahrzeugs in Relation zur Erdoberfläche bewegt werden kann bzw. wird, umfassend zumindest folgende Schritte:

a) Ermitteln einer ersten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals, das während eines ersten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers empfangen wird,
b) Ermitteln mindestens einer zweiten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals, das während mindestens eines zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers empfangen wird, wobei das erste Beobachtungszeitfensters und das zweite Beobachtungszeitfensters zeitlich teilweise (jedoch nicht vollständig) überlappen,
c) Analysieren, ob aus den Zeitreihen von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses ein Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss im Umfeld des GNSS-Empfängers gezogen werden kann;

Besonders bevorzugt ist, wenn der GNSS-Empfängers zumindest während des ersten Beobachtungszeitfensters und des zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des Fahrzeugs in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird.
Die Schritte a), b) und c) können zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal und/oder wiederholt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Weiterhin können die Schritte a), b) und c), insbesondere die Schritte a) und b) zumindest teilweise parallel oder gleichzeitig durchgeführt werden.
Das Verfahren dient insbesondere zur Erkennung lang anhaltender Mehrwegequellen in dynamischen Situationen durch Analyse von GNSS-Signalen. Das Verfahren bietet erstmals einen Ansatz zur Identifizierung lang anhaltender Mehrwegequellen in dynamischen Situationen, insbesondere durch Zeitreihenanalysen reflektierter GNSS-Signale aus der Umgebung.
Durch die Erfindung wird erstmals Methode zur Identifizierung lang anhaltender Mehrwegequellen in dynamischen Szenarien, d.h. insbesondere bei bewegtem GNSS-Empfänger angegeben. Die aktuellen Algorithmen zur Mehrwegempfangsunterdrückung basieren auf den Residuen der GNSS-Signale. Im Falle einer lang anhaltenden Mehrwegquelle, z. B. auf dem Dach eines Autos, kann die residualabhängige Methode die Situation nicht identifizieren, da das anormale Residuenverhalten als normal behandelt wird.
Die derzeitigen Algorithmen zur Eindämmung von Mehrwegfehlern stützen sich auf die GNSS-Messungen der einzelnen Epochen und die daraus resultierenden Residuen. Solche Algorithmen versuchen, Messungen mit eigenartigem Verhalten oder größeren Residuen zu identifizieren, um Mehrwegmessungen zu erkennen. Nach diesem Prinzip sind die derzeitigen Algorithmen zur Fehlerbegrenzung nicht in der Lage, eine lang anhaltende Mehrwegquelle zu identifizieren, da eine lang anhaltende Mehrwegquelle für die meisten Satellitenmessungen verzerrte Residuen erzeugt. Wenn die meisten Messungen verzerrt sind, wird auch die Lösung verzerrt sein, was dazu führt, dass die Residuen klein sind.
Unter einem anhaltenden Störeinfluss wird insbesondere ein solcher verstanden, der auch in einer dynamischen Situation, beispielsweise bei einer Bewegung des GNSS-Empfängers in Relation zur Erdoberfläche, insbesondere auf der Erdoberfläche, statisch bzw. konstant bleibt. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie etwa ein Automobil handeln. Das Fahrzeug kann für einen zumindest teilweise automatisierten oder autonomen Fahrbetrieb eingerichtet sein.
Insbesondere handelt es sich bei dem anhaltenden Störeinfluss um einen anhaltenden, eine Mehrwegeausbreitung von GNSS-Signalen verursachenden Störeinfluss handelt. Ein solcher Störeinfluss kann beispielsweise ein Objekt im Umfeld des GNSS-Empfängers sein. Insbesondere handelt es sich bei dem Störeinfluss um ein Objekt was fest oder lösbar mit dem Fahrzeug verbunden ist. Das Objekt kann im Bereich des GNSS-Empfängers angeordnet sein und/oder einen Signalempfang des GNSS-Empfängers beeinträchtigen. Das Objekt kann zum Beispiel ein Fahrrad oder eine Dachbox sein, die an bzw. auf dem Fahrzeug angeordnet ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Zeitreihen ermittelte Signal-Rausch-Verhältnis-Daten auf dem Elevationswinkel des GNSS-Satelliten repräsentieren, der das GNSS-Signal aussendet. Bei den ermittelten Signal-Rausch-Verhältnisdaten kann es sich beispielsweise um das jeweilige Signal-Rausch-Verhältnis von reflektierten GNSS-Signalen handeln. Diese können zur Bildung der Zeitreihen über dem Elevationswinkel aufgetragen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine Variation des Signal-Rausch-Verhältnisses analysiert wird, um ein reflektiertes GNSS-Signal zu erkennen. Insbesondere wird hier vorgeschlagen die Variation des Signal-Rausch-Verhältnisses (engl.: Signal-to-Noise-Ration; kurz: SNR) im GNSS-Signal zu nutzen, um lang anhaltende Mehrwegquellen zu identifizieren. Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass hier die Veränderung des Signal-Rausch-Verhältnisses, die bei anhaltenden Mehrwege-Störeinflüssen beobachtbar sind, genutzt werden, um den Empfang reflektierter GNSS-Signale zu erkennen.
Beispielsweise kann innerhalb eines Zeitfensters das Langzeitverhalten des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) für jeden Satelliten entfernt werden. Dies kann zum Beispiel über Anwendung eines Polynoms 1. Grades erfolgen, um die das Signal-Rausch-Verhältnis von reflektierten GNSS-Signalen (SNR_Reflexion) zu erhalten (SNR minus Langzeitverhalten). Anschließend können die Werte für SNR_Reflexion zusammen mit dem Elevationswinkel der einzelnen Satelliten analysiert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c) eine Spektralanalyse durchgeführt wird. Bei der Spektralanalyse kann es sich zum Beispiel um eine Fourier-Analyse handeln. Bevorzugt handelt es sich bei der Spektralanalyse um eine Lomb-Scargle-Analyse. Die Spektralanalyse kann zum Beispiel zu dem Zweck durchgeführt werden, um eine Multipath-Reflexionshöhe zu identifizieren.
Beispielsweise können im Zusammenhang mit der Spektralanalyse lang anhaltende Mehrwegequellen identifiziert werden, wenn das Periodogramm eine relativ starke Leistung aufweist (zum Beispiel größer als das Doppelte des Medians der Leistung). Niedrige Reflexionshöhen-Leistungen (zum Beispiel Höhe kleiner als 1 Meter) können beispielsweise als am Fahrzeug montierte, lang anhaltende Mehrweg-Quellen bewertet werden. Hohe Reflexionshöhen können als umweltbedingte, langlebige Mehrwegequelle bewertet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass geprüft wird, ob bei Betrachtung im Zeitbereich periodische Variationen oder bei Betrachtung im Spektralbereich dominante Frequenzen in den analysierten Daten vorhanden sind, die einen Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss im Umfeld des GNSS-Empfängers erlauben.
Insbesondere wenn mindestens eine dominante Frequenz im gleichem Bereich für die erste Zeitreihe bzw. das erste Beobachtungszeitfenster und die zweite Zeitreihe bzw. das zweite Beobachtungszeitfenster liegt kann besonders vorteilhaft auf einen anhaltenden Störeinfluss (im dynamischen Fall) zurückgeschlossen werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein an dem Fahrzeug angeordnetes Objekt als Störeinfluss identifiziert wird, wenn eine im Rahmen der Analyse ermittelte Reflexionshöhe unterhalb einer vordefinierbaren Grenze liegt. Beispielsweise kann aus mindestens einem Signal-Rausch-Verhältnis eines reflektierten GNSS-Signals eine Reflexionshöhe ermittelt werden. Insbesondere kann eine Spektralanalyse durchgeführt wird, um eine Reflexionshöhe zu ermitteln. Weiterhin kann zum Beispiel ein an dem Fahrzeug angeordnetes Objekt als Störeinfluss identifiziert wird, wenn die Reflexionshöhe unterhalb einer vordefinierbaren Grenze liegt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass ein detektierter anhaltender Störeinfluss bei der Ermittlung mindestens eines Integritätsparameters über die Integrität eines GNSS-basierten Lokalisierungsergebnisses zur Lokalisierung des Fahrzeugs berücksichtigt wird. Der Integritätsparameter kann beispielsweise ein Konfidenzintervall beschreiben, in dem ein Lokalisierungsergebnis mit einer vordefinierbaren Mindestwahrscheinlichkeit tatsächlich liegt. Bei dem Integritätsparameter kann es sich zum Beispiel um ein sogenanntes Protection Level handeln. Der Integritätsparameter kann beispielsweise genutzt werden, um den GNSS-Einfluss auf die Lokalisierung bedarfsweise zu gewichten. Zum Beispiel kann der GNSS-Einfluss, insbesondere ein Gewicht der GNSS-Signale herabgewichtet werden, wenn ein anhaltender Störeinfluss ermittelt wurde. In diesem Fall kann die Lokalisierung beispielsweise überwiegend mittels einer Trägheitsnavigation oder anderen Alternativlösungen realisiert werden.
Insbesondere können identifizierte, langanhaltende Mehrwegequelle können beispielsweise als Monitor zur Verbesserung der Lokalisierungsleistung und/oder zur Verbesserung der Integrität eines GNSS-basierten Systems verwendet werden.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Lokalisierungssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, umfassend mindestens einen GNSS-Empfänger, der an dem Fahrzeug angeordnet ist, eine Lokalisierungseinrichtung und ein Modul zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses auf den GNSS-Empfang im Umfeld des GNSS-Empfängers, wobei das Lokalisierungssystem zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
Das Modul zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses kann beispielsweise einen Rechner und/oder ein Steuergerät (Controller) umfassen, der Befehle ausführen kann, um das Verfahren auszuführen. Hierzu kann der Rechner bzw. das Steuergerät beispielsweise das hier auch angegebene Computerprogramm ausführen. Beispielsweise kann der Rechner bzw. das Steuergerät auf das auch beschriebene Speichermedium zugreifen, um das Computerprogramm ausführen zu können
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Lokalisierungssystem das hier beschriebene Verfahren ausführt. Das Computerprogramm betrifft mit anderen Worten insbesondere ein Computerprogramm(-produkt), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein hier beschriebenes Verfahren auszuführen.
Weiterhin kann auch ein maschinenlesbares Speichermedium angegeben werden, auf dem das hier vorgeschlagene Computerprogramm hinterlegt bzw. gespeichert ist. Regelmäßig handelt es sich bei dem maschinenlesbaren Speichermedium um einen computerlesbaren Datenträger.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung einer GNSS-Reflektometrie-Methode (SNR-Methode) zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers eines Fahrzeugs angegeben, wobei der GNSS-Empfänger mittels des Fahrzeugs in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird.
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Lokalisierungssystem und/oder dem Computerprogram und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:

1: einen beispielhaften Ablauf des hier vorgestellten Verfahrens.
2: einen beispielhaften Aufbau des hier vorgestellten Lokalisierungssystems.
3: eine beispielhafte Veranschaulichung einer Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens.

1 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf des hier vorgestellten Verfahrens. Das Verfahren dient zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses 1 auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers 2 eines Fahrzeugs 3, der mittels des Fahrzeugs 3 in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird. Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 dargestellte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist beispielhaft und kann zur Durchführung des Verfahrens beispielsweise zumindest einmal in der dargestellten Reihenfolge durchlaufen werden.
In Block 110 erfolgt gemäß Schritt a) ein Ermitteln einer ersten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals 4, das während eines ersten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers 2 empfangen wird. In Block 120 erfolgt gemäß Schritt b) ein Ermitteln mindestens einer zweiten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals 4, das während mindestens eines zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers 2 empfangen wird, wobei das erste Beobachtungszeitfensters und das zweite Beobachtungszeitfensters zeitlich teilweise überlappen. In Block 130 erfolgt gemäß Schritt c) ein Analysieren, ob aus den Zeitreihen von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses ein Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss 1 im Umfeld des GNSS-Empfängers 2 gezogen werden kann.
Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der GNSS-Empfängers 2 zumindest während des ersten Beobachtungszeitfensters und des zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des Fahrzeugs 3 in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird.
2 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau des hier vorgestellten Lokalisierungssystems 6 für ein Fahrzeug 3. Die Lokalisierungssystem 6 umfasst mindestens einen GNSS-Empfänger 2, der an dem Fahrzeug 3 angeordnet ist, eine Lokalisierungseinrichtung 7 und ein Modul 8 zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses 1 auf den GNSS-Empfang im Umfeld des GNSS-Empfängers 2, wobei das Lokalisierungssystem 6 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist. Darüber hinaus ist in 2 auch ein Modul 9 zur Ermittlung einer Integritätsinformation, wie etwa eines Protection Levels über die Ergebnisse der Lokalisierungseinrichtung 7 gezeigt. Die Lokalisierungseinrichtung 7 kann einen Lokalisierungsfilter umfassen.
3 zeigt schematisch eine beispielhafte Veranschaulichung einer Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens. Bei dem Störeinfluss 1 handelt es sich hier beispielhaft um ein Fahrrad, das auf einem Fahrzeug 3 befestigt ist und Reflexionen und somit Mehrwegesignalausbreitung von GNSS-Signalen 4 im direkten Umfeld des GNSS-Empfängers 2 verursacht. Das Fahrrad stellt auch bei dynamischen Fahrsituationen, d.h. dem Fahren entlang der Erdoberfläche und somit veränderlichen Empfangssituationen einen anhaltenden bzw. konstanten Störeinfluss dar. Das Verfahren trägt in vorteilhafter Weise dazu bei, dass der so bestehende Störeinfluss 1 vorteilhaft einfach und sicher detektiert werden kann.
Die Zeitreihen können ermittelte Signal-Rausch-Verhältnis-Daten auf dem Elevationswinkel ε des GNSS-Satelliten 5 repräsentieren, der das GNSS-Signal 4 aussendet. Insbesondere können während des ersten Beobachtungszeitfensters und des zweiten Beobachtungszeitfensters jeweils mindestens eine Zeitreihe von Signal-Rausch-Verhältnis-Daten über dem Elevationswinkel ε zu dem die Daten ermittelt und beispielsweise als Wertepaare gespeichert werden.
Es kann insbesondere auf Basis der so ermittelten Daten eine Variation des Signal-Rausch-Verhältnisses analysiert werden, um ein reflektiertes GNSS-Signal 4 zu erkennen. Hierzu kann beispielsweise eine Spektralanalyse durchgeführt wird. Bei der Spektralanalyse kann es sich vorzugsweise um eine Lomb-Scargle-Analyse handeln.
Es kann zur Analyse der Variation des Signal-Rausch-Verhältnisses zum Beispiel geprüft werden, ob bei Betrachtung im Zeitbereich periodische Variationen oder bei Betrachtung im Spektralbereich dominante Frequenzen in den analysierten Daten vorhanden sind, die einen Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss 1 im Umfeld des GNSS-Empfängers 2 erlauben.
Im dynamischen Fall, d.h. bei bewegtem GNSS-Empfänger 2 wären bei ungestörten Signalempfang üblicherweise keine periodischen Variationen zu erwarten. Vielmehr kann, wenn periodische Strukturen im dynamischen Fall vorhanden sind, ein Rückschluss auf konstante Störquelle gezogen werden.
Die Zeitreihen können jeweils einer Spektralanalyse unterzogen werden. Mittels der Spektralanalyse können die periodischen Signal-Strukturen besonders vorteilhaft erkannt bzw. identifiziert bzw. herausgearbeitet werden. Beispielsweise können im Spektralbereich dominante Frequenzen (z.B. f = 2 Hr/ Lambda; wobei Hr hier für Reflexionshöhe steht) zu erkennen sein. Wenn dominante Frequenzen vorhanden sind, können diese einen Rückschluss auf Multipath-Quellen erlauben.
Insbesondere wenn mindestens eine dominante Frequenz im gleichem Bereich für die erste Zeitreihe bzw. das erste Beobachtungszeitfenster und die zweite Zeitreihe bzw. das zweite Beobachtungszeitfenster liegt kann besonders vorteilhaft auf einen anhaltenden Störeinfluss (im dynamischen Fall) zurückgeschlossen werden. Dies kann mit anderen Worten insbesondere so beschrieben werden, dass, wenn bei zeitlich beabstandeten Untersuchungsfenstern / Zeitreihen (zumindest teilweise überlappend) Übereinstimmung/Konsistenz in dominanten Frequenzen beobachtet werden kann, kann auf einen anhaltenden Störeinfluss im dynamischen Fall zurückgeschlossen werden.
Die mathematischen Zusammenhänge werden nachfolgend beispielhaft anhand der Darstellung nach 3 erläutert. Dabei bezeichnen x,y,z ein beispielhaftes Koordinatensystem, P_r, P_r' und P_i jeweils räumliche Abstände, ε den Elevationswinkel, h die Reflexionshöhe und R einen beispielhaften Reflexionspunkt.
Nach der Skizze in 3 lässt sich der Überschussweg eines reflektierten GNSS-Signals δ= P_i + P_r wie folgt berechnen: $δ = 2 h cos (\frac{π}{2} - ε) = 2 h sin ε$
Dabei ist ε der Elevationswinkel eines Satelliten und h die Reflexionshöhe. Nach einer solchen Beziehung kann man die Reflexionshöhe durch Kenntnis des überschüssigen Weges wie folgt erhalten: $h = \frac{δ}{2 sin ε}$
Die obige Formulierung ist eine geometrische Sichtweise. Unter Berücksichtigung der Wellendarstellung des direkten und des reflektierten Signals kann man die folgenden zwei Gleichungen für das Signal-Rausch-Verhältnis des direkten Signals aufstellen: ${SNR}_{dir} = V cos (φ)$
Wobei V die Amplitude und φ die Phase des empfangenen SNR ist. Da die Amplitude des reflektierten Signals gedämpft wird, kann ein Dämpfungsfaktor β berücksichtigt werden. Da das reflektierte Signal mit einer Zeitverzögerung kommt, kann eine Phasenverschiebung ΔΦ bei der Darstellung der reflektierten SNR (SNR_ref) berücksichtigt werden: ${SNR}_{ref} = β V cos (φ + Δ φ)$
ΔΦ ist eine Funktion des überschüssigen Weges, und wie man zuvor gesehen hat, ist es auch eine Funktion des Höhenwinkels. Daher kann man schreiben: $Δ φ = \frac{2 π}{λ} δ = \frac{2 π}{λ} 2 h sin ε = \frac{4 π h}{λ} sin ε$
Setzt man in die obige Formel ein und schreibt (3V als A für die Amplitude des reflektierten SNR, kann man schreiben: ${SNR}_{ref} = A cos (\frac{4 π h}{λ} sin ε + φ)$
Die beschriebene Gleichung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, die Reflexionshöhe h durch eine Spektralanalyse des SNR_Ref zu erhalten. Insbesondere kann für jeden Satelliten zunächst das SNR_ref ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann man zunächst das Langzeitverhalten des SNR eines GNSS-Signals als Funktion des Elevationswinkels des betreffenden Satelliten entfernt werden. Nach dem Entfernen des Langzeitverhaltens und dem Erhalt des SNR_Ref kann eine Lomb-Scargle-Analyse durchgeführt werden, um die Leistungsspektraldichte für verschiedene Höhenreflexionen zu erhalten. Die Höhenreflexion mit einem dominanten Leistungsspektrum kann als die Höhe eines Reflexionspunktes R bestimmt werden.
Die beschriebene Methode ist ein vorteilhafter Ansatz zur GNSS-Reflektometrie. Hier wird erstmals ein solcher Ansatz für die Anwendung bei einer dynamischen Situation, insbesondere während der Fahrt eines Fahrzeugs 3 verwendet. Insbesondere wird zum ersten Mal vorgeschlagen, einen GNSS-Reflektomerrie-Ansatz in einem Fahrszenario zu verwenden, um eine lang anhaltende Mehrwegquelle zu erkennen. Eine lang anhaltende Mehrwegquelle in einem Fahrszenario kann beispielsweise dann vorhanden sein, wnn der Fahrer ein Objekt (Fahrrad, Koffer) auf dem Autodach befestigt.
Somit wird auch ein Beispiel dafür beschrieben, dass und ggf. wie ein an dem Fahrzeug 3 angeordnetes Objekt (hier Fahrrad) als Störeinfluss 1 identifiziert werden kann. Dies kann vorteilhaft beispielsweise dann identifiziert werden, wenn eine im Rahmen der Analyse ermittelte Reflexionshöhe h unterhalb einer vordefinierbaren Grenze liegt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann ein detektierter anhaltender Störeinfluss 1 bei der Ermittlung mindestens eines Integritätsparameters über die Integrität eines GNSS-basierten Lokalisierungsergebnisses zur Lokalisierung des Fahrzeugs 3 berücksichtigt werden. Bei dem Integritätsparameter kann es sich zum Beispiel um ein Protection Level handeln.
Beispielsweise kann im Rahmen der Erfindung eine GNSS-Reflektometrie-Methode (SNR-Methode) zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses 1 auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers 2 eines Fahrzeugs 3 verwendet werden, wobei der GNSS-Empfänger 2 mittels des Fahrzeugs 3 in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird.

Claims

Verfahren zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses (1) auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers (2) eines Fahrzeugs (3), umfassend zumindest folgende Schritte: a) Ermitteln einer ersten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals (4), das während eines ersten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers (2) empfangen wird, b) Ermitteln mindestens einer zweiten Zeitreihe von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses mindestens eines GNSS-Signals (4), das während mindestens eines zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des GNSS-Empfängers (2) empfangen wird, wobei das erste Beobachtungszeitfensters und das zweite Beobachtungszeitfensters zeitlich teilweise überlappen, c) Analysieren, ob aus den Zeitreihen von Daten zur Beschreibung des Signal-Rausch-Verhältnisses ein Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss (1) im Umfeld des GNSS-Empfängers (2) gezogen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der GNSS-Empfängers (2) zumindest während des ersten Beobachtungszeitfensters und des zweiten Beobachtungszeitfensters mittels des Fahrzeugs (3) in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitreihen ermittelte Signal-Rausch-Verhältnis-Daten auf dem Elevationswinkel (ε) des GNSS-Satelliten (5) repräsentieren, der das GNSS-Signal (4) aussendet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Variation des Signal-Rausch-Verhältnisses analysiert wird, um ein reflektiertes GNSS-Signal (4) zu erkennen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) eine Spektralanalyse durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei geprüft wird, ob bei Betrachtung im Zeitbereich periodische Variationen oder bei Betrachtung im Spektralbereich dominante Frequenzen in den analysierten Daten vorhanden sind, die einen Rückschluss auf einen anhaltenden Störeinfluss (1) im Umfeld des GNSS-Empfängers (2) erlauben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein an dem Fahrzeug (3) angeordnetes Objekt als Störeinfluss (1) identifiziert wird, wenn eine im Rahmen der Analyse ermittelte Reflexionshöhe (h) unterhalb einer vordefinierbaren Grenze liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein detektierter anhaltender Störeinfluss (1) bei der Ermittlung mindestens eines Integritätsparameters über die Integrität eines GNSS-basierten Lokalisierungsergebnisses zur Lokalisierung des Fahrzeugs (3) berücksichtigt wird.
Lokalisierungssystem (6) für ein Fahrzeug (3), umfassend mindestens einen GNSS-Empfänger (2), der an dem Fahrzeug (3) angeordnet ist, eine Lokalisierungseinrichtung (7) und ein Modul (8) zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses (1) auf den GNSS-Empfang im Umfeld des GNSS-Empfängers (2), wobei das Lokalisierungssystem (6) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das Lokalisierungssystem (6) des Anspruchs 9 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.
Verwendung einer GNSS-Reflektometrie-Methode zur Detektion mindestens eines anhaltenden Störeinflusses (1) auf den GNSS-Empfang im Umfeld eines GNSS-Empfängers (2) eines Fahrzeugs (3), wobei der GNSS-Empfänger (2) mittels des Fahrzeugs (3) in Relation zur Erdoberfläche bewegt wird.