DE202022102208U1

DE202022102208U1 - R-Mode-Empfängeranordnung

Info

Publication number: DE202022102208U1
Application number: DE202022102208.9U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: US20230344389A1

Abstract

R-Mode-Empfängeranordnung (1), umfassend:
einen rauscharmen Verstärker (2),
einen Bandpassfilter (3), und
einen RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein (4), wobei ein Eingang des rauscharmen Verstärkers (2) dazu eingerichtet ist, mit einer Empfangsantenne (10,11) verbunden werden zu können, wobei ein Ausgang des rauscharmen Verstärkers (2) über den Bandpassfilter (3) mit dem RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein (4) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine R-Mode-Empfängeranordnung.
Ranging Mode (R-Mode) ist ein terrestrisches Navigationssystem, das sich derzeit in der Entwicklung befindet. Es ermöglicht die Positionierung und Zeitmessung auf bis zu einer Entfernung von einigen hundert Kilometern Entfernung, wenn eine ausreichende Anzahl von R-Mode-Signalen verfügbar ist. Es ist insbesondere als Ergänzung zu den globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) konzipiert, sodass ein Mehrsystem-Funknavigationsempfänger die Nutzer kontinuierlich mit zuverlässigen Positions-, Navigations- und Zeitgebungsdaten (PNT) bei Navigationsaufgaben unterstützen kann. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn GNSS nicht verfügbar ist oder aufgrund absichtlicher oder unabsichtlicher Störungen eine verminderte Leistung aufweist.
Im derzeitigen Entwicklungsstadium ist das R-Mode-System als Sekundär- oder Backup-System geplant, vorrangig für die maritime Nutzung. Die Anforderungen der maritimen Nutzer an die horizontale Positionsgenauigkeit für ein solches System sind in der Empfehlung R-129 der International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities (IALA) mit 100 m für die Küstennavigation bzw. 10 m für die Hafenansteuerung und die Navigation in beschränkten Gewässern (IALA, 2012) definiert.
Machbarkeitsstudien haben gezeigt, dass R-Mode beispielsweise realisiert werden kann, wenn Mittelfrequenz (MF)-Seefunkbaken oder Basisstationen des automatischen Identifizierungssystems (AIS), die im Very High Frequency (VHF)-Band arbeiten, so modifiziert werden, dass synchronisierte R-Mode-Signale ausgesandt werden.
Der Artikel L. Grundhöfer et al., Positioning with medium frequency R-Mode, NAVIGATION, Vol. 68, Nr. 4, Seiten 829-841, 6. Dezember 2021, https://doi.org/10.1002/navi.450, beschreibt ein Verfahren zum Schätzen der Phasen mittels einer schnellen Fouriertransformation und zum Bestimmen einer Position mittels Mittelwellen-(MF)-R-Mode.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine R-Mode-Empfängeranordnung zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine R-Mode-Empfängeranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere wird eine R-Mode-Empfängeranordnung geschaffen, umfassend einen rauscharmen Verstärker, einen Bandpassfilter und einen RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein, wobei ein Eingang des rauscharmen Verstärkers dazu eingerichtet ist, mit einer Empfangsantenne verbunden werden zu können, wobei ein Ausgang des rauscharmen Verstärkers über den Bandpassfilter mit dem RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein verbunden ist.
Ein Vorteil der vorgeschlagenen R-Mode-Empfängeranordnung ist, dass diese besonders kostengünstig bereitgestellt werden kann und hierdurch eine breite Verwendung finden kann.
Der rauscharme Verstärker kann beispielsweise ein Low Noise Amplifier vom Typ Mini-Circuit ZFL-500Ln+ sein.
Der RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein ist insbesondere ein Empfängerbaustein, der auf dem RTL2832U-Chipsatz der Firma Realtek basiert. Als Empfängerbaustein kann beispielsweise der RTL-SDR Blog V3 verwendet werden (z.B. RTL-SDR Blog V3 R820T2 RTL2832U 1PPM TCXO SMA Software Defined Radio, https://www.rtl-sdr.com/buy-rtl-sdr-dvb-t-dongles/). Der RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein kann hierbei insbesondere derart modifiziert sein, dass benötigte Frequenzbereiche von wenigen Hundert kHz empfangen werden können. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Empfängerbaustein gemäß Herstellerangaben modifiziert ist.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der RTL-Software Defined-Radio-Empfängerbaustein derart konfiguriert ist, in einem direkten Abtastmodus zu arbeiten („direct sampling mode“). Insbesondere ist eine Tunerstufe deaktiviert und es werden direkt die abgetasteten Werte verarbeitet und/oder bereitgestellt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die R-Mode-Empfängeranordnung eine Recheneinrichtung aufweist, wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal des RTL-Software Defined Radio-Empfängerbausteins zu erhalten und eine Fouriertransformation an dem Ausgangssignal durchzuführen, um Phasen von beiden Trägersignalen eines R-Mode-Signals zu schätzen und die geschätzten Phasen bereitzustellen und/oder auszugeben. Die Recheneinrichtung kann beispielsweise ein Personal Computer, ein Kleinstcomputer oder ein Embedded Computer sein. Die Recheneinrichtung kann insbesondere einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller und einen Speicher umfassen. Die Recheneinrichtung ist insbesondere dazu eingerichtet, eine Diskrete Fouriertransformation (DFT), insbesondere im Wege einer schnellen Fouriertransformation (engl. Fast Fourier Transform, FFT), durchzuführen. Hierdurch ist es insbesondere möglich, alle Kanäle mit einer einzigen Schätzung zu beobachten.
Zur Phasenschätzung wird insbesondere eine Diskrete Fouriertransformation (DFT) durchgeführt. Die Diskrete Fouriertransformation entspricht einer parametrischen Maximum Likelihood-Schätzung, für den Fall, dass die Mittenfrequenzen der resultierenden Frequenzkörbe mit der zu schätzenden Tonfrequenz übereinstimmen. Der Zusammenhang wird in dem eingangs aufgeführten Artikel L. Grundhöfer et al., Positioning with medium frequency R-Mode, näher erläutert und nachfolgend kurz skizziert.
Es wird von einer Phasenschätzung für ein kontinuierliches Signal (engl. continuous wave) ausgegangen. Hierbei kann beispielsweise von dem folgenden Signalmodell ausgegangen werden, bei dem ein einziger Ton i (bzw. ein sinusförmiges Signal) im Zeitverlauf t beschrieben werden kann als: $b_{i} sin (ω_{i} t + θ_{i})$
mit den drei Parametern Frequenz ω_i, Amplitude b_i und Phase θ_i. Es wird davon ausgegangen, dass die Frequenz bekannt ist. Die Amplitude und insbesondere die Phase müssen geschätzt werden im Mittelwellenbereich. Da mit einem diskret abgetasteten Signal gearbeitet wird bzw. der Empfängerbaustein ein diskretes Signal liefert, kann die Zeit t quantisiert werden zu t_n mit einer konstanten Abtastrate ƒ_Abtast: $t_{n} (n) = t_{0} + n \frac{1}{ƒ_{A b t a s t}} = (n_{0} + n) \frac{1}{ƒ_{A b t a s t}}$
In diesem Fall kann eine Grenze angegeben werden durch: $v a r {\hat{θ_{i}}} \geq \frac{σ^{2}}{b_{i}^{2} N}$
für ein komplexes Signalmodell, wobei θ̂_l die geschätzte Phase, σ² die Varianz in der Leistungsdichtefunktion (engl. Power Density Function, PDF) des Rauschens und N die Anzahl der Abtastwerte (Samples) ist.
Um die Phasenschätzung zu erhalten wird insbesondere eine Maximum Likelihood-Schätzung durchgeführt. Die Likelihood-Funktion ist hierbei gegeben durch: $L = \sum_{i = 1}^{k} {2 b_{i} Re [e^{j θ_{i}} A (ω_{i})] - b_{i}^{2}}$
mit $A (ω) = \frac{1}{N} \sum_{n = 0}^{N - 1} (X_{n} + j Y_{n}) e^{- j n ω_{i} Δ t}$
wobei X ein Eingangsvektor von Abtastwerten und Y die korrespondierende Hilberttransformierte ist. Beide Vektoren haben eine Länge N und sind indiziert mit n. k ist die Anzahl der zu schätzenden Töne, wobei jeder Ton gemäß dem Signalmodell definiert ist, i indiziert die aktuell auszuwertende Frequenz innerhalb der Summe. Um die Parameter zu finden, die L maximieren, muss A(ω_i) maximiert werden. Man erhält die Schätzungen daher über: ${\hat{b}}_{i} = | A (ω_{i}) |$
und $\hat{θ_{i}} = a r g [e^{- ω_{i} t_{0}} A (ω_{i})]$
Es wird hierbei angenommen, dass die Frequenz ω_c des Tones bekannt ist, sodass man Schätzungen θ̂̂_i für die Phase und b̂_i für die Amplitude erhält. Um nachfolgend eine Entfernung zu schätzen, interessieren Phasenschätzungen für verschiedene Töne gleichzeitig. Daher wird die Diskrete Fouriertransformation zur parametrischen Schätzung verwendet, da A(ω) im Allgemeinen beschrieben werden kann unter Verwendung der DFT-Basisfunktionen: $e^{- j 2 π} \frac{K}{N} n$
mit $ω = 2 π \frac{K ƒ_{A b t a s t}}{N}$
wobei K einen Punkt im DFT-Spektrum beschreibt. Dies ergibt die Matrixdarstellung: $A (ω) = \frac{1}{N} {(X - j Y)}^{T} (\begin{matrix} e^{- j 0 Δ ω t} \\ e^{- j 1 Δ ω t} \\ \dots \\ \dots \\ e^{- j N Δ ω t} \end{matrix})$
die eine Spalte der Transformationsmatrix der DFT ist. Insbesondere wird zum Schätzen der Phasen eine schnelle Fouriertransformation (engl. Fast Fourier Transform) durchgeführt. Mit Hilfe der schnellen Fouriertransformation steht eine effizientes Verfahren zum Schätzen von N Fenstern (Bins) zur Verfügung. Die Mittenfrequenzen dieser Fenster sind gleichverteilt in Intervallen von Δω und müssen mit den Frequenzen der kontinuierlichen Wellenfrequenzen, die geschätzt werden sollen, übereinstimmen. Dieses Schätzverfahren liefert komplexe Zahlen, bei denen die Phase die gesuchte Phaseninformation am Anfang des beobachteten Zeitintervalls mit der Länge T ist. Die zu schätzende Phase entspricht hierbei einem Winkel der komplexen Zahl.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, ausgehend von den geschätzten Phasen eine Pseudoentfernung zu schätzen und bereitzustellen und/oder auszugeben. Hierbei kann beispielsweise vorgegangen werden, wie dies in dem eingangs aufgeführten Artikel L. Grundhöfer et al., Positioning with medium frequency R-Mode, beschrieben ist.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bandpassfilter ein Passband von 250 kHz bis 375 kHz aufweist. Hierdurch kann ein interessierender Frequenzbereich um 300 kHz gezielt von anderen Störeinflüssen bereinigt werden. Weiterbildend ist vorgesehen, dass der Bandpassfilter ein durch diskrete Bauelemente ausgebildeter passiver Filter ist. Hierdurch kann eine Phasenstabilität erhöht werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, eine Phasendrift zu korrigieren.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die R-Mode-Empfängeranordnung eine E-Feld-Antenne mit einer zirkularen Empfangscharakteristik aufweist, welche mit dem Eingang des rauscharmen Verstärkers verbunden ist. Eine solche Antenne eignet sich besonders für mobile Anwendungen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die R-Mode-Empfängeranordnung eine H-Feld-Antenne mit Richtcharakteristik und reduziertem Rauschteppich aufweist, welche mit dem Eingang des rauscharmen Verstärkers verbunden ist. Eine solche Antenne eignet sich besonders für eine stationäre Anwendung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der R-Mode-Empfängeranordnung;
2 eine schematische Darstellung eines Bandpassfilters mit diskreten Bauelementen.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der R-Mode-Empfängeranordnung 1. Die R-Mode-Empfängeranordnung 1 umfasst einen rauscharmen Verstärker 2, einen Bandpassfilter 3 und einen RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein 4.
Ein Eingang des rauscharmen Verstärkers 2 ist dazu eingerichtet, mit einer Empfangsantenne 10, 11 verbunden werden zu können, wobei ein Ausgang des rauscharmen Verstärkers 2 über den Bandpassfilter 3 mit dem RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein 4 verbunden ist.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der RTL-Software Defined-Radio-Empfängerbaustein 4 derart konfiguriert ist, in einem direkten Abtastmodus zu arbeiten.
Der RTL-Software Defined-Radio-Empfängerbaustein 4 stellt einen (SDR-)Datenstrom der abgetasteten Werte bereit.
Es kann vorgesehen sein, dass die R-Mode-Empfängeranordnung 1 eine E-Feld-Antenne 10 mit einer zirkularen Empfangscharakteristik aufweist, welche mit dem Eingang des rauscharmen Verstärkers 2 verbunden ist.
Es kann alternativ vorgesehen sein, dass die R-Mode-Empfängeranordnung 1 eine H-Feld-Antenne 11 mit Richtcharakteristik und reduziertem Rauschteppich aufweist, welche mit dem Eingang des rauscharmen Verstärkers 2 verbunden ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die R-Mode-Empfängeranordnung 1 eine Recheneinrichtung 5 aufweist. Die Recheneinrichtung 5 kann als Personal Computer oder Kleinstcomputer oder Embedded Computer ausgebildet sein. Die Recheneinrichtung 5 ist dazu eingerichtet, ein Ausgangssignal des RTL-Software Defined Radio-Empfängerbausteins 4 zu erhalten und eine Fouriertransformation an dem Ausgangssignal durchzuführen, um Phasen 6 von beiden Trägersignalen eines R-Mode-Signals zu schätzen und die geschätzten Phasen 6 bereitzustellen und/oder auszugeben.
Es kann weiterbildend vorgesehen sein, dass die Recheneinrichtung 5 ferner dazu eingerichtet ist, ausgehend von den geschätzten Phasen 6 eine Pseudoentfernung 7 zu schätzen und bereitzustellen und/oder auszugeben.
Es kann vorgesehen sein, dass der Bandpassfilter 3 ein Passband von 250 kHz bis 375 kHz aufweist.
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass der Bandpassfilter 3 ein durch diskrete Bauelemente ausgebildeter passiver Filter ist. Dies ist schematisch in der 2 dargestellt. Insbesondere können die dargestellten diskreten Bauelemente die folgenden Werte aufweisen, um ein Passband von 250 kHz bis 375 kHz bereitzustellen:

Kapazität C₀ C₁ C₂ C₃ C₄ C₅ C₆ C₇ C₈

Wert 1,2 nF 1,2 nF 15 nF 12 nF 6,8 nF 18 nF 4,8 nF 27 nF 1,8 nF

Induktivität L₁ L₂ L₃ L₄ L₅ L₆ L₇ L₈

Wert 100 µH 18 µH 22 µH 33 µH 15 µH 54 µH 10 µH 150 µH
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinrichtung 5 ferner dazu eingerichtet ist, eine Phasendrift zu korrigieren.
Bezugszeichenliste

1: R-Mode-Empfängeranordnung
2: rauscharmer Verstärker
3: Bandpassfilter
4: RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein
5: Recheneinrichtung
6: Phase
7: Pseudoentfernung
10: E-Feld-Antenne
11: H-Feld-Antenne
Cx: Kapazität / Kondensator
Lx: Induktivität / Spule
Vin: Eingangsspannung
Vout: Ausgangsspannung

Claims

R-Mode-Empfängeranordnung (1), umfassend: einen rauscharmen Verstärker (2), einen Bandpassfilter (3), und einen RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein (4), wobei ein Eingang des rauscharmen Verstärkers (2) dazu eingerichtet ist, mit einer Empfangsantenne (10,11) verbunden werden zu können, wobei ein Ausgang des rauscharmen Verstärkers (2) über den Bandpassfilter (3) mit dem RTL-Software Defined Radio-Empfängerbaustein (4) verbunden ist.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der RTL-Software Defined-Radio-Empfängerbaustein (4) derart konfiguriert ist, in einem direkten Abtastmodus zu arbeiten.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung (5), wobei die Recheneinrichtung (5) dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal des RTL-Software Defined Radio-Empfängerbausteins (4) zu erhalten und eine Fouriertransformation an dem Ausgangssignal durchzuführen, um Phasen (6) von beiden Trägersignalen eines R-Mode-Signals zu schätzen und die geschätzten Phasen (6) bereitzustellen und/oder auszugeben.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (5) ferner dazu eingerichtet ist, ausgehend von den geschätzten Phasen (6) eine Pseudoentfernung (7) zu schätzen und bereitzustellen und/oder auszugeben.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter (3) ein Passband von 250 kHz bis 375 kHz aufweist.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter (3) ein durch diskrete Bauelemente ausgebildeter passiver Filter ist.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (5) ferner dazu eingerichtet ist, eine Phasendrift zu korrigieren.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine E-Feld-Antenne (10) mit einer zirkularen Empfangscharakteristik, welche mit dem Eingang des rauscharmen Verstärkers (2) verbunden ist.
R-Mode-Empfängeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine H-Feld-Antenne (11) mit Richtcharakteristik und reduziertem Rauschteppich, welche mit dem Eingang des rauscharmen Verstärkers (2) verbunden ist.