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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Peilgerät mit einer Arrayantenne zum
Messen von Ankunfts- oder Eintreffwinkeln mehrerer an der Arrayantenne
ankommender Signale in Mehrwegeumgebungen, wie beispielsweise in
städtischen
Gebieten oder Innenräumen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Verarbeiten
von Messergebnissen für
das Peilgerät.
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Als
Algorithmus zum Messen von Eintreffwinkeln mehrerer unkorrelierter
Funksignale, die durch eine Arrayantenne empfangen werden, sind
das MUSIC- und das ESPRIT-Verfahren bekannt. Diese Algorithmen, durch
die im Vergleich z.B. mit dem herkömmlichen Fouriertransformationsverfahren
oder dem Strahlabtast (Beam Scanning) verfahren eine ausgezeichnete
Auflösung
und Genauigkeit bereitgestellt werden kann, sind für Peilgeräte weit
verbreitet verwendet worden. Die Algorithmen sind jedoch nicht in
der Lage, spezifische Werte exakt aufzulösen, weil die Faktorisierung
einer Kovarianzmatrix eines durch eine Arrayantenne empfangenen
Signals degeneriert wird, wenn korrelative Signale, wie beispielsweise
Mehrwegewellen, gehandhabt werden, so dass der Eintreffwinkel nicht
gemessen werden kann.
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Als
Verfahren zum Eliminieren des vorstehend erwähnten Nachteils ist in der
Literatur die Movement-Average-Methode (Bewegungsmittelung-Verfahren)
beschrieben, durch die eine Matrix, die durch Teilen einer Kovarianzmatrix
in mehrere Matrixgruppen mit gleichen Ordnungen, wie in 3 dargestellt,
und durch Addieren der Faktoren der geteilten Mat rixgruppen erzeugt
wird, in spezifische Werte zerlegt wird (vergl. "On Spatial Smoothing for Direction of
Arrival Estimation of Coherent Signals", IEEE Trans. on ASSP Vol. 33(4), 1985).
Um die Movement-Average-Methode anzuwenden, ist es wesentlich, dass
die Kovarianzmatrix in einem Vandermode-Format vorliegt. Im Antennenarray für ein Peilgerät sind die
Antennenelemente in regelmäßigen Intervallen
angeordnet. Die empfangene Phasenantwort (a) muss gemäß der folgenden
Formel (1) dargestellt werden: a = –exp(jnkdsinθ) (1)wobei n die
Anzahl der Antennenelemente, k eine Wellenzahl, d einen Elementabstand
und θ einen
Eintreffwinkel bezeichnen.
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Die
Movement-Average-Methode kann jedoch nicht auf eine reale Arrayantenne
angewendet werden, weil die empfangene Phasenantwort (a) aufgrund
der wechselseitigen Kopplung zwischen Antennenelementen, auch wenn
die Antennenelemente in regelmäßigen Intervallen
angeordnet sind, nicht wie durch Formel (1) dargestellt linear darstellbar
ist. In vielen Dokumenten ist eine Technik zum Messen der Ankunftsrichtungen mehrerer
korrelativer Signale unter Verwendung der vorstehend erwähnten Movement-Αverage-Methode
beschrieben. Gemäß allen
diesen Techniken wird der Eintreffwinkel durch räumliches Bewegen eines einzelnen Antennenelements
in regelmäßigen Intervallen
gemessen, um die Interferenz der wechselseitigen Kopplung zu vermeiden.
Es treten keinerlei Probleme auf, auch wenn ein Antennenelement
in einer statischen Umgebung, z.B. in einer Innenraumumgebung, in
der die Messzeit nicht begrenzt ist, räumlich bewegt wird. Die herkömmliche
Technik ist jedoch hinsichtlich der Messzeit in einem Fall unpraktisch,
in dem das Antennenelement in Mobilkommunikationsumgebungen im Außenraum,
in denen die Ausbreitungsbedin gungen sich jeden Augenblick ändern können, mechanisch
bewegt wird.
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In "Mutual coupling compensation
in small array antennas",
IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPΑGATION, Hans Steyskal et al.,
Dezember 1990, USA, Bd. 38, Nr. 12, Seiten 1971–1975, XP002155205 ist eine
Technik zum Kompensieren wechselseitiger Kopplung in einem kleinen
Array durch Multiplizieren eines Empfangssignalvektors mit einer
inversen Kopplungsmatrix beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorstehend erwähnten Probleme
zu lösen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Peilgerät bereitzustellen,
das die Eintreffwinkel mehrerer korrelativer Signale unter Verwendung
der jeweiligen Signale misst, die durch Antennenelemente einer Arrayantenne
empfangen werden.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Peilgerät bereitzustellen,
für das
keine räumliche
Bewegung der Antennenelemente erforderlich ist, und das für Mobilkommunikationsumgebungen
im Außenraum
verwendbar ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Peilverfahren
zum Messen der Eintreffwinkel mehrerer korrelativer Signale unter
Verwendung der jeweiligen Signale bereitzustellen, die durch Antennenelemente
einer Arrayantenne empfangen werden.
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Es
ist eine weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein für ein Peilgerät geeignetes
Messergebnisverarbeitungsverfahren bereitzustellen.
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Die
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die Merkmale der
Patentansprüche
gelöst.
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Insbesondere
weist das erfindungsgemäße Peilgerät auf: eine
Arrayantenne mit mehreren Antennenelementen, die in regelmäßigen Intervallen
in einer geraden Linie oder in einer Ebene angeordnet sind; einen Empfänger zum
Empfangen eines durch jedes der Antennenelemente der Arrayantenne
empfangenen Signals und zum anschließenden Ausgeben einer Gruppe
demodulierter Signale; einen Front-End-Prozessor zum Multiplizieren
der Gruppe demodulierter Signale, die chronologisch erhalten werden
sollen, mit einer inversen Matrix einer Kopplungskoeffizientenmatrix
der Arrayantenne und zum anschließenden Ausgeben einer Gruppe von
Zeitfolgesignalen; und eine Signalverarbeitungseinheit zum Erzeugen
einer Kovarianzmatrix in Antwort auf die Gruppe von Zeitfolgesignalen
vom Front-End-Prozessor, Ausführen
einer Movement-Average-Verarbeitung
bezüglich
der Kovarianzmatrix und anschließenden Auflösen des Ergebnisses in spezifische
Werte, um einen Ankunftsazimut zu erhalten; wobei die Signalverarbeitungseinheit
aufweist: eine Kovarianzmatrixerzeugungseinheit zum Erzeugen einer
Kovarianzmatrix von einer Momentaufnahme oder einem Schnappschuss
in der Gruppe von Zeitfolgesignalen, von der eine wechselseitige
Kopplung entfernt ist; eine Movement-Average-Einheit zum Bestimmen
einer Movement-Average-Matrix
durch Parallelverschiebung von der Kovarianzmatrix; eine Einheit
zum Auflösen
spezifischer Werte zum Auflösen
eines spezifischen Wertes von der Movement-Average-Matrix; eine
Wellenzahlschätzeinheit
zum Bestimmen einer Wellenzahl basierend auf dem durch die Einheit
zum Auflösen
spezifischer Werte erhaltenen spezifischen Wert; und eine MUSIC-Spektrum-Ploteinheit.
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Im
erfindungsgemäßen Peilgerät teilt
die Movement-Average-Einheit
eine durch eine lineare Arrayantenne erhaltene Kovarianzmatrix in
Subarraymatrizen und addiert dann die Subarraymatrizen.
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Im
erfindungsgemäßen Peilgerät bestimmt
die Einheit zum Auflösen
spezifischer Werte N spezifische Werte λi (i
= 1 bis N) durch Auflösen
einer Movement-Average-Kovarianzmatrix in spezifische Werte.
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Im
erfindungsgemäßen Peilgerät schätzt die
Wellenzahlschätzverarbeitungseinheit
eine Wellenzahl basierend auf einer Verteilung spezifischer Werte.
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Außerdem betrifft
die vorliegende Erfindung ein Peilverfahren gemäß Anspruch 7.
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Außerdem wird
durch die vorliegende Erfindung durch eine Messergebnisverarbeitungseinrichtung eine
wechselseitige Kopplungsmatrix erhalten durch: Normalisieren eines
Messergebnisses eines Arrayelementmusters, das eine wechselseitige
Kopplung aufweist, mit einem Messergebnis eines Elementmusters eines
einzelnen Antennenelements, das keine wechselseitige Kopplung aufweist,
und anschließendes
Entwickeln des erhaltenen normalisierten Musters in einer Fourierreihe.
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Im
erfindungsgemäßen Peilgerät wird die
Kopplungskoeffizientenmaterix der Arrayantenne erhalten durch: Normalisieren
eines Messergebnisses eines Arrayelementmusters, das eine wechselseitige
Kopplung aufweist, mit einem Messergebnis eines Elementmusters eines
einzelnen Antennenelements, das keine wechselseitige Kopplung aufweist,
und anschließendes
Entwickeln des erhaltenen normalisierten Musters in einer Fourierreihe.
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Im
erfindungsgemäßen Peilgerät kann eine
Movement-Average-Verarbeitung
ausgeführt
werden durch: Multiplizieren einer Gruppe von Zeitfolgesignalen
mit einer inversen Matrix einer Kopplungskoeffizientenmatrix einer
Arrayantenne, um Empfangssignalkomponenten zu entfernen, die durch
wechselseitige Kopplung zwischen Antennenelementen erzeugt werden,
wobei die Gruppe von Zeitfolgesignalen durch Demodulieren eines
durch die Arrayantenne empfangenen Signals erhalten wird, und wobei
die Arrayantenne aus mehreren in regelmäßigen Intervallen angeordneten
Antennenelementen gebildet wird, und durch Bereitstellen der Kovarianzmatrix
einer Empfangssignalgruppe im Vandermonde-Format.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden anhand der folgenden ausführlichen
Beschreibung und der Zeichnungen verdeutlicht; es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peilgeräts;
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2 ein
Diagramm zum Erläutern
der erfindungsgemäßen Operation
zum Entfernen von durch wechselseitige Kopplung von Antennenelementen
erhaltenen Signalkomponenten von einer Empfangssignalgruppe; und
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3 ein
Diagramm zum Erläutern
einer Movement-Average-Verarbeitung
für eine
Kovarianzmatrix gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Peilgeräts. Das
erfindungsgemäße Peilgerät besteht
aus einer aus N Antennenelementen 1-1 bis 1-N gebildeten Arrayantenne 2,
N Empfängern 3-1 bis 3-N,
die jeweils mit entsprechenden der Antennenelemente verbunden sind,
einem Front-End-Prozessor 4 und einer Signalverarbeitungseinheit 5.
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Die
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Peilgerät den Front-End-Prozessor 4 aufweist.
Der Front-End-Prozessor 4 entfernt Signalkomponenten, die
durch wechselseitige Kopplung zwischen Antennenelementen erzeugt
werden, von Empfangssignalgruppen durch Multiplizieren der Zeitfolgegruppe
eines Empfangssignals mit der inversen Matrix der Kopplungskoeffizientenmatrix
einer Arrayantenne und überträgt dann
eine Empfangssignalgruppe an die Signalverar beitungseinheit 5,
um sie einer Movement-Average-Verarbeitung zu unterziehen.
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Nachstehend
wird die Verarbeitung des Front-End-Prozessors 4 unter Bezug auf 2 beschrieben.
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Gemäß 2 ist,
wenn eine ebene Welle auf die Arrayantenne auftrifft, die mehrere
Antennenelemente 1-1 bis 1-N aufweist, das durch
das n-te Antennenelement empfangene Signal Vn eine Vektorsumme aus der
durch das n-te Antennenelement selbst empfangenen Hauptkomponente
und der von dem n-ten
Antennenelement selbst oder einer benachbarten Antenne zurückgestrahlten
Komponente. Das durch das Antennenelement n empfangene Signal Vn(u)
wird durch folgende Formel (2) dargestellt: Vn(u) = CnnEnF(u) + Σ m≠nCmnEmF(u) (2)wobei F(u)
ein Elementmuster ohne wechselseitige Kopplung, Cmn den Kopplungskoeffizient
zwischen dem m-ten Element und dem n-ten Element, Em ein eintreffendes
elektrisches Feld des Elements m, En ein eintreffendes elektrisches
Feld des Elements n und u einen Sinus eines Winkels θ darstellen.
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Ein
durch ein einzelnes Antennenelement empfangenes Signal vn(u) ohne
Kopplung wird durch die folgende Formel (3) dargestellt: EnF(u) = vn(u) (3)
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Die
Amplitude E einer ebenen Welle, die von der Richtung einer Arrayantenne
eintrifft, deren Elemente in regelmäßigen Intervallen angeordnet
sind, wird durch die folgende Formel (4) dargestellt: E·exp(jnkdu)F(u) = vn(u) (4)
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Der
folgende Ausdruck wird durch Substituieren von Formel (4) in Formel
(2) erhalten: V =
Cv (5) wobei
V = [V1 V2 ... Vn] T; v = [v1 v2 ... vn]T; C = [Cmn] (eine Kopplungsmaterix mit N
Reihen und N Spalten) und T eine Dispositionsmatrix ist. Um von
Formel (5) eine Empfangssignalgruppe v ohne wechselseitige Kopplung
zu erhalten, wird die folgende Formel (6) berechnet: V = C–1V (6)
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Die
Kopplungsmatrix C wird durch Messen eines Arrayelementmusters Gn(u),
das wechselseitige Kopplung aufweist, und eines Elementmusters F(u)
eines einzelnen Elements erhalten, das keine wechselseitige Kopplung
aufweist.
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Das
Arrayelementmuster Gn(u) wird durch folgende Formel (7) dargestellt:
Gn(u) = F(u)Σ n=1Cmn·exp(jnkdu) (7)wobei Gmn
eine Fourierreihe eines Arrayelementmusters ist und durch folgende
Formel (8) erhalten wird:
wobei der Integrationsbereich
[–π/kd bis π/kd] ist.
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Es
wird vorausgesetzt, dass das Arrayelementmuster ein Muster ist,
das durch Überlagern
eines Elementmusters auf ein Strahlungsmuster einer Arrayantenne
mit dem Gewicht Cmn ist. Die Aperturstromverteilung und das Strahlungsmuster
einer Antenne werden durch eine Fouriertransformation dargestellt.
Formel (8) hat eine physikalische Bedeutung. D.h., ein durch Rückstrahlung
von anderen Antennenelementen und dem eigenen Antennenelement definiertes
Muster wird unter Verwendung der Formel Gn(u)/F(u) erhalten. Dann wird
das Muster einer Fouriertransformation unterzogen, um ein Gewicht
Cmn zu erhalten. Das Gewicht Cmn für jedes Antennenelement wird
unter Verwendung von Formel (8) berechnet. Dann wird eine inverse
Darstellung C–1 durch
Erzeugen einer Kopplungsmatrix erhalten.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, berechnet der Front-End-Prozessor die
durch Demodulieren von durch Antennenelemente empfangenen Signalen
erhaltenen Zeitfolgesignale und entfernt durch wechselseitige Kopplung
erzeugte Signalkomponenten von den berechneten Ergebnissen unter
Verwendung von Formel (6). Dann gibt der Front-End-Prozessor die
Ergebnissignale an die Signalverarbeitungseinheit 5 aus.
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Die
Signalverarbeitungseinheit 5 besteht aus einer Kovarianzmatrixerzeugungseinheit 6 zum
Erzeugen einer Kovarianzmatrix S von einer Momentaufnahme in einer
Gruppe von Zeitfolgesignalen, von der eine wechselseitige Kopplung
entfernt wird, einer Movement-Average-Einheit 7 zum Erzeugen
einer Movement-Average-Matrix durch Parallelverschiebung von der
Kovarianzmatrix S, einer Einheit 8 zum Auflösen spezifischer
Werte von einer Movement-Average-Matrix, einer Wellenzahlschätzeinheit 9 zum
Betsimmen einer Wellenzahl basierend auf einem durch die Einheit 8 zum
Auflösen
spezifischer Werte erhaltenen spezifischen Wert und einer MUSIC-Spektrum-Ploteinheit 10.
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Wie
in 3 dargestellt ist, teilt die Movement-Average-Einheit 7 eine
durch die lineare Arrayantenne mit dem N(8)-Element erhaltene Kovarianzmatrix
S z.B. in Subarraymatrizen S1' bis
S4', die jeweils
aus 5 × 5 Elementen
bestehen, und addiert dann die Subarraymatrizen S1' bis S4'. Dadurch kann die
Korrelation zwischen ankommenden Signalen durch räumliches
Ausführen
eines Movement-Average-Prozesses unterdrückt werden.
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Die
Einheit 8 zum Auflösen
spezifischer Werte bestimmt N spezifische Werte λi (i
= 1 bis N) durch Auflösen
einer Movement-Average-Kovarianzmatrix in spezifische Werte. Wie
gemäß der Beziehung
(9) dargestellt ist, weisen die spezifischen Werte λi (i
= 1 bis N) einem Nutzsignal entsprechende große Komponenten (λi bis λd)
und Rauschsignalen entsprechende kleine Komponenten (λd+i bis λN)
auf λ1 > λ2 ... > λd > > λd+i = ... = λN = σ2 (9)
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Die
Wellenzahlschätzverarbeitungseinheit 9 schätzt eine
Wellenzahl K(d) basierend auf der gemäß der Beziehung (9) vorgegebenen
Verteilung spezifischer Werte.
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Es
existieren zwei Verfahren zum Bestimmen des Ankunftsazimuts jedes
Signals: (1) das ESPRIT-Verfahren, gemäß dem ein Ankunftsazimut unter
Verwendung eines spezifischen Vektors, der einer Signalkomponente
entspricht, und der Rotationsinvarianz einer Arrayantenne erhalten
werden kann; und (2) das MUSIC-Verfahren, durch das ein Ankunftsazimut
unter Verwendung eines spezifischen Vektors erhalten werden kann,
der Rauschsignalen entspricht, und das MUSIC-(Multiple Signal Classification
(=Multiple Signal-Klassifikation-))Spektrum gesucht wird. In der
vorliegenden Ausführungsform
wird das MUSIC-Verfahren verwendet.
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Das
MUSIC-Spectrum P(u) wird durch folgende Formel (10) dargestellt:
wobei
a (u) = [exp(jkdu), exp(j2kdu), ..., exp(jNkdu)]
T;
H eine konjugierte inverse Darstellung; und Ei (i = d + 1 bis N)
einen Rauschsignalen entsprechenden spezifischen Vektor bezeichnen.
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Wenn
das MUSIC-Spektrum in einem Bereich von –1 < u < 1
berechnet wird, wird ein scharfer Peak an einer einem Eintreffwinkel
entsprechenden Position beobachtet. Ein Eintreffwinkel θk wird basierend auf der Peakposition erhalten.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, werden im erfindungsgemäßen Peilgerät die durch
die wechselseitige Kopplung zwischen Antennenelementen erzeugten
Empfangssignalkomponenten durch Multiplizieren einer Gruppe von
Zeitfolgesignalen mit einer inversen Matrix einer Kopplungskoeffizientenmatrix
einer Arrayantenne entfernt. Die Gruppe von Zeitfolgesignalen wird
durch Demodulieren von Signalen erhalten, die durch eine Arrayantenne
empfangen werden, die durch mehrere in regelmäßigen Intervallen angeordnete
Antennenelemente gebildet wird. Weil die Kovarianzmatrix der Empfangssignalgruppe
ein Vandermonde-Format annimmt, kann der Movement-Average-Prozess ausgeführt werden.
Daher können
die Eintreffwinkel mehrerer korrelativer ankommender Signale gemessen
werden, ohne dass die Arrayantenne, wie dies herkömmlich der Fall
ist, räumlich
bewegt werden muss. Infolgedessen kann durch das Peilgerät die Messzeit
verkürzt
und können
Signale in Mobilkommunikationsumgebungen im Außenraum gehandhabt werden.
