WO2014029454A2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer relativen ausrichtung zweier gps-antennen zueinander - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer relativen ausrichtung zweier gps-antennen zueinander Download PDF

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    • G01S19/54—Determining attitude using carrier phase measurements; using long or short baseline interferometry
    • G—PHYSICS
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    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/46—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using antennas spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for determining a relative alignment of two GPS antennas with each other.
  • the azimuth angle and / or the elevation angle of the two GPS antennas to one another and thus of an object can be determined, to which the two GPS antennas are attached.
  • the antenna array comprises at least three receiving antennas for receiving GPS satellite signals which have a fixed and known positioning relative to each other.
  • the receiving antennas are electrically connected via an interface to a single GPS receiver.
  • a first antenna for outputting a first GPS signal is connected directly to the interface, wherein between a second antenna for outputting a second GPS signal and the interface, a first delay circuit and between a third antenna for outputting a third GPS signal and the interface, a second delay circuit is arranged.
  • the first delay circuit delays the forwarding of the GPS satellite signal received from the second receive antenna to the interface and the GPS receiver by a first fixed delay time of, for example, 200 ns
  • the second delay circuit delays the forwarding of the GPS satellite received by the third receive antenna Signals to the interface and to the GPS receiver by a second fixed delay time of, for example, 400 ns.
  • the first and second delay circuits sometimes serve to enable the first, second and third GPS signals from the GPS receiver to be separately received by the GPS receiver without interfering with each other.
  • the GPS receiver has processing functionality such that the GPS receiver determines alignment factors using the relative positions of the receive antennas, the known first and second delay times, and the known positional relationship of the receive antennas.
  • the GPS receiver determines the small differences between the predetermined delay times associated with the different receiving antennas with the measured code and phase information of the received signals. These small differences are then used to determine the difference between the positions of the three receiving antennas. Thus, the skew differences of the GPS satellite signals to the individual receive antennas are used to determine the relative orientation of the receive antennas to each other.
  • each individual antenna and the interface and the GPS receiver each have a delay circuit must be arranged.
  • the respective delay circuits must have different delays from each other so that the respective GPS signals can be separately received by the GPS receiver, since the GPS signals must not interfere with each other.
  • the inventive apparatus for determining a relative orientation of a first GPS antenna to a second GPS antenna, the first GPS antenna, the second GPS antenna spaced from the first GPS antenna comprises an electrically ver with the first GPS antenna tied phase shifter, a summation device electrically connected to the phase shifter and the second GPS antenna, a GPS receiver electrically connected to the combination device, and a control unit. direction, which is electrically connected to the GPS receiver and the phase shifter.
  • the first GPS antenna Upon receipt of the at least one GPS satellite signal, the first GPS antenna outputs a first GPS received signal and the second GPS antenna outputs a second GPS received signal.
  • the phase shifter is designed to shift a phase of the first GPS reception signal by a phase shift, the phase shift being variable and being adjustable by means of the control device.
  • the phase shift may be any value including zero degrees.
  • the respective phase shifts can be equidistant from one another or can have mutually different angular distances.
  • the combining means which may comprise summing means, also referred to as a power combiner, is arranged to combine the second GPS received signal with the phase-shifted first GPS received signal to produce a combination signal supplied to the GPS receiver becomes.
  • the combination signal may preferably be the sum signal of the second GPS receive signal with the first GPS receive signal phase-shifted by the phase shift.
  • the GPS receiver generates a sample signal and / or a signal-to-noise ratio signal from the combination signal and transmits the sample signal and / or the signal-to-noise ratio signal to the controller which stores the sample signal and / or signal-to-noise ratio along with the adjusted phase shift.
  • the device is designed to carry out these method steps, which are also referred to as repetition steps, in each case for at least three different phase shifts, alternatively receiving the GPS satellite signal only once can be done.
  • An electrical connection of the individual components described above takes place via signal lines.
  • the phase shifter can be realized in any manner known in the art.
  • the phase shifter may comprise different lengths of signal lines or delay lines, inductances and capacitances.
  • the phase shifter can also be realized as an allpass.
  • the phase shifter can also be implemented as a digital phase shifter.
  • the device determines by means of the controller based on the thus obtained at least three sampling signals and / or signal-to-noise ratio were obtained at different phase shifts, the course of the scanning signal and / or the signal-to-noise ratio signal.
  • the device can determine the relative orientation of the GPS antennas relative to one another by means of the control device based on the course of the scanning signal and / or the signal-to-noise ratio signal.
  • the device according to the invention By means of the device according to the invention, the alignment of the two GPS antennas with each other with a high Precision possible. Due to the use of the method according to the invention, the device according to the invention requires only two GPS antennas in order to determine the alignment of the two GPS antennas with one another with high precision. Another advantage is that the device according to the invention only requires a GPS receiver. The precision of the orientation determination can be increased by carrying out the repetition steps more than three times for different phase shifts, so that the course of the combination signal and thus the course of the scanning signal and / or the signal-to-noise ratio signal can be determined more accurately.
  • the combination signal can be determined during a phase shift of the phase shifter of, for example, 360 ° for, for example, 360 different phase shifts with angular equidistant distances of 1 °.
  • the course of the combination signal is very accurate due to the high number of measurement points.
  • the precision of the orientation determination can be increased by receiving more than one GPS satellite signal by means of the first and second GPS antennas.
  • the GPS satellite signal transmitted by a GPS satellite can be received at different times from the first and second GPS antenna and, on the other hand, the GPS satellite signals can be received by one or more times at one or more times GPS satellites are received by the first and second GPS antenna.
  • the method for determining a relative orientation of a first GPS antenna to a second GPS antenna spaced therefrom is preferably so configured.
  • the method comprises the following steps:
  • phase shift-dependent sampling signal s
  • phase shift-dependent signal-to-noise ratio s
  • the controller Determining the relative orientation of the first GPS antenna to the second GPS antenna based on the course of the sample signal (s) and / or signal-to-noise ratio (S / N) signals by the controller.
  • the first method step is carried out either once for a phase shift or at least three times for at least three different phase shifts.
  • the second to fifth method steps are carried out for at least three different phase shifts.
  • the sixth and seventh process steps can then be carried out.
  • determining the profile of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal comprises determining at least a first phase shift in which the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a maximum, and / or at least a second phase shift, wherein the Combination tion signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a minimum.
  • determining the relative orientation of the first GPS antenna to the second GPS antenna is based at least on the first phase shift thus determined, in which the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a maximum, and / or at least the second phase shift, wherein the one of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a minimum.
  • the frequency of the sum signal and thus the frequency of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal is known, their characteristics can be characterized simply by specifying a first or second phase shift, in which the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal is a maximum or . has a minimum.
  • the frequency of the sum signal is known since the frequency of the carrier wave of the GPS satellite signal is known (for GPS signals, the frequency of the carrier wave is 1.5 GHz, for example).
  • the phase shift at which the sum signal has a maximum or minimum is characteristic of the relative positioning of a satellite emitting the GPS satellite signal with respect to the first GPS antenna and the second GPS antenna, so that based on at least the first Phase shift and / or on at least the second phase shift, the orientation of the first GPS antenna to the second GPS antenna can be easily determined, since the relative positioning of the first GPS antenna to the second GPS antenna is known.
  • the determination of the profile of the phase shift-dependent combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal comprises calculating the profile of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio as a function of the phase shift.
  • the course of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal be calculated. This calculation can be carried out for example by a so-called fit. If the course of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal is thus calculated, for example, the position of a phase shift at which the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a maximum or a minimum can be easily calculated.
  • the calculation of the profile of the phase shift-dependent combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal comprises calculating at least a first phase shift at which the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a maximum, and / or at least a second phase shift in which the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal has a minimum.
  • This calculation of the course can be carried out, for example, by a so-called fit, for which only three data pairs are necessary, each consisting of a phase shift and an associated amplitude of the combination signal and / or the Signal-to-noise ratio signal.
  • phase shifts at which the combination signal and / or the signal to noise ratio signal has a maximum and a minimum, respectively, can be accurately determined without determining the course of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal by means of many different phase shifts. A corresponding determination of the course of the combination signal and / or the signal-to-noise ratio signal is therefore possible very quickly.
  • the predetermined distance of the second GPS antenna to the first GPS antenna is less than or equal to one half wavelength of the carrier wave of the GPS satellite signal.
  • the result of determining the relative orientation of the two GPS antennas to each other has only two so-called uniqueness ranges. If the connecting line of the two GPS antennas and the connecting line of a GPS antenna with the GPS satellite are aligned parallel to each other and thus enclose an angle of 0 °, then the running distance difference between the GPS satellite signal and the two GPS Antennas just the distance between the two GPS antennas to each other. The first received signal output by the first GPS antenna then has a phase shift of 180 ° relative to the second received signal output by the second GPS antenna, so that a summation of the two received signals results in a minimum.
  • the connecting line of the two GPS antennas and the connecting line of a GPS antenna with the GPS satellite are not par- allelic to each other and enclose an angle of more than 0 °, then the running distance difference of the GPS satellite signal to the two GPS antennas is less than the distance between the two GPS antennas, that of the first GPS antenna output first output signal to the output from the second GPS antenna second received signal has a phase shift of less than 180 °.
  • the GPS satellite can either be positioned closer to the first GPS antenna or closer to the second GPS antenna.
  • the connecting line of the two GPS antennas and the connecting line of a GPS antenna with the GPS satellite are not aligned parallel to each other and enclose an angle of 90 °, then the running distance difference of the GPS satellite signal to the two GPS antennas is even Zero so that the first received signal output by the first GPS antenna has no phase shift with respect to the second received signal output from the second GPS antenna.
  • the distance between the two GPS antennas is greater than half the carrier wavelength, then there is more than two uniqueness ranges for a detection result of the alignment of the GPS antennas with each other. Because then the running distance difference of the GPS satellite signal to the two GPS antennas is just half the carrier wavelength for an angle between the connecting line of the two GPS antennas with the connecting line a GPS antenna with the GPS satellite greater than 0 °.
  • the uniqueness ranges are thus reduced, so that the determination of the alignment of the GPS antennas with one another is simplified.
  • more than one GPS satellite signal may be received from a plurality of GPS satellites, wherein the additional data is for increasing the determination accuracy the relative orientation of the GPS antennas to each other.
  • the additional data can be used for a plausibility check, according to which the plausibility of the particular orientation of the GPS antennas is examined. If, in the evaluation of the GPS signals, several possible orientations of the GPS antennas to each other, then the most plausible alignment can be determined.
  • the apparatus further comprises a mitigation device electrically connected to the second GPS antenna, the summation device and the control device.
  • the attenuation device is adapted to attenuate the second GPS received signal.
  • the phase shifter connected downstream of the first GPS antenna can cause a weakening of the GPS received signal.
  • the amplitudes of the first GPS received signal and the second GPS received signal can be adapted to each other.
  • 1 shows a schematic block diagram of the device according to the invention for determining a relative orientation of two GPS antennas to one another
  • 2a shows a schematic illustration of a positioning of a GPS satellite with respect to a first and a second GPS antenna
  • a schematic representation of the course of a sum signal which results by summing a second GPS signal with a phase-shifted phase-shifted first GPS received signal, as a function of the phase shift for the positioning shown in Figure 2a
  • a schematic representation of another positioning of a GPS satellite with respect to the first and the second GPS antenna a schematic representation of the course of a sum signal, which results by summing the second GPS signal with the phase-shifted first GPS received signal, depending on the phase shift for the positioning shown in Figure 3a at a first distance between the two GPS antennas
  • a schematic representation of the course of a sum signal which results by summing the second GPS signal with the phase-shifted first GPS received signal, depending on the phase shift for the
  • FIG. 4 a a schematic representation of a further another positioning of a GPS satellite with respect to the first and second GPS antenna; a schematic representation of the course of a sum signal, which results by summing the second GPS signal with the phase-shifted first GPS receive signal, depending on the phase shift for the positioning shown in Figure 3a at a first distance between the two GPS antennas; a schematic representation of two sum signals, each based on two different, from different GPS - Sate 11 i th radiated GPS satellite signals are due; a schematic representation of the course of two signal-to-noise ratios based on different GPS satellite signals emitted by different GPS satellites; a flow diagram of the method according to the invention; and a schematic three-dimensional view of three antenna arrays arranged around a mast to produce three different angles of radiation, each antenna array comprising one antenna array inventive device for determining a relative alignment of two GPS antennas to each other.
  • like reference numerals designate like components and like features, so that a description made with respect to a figure
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of the device according to the invention for determining a relative orientation of second GPS antennas 10, 20 relative to one another.
  • the device comprises a first GPS antenna 10 and a second GPS antenna 20 having a predetermined distance from each other.
  • the first GPS antenna 10 is configured to output a first GPS received signal Sigl upon receipt of a GPS satellite signal PDS transmitted by a GPS satellite Sat (FIGS. 2a, 3a, 4a).
  • the GPS satellite signal PDS may in particular comprise a position data signal PDS.
  • the first GPS antenna 10 is electrically connected to a bandpass filter 12, so that only the first GPS received signal Sigl is forwarded to an amplifier 14 connected to the bandpass filter 12.
  • the frequency of the carrier wave of the GPS satellite signal is 1.5 GHz so that the pass band of the band pass filter is in the narrow range of 1.5 GHz.
  • the amplifier 14 amplifies the first GPS received signal Sigl and forwards it to a phase shifter 16 electrically connected to the amplifier 14.
  • the phase shifter 16 is electrically connected to a controller 50, wherein the phase shifter 16 receives control commands from the controller 15 to set a phase shift cp.
  • the second GPS antenna 20 is electrically connected to a bandpass filter 22, which may be constructed identically to the bandpass filter 12.
  • the bandpass filter 22 in turn is electrically connected to an amplifier 24, which is identical to the amplifier 14.
  • the attenuation device 25 is not absolutely necessary in order to determine with the device according to the invention the orientation of the first GPS antenna 10 to the second GPS antenna 20.
  • the attenuator 25 is electrically connected to the controller 50 and receives therefrom control signals for setting the variable attenuation.
  • the attenuator 25 serves to adjust the amplitude of the second GPS signal Sig2 to the amplitude of the first GPS signal Sigl. Because the first GPS signal Sigl learns by the phase shifter 16 in addition to the phase shift ⁇ also an attenuation.
  • the device for determining the relative orientation of the two GPS antennas 10, 20 to each other further comprises a combination device 30, which is also referred to as a power combiner 30 and which is realized in the illustrated embodiment as summation device 30.
  • Both the phase shifter 16 and the attenuator 25 are electrically connected to the summation device 30.
  • the summation device 30 The first GPS receive signal Sigl phase-shifted by the phase shift ⁇ and the second GPS receive signal Sig2 attenuated by the attenuation device 25 sum and / or combine with one another. This summation takes place taking into account the relative phase angles of the first GPS received signal Sigl and the second GPS signal Sig2.
  • a GPS receiver 40 is electrically connected to the summation device 30 and is configured to generate a summation signal Sum generated by the summation device 30, which is generated by summing the phase-shifted first GPS receive signal Sig1 with the attenuated second GPS receive signal Sig2. to recieve.
  • the GPS receiver 40 outputs, in addition to the position, further data, including a signal-to-noise ratio SNR or a signal-to-noise ratio of the GPS satellite signals PDS and the azimuth and the elevation of the respective received GPS satellites Sat. These data are all included in a standard NMEA edition.
  • the GPS receiver 40 outputs, in addition to the position, further data, including a signal-to-noise ratio SNR or a signal-to-noise ratio of the GPS satellite signals PDS and the azimuth and the elevation of the respective received GPS satellites Sat.
  • the control device 50 is electrically connected to the controller 50 for outputting data to the controller 50.
  • the control device 50 in turn comprises a processor and / or a memory or is connected to a memory, not shown.
  • the controller has control functionality, processing functionality, and / or memory functionality. Consequently, data output by the GPS receiver 40 can be stored by means of the control device 50, the phase shift ⁇ of the phase shifter 16 can be set, and the attenuation of the attenuation device 25 can be set.
  • the dependence of the course of the sum signal Sum on the position of a GPS satellite Sat with respect to the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 as well as the phase shift cp set by the phase shifter 16 will be described below with reference to FIGS.
  • FIG. 2 a shows a positioning of the GPS satellite Sat, in which it is arranged symmetrically between the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20. Consequently, the GPS satellite Sat is at a point of a plane passing between the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20, that is, the connection line between the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 in the middle of which cuts. Therefore, the distance of the GPS satellite Sat to the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 is the same, so that the path to be traveled of the GPS satellite signal PDS radiated from the GPS satellite Sat, to the first GPS antenna 10 is the same length as the second GPS antenna 20. Therefore, the first GPS reception signal Sigl output from the first GPS antenna 10 and the second GPS reception signal Sig2 output from the second GPS antenna 20 have equal phases.
  • FIG. 2b shows the profile of the sum signal Sum as a function of the phase shift cp by which the first GPS received signal Sigl has been phase-shifted, for the positioning of the GPS satellite Sat with respect to the first GPS antenna 10 and the second GPS signal illustrated in FIG. Antenna 20.
  • FIG. 3a shows another positioning of the GPS satellite Sat relative to the first and second GPS antennas 10, 20.
  • the GPS satellite Sat is located at a point of approximate connecting line from the first GPS antenna 10 to the second GPS antenna 20 Therefore, the path to be traveled by the GPS satellite signal PDS between the GPS satellite Sat and the first GPS antenna 10 is longer than that of the GPS satellite signal PDS between the GPS satellite Sat and the second GPS antenna 20 path to be covered.
  • the distance between the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 is indicated by D in FIG. Since the frequency of the carrier wave of the GPS satellite signal PDS is known and is usually 1.5 GHz, at a distance D between the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 of 0.1 m would be from the first GPS antenna 10 outputted first GPS received signal Sigl compared to the output from the second GPS antenna 20 second GPS received signal Sig2 be 180 ° out of phase. Because then the distance D is just half the wavelength of the carrier wave, so that the transit time difference of the GPS satellite signal PDS from the GPS satellites Sat to the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 just leads to a phase shift ⁇ of 180 °. Thus, in general, the following condition must be fulfilled for the positioning shown in FIG. 3a so that the first GPS received signal Sig1 is phase-shifted by 180 ° with respect to the second GPS received signal Sig2:
  • FIG. 3c shows the profile of the sum signal Sum as a function of the phase shift ⁇ for a case in which the distance D between the first GPS antenna 10 and the second GPS antenna 20 does not satisfy the relationship described above.
  • FIG. 4a shows a further different positioning of the GPS satellite Sat in relation to the first and second GPS antennas 10, 20, and Figure 4b shows the course of the sum signal Sum as a function of the set phase shift ⁇ for the positioning of the GPS satellite Sat shown in Figure 4a.
  • the course of the sum signal Sum as a function of the phase shift ⁇ p thus depends on the different positioning of the GPS satellite Sat relative to the first and second GPS antennas 10, 20, so that the course of the sum signal Sum in dependence on the phase shift ⁇ at known distance of the first GPS antenna 10 to the second GPS antenna 20 is characteristic of the position of the GPS satellite sat. Therefore, the relative position of the first GPS antenna 10 to the second GPS antenna 20 can be deduced from the course of the sum signal Sum together with the GPS satellite signal PDS transmitted by the GPS satellite Sat.
  • FIG. 5 shows two sum signals Sum generated in the manner described above.
  • the two sum signals shown differ in that the respective GPS received signals Sigl, Sig2 result from GPS satellite signals PDS which were emitted by GPS satellites Sat, which have different positions with respect to the first and second GPS antennas 10, 20 have.
  • the sum signals Sum thus produced are identical for two phase shifts ⁇ . Consequently, at least three phase shifts ⁇ must be carried out by means of the phase shifter 16 and at the same time the amplitudes of the associated sum signals must be determined in order to reliably and unambiguously determine the course of the sum signal Sum.
  • FIG. 6 shows the dependence on two different signal-to-noise ratios SNR in dependence on a set phase shift cp.
  • the maxima of the signal-to-noise ratios are more pronounced than the corresponding minima. This results from the processing of the GPS received signals Sigl, Sig2 in the GPS receiver 40. It can be seen from FIG. 6 that the signal-to-noise ratio SNR also has a characteristic curve which depends on the adjusted phase shift ⁇ , see also FIG the orientation of the first GPS antenna 10 to the second GPS antenna 20 can also be determined as a function of the signal-to-noise ratio SNR.
  • FIG. 7 shows a flowchart of the method according to the invention which is carried out by the device according to the invention.
  • a GPS satellite signal PDS is received by means of the first GPS antenna 10 and by means of the second GPS antenna 20.
  • the first GPS antenna 10 outputs the first GPS received signal Sigl
  • the second GPS antenna 20 outputs the second GPS received signal Sig2.
  • the first repetition step S1 is followed by a second repetition step 2, in which the phase of the first GPS reception signal Sig1 is shifted by a phase shift cp by means of the phase shifter 16.
  • the phase shift ⁇ is controlled by the phase shifter 16 by means of the control device 50.
  • the second GPS received signal Sig2 is connected to the first GPS received signal Sig1 phase-shifted by the phase shift ⁇ . to generate a sum signal Sum.
  • a sampling signal and / or the signal-to-noise ratio signal SNR is generated from the sum signal Sum.
  • the sampling signal may include, for example, I-data and Q-data of the sum signal Sum. In the following, only the signal-to-noise ratio signal SNR will be described, but the following explanations are also applicable to the sampling signal.
  • the signal-to-noise ratio signal SNR is stored together with the information about the phase shift ⁇ by the controller 50.
  • Step S6 of the course of the phase shift ⁇ dependent signal-to-noise ratio signal SNR determined by the controller 50.
  • This determination of the course of the signal-to-noise ratio signal SNR can be effected, for example, by determining the phase shift ⁇ in a look-up table in the case of a sufficiently accurate measurement or sampling of the profile of the signal-to-noise ratio signal SNR, in which the signal-to-noise ratio Ratio ratio SNR has a maximum or a minimum.
  • phase increment .DELTA..phi. May be only 1.degree.
  • 360 signal-to-noise ratio signals SNR are generated, so that only the phase shift .phi.
  • Ratio signal SNR is minimal or maximum, wherein at such a high resolution measurement or sampling of the signal-to-noise ratio signal SNR, the positioning of the minimum or the maximum of the signal-to-noise ratio signal SNR can be done very accurately.
  • the method step S6 for determining the profile of the signal-to-noise ratio signal SNR may comprise a method step for calculating the profile of the signal-to-noise ratio signal SNR as a function of the phase shift ⁇ . If, for example, the course of the signal-to-noise ratio signal SNR is determined solely as a function of three different phase shifts ⁇ , then due to the knownness of the frequency of the signal-to-noise ratio signal SNR by means of a so-called "fit" History of the signal-to-noise ratio signal SNR be deduced or this can be calculated.
  • step S7 the relative orientation of the first GPS antenna 10 to the second GPS antenna 20 is then determined based on the course of the signal-to-noise ratio signal SNR by means of the control device 50.
  • FIG. 8 shows an application example of the device according to the invention for determining a relative orientation of a first GPS antenna 10 to a second GPS antenna 20.
  • FIG. 8 shows a holding and carrying device 200, for example in the form of a mast 200, on which three antennas or individual antennas 100a, 100b, 100c, which consist for example of three single-column or multi-column antenna arrays, are held in the circumferential direction usually comprising a substantially vertically oriented reflector and arranged in front
  • Radiator devices include. These may be single- or dual-polarized radiating devices for transmission in a frequency band or for two- or multi-frequency bands, for example when dealing with a dual or multi-band antenna arrangement.
  • the individual antenna devices 100a, 100b, 100c are each surrounded by a radome as protection.
  • the antennas 100a, 100b, 100c which are in principle offset at an angle of 120 ° to one another, can also deviate at least slightly from them. to turn the angle on or off, for example, to illuminate the different three sectors differently.
  • two GPS antennas 10, 20 each arranged on the upper end face 102 or above the end face area 102 are each provided with lateral offset.
  • the antenna arrangement comprises the further components according to the invention which have been described or described in the description with reference to FIG.
  • orientation of an antenna arrangement or individual antennas 100a, 100b, 100c, which are each equipped with a device according to the invention can be determined exactly.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung zweier GPS-Antennen zueinander
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung zweier GPS-Antennen zueinander. Mittels des Verfahrens und mittels der Vorrichtung kann beispielsweise der Azimutwinkel und/oder der Elevationswinkel der zwei GPS-Antennen zueinander und somit eines Gegenstandes ermittelt werden, an dem die zwei GPS-Antennen befestigt sind.
Aus der US 5,943,008 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Ausrichtung eines Antennenarrays bekannt . Das Anten- nenarray umfasst mindestens drei Empfangsantennen zum Empfangen von GPS-Satelliten-Signalen, die eine feste und bekannte Positionierung zueinander aufweisen. Die Empfangsantennen sind über eine Schnittstelle mit einem einzelnen GPS-Empfänger elektrisch verbunden. Dabei ist eine erste Antenne zum Ausgeben eines ersten GPS-Signals direkt mit der Schnittstelle verbunden, wobei zwischen einer zweiten Antenne zum Ausgeben eines zweiten GPS-Signals und der Schnittstelle ein erster Verzögerungsschaltkreis und zwischen einer dritten Antenne zum Ausgeben eines dritten GPS-Signals und der Schnittstelle ein zweiter Verzögerungsschaltkreis angeordnet ist. Der erste Verzögerungsschaltkreis verzögert das Weiterleiten des von der zweiten Empfangsantenne empfangenen GPS-Satelliten-Signals zu der Schnittstelle und zum GPS-Empfänger um eine erste feste Verzögerungszeit von beispielsweise 200ns, und der zweite Verzögerungsschaltkreis verzögert das Weiterleiten des von der dritten Empfangsantenne empfangenen GPS-Satelliten- Signals zu der Schnittstelle und zum GPS-Empfänger um eine zweite feste Verzögerungszeit von beispielsweise 400ns. Die ersten und zweiten Verzögerungsschaltkreise dienen mitunter dazu, dass die ersten, zweiten und dritten GPS- Signale von dem GPS-Empfänger vom GPS -Empfänger separat empfangen werden können, ohne miteinander zu interferieren. Der GPS-Empfänger weist eine Verarbeitungsfunktiona- lität auf, so dass der GPS-Empfänger unter Verwendung der relativen Positionen der Empfangsantennen, der bekannten ersten und zweiten Verzögerungszeiten und der bekannten Positionsbeziehung der Em fangsantennen zueinander Aus- richtungsfaktoren bestimmt. Dabei bestimmt der GPS-Empfänger die kleinen Unterschiede zwischen den vorbestimmten mit den unterschiedlichen Empfangsantennen assoziierten Verzögerungszeiten mit den gemessenen Code- und Phasen- Informationen der Empfangssignale. Diese kleinen Unterschiede werden dann zum Bestimmen der Differenz zwischen den Positionen der drei Empfangsantennen verwendet. Folglich werden die Laufzeitunterschiede der GPS-Satelliten- Signale zu den einzelnen Empfangsantennen verwendet, um die relative Ausrichtung der Empfangsantennen zueinander zu bestimmen.
Für eine Präzisionserhöhung der Bestimmung der Ausrichtung des Antennenarrays können mehr als drei Empfangsantennen vorgesehen sein, wobei zwischen jeder einzelnen Antenne und der Schnittstelle und dem GPS-Empfänger jeweils ein Verzögerungsschaltkreis angeordnet seinmuss. Die jeweili- gen Verzögerungsschaltkreise müssen voneinander unterschiedliche Verzögerungen aufweisen, damit die jeweiligen GPS-Signale von dem GPS-Empfänger separat empfangen werden können, da die GPS-Signale nicht miteinander interferieren dürfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer einfachen, kostengünstigen und verbesserten Vorrichtung und eines verbesserten Verfahrens zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung zweier GPS-Antennen zueinan- der, mittels der die Bestimmung der Ausrichtung der zwei GPS-Antennen zueinander mit einer erhöhten Genauigkeit ermittelt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch die
Vorrichtung mit den im Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Im Genaueren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung einer ersten GPS- Antenne zu einer zweiten GPS-Antenne, die erste GPS -Antenne, die zur ersten GPS-Antenne beabstandete zweite GPS- Antenne, einen mit der ersten GPS-Antenne elektrisch ver- bundenen Phasenschieber, eine mit dem Phasenschieber und der zweiten GPS-Antenne elektrisch verbundene Summierungs- einrichtung, einen mit der Kombinationseinrichtung elektrisch verbundenen GPS-Empfänger und eine Steuerungsein- richtung, die mit dem GPS-Empfänger und dem Phasenschieber elektrisch verbunden ist. Bei Empfang des zumindest einen GPS-Satelliten-Signals gibt die erste GPS-Antenne ein erstes GPS-Empfangssignal und die zweite GPS-Antenne gibt ein zweites GPS-Empfangssignal aus. Der Phasenschieber ist dazu ausgebildet, eine Phase des ersten GPS-Empfangssi- gnals um eine Phasenverschiebung zu Verschieben, wobei die Phasenverschiebung variabel ist und mittels der Steuerungseinrichtung einstellbar ist. Die Phasenverschiebung kann einen beliebigen Wert einschließlich Null Grad aufweisen. Die jeweiligen Phasenverschiebungen können äqui- distant zueinander sein oder können zueinander unterschiedliche Winkelabstände aufweisen. Die Kombinationseinrichtung, die eine Summierungseinrichtung umfassen kann und auch als power combiner bezeichnet wird, ist dazu ausgebildet, das zweite GPS-Empfangssignal mit dem um die Phasenverschiebung phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal zu kombinieren, um ein KombinationsSignal zu erzeugen, das dem GPS-Empfänger zugeführt wird. Das Kombina- tionssignal kann vorzugsweise das Summensignal des zweiten GPS-Empfangssignals mit dem um die Phasenverschiebung phasenverschobenen ersten GPS-Empfangsignals sein. Der GPS-Empfänger erzeugt ein Abtastsignal und/oder ein Signal-Rauschverhältnissignal aus dem Kombinationssignal und überträgt das Abtastsignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal zur Steuerungseinrichtung, die das das Abtastsignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal zusammen mit der eingestellten Phasenverschiebung speichert. Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, diese Verfah- renschritte, die auch als Wiederholungsschritte bezeichnet werden, jeweils für zumindest drei unterschiedliche Phasenverschiebungen durchzuführen, wobei alternativ der Empfang des GPS-Satelliten-Signals lediglich einmalig erfolgen kann. Eine elektrische Verbindung der einzelnen oben beschriebenen Bauteile erfolgt über Signalleitungen.
Der Phasenschieber kann auf jede aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise realisiert sein. Insbesondere kann der Phasenschieber unterschiedlich lange Signalleitungen bzw. Verzögerungsleitungen, Induktivitäten und Kapazitäten umfassen. Der Phasenschieber kann auch als ein Allpass realisiert sein. Der Phasenschieber kann auch als digita- 1er Phasenschieber realisiert sein.
Da die Frequenz des Kombinationssignals und somit die Frequenz des Abtastsignals und/oder die Frequenz des Signal-Rauschverhältnissignals und die unterschiedlich eingestellten Phasenverschiebungen bekannt sind, ermittelt die Vorrichtung mittels der Steuerungseinrichtung basierend auf den so erhaltenen zumindest drei Abtastsignalen und/oder Signal-Rauschverhältnissignal , die jeweils bei unterschiedlichen Phasenverschiebungen gewonnen wurden, den Verlauf des Abtastsignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals . Da die relative Positionierung der ersten GPS-Antenne und der zweiten GPS-Antenne bekannt ist, ist der so ermittelte Verlauf des Abtastsignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals charakteris- tisch für die Ausrichtung der ersten GPS-Antenne zu der zweiten GPS-Antenne, so dass die Vorrichtung mittels der Steuerungseinrichtung basierend auf dem Verlauf des des Abtastsignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals die relative Ausrichtung der GPS-Antennen zueinander er- mittein kann.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ausrichtung der zwei GPS-Antennen zueinander mit einer hohen Präzision möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt aufgrund der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zwei GPS-Antennen, um die Ausrichtung der zwei GPS-Antennen zueinander mit hoher Präzision zu er- mittein. Ein weiterer Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich einen GPS-Empfänger benötigt. Die Präzision der Ausrichtungsbestimmung kann dadurch erhöht werden, dass die Wiederholungsschritte öfter als drei mal für jeweils unterschiedliche Phasenverschiebungen durchgeführt werden, so dass der Verlauf des Kombinationssignals und somit der Verlauf des Abtastsignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals genauer ermittelt werden kann. Das Kombinationssignal kann bei einem Phasenhub des Phasenschiebers von beispielsweise 360° für beispiels- weise 360 unterschiedliche Phasenverschiebungen mit winke- läquidistanten Abständen von 1° bestimmt werden. In diesem Fall ist der Verlauf des Kombinationssignals aufgrund der hohen Anzahl von Messpunkten sehr genau. Weiterhin kann die Präzision der Ausrichtungsbestimmung dadurch erhöht werden, dass mehr als ein GPS-Satelliten- Signal mittels der ersten und der zweiten GPS-Antennen empfangen werden. Zum einen können dafür das von einem GPS-Satelliten ausgesendete GPS-Satelliten-Signal zu un- terschiedlichen Zeitpunkten von der ersten und zweiten GPS-Antenne empfangen werden, und zum anderen können zu einem oder zu mehreren Zeitpunkten die GPS-Satelliten- Signale von mehreren GPS-Satelliten von der ersten und zweiten GPS-Antenne empfangen werden.
Insofern ist das Verfahren zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung einer ersten GPS-Antenne zu einer zu dieser beabstandeten zweiten GPS-Antenne bevorzugt so ausgebil- dass das Verfahren folgende Schritte umfasst :
Empfangen von zumindest einem GPS-Satelliten-Si- gnal mittels der ersten GPS-Antenne unter Ausgabe einer der Anzahl der GPS-Satelliten-Signale entsprechenden Anzahl von ersten GPS-Empfangssignalen und mittels der zweiten GPS-Antenne unter Ausgabe einer der Anzahl der GPS-Satelliten-Signale entsprechenden Anzahl von zweiten GPS-Empfangssignalen;
Verschieben einer Phase des/der ersten GPS-Emp- fangssignals/Empfangssignale um eine Phasenverschiebung mittels eines Phasenschiebers;
Kombinieren des/der zweiten GPS-Empfangssignals/ Empfangssignale mit dem/den entsprechenden um die Phasenverschiebung phasenverschobenen ersten GPS- Empfangssignal/GPS-Empfangssignale zum Erzeugen von einer der Anzahl der GPS-Satelliten-Signale entsprechenden Anzahl von Kombinationssignalen mittels einer Kombinationseinrichtung;
Erzeugen einer der Anzahl der GPS-Satelliten-Signale entsprechenden Anzahl von Abtastsignalen und/oder Signal -Rausch-Verhältnissignalen aus dem/ den Kombinationssignal/Kombinationssignalen mittels eines GPS-Empfängers ;
Speichern des/der von der Phasenverschiebung abhängigen Abtastsignal/Abtastsignalen und/oder des/ der von der Phasenverschiebung abhängigen Signal - Rausch-Verhältnissignal/Signal-Rausch-Verhältnis - Signale mittels einer Steuerungseinrichtung;
Ermitteln des Verlaufs / der Verläufe des/der von der Phasenverschiebung abhängigen AbtastSignals/ Abtastsignale und/oder des/der von der Phasenverschiebung abhängigen Signal -Rausch-Verhältnissig- nals/Signal-Rausch-Verhältnissignale mittels der Steuerungseinrichtung; und
Ermitteln der relativen Ausrichtung der ersten GPS-Antenne zu der zweiten GPS-Antenne basierend auf dem Verlauf / den Verläufen des/der Abtastsignals/Abtastsignale und/oder des/der Signal-Rausch- Verhältnissignals/Signal-Rausch-Verhältnissignale mittels der Steuerungseinrichtung. Der erste Verfahrensschritt wird dabei, wie bereits oben erläutert wurde, entweder einmal für eine Phasenverschiebung oder zumindest dreimal für zumindest drei unterschiedliche Phasenverschiebungen ausgeführt. Die zweiten bis fünften Verfahrensschritte werden für zumindest drei unterschiedliche Phasenverschiebungen ausgeführt. Anschließend können dann die sechsten und siebten Verfahrensschritte ausgeführt werden.
Vorzugsweise umfasst das Ermitteln des Verlaufs des Kombi- nationssignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals ein Ermitteln zumindest einer ersten Phasenverschiebung, bei der das Kombinationssignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal ein Maximum aufweist, und/oder zumindest einer zweiten Phasenverschiebung, bei der das Kombina- tionssignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal ein Minimum aufweist. Weiterhin basiert das Ermitteln der relativen Ausrichtung der ersten GPS-Antenne zu der zweiten GPS-Antenne zumindest auf der ersten so ermittelten Phasenverschiebung, bei der das Kombinationssignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal ein Maximum aufweist, und/oder auf zumindest der zweiten Phasenverschiebung, bei der das des Kombinationssignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal ein Minimum aufweist. Da die Frequenz des Summensignals und somit die Frequenz des Kombinationssignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals bekannt ist, lassen sich deren Verläufe einfach durch Angabe einer ersten bzw. zweiten Phasenverschiebung charakterisieren, bei der das Kombinationssignal und/oder das Signal-Rauschverhältnissignal ein Maximum bzw. ein Minimum aufweist. Die Frequenz des Summensignals ist bekannt, da die Frequenz der Trägerwelle des GPS-Satelliten- Signals bekannt ist (für GPS-Signale beträgt die Frequenz der Trägerwelle beispielsweise 1,5 GHz). Die Phasenverschiebung, bei der das Summensignal ein Maximum bzw. ein Minimum aufweist, ist charakteristisch für die relative Positionierung eines das GPS-Satelliten-Signal ausstrahlenden Satelliten bezüglich der ersten GPS-Antenne und der zweiten GPS-Antenne, so dass basierend auf zumindest der ersten Phasenverschiebung und/oder auf zumindest der zweiten Phasenverschiebung die Ausrichtung der ersten GPS- Antenne zu der zweiten GPS-Antenne einfach ermittelt werden kann, da die relative Positionierung der ersten GPS- Antenne zu der zweiten GPS-Antenne bekannt ist.
Vorzugsweise umfasst das Ermitteln des Verlaufs des von der Phasenverschiebung abhängigen Kombinationssignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals ein Berechnen des Verlaufs des Kombinationssignals und/oder des Signal- Rauschverhältnissignals in Abhängigkeit der Phasenverschiebung.
So kann beispielsweise basierend auf lediglich drei Daten- paaren bestehend aus jeweils einer Phasenverschiebung und einer Amplitude des Kombinationssignals und/oder des Signal -Rauschverhältnissignals der Verlauf des Kombinationssignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals berechnet werden. Diese Berechnung kann beispielsweise durch einen so genannten Fit durchgeführt werden. Wenn der Verlauf des Kombinationssignals und/oder des Signal- Rauschverhältnissignals so berechnet wird, kann beispiels- weise die Position einer Phasenverschiebung leicht errechnet werden, bei der das KombinationsSignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals ein Maximum bzw. ein Minimum aufweist. Aufgrund der bekannten Frequenz des KombinationsSignals und/oder des Signal-Rauschverhältnis- Signals und aufgrund der berechneten Phasenverschiebung (en) , bei der das Kombinationssignal und/oder des Signal-Rauschverhältnissignal ein Maximum bzw. ein Minimum bzw. mehrere Maxima bzw. mehrere Minima aufweist, kann die Ausrichtung der ersten GPS-Antenne zu der zweiten GPS- Antenne auf diese Art und Weise mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden, ohne die Notwendigkeit von vielen Messungen des KombinationsSignals und/oder des Signal- Rauschverhältnissignals bei vielen unterschiedlichen Phasenverschiebungen.
Vorzugsweise umfasst das Berechnen des Verlaufs des von der Phasenverschiebung abhängigen Kombinationssignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals ein Berechnen zumindest einer ersten Phasenverschiebung, bei der das Kombinationssignal und/oder des Signal-Rauschverhältnis- signal ein Maximum aufweist, und/oder zumindest einer zweiten Phasenverschiebung, bei der das Kombinationssignal und/oder des Signal-Rauschverhältnissignal ein Minimum aufweist. Dieses Berechnen des Verlaufs kann beispiels- weise durch einen so genannten Fit durchgeführt werden, für den lediglich drei Datenpaare notwendig sind, jeweils bestehend aus einer Phasenverschiebung und aus einer zugehörigen Amplitude des Kombinationssignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals . Somit können die Phasenverschiebungen, bei denen das Kombinationssignal und/oder des Signal-Rauschverhältnissignal ein Maximum bzw. ein Minimum aufweist, genau bestimmt werden, ohne den Verlauf des KombinationsSignals und/oder des Signal-Rauschverhältnissignals mittels vieler unterschiedlicher Phasenverschiebungen zu bestimmen. Eine entsprechende Bestimmung des Verlaufs des KombinationsSignals und/oder des Signal- Rauschverhältnissignals ist daher sehr schnell möglich.
Vorzugsweise ist der vorbestimmte Abstand der zweiten GPS- Antenne zu ersten GPS-Antenne weniger oder gleich einer halben Wellenlänge der Trägerwelle des GPS-Satelliten- Signals .
Wenn der Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der Trägerwelle des GPS-Satelliten-Signals beträgt, dann weist das Ergebnis der Ermittlung der relativen Ausrichtung der zwei GPS- Antennen zueinander lediglich zwei sogenannte Eindeutigkeitsbereiche auf. Wenn die Verbindungslinie der zwei GPS- Antennen und die Verbindungslinie einer GPS-Antenne mit dem GPS-Satelliten parallel zueinander ausgerichtet sind und folglich einen Winkel von 0° einschließen, dann be- trägt der Laufstreckenunterschied des GPS-Satelliten-Signals zu den zwei GPS-Antennen gerade dem Abstand der zwei GPS-Antennen zueinander. Das von der ersten GPS-Antenne ausgegebene erste Empfangssignal weist dann zu dem von der zweiten GPS-Antenne ausgegebene zweiten Empfangssignal eine Phasenverschiebung von 180°, so dass eine Summierung beider Empfangssignale ein Minimum ergibt. Wenn die Verbindungslinie der zwei GPS-Antennen und die Verbindungslinie einer GPS-Antenne mit dem GPS-Satelliten nicht par- allel zueinander ausgerichtet sind und einen Winkel von mehr als 0° einschließen, dann beträgt der Laufstreckenunterschied des GPS-Satelliten-Signals zu den zwei GPS- Antennen weniger als der Abstand der zwei GPS-Antennen zueinander, so dass das von der ersten GPS-Antenne ausgegebene erste Empfangssignal zu dem von der zweiten GPS- Antenne ausgegebene zweiten Empfangssignal eine Phasenverschiebung von weniger als 180° aufweist. Der GPS-Satellit kann in diesem Fall entweder näher an der ersten GPS-An- tenne oder aber näher an der zweiten GPS-Antenne positioniert sein. Somit ergeben sich für einen Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen von weniger als der Hälfte der Trägerwellenlänge genau zwei Eindeutigkeitsbereiche, denn der GPS-Satellit kann sich gemäß dem Ermittlungsergebnis in zwei Hemisphären befinden. Wenn die Verbindungslinie der zwei GPS-Antennen und die Verbindungslinie einer GPS-Antenne mit dem GPS-Satelliten nicht parallel zueinander ausgerichtet sind und einen Winkel von 90° einschließen, dann beträgt der Laufstreckenunterschied des GPS- Satelliten-Signals zu den zwei GPS-Antennen gerade Null, so dass das von der ersten GPS-Antenne ausgegebene erste Empf ngssignal zu dem von der zweiten GPS-Antenne ausgegebene zweiten Empfangssignal keine Phasenverschiebung aufweist .
Wenn der Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen größer als die Hälfte der Trägerwellenlänge ist, dann gibt es für ein Ermittlungsergebnis der Ausrichtung der GPS-Antennen zueinander mehr als zwei Eindeutigkeitsbereiche. Denn dann beträgt der Laufstreckenunterschied des GPS-Satelliten- Signals zu den zwei GPS-Antennen gerade die Hälfte der Trägerwellenlänge für einen Winkel zwischen der Verbindungslinie der zwei GPS-Antennen mit der Verbindungslinie einer GPS-Antenne mit dem GPS-Satelliten, der größer als 0° ist. Wenn der Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen ein n-faches, wobei n ein positive ganze Zahl ist, der halben Trägerwellenlänge beträgt, dann beträgt die Stre- ckendifferenz des GPS-Satelliten-Signals zu den zwei GPS- Antennen für einen Winkel cp, den die Verbindungslinie der zwei GPS-Antennen und die Verbindungslinie einer GPS-Antenne mit dem GPS-Satelliten einschließen, gerade die halbe Trägerwellenlänge, also λ/2, wenn der Winkel φ fol- gende Bedingung erfüllt: φ = arccos (l/n)
Für n = 2 ist φ = 60°, so dass dann der erste Eindeutig- keitsbereich ein Kegel ist, dessen Zentralachse senkrecht zur Verbindungslinie der zwei GPS-Antennen ausgerichtet ist und der dessen Schenkel einen Winkel von 60° (= 180° - 2 * 60°) einschließen. Für n = 3 ist cp = 70,53°, so dass die Schenkel des Kegels, der den ersten Eindeutigkeits- bereich darstellte, einen Winkel von 38,94° ( = 180° - 2 * 70,53°) einschließen.
Durch Reduzieren des Abstandes der zwei GPS-Antennen auf maximal die Hälfte der Trägerwellenlänge werden somit die Eindeutigkeitsbereiche reduziert, so dass die Bestimmung der Ausrichtung der GPS-Antennen zueinander vereinfacht ist .
Gemäß dem Verfahren zum Bestimmen einer relativen Aus- richtung einer ersten GPS-Antenne zu einer zweiten GPS- Antenne können auch mehr als ein GPS-Satelliten-Signal von mehreren GPS-Satelliten empfangen werden, wobei die zusätzlichen Daten zur Erhöhung der Bestimmungsgenauigkeit der relativen Ausrichtung der GPS-Antennen zueinander verwendet werden. Weiterhin können die zusätzlichen Daten für eine Plausibilitätsprüfung verwendet werden, gemäß die Plausibilität der bestimmten Ausrichtung der GPS-Antennen untersucht wird. Ergeben sich bei der Auswertung der GPS- Signale mehrere mögliche Ausrichtungen der GPS-Antennen zueinander, dann kann die plausibelste Ausrichtung bestimmt werden. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Abschwä- chungseinricht ng , die mit der zweiten GPS-Antenne, der Summierungseinrichtung und der Steuerungseinrichtung elektrisch verbunden ist. Die Abschwächungseinrichtung ist angepasst zum Abschwächen des zweiten GPS-Empfangssignals . Der der ersten GPS-Antenne nachgeschaltete Phasenschieber kann eine Abschwächung des GPS-Empfangssignals bewirken. Mittels der Abschwächungseinrichtung können die Amplituden des ersten GPS-Empfangssignals und des zweiten GPS-Emp- fangssignals aneinander angepasst werden.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungs- beispielen. Dabei zeigen im Einzelnen: Figur 1: ein schematisches Blockschaltdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung zweier GPS-Antennen zueinander; Figur 2a.· eine schematische Darstellung einer Positionierung eines GPS-Satelliten bezüglich einer ersten und einer zweiten GPS-Antenne ; eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Summensignals, das sich durch Summieren eines zweiten GPS-Signals mit einem um eine Phasenverschiebung phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal ergibt, in Abhängigkeit der Phasenverschiebung für die in Figur 2a dargestellten Positionierung; eine schematische Darstellung einer anderen Positionierung eines GPS-Satelliten bezüglich der ersten und der zweiten GPS- Antenne ; eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Summensignals, das sich durch Summieren des zweiten GPS-Signals mit dem phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal ergibt, in Abhängigkeit der Phasenverschiebung für die in Figur 3a dargestellten Positionierung bei einem ersten Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen; eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Summensignals, das sich durch Summieren des zweiten GPS-Signals mit dem phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal ergibt, in Abhängigkeit der Phasenverschiebung für die in Figur 3a dargestellten Positionierung bei einem zweiten Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen;
Figur 4a: eine schematische Darstellung einer weite- ren anderen Positionierung eines GPS-Sa- telliten bezüglich der ersten und der zweiten GPS-Antenne; eine schematische Darstellung des Verlaufs eines Summensignals, das sich durch Summieren des zweiten GPS-Signals mit dem phasenverschobenen ersten GPS-Empfangs- signal ergibt, in Abhängigkeit der Phasenverschiebung für die in Figur 3a dargestellten Positionierung bei einem ersten Abstand zwischen den zwei GPS-Antennen; eine schematische Darstellung zweier Summensignale, die jeweils basierend auf zwei unterschiedlichen, von unterschiedlichen GPS - Sate 11 i ten ausgestrahlten GPS- Satelliten-Signale zurückzuführen sind; eine schematische Darstellung des Verlaufs zweier Signal-Rausch-Verhältnisse, die auf unterschiedlichen GPS-Satelliten-Signale basieren, die von unterschiedlichen GPS- Satelliten ausgestrahlt wurden; ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens ; und eine schematische räumliche Darstellung von drei Antennenanordnungen, die um einen Mast herum unter Erzeugung von drei unterschiedlichen Abstrahlwinkeln angeordnet sind, wobei jede Antennenanordnung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung zweier GPS- Antennen zueinander aufweist. In der nun folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bzw. gleiche Merkmale, so dass eine in Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibung bezüglich eines Bauteils auch für die anderen Figuren gilt, so dass eine wiederholende Beschreibung vermieden wird.
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung zweiter GPS-Antennen 10, 20 zueinander. Die Vorrichtung umfasst eine erste GPS -Antenne 10 und eine zweite GPS-Antenne 20, die zueinander einen vorbestimmten Abstand aufweisen. Die erste GPS-Antenne 10 ist dazu ausgebildet, bei Empfang eines GPS-Satelliten-Signals PDS, das von einem GPS-Satelliten Sat (Figuren 2a, 3a, 4a) ausgesendet wird, ein erstes GPS-Empfangssignals Sigl auszugeben. Das GPS-Satelliten-Signal PDS kann insbesondere ein Positionsdatensignal PDS umfassen. Die erste GPS- Antenne 10 ist mit einem Bandpassfilter 12 elektrisch verbunden, so dass lediglich das erste GPS-Empfangssignal Sigl zu einem mit dem Bandpassfilter 12 verbundenen Verstärker 14 weitergeleitet wird. Üblicherweise beträgt die Frequenz der Trägerwelle des GPS-Satelliten-Signals 1,5 GHz, so dass der Durchlassbereich des Bandpassfilters im engen Bereich von 1,5 GHz liegt. Der Verstärker 14 ver- stärkt das erste GPS-Empfangssignal Sigl und leitet dieses zu einem mit dem Verstärker 14 elektrisch, verbundenen Phasenschieber 16 weiter. Der Phasenschieber 16 ist elektrisch mit einer Steuerungseinrichtung 50 verbunden, wobei der Phasenschieber 16 von der Steuerungseinrichtung 15 Steuerungsbefehle zum Einstellen einer Phasenverschiebung cp erhält. Die zweite GPS-Antenne 20 ist mit einem Bandpassfilter 22 elektrisch verbunden, der identisch zu dem Bandpassfilter 12 aufgebaut sein kann. Der Bandpassfilter 22 wiederum ist mit einem Verstärker 24 elektrisch verbunden, der baugleich zu dem Verstärker 14 ist. Mit dem Verstärker 24 ist eine Abschwächungseinrichtung 25 elektrisch verbunden, die das von der zweiten GPS-Antenne 20 ausgegebene zweite GPS- Empfangssignal Sig2 abschwächt. Jedoch ist die Abschwächungseinrichtung 25 nicht unbedingt notwendig, um mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Ausrichtung der ersten GPS-Antenne 10 zu der zweiten GPS-Antenne 20 zu bestimmen.
Die Abschwächungseinrichtung 25 ist elektrisch mit der Steuerungseinrichtung 50 verbunden und empfängt von dieser Steuerungssignale zum Einstellen der variablen Abschwä- chung. Die Abschwächungseinrichtung 25 dient zum Anpassen der Amplitude des zweiten GPS-Signals Sig2 an die Amplitude des ersten GPS-Signals Sigl . Denn das erste GPS-Signal Sigl erfährt durch den Phasenschieber 16 neben der Phasenverschiebung φ auch eine Abschwächung .
Die Vorrichtung zum Bestimmen der relativen Ausrichtung der zwei GPS-Antennen 10, 20 zueinander umfasst ferner eine Kombinationseinrichtung 30, die auch als Power-Combi- ner 30 bezeichnet wird und die im dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel als Summierungseinrichtung 30 realisiert ist. Sowohl der Phasenschieber 16 als auch die Abschwächungseinrichtung 25 sind mit der Summierungseinrichtung 30 elektrisch verbunden. Die Summierungseinrichtung 30 summiert bzw. kombiniert das um die Phasenverschiebung φ phasenverschobene erste GPS-Empfangssignal Sigl und das von der Abschwächungseinrichtung 25 abgeschwächte zweite GPS-Empfangssignal Sig2 miteinander. Diese Summierung erfolgt dabei unter Berücksichtigung der relativen Phasenlagen des ersten GPS-Empfangssignals Sigl und des zweiten GPS-Signals Sig2.
Ein GPS-Empfänger 40 ist mit der Summierungseinrichtung 30 elektrisch verbunden und dazu ausgebildet, ein von der Summierungseinrichtung 30 erzeugtes Summensignal Sum, das durch Summieren des phasenverschobenen ersten GPS-Emp- fangssignals Sigl mit dem abgeschwächten zweiten GPS-Emp- fangssignal Sig2 erzeugt wird, zu empfangen. Der GPS-Emp- fänger 40 gibt neben der Position noch weitere Daten aus, unter anderem ein Signal-Rauschverhältnissignal SNR bzw. Ein Signalrauschverhältnis der GPS-Satelliten-Signale PDS als auch den Azimut und die Elevation der jeweiligen empfangenen GPS-Satelliten Sat . Diese Daten sind alle in einer Standard-NMEA Ausgabe enthalten. Der GPS-Empfänger
40 ist mit der Steuerungseinrichtung 50 zum Ausgeben von Daten an die Steuerungseinrichtung 50 elektrisch verbunden. Die Steuerungseinrichtung 50 wiederum umfasst einen Prozessor und/oder einen Speicher bzw. ist mit einem nicht dargestellten Speicher verbunden. Folglich weist die Steuerungseinrichtung eine Steuerungsfunktionalität, eine Verarbeitungsfunktionalitat und/oder eine Speicherfunktionalität auf. Mittels der Steuerungseinrichtung 50 sind folglich von dem GPS-Empfänger 40 ausgegebene Daten spei- cherbar, die Phasenverschiebung φ des Phasenschiebers 16 einstellbar und die Abschwächung der Abschwächungseinrichtung 25 einstellbar. Im Folgenden wird anhand der Figuren 2a bis 4b die Abhängigkeit des Verlaufs des Summensignals Sum sowohl von der Position eines GPS-Satelliten Sat bezüglich der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20 als auch von der vom Phasenschieber 16 eingestellten Phasenverschiebung cp, um die das erste GPS-Empfangssignal Sigl phasenverschoben ist, erläutert. Figur 2a zeigt eine Positionierung des GPS-Satelliten Sat, bei der dieser symmetrisch zwischen der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Anten- ne 20 angeordnet ist. Folglich befindet sich der GPS-Sa- tellit Sat auf einem Punkt einer Ebene, die zwischen der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20 verläuft, also die Verbindungslinie zwischen der ersten GPS- Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20 in deren Mitte schneidet. Daher ist der Abstand des GPS-Satelliten Sat zu der ersten GPS-Antenne 10 und zu der zweiten GPS-Antenne 20 gleich groß, so dass der zurückzulegende Weg des GPS- Satelliten-Signals PDS, das von dem GPS-Satelliten Sat ausgestrahlt wird, zu der ersten GPS-Antenne 10 gleich lang wie zu der zweiten GPS-Antenne 20 ist. Daher weisen das von der ersten GPS-Antenne 10 ausgegebene erste GPS- Empfangssignal Sigl und das von der zweiten GPS-Antenne 20 ausgegebene zweite GPS-Empfangssignal Sig2 gleiche Phasen auf .
Wenn das erste GPS-Empfangssignal Sigl und das zweite GPS- Empfangssignal Sig2 durch die Summierungseinrichtung 30 summiert werden, wobei das erste GPS-Empfangssignal Sigl nicht mittels des Phasenschiebers 16 phasenverschoben ist, dann addieren sich die zwei GPS-EmpfangsSignale Sigl, Sig2 mit identischen Phasen, so dass das so erzeugte Summensignal Sum ein Maximum aufweist. Wenn hingegen das von der ersten GPS-Antenne 10 ausgegebene erste GPS-Empfangssignal Sigl mittels des Phasenschiebers 16 phasenverschoben wird, dann interferieren sich das erste GPS-Empfangssignal Sigl und das zweite GPS-Empfangssignal Sig2 teilweise weg, wobei sich bei dem so erzeugten Summensignal Sum jeweils ein Minimum ergibt, wenn die Phasenverschiebung ein ganzzahliges Vielfaches von 180° ist. Figur 2b zeigt den Verlauf des Summensignals Sum in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung cp, um die das erste GPS-Empfangssignal Sigl phasenverschoben wurde, für die in Figur 2a dargestellte Positionierung des GPS-Satelliten Sat bezüglich der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20.
Figur 3a zeigt eine andere Positionierung des GPS-Satelliten Sat gegenüber den ersten und zweiten GPS-Antennen 10, 20. Der GPS-Satellit Sat befindet sich auf einem Punkt einer annähernden Verbindungslinie von der ersten GPS- Antenne 10 zu der zweiten GPS-Antenne 20. Daher ist der von dem GPS-Satelliten-Signal PDS zwischen dem GPS-Satelliten Sat und der ersten GPS-Antenne 10 zurückzulegende Weg länger als der von dem GPS-Satelliten-Signal PDS zwischen dem GPS-Satelliten Sat und der zweiten GPS-Antenne 20 zurückzulegende Weg.
Der Abstand zwischen der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20 ist in Figur 3 mit D angegeben. Da die Frequenz der Trägerwelle des GPS-Satelliten-Signals PDS bekannt ist und üblicherweise 1,5 GHz beträgt, würde bei einem Abstand D zwischen der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20 von 0,1 m das von der ersten GPS-Antenne 10 ausgegebene erste GPS-Empfangssignal Sigl gegenüber dem von der zweiten GPS-Antenne 20 ausgegebene zweite GPS-Empfangssignal Sig2 um 180° phasenverschoben sein. Denn dann beträgt der Abstand D gerade die Hälfte der Wellenlänge der Trägerwelle, so dass der Laufzeitunterschied des GPS-Satelliten-Signals PDS vom GPS-Satel- liten Sat zu der ersten GPS-Antenne 10 und zu der zweiten GPS-Antenne 20 gerade zu einer Phasenverschiebung φ von 180° führt. Es muss also im Allgemeinen für die in Figur 3a dargestellte Positionierung folgende Bedingung erfüllt sein, damit das erste GPS-Empfangssignal Sigl gegenüber dem zweiten GPS-Empfangssignal Sig2 um 180° phasenverschoben ist:
D = n*c/2f n ist dabei eine ungerade ganze Zahl (1, 3, 5, 7, ...) . Wenn das erste GPS-Empfangssignal Sigl mittels des Phasen- Schiebers 16 um 180° phasenverschoben wird, dann weist das Summensignal Sum ein Maximum auf, da dann die Phasen des ersten GPS-Empfangssignals Sigl und des zweiten GPS-Emp- fangssignal Sig2 wieder gleich sind. Figur 3b zeigt den Verlauf des Summensignals Sum in Abhängigkeit der einge- stellten Phasenverschiebung φ für die in Figur 3a dargestellte Positionierung des Satelliten Sat gegenüber den ersten und zweiten GPS-Antennen 10, 20, wobei in diesem Fall die oben dargestellte Relation bezüglich des Abstan- des der zwei GPS-Antennen 10, 20 erfüllt ist.
Figur 3c hingegen zeigt den Verlauf des Summensignals Sum in Abhängigkeit der Phasenverschiebung φ für einen Fall, in dem der Abstand D zwischen der ersten GPS-Antenne 10 und der zweiten GPS-Antenne 20 nicht die oben dargestellte Beziehung erfüllt.
Figur 4a wiederum zeigt eine weitere andere Positionierung des GPS-Satelliten Sat gegenüber den ersten und zweiten GPS-Antennen 10, 20, und Figur 4b zeigt den Verlauf des Summensignals Sum in Abhängigkeit der eingestellten Phasenverschiebung φ für die in Figur 4a dargestellte Positionierung des GPS-Satelliten Sat.
Der Verlauf des Summensignals Sum in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung <p hängt also von der unterschiedlichen Positionierung des GPS-Satelliten Sat gegenüber den ersten und zweiten GPS-Antennen 10, 20 ab, so dass der Verlauf des Summensignals Sum in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung φ bei bekanntem Abstand der ersten GPS-Antenne 10 zu der zweiten GPS-Antenne 20 charakteristisch für die Position des GPS-Satelliten Sat ist. Daher kann aus dem Verlauf des Summensignals Sum zusammen mit dem vom GPS- Satelliten Sat übertragenen GPS-Satelliten-Signal PDS auf die relative Positionierung der ersten GPS-Antenne 10 zu der zweiten GPS-Antenne 20 rückgeschlossen werden.
Figur 5 zeigt zwei Summensignale Sum, die auf die oben beschriebene Weise erzeugt werden. Die beiden dargestellten Summensignale unterscheiden sich dadurch, dass die jeweiligen GPS-Empfangssignale Sigl, Sig2 aus GPS- Satelliten-Signalen PDS resultieren, die von GPS-Satelliten Sat ausgestrahlt wurden, die unterschiedliche Positio- nierungen gegenüber den ersten und zweiten GPS-Antennen 10, 20 aufweisen. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass die so erzeugten Summensignale Sum für zwei Phasenverschiebungen φ identisch sind. Folglich müssen zumindest drei Phasenverschiebungen φ mittels des Phasenschiebers 16 durch- geführt werden und gleichzeitig müssen die Amplituden der zugehörigen Summensignale bestimmt werden, um den Verlauf des Summensignals Sum zuverlässig und eindeutig ermitteln zu können. Figur 6 zeigt die Abhängigkeit von zwei unterschiedlichen Signal-Rausch-Verhältnissen SNR (signal-to-noise ratio) in Abhängigkeit von einer eingestellten Phasenverschiebung cp. Aus Figur 6 ist ersichtlich, dass die Maxima der Signal- Rausch-Verhältnisse ausgeprägter sind als die entsprechenden Minima. Dies ergibt sieht aufgrund der Verarbeitung der GPS-Empfangssignale Sigl, Sig2 in dem GPS-Empfänger 40. Aus Figur 6 ist ersichtlich, dass auch das Signal- Rausch-Verhältnis SNR einen charakteristischen Verlauf aufweist, der von der eingestellten Phasenverschiebung φ abhängig ist, so dass die Ausrichtung der ersten GPS-Antenne 10 zu der zweiten GPS-Antenne 20 auch in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnisses SNR bestimmt werden kann.
Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird. In einem ersten Wiederholungsschritt Sl wird ein GPS-Satelliten-Signal PDS mittels der ersten GPS- Antenne 10 und mittels der zweiten GPS-Antenne 20 empfangen. Dabei gibt die erste GPS-Antenne 10 das erste GPS- Empfangssignal Sigl aus und die zweite GPS-Antenne 20 gibt das zweite GPS-Empfangssignal Sig2 aus. Dem ersten Wiederholungsschritt Sl schließt sich ein zweiter Wiederho- lungsschritt 2 an, in dem die Phase des ersten GPS-Emp- fangssignals Sigl um eine Phasenverschiebung cp mittels des Phasenverschiebers 16 verschoben wird. Dabei wird die Phasenverschiebung φ durch den Phasenverschieber 16 mittels der Steuerungseinrichtung 50 gesteuert.
In einem dritten Wiederholungsschritt S3 wird das zweite GPS-Empfangssignal Sig2 mit dem um die Phasenverschiebung φ phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal Sigl sum- miert, um ein Summensignal Sum zu erzeugen. In einem vierten Wiederholungsschritt S4 wird ein Abtastsignal und/oder das Signal-Rausch-Verhältnissignal SNR aus dem Summensignal Sum erzeugt. Das Abtastsignal kann beispielsweise I-Daten und Q-Daten des Summensignals Sum umfassen. Im folgenden wird lediglich auf das Signal-Rausch-Verhältnissignal SNR eingegangen, jedoch sind die folgenden Ausführungen auch auf das Abtastsignal anwendbar. Anschließend wird in einem fünften Wiederholungsschritt S5 das das Signal-Rausch-Verhältnissignal SNR zusammen mit der Information über die Phasenverschiebung φ mittels der Steuerungseinrichtung 50 gespeichert.
Diese Wiederholungsschritte werden mindestens für drei unterschiedliche Phasenverschiebungen φ durchgeführt. Aus Figur 7 ist ersichtlich, dass nach dem fünften Wiederholungsschritt S5 geprüft wird, ob die eingestellte Phasenverschiebung φ einer maximalen Phasenverschiebung cpmax entspricht. Entspricht die eingestellte Phasenverschiebung cp nicht der maximalen Phasenverschiebung cpmax, ist diese also niedriger als die maximale Phasenverschiebung cpmax, dann wird die eingestellte Phasenverschiebung p um ein Phaseninkrement Δφ erhöht, und es wird entweder zum Wiederholungsschritt Sl oder zum Wiederholungsschritt S2 zurückgesprungen. Wie bereits oben erwähnt werden diese Wiederholungsschritte zumindest dreimal durchgef hrt, so dass bei einem Phasenhub von beispielsweise 360° das Phaseninkrement in dem Fall maximal 120° betragen darf. Nachdem so zumindest drei Datenpaare bestehend jeweils aus einem Signal -Rausch-Verhältnissignal SNR und einer dem Signal-Rausch-Verhältnissignal SNR zugeordneter Phasenverschiebung φ gespeichert wurden, wird in einem Verfahrens- schritt S6 der Verlauf des von der Phasenverschiebung φ abhängigen Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR mittels der Steuerungseinrichtung 50 ermittelt. Diese Ermittlung des Verlaufs des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bei einer genügend genauen Messung bzw. Abtastung des Verlaufs des Signal- Rausch-Verhältnissignals SNR die Phasenverschiebung φ in einer Suchtabelle ermittelt wird, bei der das Signal- Rausch-Verhältnissignal SNR ein Maximum bzw. ein Minimum aufweist. Beispielsweise kann das Phaseninkrement Δφ lediglich 1° betragen, so dass bei einem Phasenhub von 360° 360 Signal-Rausch-Verhältnissignale SNR erzeugt werden, so dass in der so erzeugten Suchtabelle lediglich die Phasenverschiebung φ ermittelt werden muss, bei der das Signal- Rausch-Verhältnissignal SNR minimal bzw. maximal ist, wobei bei einer so hoch auflösenden Messung bzw. Abtastung des Signal-Rausch-Verhältnissignal SNR die Positionierung des Minimums bzw. des Maximums des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR sehr genau erfolgen kann.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verfahrensschritt S6 zum Ermitteln des Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnis- Signals SNR einen Verfahrensschritt zum Berechnen des Verlaufs des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR in Abhän- gigkeit der Phasenverschiebung φ umfassen. Wenn beispielsweise der Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR lediglich in Abhängigkeit von drei unterschiedlichen Phasenverschiebungen φ ermittelt wird, dann kann aufgrund der Bekanntheit der Frequenz des Signal-Rausch-Verhältnis- Signals SNR mittels einer Berechnung bzw. mittels eines so genannten Fits auf den Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR zurückgeschlossen werden bzw. dieser kann berechnet werden. Folglich ist auch eine genaue Bestimmung von Minima bzw. Maxima des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR möglich, wenn lediglich wenige Phasenverschiebungen φ durchgeführt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt S7 wird dann basierend auf dem Verlauf des Signal-Rausch-Verhältnissignals SNR mittels der Steuerungseinrichtung 50 die relative Ausrichtung der ersten GPS-Antenne 10 zu der zweiten GPS- Antenne 20 ermittelt.
In Figur 8 ist ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung einer ersten GPS-Antenne 10 zu einer zweiten GPS-Antenne 20 dargestellt. Figur 8 zeigt eine Halte- und Tragevor- richtung 200, beispielsweise in Form eines Mastes 200, an dem in Umfangsrichtung versetzt liegend drei Antennen bzw. Einzelantennen 100a, 100b, 100c gehalten sind, die beispielsweise aus drei ein- oder mehrspaltigen Antennen- arrays bestehen, die üblicherweise einen im wesentlichen vertikal ausgerichteten Reflektor und davor angeordnete
Strahlereinrichtungen umfassen. Es kann sich dabei um einfach- oder dualpolarisierte Strahlereinrichtungen für die Übertragung in einem Frequenzband oder für Zwei- oder Mehrfrequenzbänder handeln, wenn es sich beispielsweise um eine Dual- oder Mehrbandantennenanordnung handelt. Die einzelnen Antenneneinrichtungen 100a, 100b, 100c sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils mit einem Radom als Schutz umgeben. Durch geeignete mechanische oder steuerbare Maßnahmen können die grundsätzlich beispielsweise in einem 120°- Winkel versetzt zueinander liegenden Antennen 100a, 100b, 100c auch in einem zumindest geringfügig davon abweichen- den Winkel ein- bzw. verstellt werden, um beispielsweise die unterschiedlichen drei Sektoren unterschiedlich auszuleuchten.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind nunmehr jeweils auf der oberen Stirnseite 102 oder oberhalb des Stirnseitenbereichs 102 jeweils zwei mit Seitenversatz angeordnete GPS-Antennen 10, 20 vorgesehen. Weiterhin umfasst die Antennenanordnung die weiteren erfindungsgemäßen Bauteile, die in der Beschreibung unter Bezug auf Figur 1 dargestellt bzw. beschrieben wurden. Mittels des oben beschriebenen Verfahrens ist die Ausrichtung der ersten GPS -Antenne 10 zu der zweiten GPS-Antenne 20 und somit die Ausrichtung der einzelnen Antennen 100a, 100b, 100c möglich.
Somit kann die Ausrichtung einer Antennenanordnung bzw. einzelner Antennen 100a, 100b, 100c, die jeweils mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet sind, exakt bestimmt werden.
Bezugszeichenliste :
10 erste GPS-Antenne
11 Signalleitung
12 Bandpassfilter
14 Verstärker
16 Phasenschieber
20 zweite GPS-Antenne
21 Signalleitung
22 Bandpassfilter
24 Verstärker
25 Abschwächungseinrichtung
30 Kombinationseinrichtung, Summierungsein- richtung, power combiner
31 Signalleitung
40 GPS-Empfänger
41, 42, 43 Signalleitung
50 Steuerungseinrichtung
100, 100a,
100b, 100c Gegenstand, Antenne, Einzelantenne
102 Stirnseitenbereich
200 Halte- und Tragevorrichtung / Mast cp Phasenverschiebung
cpl ersten Phasenverschiebung, bei der das
Summensignal ein Maximum
φ2 zweite Phasenverschiebung, bei der das
Summensignal ein Minimum aufweist
cpmax Maximalphasenverschiebung
Δφ Phasenverschiebungsinkrement
D Abstand zwischen erster GPS-Antenne und zweiter GPS-Antenne n Anzahl, wie oft die Wiederholungsschritte durchgeführt werden
PDS GPS-Satelliten-Signal
Sl - S6 Verfahrensschritte
Sat GPS-Satellit
Sigl erstes GPS-Empfangssignal
Sig2 zweites GPS-Empfangssignal
Sum Summensignal

Claims

Patentansprüche ;
1. Verfahren zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung einer ersten GPS-Antenne (10) zu einer zu dieser beabstan- deten zweiten GPS-Antenne (20) , wobei folgende Wiederholungsschritte für mindestens drei unterschiedliche Phasenverschiebungen (cp) durchgeführt werden:
Empfangen (Sl) zumindest eines GPS-Satelliten-Signals (PDS) mittels der ersten GPS-Antenne (10) unter Ausgabe eines ersten GPS-Empfangssignals (Sigl) und mittels der zweiten GPS-Antenne (20) unter Ausgabe eines zweiten GPS-Empfangssignals (Sig2) ;
Verschieben (S2) einer Phase des ersten GPS-Empfangs- Signals (Sigl) um eine Phasenverschiebung (φ) mittels eines Phasenschiebers (16) ;
Kombinieren (S3) des zweiten GPS-Empfangssignals (Sig2) mit dem um die Phasenverschiebung (φ) phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal (Sigl) zum Er- zeugen eines Kombinationssignals (Sum) mittels einer
Kombinationseinrichtung (30) ;
Erzeugen (S4) eines Abtastsignals und/oder eines Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) aus dem Kombinationssignal (Sum) mittels eines GPS-Empfängers (40) ; Speichern (S5) des von der Phasenverschiebung (<p) abhängigen Abtastsignals und/oder des von der Phasenverschiebung (<p) abhängigen Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) mittels einer Steuerungseinrichtung (50) , wobei nach Durchlaufen dieser Wiederholungsschritte folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
Ermitteln (S6) des Verlaufs des von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Abtastsignals und/oder des von der Phasenverschiebung (cp) abhängigen Signal- Rausch-Verhältnissignals (SNR) mittels der Steuerungseinrichtung (50) ; und
Ermitteln (S7) der relativen Ausrichtung der ersten GPS-Antenne (10) zu der zweiten GPS-Antenne (20) basierend auf dem Verlauf des Abtastsignals und/oder des Signal -Rausch-Verhältnissignals (SNR) mittels der
Steuerungseinrichtung (50) .
2. Verfahren zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung einer ersten GPS-Antenne (10) zu einer zu dieser beabstan- deten zweiten GPS-Antenne (20) , umfassend einen Verfahrensschritt des einmaligen Empfangens (Sl) zumindest eines GPS-Satelliten-Signals (PDS) mittels der ersten GPS-Antenne (10) unter Ausgabe eines ersten GPS-EmpfangsSignals (Sigl) und mittels der zweiten GPS-Antenne (20) unter Ausgabe eines zweiten GPS-Empfangssignals (Sig2) , wobei folgende Wiederholungsschritte für mindestens drei unterschiedliche Phasenverschiebungen (cp) durchgeführt werden:
Verschieben (S2) einer Phase des ersten GPS-Empfangs- signals (Sigl) um eine Phasenverschiebung (cp) mittels eines Phasenschiebers (16) ;
Kombinieren (S3) des zweiten GPS-Empfangssignals (Sig2) mit dem um die Phasenverschiebung (cp) phasenverschobenen ersten GPS-Empfangssignal (Sigl) zum Er- zeugen eines Kombinationssignals (Sum) mittels einer Kombinationseinrichtung (30) ;
Erzeugen (S4) eines Abtastsignals und/oder eines Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) aus dem Kombinationssignal (Sum) mittels eines GPS-Empfängers (40) ; Speichern (S5) des von der Phasenverschiebung (cp) abhängigen Abtastsignals und/oder des von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) mittels einer Steuerungseinrichtung (50) , wobei nach Durchlaufen dieser Wiederholungsschritte folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
Ermitteln (S6) des Verlaufs des von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Abtastsignals und/oder des von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Signal- Rausch-Verhältnissignals (SNR) mittels der Steuerungseinrichtung (50) ; und
Ermitteln (S7) der relativen Ausrichtung der ersten GPS-Antenne (10) zu der zweiten GPS-Antenne (20) basierend auf dem Verlauf des Abtastsignals und/oder des Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) mittels der Steuerungseinrichtung (50) .
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- der Verfahrensschritt des Ermitteins (S6) des Verlaufs des AbtastSignals und/oder des Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) umfasst das Ermitteln zumindest einer ersten Phasenverschiebung (φΐ) , bei der das Abtast- signal und/oder Signal-Rausch-Verhältnissignal (SNR) ein Maximum aufweist, und/oder zumindest einer zweiten
Phasenverschiebung (φ2) , bei der das Abtastsignal und/ oder Signal-Rausch-Verhältnissignal (SNR) ein Minimum aufweist ; und der Verfahrensschritt des Ermitteins (S7) der relativen Ausrichtung der ersten GPS-Antenne (10) zu der zweiten GPS-Antenne (20) basiert auf zumindest der ersten Phasenverschiebung (cpl) und/oder auf zumindest der zweiten Phasenverschiebung (cp2) .
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt zum Ermitteln (S6) des Verlaufs des von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Abtastsignals und/oder Signal -Rausch-Verhältnissignals (SNR) einen Verfahrensschritt zum Berechnen des Verlaufs des Abtastsignals und/oder Signal-Rausch- Verhältnissignals (SNR) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung (cp) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt zum Berechnen des Verlaufs des von der Phasenverschiebung (φ) abhängigen Abtastsignals und/ oder Signal-Rausch-Verhältnissignals (SNR) einen Verfah- rensschritt zum Berechnen zumindest einer ersten Phasenverschiebung (cpl) , bei der das Abtastsignal und/oder das Signal -Rausch-Verhältnissignal (SNR) ein Maximum aufweist, und/oder zumindest einer zweiten Phasenverschiebung (cp2), bei der das Abtastsignal und/oder Signal-Rausch-Verhält- nissignal (SNR) ein Minimum aufweist, umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei unterschiedlichen Phasenverschiebungen (φ) , für die die Wie- derholungsschritte durchgeführt werden, zueinander winke- läquidistant sind.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Wiederholungsschritte eine Anzahl (n) entsprechend dem Quotienten einer Maximalphasenverschiebung (cpmax) und einem Phasenverschiebungsinkre- ment (Δφ) für Phasenverschiebungen (φ) durchgeführt wer- den, die ganzzahlige Vielfache des Phasenverschiebungs- inkrements (Δφ) sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalphasenverschiebung (cpmax) mindestens 360° und das Phasenverschiebungsinkrement (Δφ) maximal 120° beträgt .
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholschritte ferner folgende Verfahrensschritte umfassen:
Bestimmen, ob die Phasenverschiebung (cp) der Maximalphasenverschiebung (cpmax) entspricht, mitteles der Steuerungseinrichtung (50) ;
Erhöhen der Phasenverschiebung (cp) um das Phasenverschiebungsinkrement (Δφ) mitteles der Steuerungseinrichtung (50) , wenn die Phasenverschiebung (cp) nicht der Maximalphasenverschiebung (cpmax) entspricht; und Ändern der Phasenverschiebung (cp) des Phasenschiebers (16) mitteles der Steuerungseinrichtung (50) .
10. Verfahren nach einem de vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung einen Azimut- winkel und/oder einen Elevationswinkel umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner einen Schritt zum Abschwächen des zweiten GPS-Empfangssignals (Sig2) mittels einer Abschwächungseinrichtung (25) umfasst .
12. Vorrichtung zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung einer ersten GPS-Antenne (10) zu einer zu dieser beabstan- deten zweiten GPS-Antenne (20) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorrichtung fol- gendes umfasst:
die erste GPS-Antenne (10) und die zweite GPS-Antenne (20) zum Empfangen eines GPS-Satelliten-Signals (PDS) , die jeweils mit dem Gegenstand (100, 100a, 100b, 100c) direkt oder zumindest mittelbar verbindbar oder mit dem Gegenstand (100, 100a, 100b, 100c) fest verbunden sind, wobei die zweite GPS-Antenne (20) zur ersten GPS-Antenne (10) beabstandet ist;
einen Phasenschieber (16) , der mit der ersten GPS- Antenne (10) zumindest mittelbar mittels einer Signal- leitung (11) verbundenen ist;
eine Kombinationseinrichtung (30) , die mittels der Signalleitung (11) mit dem Phasenschieber (16) und mittels einer weiteren Signalleitung (21) mit der zweiten GPS-Antenne (20) zumindest mittelbar verbunden ist;
einen GPS-Empfänger (40) , der mit der Kombinationseinrichtung (30) mittels einer Signalleitung (31) elektrisch verbunden ist; und
eine Steuerungseinrichtung (50) , die mit dem GPS-Emp- fänger (40) zumindest mittelbar über eine Signalleitung (41) und über eine weitere Signalleitung (42) zumindest mittelbar mit dem Phasenschieber (16) verbunden ist .
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste GPS- Antenne (10) zur zweiten GPS-Antenne (20) einen vorbestimmten Abstand (D) aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der vorbestimmte Abstand (D) der zweiten GPS-Antenne (20) zur ersten GPS- Antenne (10) kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge der Trägerwelle des GPS-Satelliten-Signals (PDS) ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zum Durchführen des Verfahrens zum Bestimmen einer relativen Ausrichtung der ersten GPS-Antenne (10) zu der zweiten GPS-Antenne (20) nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung ferner eine zwischen der zweiten GPS-Antenne (20) und der kombinationseinrichtung (30) angeordnete Abschwächungsein- richtung (25) umfasst, die über die Signalleitung (21) zumindest mittelbar mit der zweiten GPS-Antenne (20) und der Kombinationseinrichtung (30) und über eine weitere Signalleitung (43) zumindest mittelbar mit der Steuerungseinrichtung (50) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die erste GPS-Antenne (10) zur zweiten GPS-Antenne (20) lediglich einen horizontalen Abstand aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die erste GPS-Antenne (10) zur zweiten GPS-Antenne (20) lediglich einen vertikalen Abstand aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17 , ferner umfassend eine dritte GPS-Antenne, die einen zu einer Verbindungslinie zwischen der ersten GPS-Antenne (10) und der zweiten GPS-Antenne (20) senkrecht orientierten Ab- stand aufweist.
19. Antenne (100, 100a, 100b, 100c), umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18 zum Bestimmen der Ausrichtung der Antenne (100, 100a, 100b, 100c), wobei die Vorrichtung mit der Antenne (100, 100a, 100b, 100c) zumindest mittelbar verbunden ist oder in der Antenne (100, 100a, 100b, 100c) integriert ist.
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