DE102004032222A1

DE102004032222A1 - Empfänger eines Positionsbestimmungssystems mit verbesserter Sensitivität

Info

Publication number: DE102004032222A1
Application number: DE102004032222A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmid; André Neubauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-03
Also published as: DE102004032222B4; US7233288B2; CN100559208C; CN1715949A; US20060012522A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Empfänger (1) eines Positionsbestimmungssystems, mit einer Berechnungseinheit (6, 7, 8) zur Berechnung eines statistischen Werts (LAMBDA) anhand eines empfangenen Signals, einer Detektoreinheit (9) zum Vergleichen des statistischen Werts (LAMBDA) mit einem Schwellwert (kappa) und zur Bestimmung, ob das empfangene Signal ein synchronisiertes Ortungssignal ist, einer Schätzeinheit (10) zur Schätzung des Rice-Faktors (K) der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde, und einer Bestimmungseinheit zur Berechnung des Schwellwerts (kappa) anhand des Rice-Faktors (K).

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger eines Positionsbestimmungssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Empfängers eines Positionsbestimmungssystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.

Es ist seit längerem bekannt, eine Positionsbestimmung auf der Basis von Funkverbindungen, beispielsweise innerhalb des satellitengestützten GPS (Global Positioning System)-Systems vorzunehmen. Das europäische Satellitennavigationssystem Galileo, sowie Positionierungsverfahren auf Basis terrestrischer Funkquellen bieten weitere Anwendungen. Derartige Positionsbestimmungsverfahren und entsprechende Geräte erlauben dem Benutzer, seine Position durch Messung des Abstands zu einer bestimmten Anzahl von drahtlosen Signalquellen wie Satelliten oder Basisstationen zu bestimmen. Beispielsweise überträgt jeder GPS- und Galileo-Satellit einzigartige digitale Sequenzen, die eine Zeitkennung und die Satellitenposition beinhalteten. Die Signale werden für gewöhnlich mit langen Spreizcodes codiert. Die Spreizcodes für die individuellen Satelliten sind nahezu orthogonal zueinander, sodass die Signale im Empfänger voneinander unterschieden werden können. Beispielsweise sind die Spreizcodes der verschiedenen GPS- und Galileo-Satelliten zueinander mittels hochgenauer, in den Satelliten installierter Atomuhren synchronisiert.

Der Empfänger wertet die relativen Verzögerungen zwischen der Signalübertragung verschiedener Funkquellen (GPS-Satelliten, Galileo-Satelliten oder terrestrische Sender) aus und ermittelt daraus so genannte Verzögerungszeitoffsets. Zusammen mit den Daten über die Position und den Zeitbezug der verschiedenen Funkquellen können die Verzögerungszeitoffsets verwendet werden, um den Empfänger exakt zu lokalisieren. Der Empfänger berechnet zu diesem Zweck die so genannten Pseudo-Reichweiten, welche die Entfernung zu jeder Funkquelle darstellen. Eine Navigationssoftware kann dann die Benutzerposition auf der Basis der Pseudo-Reichweite zu jeder Funkquelle und der Position der Funkquellen durch Lösen eines Satzes von nichtlinearen Gleichungen berechnen.

Die Messung der Verzögerungszeitoffsets zwischen den Empfangssignalen von den Funkquellen erfolgt häufig dadurch, dass ein Korrelationsmaximum in einer Empfängerarchitektur bestimmt wird und angenommen wird, dass dieses Maximum dem direkten Sichtverbindungspfad (line of sight, LOS) mit additivem weißen Gaußschen Rauschen (additive white Gaussian noise, AWGN) entspricht. Das Problem besteht darin, dass die individuellen Ortungssignale den Empfänger nicht immer entlang eines direkten Sichtverbindungspfads erreichen, sondern oftmals von vielfältigen Hindernissen wie Gebäuden oder Hügeln reflektiert werden. Diese reflektierten Ortungssignale legen gegenüber dem sich auf dem Sichtverbindungspfad ausbreitenden Ortungssignal einen längeren Weg zurück, bis sie vom Empfänger empfangen werden, und sind daher verzögert. Bei dieser so genannten Mehrwege-Signalausbreitung, bei der also verschiedene Versionen des Ortungssignals am Empfänger zu verschiedenen Zeitpunkten eintreffen, überlagern sich die verzögerten Ortungssignale an der Antenne des Empfängers. In Abhängigkeit von dem Phasen-Offset erfahren die Ortungssignale konstruktive oder destruktive Interferenzen. Je nach Übertragungsszenario können daher die Amplitude sowie die Phase des empfangenen Signals sehr unterschiedlich ausfallen.

Die Reflexion, Beugung und Streuung der Ortungssignale an Hindernissen führt des Weiteren zu einer Abschwächung der Ortungssignale. Dadurch wird die Signalerkennung bei Mehrwege-Signalausbreitung im Empfänger erschwert.

Die genannten Effekte erfordern eine hohe Sensitivität des Empfängers, um Ortungssignale verlässlich erkennen und synchronisieren zu können.

Viele heutzutage gebräuchliche Empfänger von Positionsbestimmungssystemen basieren darauf, die Abtastwerte der empfangenen Signale zunächst zu entspreizen und anschließend einer kohärenten und einer nicht-kohärenten Integration zu unterwerfen. Die daraus erhaltenen statistischen Werte werden einem Detektor, beispielsweise einem Neyman-Pearson-Detektor, zugeführt, welcher die Wahrscheinlichkeit für die Erkennung der Ortungssignale gemäß den gewünschten Anforderungen maximiert.

Der Detektor vergleicht die ihm zugeführten statistischen Werte mit einem Schwellwert. Sofern ein statistischer Wert größer als der Schwellwert ist, wird angenommen, dass ein Ortungssignal empfangen wurden. Im umgekehrten Fall wird das empfangene Signal nicht als Ortungssignal eingestuft. Dadurch soll vermieden werden, dass Signale, die keine Ortungssignale sind, zur Positionsbestimmung herangezogen werden. Ferner schließt dieses Verfahren auch aus, dass Ortungssignale mit einer zu kleinen Empfangsamplitude zur Positionsbestimmung herangezogen werden. In derzeitige Empfänger sind häufig Detektoren implementiert, die für additives weißes Gaußsches Rauschen optimiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Empfänger für ein Positionsbestimmungssystem zu schaffen, der eine höhere Sensitivität als herkömmliche Empfänger aufweist. Des Weiteren soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 12. gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Empfänger ist Bestandteil eines Positionsbestimmungssystems. Das dem Positionsbestimmungssystem zugrunde liegende Prinzip beruht darauf, dass Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern ausgesendet werden und anschließend von dem Empfänger empfangen werden. Der Empfänger kann anhand eines von ihm empfangenen Ortungssignals den Sender, von welchem das Ortungssignal ausgesendet wurde, und den Zeitpunkt, zu welchem das Ortungssignal ausgesendet wurde, identifizieren. Für den Fall, dass die Sender nicht ortsfest angeordnet sind, lässt sich aus dem Ortungssignal außerdem noch der Ort, an welchem sich der betreffende Sender zum Sendezeitpunkt befand, ableiten. Da der Empfänger die Zeitpunkte, zu denen Ortungssignale von unterschiedlichen Sendern empfangen wurden, kennt, kann er anhand der Laufzeitunterschiede der einzelnen Ortungssignale seine genaue Position ermitteln.

Der erfindungsgemäße Empfänger weist eine Berechnungseinheit auf, welche aus einem empfangenen Signal einen statistischen Wert berechnet. Der statistische Wert wird einer Detektoreinheit zugeführt, die einen Vergleich des statistischen Werts mit einem Schwellwert durchführt. Anhand des Ergebnisses dieses Vergleichs kann die Detektoreinheit bestimmen, ob das empfangene Signal ein synchronisiertes Ortungssignal ist. Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass die Detektoreinheit anhand des durchgeführten Schwellwertvergleichs entscheidet, ob ein empfangenes Ortungssignal zur Positionsbestimmung des Empfängers herangezogen wird. Es kann nämlich vorkommen, dass das Ortungssignal während der Übertragung vom Sender zum Empfänger derart abgeschwächt worden ist, dass es sich bei seinem Empfang nur ungenügend vom Rauschen unterscheiden lässt. Insoweit entspricht der erfindungsgemäße Empfänger herkömmlichen Empfängern von Positionsbestimmungssystemen.

Im Unterschied zu herkömmlichen Empfängern weist der erfindungsgemäße Empfänger jedoch noch eine Schätzeinheit und eine Bestimmungseinheit auf.

Die Schätzeinheit dient zur Schätzung des Rice-Faktors der Funkverbindung, über welche das empfangene Signal übertragen wurde. Der Rice-Faktor ist charakteristisch für die Stärke eines über einen Sichtverbindungspfad übertragenen Signals in Bezug zur Stärke der über Nicht-Sichtverbindungspfade übertragenen Signale. Bei einer Mehrwege-Signalausbreitung ist der Rice-Faktor folglich ein Maß für die Qualität oder die Zuverlässigkeit der Funkverbindung für die durchzuführende Positionsbestimmung. Der Rice-Faktor ist proportional zu dem Verhältnis zwischen der Signalstärke der Sichtverbindungskomponente und der Varianz der Mehrwegekomponente.

Anhand des geschätzten Rice-Faktors bestimmt die Bestimmungseinheit den Schwellwert, welcher anschließend von der Detektoreinheit für den Schwellwertvergleich herangezogen wird.

Der erfindungsgemäße Empfänger weist gegenüber herkömmlichen Empfängern von Positionsbestimmungssystemen den Vorteil einer höheren Sensitivität auf. Die höhere Sensitivität ergibt sich aus der Abhängigkeit des Schwellwerts von dem geschätzten Rice-Faktor. Gibt beispielsweise der Rice-Faktor an, dass die Sichtverbindungskomponente sehr dominant gegenüber der Nicht-Sichtverbindungskomponente ist, so kann ein anderer Schwellwert gewählt werden als in dem umgekehrten Fall, in welchem eine schwache Sichtverbindungskomponente gegeben ist. Im Ergebnis führt dies zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass ein Ortungssignal detektiert wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Empfängern werden bei dem erfindungsgemäßen Empfänger folglich a-priori-Informationen genutzt, um einen optimalen Schwellwert zu berechnen.

Die Bestimmungseinheit kann derart ausgestaltet sein, dass sie zunächst die Wahrscheinlichkeitsdichte (probability density function), die das empfangene Signal nach der Verarbeitung im Empfänger durch kohärente und nicht-kohärente Integration aufweist, anhand des geschätzten Rice-Faktors berech net. Anschließend wird der Schwellwert des Detektors anhand der Wahrscheinlichkeitsdichte unter Berücksichtigung des Rice-Faktors berechnet.

Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der Bestimmungseinheit kann vorgesehen sein, dass die Bestimmungseinheit, nachdem sie die Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet hat, den Schwellwert aus einer Tabelle ausliest. In dieser Tabelle sind die Werte der Wahrscheinlichkeitsdichte mit den zugehörigen Schwellwerten aufgetragen. Die Tabelle wird vorzugsweise vor der Durchführung der Positionsbestimmung erstellt.

Eine weitere Alternative zur Bestimmung des Schwellwerts bildet eine Tabelle, die direkt die Detektorschwellwerte für die geschätzten Rice-Faktoren auflistet. Auch diese Tabelle wird vorzugsweise vor der Durchführung der Positionsbestimmung auf der Basis von vorberechneten Wahrscheinlichkeitsdichten erstellt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers wird ein Wert für die Fehldetektionswahrscheinlichkeit fest vorgegeben. Die Fehldetektionswahrscheinlichkeit stellt die Wahrscheinlichkeit dafür dar, dass ein Signal, welches kein synchronisiertes Ortungssignal ist, von der Detektoreinheit fälschlicherweise für ein Ortungssignal gehalten wird. Dies passiert beispielsweise in dem Fall, in dem sich das durch Nicht-Ortungssignale erzeugte zufällige Rauschen so unglücklich kombiniert, dass es einen statistischen Wert erzeugt, der über dem Schwellwert liegt. Bei der vorliegenden bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers fließt in die Berechnung des Schwellwerts neben dem geschätzten Rice-Faktor auch der Wert für die Fehldetektionswahrscheinlichkeit ein.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Empfängers sieht vor, dass die Berechnungsein heit eine Reihenschaltung enthält, welche einen ersten Integrator zur kohärenten Integration, einen Betragsquadrat- oder Betragsbildner und einen zweiten Integrator zur nicht-kohärenten Integration umfasst. In die Reihenschaltung werden von einem Analog-Digital-Wandler erzeugte Abtastwerte des empfangenen Signals eingegeben. Am Ausgang der Reihenschaltung sind die statistischen Werte abgreifbar.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sender die Ortungssignale spreizcodieren. In diesem Fall weist die Berechnungseinheit eine Einheit zur Entspreizung des empfangenen Signals auf.

Es stehen grundsätzlich mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, um Werte, aus denen der Rice-Faktor abgeschätzt werden soll, aus dem Empfangspfad auszukoppeln. Beispielsweise können die von der Berechnungseinheit generierten statistischen Werte der Schätzeinheit zugeführt werden, um daraus den Rice-Faktor abzuleiten. Alternativ dazu können die von der Entspreizeinheit erzeugten Werte der Schätzeinheit zugeführt werden.

Zur Schätzung des Rice-Faktors können die Verfahren herangezogen werden, die in der unter dem Aktenzeichen 10 2004 027 666.8 beim Deutschen Patent- und Markenamt geführten deutschen Patentanmeldung „Verbesserung der Zuverlässigkeit und der Genauigkeit von Positionsbestimmungs-Verfahren durch Abschätzung des Rice-Faktors einer Funkverbindung" angegebenen sind. Die genannte Patentanmeldung wird hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.

Der Rice-Faktor lässt sich beispielsweise anhand der nachfolgend aufgeführten Gleichungen (1) und (2) bestimmen, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und Ê{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird:

Das Positionsbestimmungssystem kann ein satellitengestütztes System sein. In diesem Fall sind die Sender auf den in dem jeweiligen System verwendeten Satelliten angebracht. Insbesondere kann das Positionsbestimmungssystem ein GPS-System, ein GLONASS-System oder ein Galileo-Systems sein. Es kann sich im Prinzip aber auch um ein rein terrestrisches Positionsbestimmungssystem mit terrestrischen Funkquellen handeln. Derartige Positionsbestimmungssysteme können beispielsweise auf den Auswerteverfahren „time of arrival" (TOA), „time difference of arrival" (TDOA) oder „enhanced observed time difference" (E-OTD) beruhen. Die genannten Auswerteverfahren können auch in amerikanische, europäische oder asiatische Mobilfunksysteme implementiert werden, wie beispielsweise GSM, GPRS, EDGE, UMTS, DCS-1800, IS-136, IS-95, PCS-1900, CDMA-2000 und PDC.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Positionsbestimmung eines zu einem Positionsbestimmungssystems gehörenden Empfängers.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Vergleich eines statistischen Werts mit einem Schwellwert durchgeführt. Dazu wird zunächst der statistische Wert anhand eines von dem Empfänger empfangenen Signals berechnet. Des Weiteren wird der Rice-Faktor der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde, geschätzt. Anhand des geschätzten Rice-Faktors wird der Schwellwert berechnet. Anschließend kann anhand des Ergebnisses des genannten Vergleichs bestimmt werden, ob das empfangene Signal ein synchronisiertes Ortungs signal ist und/oder ob das empfangene Signal zur Positionsbestimmung des Empfängers verwendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gleichen Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Positionsbestimmung auf wie der erfindungsgemäße Empfänger.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Empfängers 1 als erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Empfängers;
2 ein Blockschaltbild eines Empfängers 20 als zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Empfängers;
3a bis 8b Auftragungen der Wahrscheinlichkeit P_d für die Detektion des Ortungssignals gegen das Verhältnis C/N₀ aus der Signalträgerleistung C und der Rauschleistungsspektraldichte N₀;
9 ein Blockschaltbild einer Schätzvorrichtung 100 zur Schätzung des Rice-Faktors; und
10a bis 11b Diagramme mit den Ergebnissen der simulierten Schätzung des Rice-Faktors.
In 1 ist das Blockschaltbild eines Empfänger 1 eines Positionsbestimmungssystems dargestellt. Vorliegend handelt es sich um ein GPS-System. Die von den Satelliten des GPS-Systems ausgesendeten Ortungssignale werden von einer Antenne 2 empfangen. Der Antenne 2 ist eine RF-Frontend-Stufe 3 nachgeschaltet. Die RF-Frontend-Stufe 3 gibt die Quadraturkompo nenten der komplexen Einhüllenden r(t) eines empfangenen Ortungssignals im Basisband aus: r(t) = √2C·d(t)·c(t)·exp(j·Δφ(t)) + n(t) (3)
In Gleichung (3) stehen d(t) für das Datensignal, c(t) für den empfangenen Spreizcode, Δφ(t) = φ(t) – φ_r(t) für den Phasenoffset zwischen der empfangenen Signalphase φ(t) und der Referenzphase φ_r(t) und n(t) für das komplexwertige additive weiße Gaußsche Rauschen (additive white Gaussian noise; AWGN) mit Mittelwert Null.
Nach der Verarbeitung durch die RF-Frontend-Stufe 3 wird das empfangene Ortungssignal von einem hinter der RF-Frontend-Stufe 3 angeordneten Analog-Digital-Wandler 4 zu Zeitpunkten ν abgetastet (ν ∊
). Die Abtastwerte r_ν werden entspreizt, indem sie ein Multiplizierer 5 mit dem komplex-konjugierten lokalen PRN Referenzspreizcode c * / r,ν + τ mod L multipliziert. Die daraus erhaltenen Produkte werden in einem kohärenten Integrator 6 gemäß folgender Gleichung (4) aufsummiert:
Der Parameter L = T_c/T_s (L ∊
) gibt das Verhältnis zwischen der kohärenten Integrationszeit T_c und der Abtastperiode T_s an.
Durch Ausführen der Summation in Gleichung (4) ergibt sich:
In Gleichung (5) geben R_rc(τ) die zirkulare Kreuzkorrelationsfunktion zwischen c_ν und c_{r,ν + τmodL}, Δω den Frequenzversatz nach der Dopplerentfernung und w_μ = w_I,μ + j·w_Q,μ das resultierende komplexwertige additive weiße Gaußsche Rauschen mit Mittelwert Null an. Für die Erwartungswerte E{w 2 / I} und E{w 2 / Q} gilt:
Die von dem kohärenten Integrator 6 ausgegebenen Werte s_μ werden einem Betragsquadrat- bzw. Betragsbildner 7 und anschließend einem nicht-kohärenten Integrator 8 zugeführt. Bei der nicht-kohärenten Integration werden N = T_n/T_c Werte aufsummiert, wobei T_n die nicht-kohärente Integrationszeit angibt. Durch eine Division von Gleichung (5) durch σ 2 / w nehmen die Inphase-Komponente w_I und die Quadratur-Komponente w_Q des additiven weißen Gaußschen Rauschens eine Standardnormalverteilung mit Varianz Eins an. Von dem nicht-kohärenten Integrator 8 wird der nachfolgend aufgeführte statistische Wert Λ_AWGN ausgegeben:
In einem nachgeschalteten Detektor 9 wird der statistische Wert Λ_AWGN mit einem Schwellwert κ_AWGN verglichen. Sofern Λ_AWGN ≥ κ_AWGN gilt, wird angenommen, dass eine Hypothese H₁ zutrifft, nach welcher das empfangene Signal ein von einem Satelliten ausgesendetes Ortungssignal ist, welches die getestete Code-Phase τ aufweist. Im umgekehrten Fall, nämlich für Λ_AWGN < ĸ_AWGN, gilt eine Hypothese H₀, welche besagt, dass das an der Antenne 2 empfangene Signal kein synchronisiertes Ortungssignal ist, welches die getestete Code-Phase τ aufweist.
Die Funktionsweise des Detektors 9 basiert auf dem Neyman-Pearson-Kriterium, welches die Wahrscheinlichkeit für die Detektion des Ortungssignals maximiert, sofern eine feste Rate für eine Fehldetektion, bei welcher ein Signal fälschlicherweise für das synchronisierte Ortungssignal mit der getesteten Code-Phase τ gehalten wird, vorgegeben ist.
Die Wahrscheinlichkeit P_f für eine Fehldetektion wird folgendermaßen berechnet:
Der Schwellwert ĸ wird anhand von Gleichung (8) berechnet, indem für die Wahrscheinlichkeit P_f ein fester Wert, beispielsweise 10^–3, vorgegeben wird.
Die Wahrscheinlichkeit P_d für die Detektion des Ortungssignals ist durch die nachfolgende Gleichung gegeben:
Die Wahrscheinlichkeit P_d kann als eine Funktion des Quotienten C/N₀ berechnet werden, wobei C die Signalträgerleistung und N₀ = k·T₀ die Rauschleistungsspektraldichte angeben. Dabei ist k = 1,38·10^–23 J/K die Boltzmann-Konstante und T₀ = 290 K die Raumtemperatur.
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichte (probability density function) p_Λ eine nicht-zentrale χ²-Verteilungsfunktion:
I_M/2-1(x) ist die modifizierte Bessel-Funktion erster Art und (M/2 – 1)ter Ordnung. Die Anzahl M_AWGN der Freiheitsgrade der χ²-Verteilungsfunktion von Gleichung (10) und der Nicht-Zentralitätsparameter γ 2 / AWGN berechnen sich wie folgt:
Soweit der Empfänger 1 bisher beschrieben wurde, entspricht er herkömmlichen Empfängern von GPS-Systemen, die für Kanäle mit additivem weißen Gaußschen Rauschen optimiert sind. Erfindungsgemäß weist der Empfänger 1 jedoch darüber hinaus noch eine Schätzeinheit 10 zur Schätzung des Rice-Faktors K auf.
Sofern das empfangene Signal eine dominante, stationäre, d.h. nicht schwundbehaftete, Signalkomponente wie das Sichtverbindungssignal aufweist, gehorcht die Einhüllende des empfangenen Signals einer Rice-Verteilung. Ferner erzeugt der Rice-Mehrwegekanal eine komplexwertige weiße Gaußsche Rauschvariable u mit Mittelwert Null, die in der Bestimmungsgleichung der Einhüllenden r(t) des empfangenen Ortungssignals als multiplikativer Faktor auftritt. Für die Einhüllende x der Variable u gilt:
Nach „Probability, Random Variables and Stochastic Processes" von A. Papoulis und A. U. Pillai, erschienen bei McGraw-Hill, New York, 2002, folgt die Einhüllende x folgender Rice-Schwundverteilung (Ricean fading distribution) p_x(x):
I₀(x) ist die modifizierte Bessel-Funktion erster Art und nullter Ordnung. A 2 / u ist die Signalstärke der Sichtverbindungskomponente:
Der Rice-Faktor K ist definiert als das Verhältnis zwischen der Signalstärke der Sichtverbindungskomponente und der Varianz der Mehrwegekomponente:
Daraus folgt für die komplexe Einhüllende des Rice-Mehrwegekanals im Basisband: r(t) = √2C·d(t)·c(t)·exp(j·Δφ(t))·u(t) + n(t) (17)
Ferner gelten:
Für die aus dem kohärenten Integrator 6 ausgegebenen Werte s_μ gilt im Falle einer Rice-Verteilung folgende Gleichung:
Die Addition der beiden Gaußschen Variablen mit Mittelwerten ungleich Null in Gleichung (22) erzeugt eine weitere Gaußsche Variable mit Mittelwert ungleich Null. Die aus der genannten Addition hervorgegangene Gaußsche Variable kann normiert werden, um eine Normalverteilung ungleich Null und mit Varianz Eins zu erzeugen.
Die von dem Detektor 9 durchzuführende Schwellwertentscheidung weist die folgende Form auf:
Für σ 2 / Ri gilt:
Aus den obigen Gleichungen ergibt sich für die Wahrscheinlichkeitsdichte (probability density function)
eine nicht-zentrale χ²-Verteilungsfunktion:
I_M/2-1(x) ist die modifizierte Bessel-Funktion erster Art und (M/2 – 1)ter Ordnung. Die Anzahl M_Rice der Freiheitsgrade der χ²-Verteilungsfunktion von Gleichung (25) und der Nicht-Zentralitätsparameter γ 2 / Rice berechnen sich wie folgt:
Falls das dominante Sichtverbindungssignal schwächer wird, entartet die Rice-Verteilung zu einer Rayleigh-Verteilung und der Rice-Faktor K nimmt den Wert Null an. Für eine Rayleigh-Verteilungen weist daher die Bestimmungsgleichungen für die Wahrscheinlichkeitsdichte
folgende Form auf:
Dabei gelten:
Die Erfindung sieht vor, dass der Rice-Faktor K geschätzt wird und anhand des Rice-Faktors K der optimale Schwellwert κ berechnet wird. Der optimale Schwellwert κ kann mittels der Gleichungen (8) und (25) berechnet werden, sofern gemäß dem Neyman-Pearson-Kriterium für die Wahrscheinlichkeit P_f ein fester Wert, beispielsweise 10^–3, vorgegeben wird. Für die Schätzung des Rice-Faktors K ist in 1 die Schätzeinheit 10 vorgesehen. Die Berechnung des Schwellwerts κ kann entweder in der Schätzeinheit 10 oder in dem Detektor 9 erfolgen.
In 1 ist vorgesehen, dass die Schätzeinheit 10 von dem nicht-kohärenten Integrator 8 gespeist wird. Alternativ dazu kann eine Schätzeinheit zur Schätzung des Rice-Faktors K auch dem Multiplizierer 5 nachgeschaltet sein. Das Blockschaltbild eines derartigen Empfängers 20 ist in 2 dargestellt. Der Empfänger 20 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Empfänger 1 lediglich durch die Anordnung der Schätzeinheit 21 und dem dementsprechend unterschiedlichen inneren Aufbau der Schätzeinheit 21 im Vergleich zur Schätzeinheit 10. Alternativ zu den beiden genannten Möglichkeiten kann die Schätzeinheit auch von dem kohärenten Integrator 6 oder von dem Betragsquadrat- bzw. Betragsbildner 7 gespeist werden.
Die Erfindung führt zu einer erheblichen Erhöhung der Sensitivität des Empfängers. Je größer die nicht-kohärente Integrationszeit T_n und je niedriger der Rice-Faktor K sind, desto größer ist die Sensitivität im Vergleich zu herkömmlichen Empfängern. Beispielsweise beträgt für eine nicht-kohärente Integrationszeit T_n von 10 Sekunden und einem Rice-Faktor K von 1 der Gewinn an Sensitivität 3,0 dB.
Weitere Beispiele für die Erhöhung der Sensitivität sind in den 3a, 3b bis 8a, 8b gegeben. In den genannten Figuren ist jeweils die Wahrscheinlichkeit P_d für die Detektion des Ortungssignals gegen das Verhältnis C/N₀ der Signalträgerleistung C gegen die Rauschleistungsspektraldichte N₀ aufgetragen. Die gestrichelten Kurven geben die Wahrscheinlichkeit P_d eines herkömmlichen Empfängers wieder, während die durchgezogenen Kurven die für einen erfindungsgemäßen Empfänger geltende Wahrscheinlichkeit P_d angeben. Zur Berechnung der in den 3a bis 8b abgebildeten Kurven wurden P_f = 10^–3 und T_c = 20 ms gesetzt. Der Positionsbestimmung des Empfängers liegt vorliegend der Standard GPS L1-C/A zugrunde.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Schätzung des Rice-Faktors K erläutert. Dieses Verfahren ist in der oben bereits erwähnten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2004 027 666.8 beschrieben.
Das Verfahren zur Schätzung des Rice-Faktors K beruht auf den zweiten und vierten nicht-zentralen Momenten der Rice-Verteilung. Ganz allgemein lässt sich das nicht-zentrale Moment der Rice-Verteilung durch folgende Gleichung angeben:
In Gleichung (31) steht ₁F₁(x;y;z) für die konfluente hypergeometrische Funktion. Die geraden nicht-zentralen Momente der Rice-Verteilung werden zu gewöhnlichen Momenten vereinfacht. Insbesondere gilt daher: E{R2} = A2 + 2σ2 (32) E{R4} = A4 + 8σ2A2 + 8σ4 (33)
Oben wurde bereits die Definition des Rice-Faktors K angegeben:
Da alle individuellen Momente der Rice-Verteilung von σ und K abhängen, wird eine Hilfsfunktion definiert, die nur noch von dem Rice-Faktor K abhängt:
Auflösen von Gleichung (36) nach K liefert eine nicht-negative Lösung, die eine Abschätzung des Rice-Faktors K angibt:
Das beschriebene Verfahren zeichnet sich durch eine schnelle Konvergenz und eine niedrige Implementierungskomplexität aus.
In 9 ist ein Blockschaltbild einer Schätzvorrichtung 100 zur Schätzung des Rice-Faktors K gemäß obiger Gleichung (37) dargestellt.
Gemäß dem in 9 dargestellten Blockschaltbild werden Signalwerte in die Schätzvorrichtung 100 über einen Eingang 101 eingegeben. Die Signalwerte werden zunächst einem Betragsquadratbildner 102 zugeführt. Dessen Ausgang ist mit dem Eingang eines Quadratbildners 103 und mit dem Eingang eines laufenden Mittelwertbildners 104 verbunden. Der laufende Mittelwertbildner 104 liefert Näherungswerte für die in der Gleichung (37) auftretenden Terme Ê{R²}. Der Ausgang des Quadratbildners 103 wird dem Eingang eines laufenden Mittelwertbildners 105 zugeführt. Der laufende Mittelwertbildner 105 liefert Näherungswerte für die in der Gleichung (37) auftretenden Terme Ê{R⁴}. Der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 104 wird dem Eingang eines Quadratbildners 106 und dem ersten Eingang eines Multiplizierers 107 zugeführt. Der Ausgang des Quadratbildners 106 wird dem ersten Eingang eines Addierers 108 zugeführt, während der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 105 dem zweiten Eingang des Addierers 108 mit negativem Vorzeichen zugeführt wird. Der Ausgang des Quadratbildners 106 wird außerdem einem Zweifach-Multiplizierer 109 zugeführt. Dessen Ausgang wird einem ersten Eingang eines Addierers 110 zugeführt, dessen zweitem Eingang der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 105 mit negativem Vorzeichen zugeführt wird. Der Ausgang des Addierers 110 ist mit einem Wurzelbildner 111 verbunden, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers 107 in Verbindung steht. Der Ausgang des Multiplizierers 107 wird einem ersten Eingang eines Addierers 112 mit negativem Vorzeichen zugeführt und einem zweiten Eingang des Addierers 112 wird der Ausgang des Zweifach-Multiplizierers 109 mit negativem Vorzeichen zugeführt und einem dritten Eingang des Addierers 112 wird der Ausgang des laufenden Mittelwertbildners 105 zugeführt. Der Ausgang des Addierers 112 wird dem Multiplizierer-Eingang eines kombinierten Multiplizierer/Dividierers 113 zugeführt, während dem Dividierer-Eingang der Ausgang des Addierers 108 zugeführt wird. Dem Multiplizierer-Eingang wird der Zähler des rechten Ausdrucks der Gleichung (37) zugeführt, während dem Dividierer-Eingang der Nenner zugeführt wird. Der Ausgang des kombinierten Multiplizierer/Dividierers 113 liefert den Schätzwert des Rice-Faktors K. Der Schätzwert kann am Ausgang 114 der Schätzvorrichtung 100 abgegriffen werden.
In den 10a, 10b sowie 11a, 11b sind zwei Konvergenz-Simulationen zur Schätzung des Rice-Faktors K dargestellt. Während die in den 10a und 10b dargestellte Simulation einen Rice-verteilten Prozess mit K = 10 darstellt, bezieht sich die in den 11a und 11b dargestellte Simulation auf einen Rayleigh-verteilten Prozess, bei dem folglich K = 0 gilt.
In 10b ist zu sehen, dass der mit der Gleichung (37) geschätzte Rice-Faktor gegen den Wert K = 10 konvergiert, während in 11b gezeigt ist, dass sich der Rice-Faktor dem Wert 0 annähert.

Claims

Empfänger (1; 20) eines Positionsbestimmungssystems, das auf der Auswertung unterschiedlicher Laufzeiten von Ortungssignalen basiert, wobei die Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern mit bekannten Positionen ausgesendet werden und vom Empfänger (1; 20) empfangen werden, mit – einer Berechnungseinheit (6, 7, 8) zur Berechnung eines statistischen Werts (Λ) anhand eines von dem Empfänger (1; 20) empfangenen Signals, und – einer Detektoreinheit (9), die derart ausgestaltet ist, dass sie den statistischen Wert (Λ) mit einem Schwellwert (ĸ) vergleicht und anhand des Vergleichs bestimmt, ob das empfangene Signal ein Ortungssignal ist und/oder ob das empfangene Signal zur Positionsbestimmung des Empfängers verwendet wird, gekennzeichnet durch – eine Schätzeinheit (10; 21) zur Schätzung des Rice-Faktors (K) der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde, und – eine Bestimmungseinheit zur Bestimmung des Schwellwerts (ĸ) anhand des geschätzten Rice-Faktors (K).
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Rice-Faktors (K) berechnet und dass sie den Schwellwert (ĸ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet.
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Rice-Faktors (K) berechnet und dass sie den Schwellwert (ĸ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte mittels einer Tabelle bestimmt.
Empfänger (1; 20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie den Schwellwert (ĸ) anhand des geschätzten Rice-Faktors (K) mittels einer Tabelle bestimmt.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bestimmungseinheit derart ausgestaltet ist, dass sie den Schwellwert (ĸ) anhand einer vorgegebenen festen Fehldetektionswahrscheinlichkeit berechnet, wobei die Fehldetektionswahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit dafür ist, dass das empfangene Signal kein synchronisiertes Ortungssignal ist, aber von der Detektoreinheit für ein Ortungssignal gehalten wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass in der Berechnungseinheit Abtastwerte (r_ν) des empfangenen Signals eine Reihenschaltung (6, 7, 8) speisen, welche einen ersten Integrator (6) zur kohärenten Integration, einen Betragsquadrat- oder Betragsbildner (7) und einen zweiten Integrator (8) zur nicht-kohärenten Integration umfasst.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die von den Sendern ausgesendeten Ortungssignale spreizcodiert sind, und – dass in der Berechnungseinheit eine Entspreizeinheit (5) zur Entspreizung des empfangenen Signals vorgesehen ist.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Schätzeinheit (10; 21) zur Schätzung des Rice-Faktors (K) von der Berechnungseinheit (6, 7, 8) mit dem statistischen Wert (Λ) oder von der Entspreizeinheit (5) mit den entspreizten Abtastwerten gespeist wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) von der Schätzeinheit (10; 21) entsprechend
geschätzt wird, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und Ê{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) von der Schätzeinheit (10; 21) entsprechend
geschätzt wird, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und Ê{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Empfänger (1; 20) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Sender des Positionsbestimmungssystems auf Satelliten oder terrestrisch angeordnet sind.
Verfahren zur Positionsbestimmung eines Empfängers (1; 20) eines Positionsbestimmungssystems, das auf der Auswertung unterschiedlicher Laufzeiten von Ortungssignalen basiert, wobei die Ortungssignale von einer Mehrzahl von Sendern mit bekannten Positionen ausgesendet werden und vom Empfänger (1; 20) empfangen werden, mit den Schritten: (a) Berechnen eines statistischen Werts (Λ) anhand eines von dem Empfänger (1; 20) empfangenen Signals; (b) Vergleichen des statistischen Werts (Λ) mit einem Schwellwert (κ); und (c) Bestimmen anhand des Ergebnisses des Vergleichs, ob das empfangene Signal ein Ortungssignal ist und/oder ob das empfangene Signal zur Positionsbestimmung des Empfängers verwendet wird, gekennzeichnet durch (d) Schätzen des Rice-Faktors (K) der Funkverbindung, über die das empfangene Signal übertragen wurde; und (e) Bestimmen des Schwellwerts (κ) anhand des geschätzten Rice-Faktors (K).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (e) die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Rice-Faktors (K) berechnet wird, und – dass der Schwellwert (κ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (e) die Wahrscheinlichkeitsdichte des empfangenen, insbesondere vorverarbeiteten Signals anhand des geschätzten Rice-Faktors (K) berechnet wird, und – dass der Schwellwert (κ) anhand dieser Wahrscheinlichkeitsdichte mittels einer Tabelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (e) der Schwellwert (κ) anhand des geschätzten Rice-Faktors (K) mittels einer Tabelle bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schwellwert (κ) anhand einer vorgegebenen festen Fehldetektionswahrscheinlichkeit berechnet wird, wobei die Fehldetektionswahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit dafür ist, dass das empfangene Signal kein synchronisiertes Ortungssignal ist, aber im Schritt (c) für ein Ortungssignal gehalten wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, – dass im Schritt (a) Abtastwerte (r_ν) des empfangenen spreizcodierten Signals entspreizt werden, – dass die entspreizten Abtastwerte kohärent integriert werden, – dass die Betragsquadrate der Ergebnisse der kohärenten Integration gebildet werden, und – dass die Betragsquadrate nicht-kohärent integriert werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) anhand des statistischen Werts (Λ) oder anhand von entspreizten Abtastwerten oder anhand von kohärent integrierten entspreizten Abtastwerten oder anhand des Betrags von kohärent integrierten entspreizten Abtastwerten geschätzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) entsprechend
geschätzt wird, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und Ê{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, – dass der Rice-Faktor (K) entsprechend
geschätzt wird, wobei R die Amplitude von Abtastwerten des empfangenen Signals ist und Ê{x} durch eine laufende Mittelwertbildung von x angenähert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, – dass die Sender des Positionsbestimmungssystems auf Satelliten oder terrestrisch angeordnet sind.