DE102016225548A1

DE102016225548A1 - Verfahren zur Mehrwegeunterdrückung unter Ausnutzung der Polarisation für Satellitensignale

Info

Publication number: DE102016225548A1
Application number: DE102016225548.7A
Authority: DE
Inventors: Friederike Fohlmeister; Andreas Iliopoulos; Matteo Sgammini; Felix Antreich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung der Mehrwegeausbreitung von Satellitensignalen bei der Ermittlung der Signallaufzeit des LOS-Signals. Es wird eine Empfangsantennengruppe mit Linkszirkularpolarisations-Antennenausgängen und mit Rechtszirkularpolarisations-Antennenausgängen bereitgestellt, wobei die Empfangsantennengruppe einem Beamforming unterzogen werden kann. Ferner wird eine Bank von Korrelatoren bereitgestellt. Unter Verwendung sämtlicher Ausgänge der Bank von Korrelatoren wird eine Kovarianzmatrix berechnet. Die Linkszirkularpolarisations-Antennenausgänge und sämtliche Ausgänge der Bank von Korrelatoren werden zur Empfangsrichtungs- und Polarisationsschätzung von Mehrwegesignalen genutzt. Die Rechtszirkularpolarisations-Antennenausgänge werden zur Schätzung der Empfangsrichtung des LOS-Signals genutzt. Die Rechtszirkularpolarisations-Antennenausgänge und die Linkszirkularpolarisations-Antennenausgänge werden für ein Beamforming der Empfangsantennengruppe in Empfangsrichtung des LOS-Signals genutzt. Die Mehrwegeausbreitung wird mit Hilfe einer Linearkombination aus kopolaren und kreuzpolaren Antennengruppenantworten, deren Gewichtung aus der Polarisation des Mehrwegesignals hervorgeht, unterdrückt.

Description

Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Prioritäten der beiden früheren deutschen Patentanmeldungen 10 2015 226 486.6 vom 22. Dezember 2015 und 10 2016 202 354.3 vom 16. Februar 2016 in Anspruch, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung gehören.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mehrwegeunterdrückung unter Ausnutzung der Polarisation für Satellitensignale und insbesondere von Satellitennavigationssignalen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Unterdrückung der Mehrwegeausbreitung von Satellitensignalen bei der Ermittlung der Signallaufzeit des LOS-Signals.
Die Genauigkeit der Positionslösung von Globalen Satellitennavigationssystemen (GNSS) ist abhängig von der Genauigkeit der Schätzung der Signallaufzeit des direkten Pfades vom Satelliten zum Empfänger (”Line of Sight” (LOS)). Mehrwegesignale, das heißt zusätzlich empfangene Signalkopien mit von der LOS-Signallaufzeit unterschiedlicher Signallaufzeit stören die Kreuzkorrelationsfunktion von Empfangssignal und lokaler Signalkopie, die zur Schätzung der Signallaufzeit LOS Signals genutzt wird. Dies kann die Genauigkeit der Schätzung der Signallaufzeit und die Genauigkeit der gesamten Positionslösung beeinträchtigen. Die Erfindung dient der Richtungsschätzung und Unterdrückung von Mehrwegesignalen mit Hilfe eines Dual-Polarisationsmultiantennenempfängers (mit Ausgängen für linkszirkular polarisierte Signale und für rechtszirkular polarisierte Signale) in der Polarisationsebene des Empfangssignals.
Derzeitige Lösungen zur Richtungsschätzung von Mehrwegesignalen schätzen die Richtung auf Basis der Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix nach der Korrelation. Dafür wir zur Berechnung nur das Ausgangssignal des sogenannten Promptkorrelators für jeden Empfangszug folgend den Antennen im GNSS-Empfänger genutzt.
Derzeitige Lösungen zur Unterdrückung von Mehrwegen nutzen spezielle Regelschleifen und/oder Antennengruppen und/oder Antenne(n) mir rechtszirkularer Polarisation zur Unterdrückung von Mehrwegen in der räumlichen, zeitlichen oder Polarisationsebene.
Zu den speziellen Regelschleifen zählen die mehrwegeschätzende Delay Lock Loop (”Multipath Estimating Delay Lock Loop” (MEDLL)), die LOS und Mehrwegesignale in der zeitlichen Ebene trennt.
Empfänger mit Antennengruppen nutzen unter anderem Vektor-Tracking oder Antennendiagrammformung (”Beamforming”), um das LOS-Signal und Mehrwegesignal in der räumlichen Ebene zu trennen. Oder sie nutzen räumliche Glättung (”Spatial Smoothing”) und/oder Vorwärts-Rückwärts-Mittelung (”Forward Backward Averaging”), um LOS-Signal und Mehrwegesignale in der zeitlichen Ebene zu trennen.
Die Nutzung von rechtszirkular polarisierten Empfangsantennen führt zu einer Mehrwegeunterdrückung, da das vom Satelliten abgestrahlte Signal ausschließlich rechtszirkular polarisiert ist und Reflexionen zu einer Änderung der Polarisation hin zu elliptischen oder linkszirkular polarisierten Signalen führt. Diese Signale werden von rechtszirkular polarisierten Empfangsantennen prinzipiell stark unterdrückt.
Die gängigen Verfahren zur Schätzung der Mehrwegerichtung mit Hilfe der aus dem Promptkorrelator-Ausgang geschätzten räumlichen Kovarianzmatrix sind dann eingeschränkt, wenn LOS-Signal und Mehrwegesignal zeitlich zu weit voneinander entfernt sind, da dann das Mehrwegesignal unterdrückt ist.
Die herkömmlichen Verfahren zur Mehrwegeunterdrückung schlagen insbesondere dann fehl, wenn das LOS-Signal zeitlich und/oder räumlich stark mit dem Mehrwegesignal korreliert ist und/oder das Mehrwegesignal elliptisch oder rechtszirkular polarisiert ist und/oder aus niedriger Elevation stammt.
Als zeitlich hinreichend unkorreliert bezeichnet man LOS-Signal und Mehrwegesignale dann, wenn diese zeitlich mehr als eine halbe Chiplänge getrennt sind. Wenn die Signale zeitlich näher beieinander liegen, können im Fall von Mehrantennenempfängern räumliche Glättung (”Spatial Smoothing”) oder Vorwärts-Rückwärts-Mittelung (”Forward Backward Averaging”) angewendet werden. Die Anwendung dieser Verfahren ist allerdings von der Phasendifferenz und der Anzahl an Antennen abhängig. Spatial Smoothing erfordert außerdem eine Vandermondestruktur der Antennengruppe.
Die nötige räumliche Trennung in Grad steigt mit sinkender Anzahl an Antennen im Mehrantennenempfänger. Strahlformung zur Mehrwegesignalunterdrückung funktioniert nur, wenn das LOS-Signal und das Mehrwegesignal so weit voneinander entfernt sind, dass die Leistung des Mehrwegesignals unterdrückt werden kann, während die Leistung des direkten Signals verstärkt wird. Außerdem wird häufig eine Richtungsschätzung angewendet, um die Antennendiagrammformung durchzuführen. Diese ist nur dann mit hinreichender Genauigkeit möglich, wenn LOS-Signal und Mehrwegesignal räumlich ausreichend getrennt sind.
Elliptisch oder durch Mehrfachreflexion rechtszirkular polarisierte Mehrwegesignale können von einer rechtszirkular polarisierten Antenne nur unvollständig oder gar nicht herausgefiltert werden, wodurch das Mehrwegesignal weiterhin empfangen wird.
In der Praxis häufig verwendete Patchantennen haben bei niedrigen Elevationen der Satelliten eine nur geringe kreuzpolare Isolation, d. h. dass es zu einem Übersprechen von Signalen der Linkszirkularpolarisationsausgänge (LZPA) auf die Signale der Rechtszirkularpolarisationsausgänge (RZPA) der Antenne und umgekehrt kommt. Dadurch können Mehrwegesignale aus niedriger Elevation nur mangelhaft herausgefiltert werden.
Brennemann, M., Morton, J., Yang, C., van Graas, F., "Mitigation of GPS Multipath Using Polarization and Spatial Diversities," Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2007), Fort Worth, TX, September 2007, pp. 1221–1229 beschreibt ein Verfahren, bei dem die Berechnung der Mehrwege und LOS Empfangsrichtungen auf dem Ausgang eines Korrelators (Abschnitt 3, 1) Detect the multipath signal in the LHCP input by correlating the LHCP channel signal with the tracking loop reference signal) basiert. Zur Berechnung der Mehrwege Emfpangsrichtungen wird das Ausgangssignal eines Korrelators aller LZPA genutzt. Eine Berechnung der Polarisationskoeffizienten der Mehrwege erfolgt nicht. Zur Berechnung der LOS Emfpangsrichtung wird das Ausgangssignal eines Korrelators aller RZPA genutzt. Die Unterdrückung der Mehrwegesignale durch ein Null-Steering in Richtung der Mehrwegeempfangsrichtung und eine Antennendiagrammformung in Richtung der LOS Empfangsrichtung erfolgt nur über die RZPA-Signale.
M. Zhang, L. Wang, S. Xu and Y. Wang, "GPS signal anti-jamming based on dual-polarzied antenna array," Signal Processing, Communications and Computing (ICSPCC), 2011 IEEE International Conference on, Xi'an, 2011, pp. 1–4 beschreibt ein Verfahren zur Interferenzunterdrückung bei dem weder die Interferenz Empfangsrichtung noch die LOS Empfangsrichtung berechnet wird. Die Berechnung der räumlichen Kovarianzmatrix basiert auf den Signalen aller RZPA und LZPA aller Antennen, nicht aber auf dem Ausgang eines oder mehrerer Korrelatoren. Die Signalverarbeitung findet also vor der Korrelation statt. Die Unterdrückung der Interferenz erfolgt durch Leistungsinvertierung, das heißt durch Invertierung der Leistung von Interferenz und Satellitensignal, wodurch das zuvor Leistungsmäßig schwächere Satellitensignal eine höhere Leistung als das Interferenzsignal erhält. Die Leistungsinvertierung erfolgt durch eine Innenproduktbildung aus der ersten Spalte der Inversen der räumlichen Kovarianzmatrix mit dem Vektor aller Signal aller RZPA und LZPA aller Antennen.
P. D. Groves, Z. Jiang, B. Skelton, and P. A. Cross, "Novel Multipath Mitigation Methods using a Dual-polarization Antenna", in Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, September 2010, Portland beschreibt drei unterschiedliche Verfahren die auf einer Dualpolarisationsantenne mit nur einem Ausgang basieren. Das heißt die von uns angesprochenen Algorithmen können gar nicht angewandt werden, da keine räumliche Signalverarbeitung möglich ist. Das erste Verfahren trackt den RZPA und LZPA getrennt für alle Satelliten und führt die Ergebnisse erst im Navigationsmodul des Empfängers zusammen. Eine Behandlung von Mehrwegen erfolgt dadurch, dass Satelliten mit hoher Leistung im LZPA nicht für die Positionierung genutzt werden. Im zweiten Verfahren trackt den RZPA und LZPA getrennt für alle Satelliten und führt eine Korrektur der RZPA Pseudorange basierend auf den Ergebnissen des LZPA trackings durch. Das dritte Verfahren wird nur sehr generisch beschrieben wie eine Verkopplung der Signale von RZPA und LZPA schon auf tracking Ebene erfolgen kann, z. B durch einen Kalman Filter.
Hinsichtlich des weiteren Standes der Technik sei ferner allgemein verwiesen auf DE 60 305 525 T2 , DE 60 035 555 T2 , DE 10 2012 014 803 A1 , DE 11 2006 000 941 T5 , M. Z. H. Bhuizan, E. Lohan, and M. Renfors, "Code Tracking Algorithms for Mitigating Multipath Effects in Fading Channels for Satellite-Based Positioning", EURASIP Journal an Advances in Signal Processing, vol. 2008, 2008, J. Soubielle, I. Fijalkow, P. Duvaut, and A. Bibaut, "GPS positioning in a multipath environment", Signal Processing, IEEE Transactions on, vol. 50, no. 1, pp. 141–150, Jan 2002, und G. Seco-Granados, J. Fernandez-Rubio, and C. Fernandez-Prades, "ML estimator and hybrid beamformer for multipath and interference mitigation in GNSS receivers", Signal Processing, IEEE Transactions on, vol. 53, no. 3, pp. 1194–1208, March 2005.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Unterdrückung von Mehrwegesignalausbreitungen bei Satellitensignalen in verbesserter Weise zu unterdrücken, und zwar unter Ausnutzung der Polarisation der Satellitensignale.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Unterdrückung der Mehrwegeausbreitung von Satellitensignalen bei der Ermittlung der Signallaufzeit des LOS-Signals, wobei bei dem Verfahren

– eine Dualpolarisationsantenne bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von Empfangsantennen aufweist, von denen jede mit einem Linkszirkularpolarisationsausgang und einem Rechtszirkularpolarisationsausgang versehen ist,
– jedem Linkszirkularpolarisationsausgang und jedem Rechtszirkularpolarisationsausgang eine mehr als drei Korrelatoren aufweisende Bank von Korrelatoren zugeordnet wird, wobei das Ausgangssignal jedes Längszirkularpolarisationsausgangs und das Ausgangssignal jedes Rechtszirkularpolarisationsausgangs mit mehr als drei Replika des Satellitensignals, deren Code-Phasen jedoch unterschiedlich sind, korreliert wird, und somit jedem Korrelator also eine Code-Phase zugeordnet ist, die verschieden ist von den Code-Phasen der anderen Korrelatoren der Bank, womit jeder Korrelator das betreffende Antennenausgangssignal mit einer Replik des an sich bekannten, ausschließlich rechtszirkular polarisierten Satellitensignals mit von diesem abweichender Code-Phase korreliert,
– unter Verwendung der Ausgangssignale sämtlicher Korrelatoren sämtlicher Bänke eine Kovarianzmatrix berechnet wird, wie es weiter unten beschrieben ist,
– die Ausgangssignale derjenigen Korrelatoren sämtlicher Bänke, die den Linkszirkularpolarisationsausgängen der Dualpolarisationsantenne zugeordnet sind, für die Schätzung der Empfangsrichtungen und von Polarisationskoeffizienten von Mehrwegesignalen genutzt wird,
– die Ausgangssignale derjenigen Korrelatoren sämtlicher Bänke, die den Rechtszirkularpolarisationsausgängen der Dualpolarisationsantenne zugeordnet sind, zur Schätzung der Empfangsrichtung des LOS-Signals genutzt werden,
– die Leistung der Anteile im Satellitensignal aus der geschätzten Empfangsrichtung des LOS-Signals durch Beamformung unter Verwendung der Ausgangssignale sämtlicher Korrelatoren sämtlicher Bänke beibehalten wird und
– die Leistung der Anteile im Satellitensignal aus den geschätzten Empfangsrichtungen der Mehrwegesignale mittels einer Linearkombination aus der Dualpolarisationsantennenantwort auf Linkszirkularpolarisationssignalanteile aus den geschätzten Mehrwegesignalempfangsrichtungen und aus der Dualpolarisationsantennenantwort auf Rechtszirkularpolarisationssignalanteile aus den geschätzten Mehrwegesignalempfangsrichtungen unterdrückt wird, wobei diese beiden Dualpolarisationsantennenantworten gewichtet werden, und zwar gleich den Gewichtungen der geschätzten Polarisationskoeffizienten der Mehrwegesignale.

Alternativ wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Unterdrückung der Mehrwegeausbreitung von Satellitensignalen bei der Ermittlung der Signallaufzeit des LOS-Signals vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren

– eine Empfangsantennengruppe mit Linkszirkularpolarisations-Antennenausgängen und mit Rechtszirkularpolarisations-Antennenausgängen bereitgestellt wird, wobei die Empfangsantennengruppe einem Beamforming unterzogen werden kann,
– eine Bank von Korrelatoren bereitgestellt wird, wobei das Ausgangssignal jedes Längszirkularpolarisationsausgangs und das Ausgangssignal jedes Rechtszirkularpolarisationsausgangs mit mehr als drei Replika des Satellitensignals, deren Code-Phasen jedoch unterschiedlich sind, korreliert wird, und somit jedem Korrelator also eine Code-Phase zugeordnet ist, die verschieden ist von den Code-Phasen der anderen Korrelatoren der Bank, womit jeder Korrelator das betreffende Antennenausgangssignal mit einer Replik des an sich bekannten, ausschließlich rechtszirkular polarisierten Satellitensignals mit von diesem abweichender Code-Phase korreliert,
– unter Verwendung sämtlicher Ausgänge der Bank von Korrelatoren eine Kovarianzmatrix berechnet wird, wie es weiter unten beschrieben ist
– die Linkszirkularpolarisations-Antennenausgänge und sämtliche Ausgänge der Bank von Korrelatoren zur Empfangsrichtungs- und Polarisationsschätzung von Mehrwegesignalen genutzt wird,
– die Rechtszirkularpolarisations-Antennenausgänge zur Schätzung der Empfangsrichtung des LOS-Signals genutzt werden,
– die Rechtszirkularpolarisations-Antennenausgänge und die Linkszirkularpolarisations-Antennenausgänge für ein Beamforming der Empfangsantennengruppe in Empfangsrichtung des LOS-Signals genutzt werden und
– die Mehrwegeausbreitung mit Hilfe einer Linearkombination aus kopolaren und kreuzpolaren Antennengruppenantworten, deren Gewichtung aus der Polarisation des Mehrwegesignals hervorgeht, unterdrückt wird.

Die Schätzung der Mehrwegesignalrichtung erfolgt mit einer Kovarianzmatrix, die mit Hilfe aller Ausgangssignale sämtlicher Korrelator-Banken berechnet wird.
Erfindungsgemäß wird eine Dual-Polarisations-Antennengruppe (Antennen für vertikale lineare Polarisation und horizontale lineare Polarisation) sowohl zur Identifikation der Mehrwegesignale als auch zur Strahlformung genutzt.
Eine Dualpolarisations-Antennengruppe aus Patchantennen hat jeweils zwei Ausgänge für jede Antenne. Ein Ausgang (nämlich der RZPA) gibt den rechtszirkular polarisierten Anteil des Empfangssignals aus, während der andere Ausgang (d. h. der LZPA) den linkszirkular polarisierten Empfangssignalanteil ausgibt. Alle Ausgänge werden in dem Verfahren genutzt und zur Richtungsschätzung und Antennendiagrammformung genutzt.
Für die Richtungsschätzung des direkten Signals vom Satelliten zum Empfänger dienen die ”rechtszirkularen Ausgänge” der Antennengruppe, da dieses rechtszirkular polarisiert ist.
Für die Richtungsschätzung der Mehrwegesignale dienen die linkszirkularen Ausgänge der Antennengruppe, da die durch Reflexion entstehenden Mehrwegesignale elliptisch oder linkszirkular polarisiert sind und somit in den linkszirkularen Ausgängen den direkten Pfad dominieren. Die Richtungsschätzung kann derart erfolgen, dass gleichzeitig auch die Polarisation der Mehrwegesignale mit Hilfe eines Eigenwertproblems geschätzt wird.
Für die Kovarianzmatrixberechnung gilt Folgendes.
Gegeben sei eine Gruppenantenne mit M Antennenelementen, die jeweils einen RZPA und einen LZPA aufweisen. Dann kann das zeitdiskrete Empfangssignal in der der k-ten Verarbeitungsperiode als folgende Matrix dargestellt werden:
Die Vektoren y_R,i[k], y_L,i[k], enthalten dabei die Abtastwerte des Empfangssignals am RZPA bzw. LZPA der i-ten Antenne an N aufeinanderfolgenden Zeitpunkten.
Nach der Korrelation mit mehr als drei Korrelatoren mit unterschiedlicher Code-Phase können die Ausgangssignale an allen Korrelatoren an allen RZPA bzw. LZPA aller Antennen als folgende Matrix dargestellt werden:
wobei die Vektoren z_R,i[k], z_L,i[k] die skalaren Ausgangswerte der Q Korrelatoren für das Signal am RZPA bzw. LZPA der i-ten Antenne zusammenfassen als
Die Schätzung der räumlichen Kovarianzmatrix in dem Verfahren ist dann der Mittelwert aus dem Matrixprodukt Z[k]Z[k]^H für K aufeinanderfolgende Perioden:
wobei Z[k]^H die Transponierte und komplex Konjungierte der Matrix Z[k] beschreibt.
Für die Antennendiagrammformung wird eine linear beschränkende minimale Varianz erzielende (”linear constrained minimum variance (LCMV)”) Antennendiagrammformung genutzt. Dabei werden im Gegensatz zu gängigen Verfahren alle Antennenausgänge genutzt. Zum Setzen der Nullstellen in Empfangsrichtung der Mehrwegesignale wird eine Linearkombination aus ko- und kreuzpolaren Antennengruppenantworten genutzt. Die Gewichtung ergibt sich aus der Polarisation der Mehrwegesignale.
Wesentliche Merkmale der Erfindung sind also wie folgt:

1. Nutzen der linkszirkularen Antennenausgänge und aller Ausgänge einer Bank von Korrelatoren zur Richtungs- und Polarisationsschätzung von Mehrwegesignalen.
2. Nutzen der rechts- und der linkszirkular polarisierten Antennenausgänge für die Antennendiagrammformung in Richtung des LOS Signals.
3. Mehrwegeunterdrückung mit Hilfe einer Linearkombination aus ko- und kreuzpolaren Antennengruppenantworten, deren Gewichtung aus der Polarisation des Mehrwegesignals hervorgeht.

Anhand der Zeichnung ist nochmals als Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Erfindung lässt sich insbesondere bei Satellitennavigationsempfängern für Schiffe, Flugzeuge und GBAS-Bodenstationen einsetzen.
Die Erfindung befasst sich also mit dem Problem der Sichtlinien-(LOS)Parameter-Schätzung in starken Mehrwege-Umgebungen. Im Falle hochgradig zeitlich und räumlich korrelierter LOS- und Mehrwege-Signale, wie z. B. bei Straßenschluchten, sind die üblichen Mehrwege-Mitigationsverfahren stark degradiert, da eine Signaltrennung in der räumlich-zeitlichen Domäne nicht durchgeführt werden kann. In diesem Fall nutzt die Erfindung die LOS- und Mehrwege-Polarisations-Diversität, um die Signale zu entkoppeln, und zwar unter Verwendung eines Antennen-Arrays mit rechtszirkularer Polarisation (RHCP) und linkszirkularer Polarisation (LHCP). Die Mehrwege-Eintreffrichtungs-(DOA) und Polarisations-Koeffizienten können effektiv aus der LHCP-Raum-Kovarianz-Matrix geschätzt werden. Die LOS-DOA kann aus der RHCP-Raum-Kovarianz-Matrix geschätzt werden. Die räumlichen Kovarianz-Matrizen werden aus den Ausgangswerten einer Abgleichs-Korrelator-Bank berechnet. Die DOA- und Polarisations-Schätzungen werden verwendet, um einen Dual-Polarisations-Strahlformer zu implementieren, wodurch die LOS-Energie maximiert wird und die Mehrwege-Energie über beiden Polarisationen unterdrückt wird. Die LOS-Zeitverzögerung wird aus dem Strahlformer-Ausgangswert insbesondere mittels einer Maximum-Likelihood-(ML)Schätzvorrichtung geschätzt, und zwar mit signifikant reduzierter Anzahl von Parametern und rechnerischer Komplexität im Vergleich zu einer Voll-Modell-Schätzung. Simulationsergebnisse für ein Global Positioning System (GPS) zeigen, dass der vorgeschlagene Dual-Polarisations-Strahlformungs-Algorithmus in einer dichten Mehrwege-Umgebung eine bessere Leistung erbringt als ein äquivalenter Ein-Polarisations-Strahlformer.
Allgemein gilt, dass die Dual-Polarisations-Antennengruppe eine Anzahl von m (mit m > 1) Antennen aufweist, von denen jede mit einem RZPA und mit einem LZPA versehen ist. Jedem RZPA und jedem LZPA jeder Antenne sind n (mit n > 3) Korrelatoren zugeordnet. Die Kovarianzmatrix weist dann eine Anzahl von Zeilen auf, die gleich 2 × m ist, und eine Anzahl von Spalten auf, die gleich der Anzahl n an Korrelatoren pro RZPA bzw. LZPA ist.
Die Einträge der ersten Zeile (Elemente 1.1, 1.2, ..., 1.n) der Kovarianzmatrix repräsentieren einerseits den Mittelwert der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des RZPA der ersten Antenne mit sich selbst (Element 1.1) und andererseits die jeweiligen Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des RZPA der ersten Antenne mit den Ausgangssignalen der Korrelatoren jedes RZPA der anderen Antennen.
Die Einträge der zweiten Zeile (Elemente 2.1, 2.2, ..., 2.n) der Kovarianzmatrix repräsentieren einerseits den Mittelwert der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des RZPA der zweiten Antenne mit sich selbst (Element 2.1) und andererseits die jeweiligen Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des RZPA der zweiten Antenne mit den Ausgangssignalen der Korrelatoren jedes RZPA der anderen Antennen.
Die Einträge der m-ten Zeile (Elemente m.1, m.2, ..., m.n) der Kovarianzmatrix repräsentieren einerseits den Mittelwert der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des RZPA der m-ten Antenne mit sich selbst (Element m.m) und andererseits die jeweiligen Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des RZPA der m-ten Antenne mit den Ausgangssignalen der Korrelatoren jedes RZPA der anderen Antennen.
Die Einträge der (m + 1)-ten Zeile (Elemente (m + 1).1, (m + 1).2, ..., (m + 1).n) der Kovarianzmatrix repräsentieren einerseits den Mittelwert der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des LZPA der ersten Antenne mit sich selbst (Element (m + 1).(m + 1)) und andererseits die jeweiligen Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des LZPA der ersten Antenne mit den Ausgangssignalen der Korrelatoren jedes LZPA der anderen Antennen.
Die Einträge der (m + 2)-ten Zeile (Elemente (m + 2).1, (m + 2).2, ..., (m + 2).n) der Kovarianzmatrix repräsentieren einerseits den Mittelwert der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des LZPA der zweiten Antenne mit sich selbst (Element (m + 2).(m + 2)) und andererseits die jeweiligen Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des LZPA der zweiten Antenne mit den Ausgangssignalen der Korrelatoren jedes LZPA der anderen Antennen.
Die Einträge der (m + m)-ten Zeile (Elemente (m + m).1, (m + m).2, ..., (m + m).n) der Kovarianzmatrix repräsentieren einerseits den Mittelwert der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des LZPA der m-ten Antenne mit sich selbst (Element (m + m).(m + m)) und andererseits die jeweiligen Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale jedes Korrelators des LZPA der m-ten Antenne mit den Ausgangssignalen der Korrelatoren jedes LZPA der anderen Antennen.
Für den Beispielfall, dass die Dual-Polarisations-Antennengruppe mit zwei (m = 2) Empfangsantennen mit jeweils einem RZPA und jeden dieser Ausgänge vier Korrelatoren (n = 4) aufweist, ist die Kovarianzmatrix eine 4×4 Matrix mit insgesamt 16 Einträgen.
Die Einträge der ersten Zeile werden mit 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 bezeichnet und repräsentieren die Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale der Korrelatoren des RZPA der ersten Antenne jeweils mit sich selbst (Element 1.1) und der Korrelationen mit allen anderen Ausgängen aller anderen Antennen (Elemente 1.2 bis 1.4) und berechnen sich wie folgt:
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 1.1 der Kovarianzmatrix bildet.
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird
mit dem Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 1.2 der Kovarianzmatrix bildet.
Der Prozess wird für die Kreuzkorrelation zwischen RZPA und LZPA entsprechend fortgeführt:
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des ersten Korrelators des LZPA der ersten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Korrelators des LZPA der ersten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des dritten Korrelators des LZPA der ersten Antenne korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des vierten Korrelators des LZPA der ersten Antenne korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 1.3 der Kovarianzmatrix bildet.
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des ersten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des dritten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des vierten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 1.4 der Kovarianzmatrix bildet.
Die Einträge der zweiten Zeile werden mit 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 bezeichnet und repräsentieren die Mittelwerte der Korrelationen der Ausgangssignale der Korrelatoren des RZPA der zweiten Antenne jeweils mit sich selbst (Element 2.2) und der Korrelationen mit allen anderen Ausgängen aller anderen Antennen (Elemente 2.1, 2.3 und 2.4) und berechnen sich wie folgt:
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der zweiten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 2.1 der Kovarianzmatrix bildet.
In dieser Weise wird analog zur Berechnung der Einträgen der ersten Zeile fortgefahren und somit die zweite Zeile vervollständigt.
Die Einträge der dritten Zeile werden mit 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 bezeichnet und repräsentieren die Korrelationen der Ausgangssignale der Korrelatoren des LZPA der ersten Antenne jeweils mit sich selbst (Element 3.3) und der Korrelationen mit allen anderen Antennen (Elemente 3.1, 3.2 und 3.4) und berechnen sich wie folgt:
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des ersten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des dritten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des vierten Korrelators des RZPA der ersten Antenne korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 3.1 der Kovarianzmatrix bildet.
Analog wird das Element 3.2 durch Korrelationen mit den Signalen an den verschiedenen Korrelatoren des RZPA der zweiten Antenne berechnet.
Die weiteren Einträge der dritten Zeile berechnen sich wie folgt:
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit sich selbst korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 3.3 der Kovarianzmatrix bildet.
Das Ausgangssignal des ersten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Signal des ersten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des zweiten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert,
das Ausgangssignal des dritten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des dritten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert und
das Ausgangssignal des vierten Korrelators des LZPA der ersten Antenne wird mit dem Ausgangssignal des vierten Korrelators des LZPA der zweiten Antenne korreliert.
Der Mittelwert dieser vier Werte ergibt einen Wert, der das Element 3.4 der Kovarianzmatrix bildet.
Die Einträge der vierten Zeile werden mit 4.1, 4.2, 4.3 und 4.4 bezeichnet und repräsentieren die Korrelationen der Ausgangssignale der Korrelatoren des LZPA der zweiten Antenne jeweils mit sich selbst (Element 4.4) und der Korrelationen mit allen anderen Ausgängen aller anderen Antennen (Elemente 3.1 bis 3.3) und berechnen sich analog zu den vorhergehenden Einträgen.
Die Empfangsrichtungen und Polarisationskoeffizienten von Mehrwegesignalen werden erfindungsgemäß basierend auf der Teilmatrix der räumlichen Kovarianzmatrix berechnet, die den LZPA der Dualpolarisationsantenne zugeordnet sind, d. h., dass die Berechnung der Empfangsrichtungen und Polarisationskoeffizienten auf den Signalen an allen Korrelatoren der LZPA aller Antennen des Empfängers basiert. Auf das Beispiel bezogen, erfolgt also die Berechnung aus der Teilmatrix, die sich aus den Elementen 3.3 und 3.4 in der ersten und aus den Elementen 4.3 und 4.4 in der zweiten Zeile zusammensetzt.
Die Empfangsrichtung des LOS-Signals wird erfindungsgemäß basierend auf der Teilmatrix der räumlichen Kovarianzmatrix berechnet, die den RZPA der Dualpolarisationsantenne zugeordnet sind, d. h., dass die Berechnung der Empfangsrichtung auf den Signalen an allen Korrelatoren der RZPA aller Antennen des Empfängers basiert. Auf das obige Beispiel bezogen, erfolgt also die Berechnung aus der Teilmatrix, die sich aus den Elementen 1.1 und 1.2 in der ersten und aus den Elementen 2.1 und 2.2 in der zweiten Zeile zusammensetzt.
Die beiden zuvor beschriebenen Vorgehensweisen gelten ganz analog für den weiter oben beschriebenen allgemeinen Fall, das m Antennen mit jeweils n Korrelatoren pro RZPA bzw. LZPA vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zur Unterdrückung der Einflüsse der Mehrwegeausbreitung von Code-Phasen aufweisenden Satellitensignalen, die von den Satelliten als ausschließlich rechtszirkular polarisierte Signale ausgesendet werden, bei der Ermittlung der Signallaufzeit des Line-Off-Sight-(LOS-)Signals, wobei bei dem Verfahren – eine Dualpolarisationsantenne bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von Empfangsantennen aufweist, von denen jede mit einem Linkszirkularpolarisationsausgang und einem Rechtszirkularpolarisationsausgang versehen ist, – jedem Linkszirkularpolarisationsausgang und jedem Rechtszirkularpolarisationsausgang eine mehr als drei Korrelatoren aufweisende Bank von Korrelatoren zugeordnet wird, wobei das Ausgangssignal jedes Längszirkularpolarisationsausgangs und das Ausgangssignal jedes Rechtszirkularpolarisationsausgangs mit mehr als drei Replika des Satellitensignals, deren Code-Phasen jedoch unterschiedlich sind, korreliert wird, – unter Verwendung der Ausgangssignale sämtlicher Korrelatoren sämtlicher Bänke eine Kovarianzmatrix berechnet wird, wie in der Beschreibung erläutert, – die Ausgangssignale derjenigen Korrelatoren sämtlicher Bänke, die den Linkszirkularpolarisationsausgängen der Dualpolarisationsantenne zugeordnet sind, für die Schätzung der Empfangsrichtungen und von Polarisationskoeffizienten von Mehrwegesignalen genutzt wird, – die Ausgangssignale derjenigen Korrelatoren sämtlicher Bänke, die den Rechtszirkularpolarisationsausgängen der Dualpolarisationsantenne zugeordnet sind, zur Schätzung der Empfangsrichtung des LOS-Signals genutzt werden, – die Leistung der Anteile im Satellitensignal aus der geschätzten Empfangsrichtung des LOS-Signals durch Beamformung unter Verwendung der Ausgangssignale sämtlicher Korrelatoren sämtlicher Bänke beibehalten wird und – die Leistung der Anteile im Satellitensignal aus den geschätzten Empfangsrichtungen der Mehrwegesignale mittels einer Linearkombination aus der Dualpolarisationsantennenantwort auf Linkszirkularpolarisationssignalanteile aus den geschätzten Mehrwegesignalempfangsrichtungen und aus der Dualpolarisationsantennenantwort auf Rechtszirkularpolarisationssignalanteile aus den geschätzten Mehrwegesignalempfangsrichtungen unterdrückt wird, wobei diese beiden Dualpolarisationsantennenantworten gewichtet werden, und zwar gleich den Gewichtungen der geschätzten Polarisationskoeffizienten der Mehrwegesignale.