DE60216027T2

DE60216027T2 - Ortungssystem

Info

Publication number: DE60216027T2
Application number: DE60216027T
Authority: DE
Inventors: Thales Intellectual Property Barry James Darby; Thales Intellectual Property Pierre Diederich; Thales Intellectual Property Ewan Frazer
Original assignee: Thales Research and Technology UK Ltd
Current assignee: Thales Research and Technology UK Ltd
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: US7215698B2; US20030058924A1; GB2383709A; GB0121491D0; EP1292043A1; EP1292043B1; GB2383709B; GB0220579D0; DE60216027D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft jedes Positionsbestimmungssystem, das synchronisierte Signale von einer Anzahl von Referenzstationen verwendet. Die Position der Referenzstationen ist genau bekannt.
Ein mobiles Endgerät empfängt Signale von einer Anzahl von Referenzstationen, mißt die Zeitdifferenz der Ankunft zwischen den Signalen und berechnet eine Schätzung seiner eigenen Position relativ zu den Referenzstationen. Um eine Schätzung im dreidimensionalen Raum zu bilden, müssen mindestens 4 Referenzstationssignale empfangen werden.
Außerdem ist eine „duale" Anordnung wohlbekannt, bei der jedes mobile Endgerät ein Signal zu den Referenzstationen sendet, die wie zuvor untereinander zeitsynchronisiert sind. Die Referenzstationen sind mit einem zentralen Steuerpunkt verbunden, an dem die Positionsberechnung durchgeführt wird. Die Positionsschätzung wird dann zu dem mobilen Endgerät gesendet. Um eine Schätzung im dreidimensionalen Raum zu bilden, müssen mindestens vier Referenzstationen das Signal von dem mobilen Endgerät empfangen.
Faktoren, die sich auf die Genauigkeit der Positionsschätzung auswirken, gleichgültig, welche Anordnung verwendet wird, sind:

1. Geometrie – der direkte Weg zu bestimmten Referenzstationen kann durch natürliche oder künstliche Objekte verdeckt werden und/oder die mobile Einrichtung kann sich an einem Ort befinden, an dem trigonometrische Berechnungen zu großen Fehlern führen können.
2. Mehrfach-Weg – Signale von den Referenzstationen können eine Reflexion von einem Objekt (entweder stationär oder beweglich) erfahren, und diese indirekten oder Mehrfach-Wegsignale führen zu einem Fehler in der Positionsschätzung, weil sie den Empfang des direkten Signals verzerren.
3. Störungen – künstliche Störungen von anderen Systemen können den Empfang des gewünschten Signals blockieren, weil sie viel höhere Leistungspegel aufweisen oder sie bei niedrigeren Störungspegeln Fehler in der Signalverarbeitung des Mobilempfängers verursachen können.

Das GPS-System ist das am besten bekannte Beispiel für ein solches Positionsbestimmungssystem. In diesem Fall tragen Satelliten die synchronisierten Referenzstationen. Einer der Hauptunzulänglichkeiten bei GPS besteht darin, daß die Abdeckung in Gebäuden und in dichten städtischen Umgebungen nicht zuverlässig ist. Der Grund ist dabei die Verdeckung und Dämpfung der Direktwegsignale durch Gebäude. In Gebieten, in denen Signale empfangen werden können, werden sie häufig durch komplexe Mehrfachweg-Komponenten verschlechtert.
Die vorliegende Erfindung ergänzt GPS in diesen Umgebungen und kann verwendet werden, wenn GPS-Signale verfügbar sind, aber größere Präzision erforderlich ist, wie z.B. beim Landen von Flugzeugen.
Es wurden Spreizspektrumstechniken entwickelt, um in einer Anzahl von Fällen Verbesserungen zu erhalten:

• Zur Ermöglichung unzweideutiger Entfernungsbestimmungsschätzungen
• Zur Verringerung einer Verschlechterung aufgrund von Mehrfachwegen
• Zur Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Störsignalen
• Zur Verringerung der Detektion durch unbefugte Benutzer
• Zur Verringerung von Störungen anderer Systeme

Häufig lassen sich mehrere dieser Verbesserungen gleichzeitig erreichen. Im allgemeinen wird die Leistungsfähigkeit jedes der obigen Punkte direkt durch die Bandbreite und Kohärenz des Spreizspektrumsignals bestimmt.
Diese Techniken werden auf dem Gebiet der Navigation, Kommunikation und der Radarsysteme vielfach eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Mittel zum Erzeugen und Empfangen eines steuerbaren ultrabreitbandigen (UWB-)Spreizspektrumsignals, das Eigenschaften aufweist, die gut an die Anwendung der präzisen Positionsbestimmung in Umgebungen, in denen GPS unzuverlässig ist, angepaßt sind.
Durch die Beschaffenheit des Signals wird es auch geeignet für die anderen oben genannten Anwendungen.
Es gibt zwei allgemeine Verfahren zum Erzeugen eines Spreizspektrumsignals. Das erste ist direkte Modulation eines Trägers durch ein Breitbandsignal, und das zweite durch Springenlassen der Trägerfrequenz.
Bei dem Direktverfahren wird der Träger direkt durch eine deterministische zeitbegrenzte breitbandige Signalform (Spreizsignalform) moduliert. Diese Spreizsignalform wird periodisch gemacht, indem man nach einem geeigneten Zeitintervall (Signalform Periode) ein exaktes Duplikat wiederholt. Damit das resultierende Spreizspektrumsignal kohärent ist, müssen die Trägerfrequenz und die Signalformperiode harmonisch in Beziehung stehen.
Ein häufiges Mittel ist die Verwendung einer Pseudozufalls-Binärsequenz (PRBS) als Spreizsignalform. In diesem Fall stehen zur Sicherstellung der Kohärenz die Trägerfrequenz und die Rate des Takts (Chipping) der Spreizsignalform in einer harmonischen Beziehung – dadurch wird wiederum sichergestellt, daß die Zeitperiode der PRBS harmonisch mit der Trägerfrequenz in Beziehung steht. Ein anderes Mittel zum Erzeugen eines kohärenten Spreizspektrumsignals ist das Modulieren eines Trägersignals mit einer Chirp-Signalform, die mit einer Rate wiederholt wird, die harmonisch mit der Trägerfrequenz in Beziehung steht. Um Nachrichten zu senden, wird die Spreizsignalform zuerst mit dem Nachrichtensignal moduliert. Die resultierende Signalform moduliert dann einen Träger.
Bei dem PRBS-Beispiel müssen die Chipping-Rate und die Codelänge des PRBS-Signals hoch genug sein, um die Signalenergie über die gesamte gewünschte Bandbreite zu spreizen. Jede Übertragung weist eine einzigartige Spreizsignalform auf, durch die sie erkannt und abgerufen werden kann, und eine Empfangsstation muß folglich in der Lage sein, dieselbe Spreizsignalform synchron mit der Übertragung zu erzeugen, um die Nachricht zu erkennen und wiederherzustellen.
Ein Mehrfachzugriffsystem kann unter Verwendung einzigartiger Spreizsignalformen konzipiert werden. Alle anderen Übertragungen, die mit verschiedenen Spreizsignalformen kombiniert werden, erscheinen im Empfänger als Rauschen. Wenn die Direktmodulation durch PRBS erfolgt, wird das System als Codemultiplex-Mehrfachzugriff (CDMA – Code Division Multiple Access) bezeichnet.
Bei dem Frequenzsprungverfahren wird die Frequenz der Übertragung als Funktion einer vorbestimmten PRBS verändert. Frequenzsprung ist gewöhnlich aufgrund naturgemäßer Beschränkungen in den verwendeten Geräten auf relativ niedrige Sprungraten (typischerweise einige wenige Kilohertz) begrenzt. Das Patent US 6,211,807 beschreibt ein Beispiel für dieses Verfahren in einem Frequenzsprung-Direktsequenzsystem, das zum Finden von Objekten unter dem Boden verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Erzeugen eines ultrabreitbandigen (UWB-)Signals vor, das ohne bestimmte der Beschränkungen des Direktspreizspektrum- oder Frequenzsprungverfahrens erzeugt werden soll. Die vorliegende Erfindung kombiniert Aspekte dieser beiden Verfahren.
Im Stand der Technik wird häufig die volle Bandbreite des Kanals, die verfügbar ist, aufgrund praktischer Beschränkungen nicht ausgenutzt. Zum Beispiel ist es in WO 00/03502A, einem Frequenzsprung-/Mehrträgerdirektsequenzsystem, nicht ersichtlich, wie man aus der vollen Bandbreite Nutzen zieht, die sich aus der Kombination der beiden Spreizverfahren im Hinblick auf präzise Positionsbestimmung ergibt; dies ist für den beabsichtigten Zweck der Datenkommunikation in WO 00/03502 nicht wesentlich und bisher wurde die Timing-Genauigkeit aus der Direktsequenz-Spreizkomponente alleine häufig als ausreichend angesehen. Dasselbe ist in den Patenten US 005706275A und US 005222098 zu sehen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Mittel zum Ausnutzen des vollen Vorzugs kombinierter Spreiztechniken zur Erzielung einer wesentlich verbesserten Positions- und Timing-Genauigkeit unter Beibehaltung der Vorzüge der Praxisnähe, des geringen Stromverbrauchs, der niedrigen Komponentenkosten und der verbesserten Störungsbeständigkeit des hybriden Verfahrens.
Folglich liefert die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Erzeugung eines Ultrabreitbandsignals, bei dem (I) ein Trägersignal durch eine Spreizsignalform moduliert wird, die ein periodisches deterministisches Breitbandsignal ist, und (II) die Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen um einen vorbestimmten Betrag geändert wird (wobei der Kehrwert dieses Intervalls die Sprungrate ist), und wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und der Periode der Spreizsignalform besteht.
Auf diese Weise erzeugt man ein kohärentes UWB-Signal sowohl unter Verwendung der Direktspreizspektrum- als auch der Frequenzsprungtechnik, und das so erzeugte UWB-Signal wird unter Verwendung eines kohärenten Korrelationsdetektors in einem Empfänger detektiert.
Ein UWB-Signal ist ein Signal, das eine normierte Bandbreite von mehr als 20% aufweist (d.h. 20% der Mittenträgerfrequenz). Die normierte Bandbreite kann als 2(F_H – F_L)/(F_H + F_L) definiert werden, wobei (F_H + F_L)/2 die nominale Mittenträgerfrequenz ist, und der Großteil der Energie liegt zwischen der unteren Frequenz F_L und der höheren Frequenz F_H. In diesem Fall liegt die Energiedichte außerhalb der Region von F_L zu F_H mindestens XdB unter der größten Energiedichte in der Region, wobei die Energiedichte gewöhnlich in einer 1-MHz-Bandbreite gemessen wird. X dB kann 3 dB und vorzugsweise 10 dB oder sogar 20 dB betragen. Normalerweise ist dies für UWB eine Bandbreite von mehr als 500 MHz, die typischerweise zwischen 500 MHz und 7,5 GHz liegt.
Systeme mit einer Bandbreite zwischen 1 MHz und 500 MHz werden gewöhnlich als breitbandig betrachtet, wobei Schmalbandsysteme eine Bandbreite von weniger als 1 MHz aufweisen, obwohl manche die Grenze auf 100 kHz legen.
Ein deterministisches Signal ist ein Signal, bei dem die Signalform im wesentlichen oder vorherrschend im Empfänger vorhersehbar ist, zum Beispiel ein Signal, das keine dem Empfänger a priori unbekannten beliebigen Daten führt. Die deterministische Signalform kann ein Datenmuster enthalten, das bekannt ist, bestimmt wird oder durch andere Mittel zu dem Empfänger geleitet wird. Das Signal kann deterministische Aspekte für den Teil der Signalform aufweisen, der von einem Empfänger zur Bereitstellung von Positionsfixierungsinformationen verwendet wird, d.h. eine zusammengesetzte Signalform mit nicht deterministischen Teilen kann Daten tragen, während die deterministischen Teile das Positionssignal tragen. Ein Teil einer zusammengesetzten Signalform kann Informationen liefern, um einen anderen Teil oder Aspekt deterministisch zu machen, zum Beispiel durch Tragen von Vorwärtsfehlerkorrekturredundanz. Die deterministische Signalform kann über einen expliziten mathematischen Ausdruck mindestens eines Teils ihrer Aspekte definiert werden. Ein Beispiel für einen solchen Aspekt wäre die Phase der Signalform; in diesem Fall muß die Amplitude nicht deterministisch sein. Bei zwei spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (die ein PRBS-Signal bzw. ein Chirp-Signal verwenden), werden die Eigenschaften des zu spezifizierenden deterministischen Signals nachfolgend erläutert.
Vorzugsweise ist die Spreizsignalform über mehrere Frequenzen hinweg deterministisch, wodurch die Leistungsfähigkeit der Auflösung der fein getrennten Mehrwegestörungen verbessert wird. Je größer die Bandbreite der mehreren Frequenzen, desto näher liegen die Wege, die getrennt werden können. Die harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, der Frequenzänderung und der Spreizsignalformperiode ermöglicht das Ableiten von Informationen über den Übertragungskanal durch die beschriebenen Techniken.
Vorzugsweise ist die Spreizsignalform ein PRBS-Signal mit einer bestimmten Chipping-Rate; die Codelänge, dividiert durch die Chipping-Rate, ist die Periode der Spreizsignalform. Als Alternative kann die Spreizsignalform ein Chirp-Signal sein, das eine vorbestimmte Modulationsrate und Dauer aufweist, wobei die Periode der Spreizsignalform das Intervall zwischen Chirps ist.
In einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Ultrabreitband- (UWB-)Signals, bei dem (I) ein Trägersignal durch ein PRBS-Signal einer bestimmten Chipping-Rate moduliert wird und (II) die Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen um einen vorbestimmten Betrag geändert wird (wobei der Kehrwert dieses Intervalls die Sprungrate ist), wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und der Chipping-Rate des PRBS-Signals besteht.
Anstelle des PRBS-Signals kann ein Chirpsignal verwendet werden, und somit liefert die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Erzeugen eines Ultrabreitbandsignals, bei dem (I) ein Trägersignal durch ein Chirpsignal mit einer vorbestimmten Modulationsrate und Dauer moduliert wird und (II) die Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen um einen vorbestimmten Betrag geändert wird (wobei der Kehrwert dieses Intervalls die Sprungrate ist), wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und dem Intervall zwischen Chirps besteht.
Die Sprungrate kann auch eine harmonische Beziehung mit der Trägerfrequenz aufweisen.
Als Beispiel könnte das Verfahren eine PRBS verwenden, die ein Gold-Code mit einer Codelänge von 1023 und einer Chipping-Rate von 1,023 MHz ist. Die beim Springen verwendete Menge von Trägerfrequenzen könnte bei Vielfachen von 1,023 MHz liegen und die Frequenzsprungrate könnte 1 kHz betragen, d.h. die Frequenz wird jede Millisekunde oder in Vielfachen von 1 kHz geändert. Über den Zeitraum von 1 Sekunde hinweg kann somit ein Gesamt-Sweep von 1,023 GHz auf einem Träger von z.B. 5 GHz zentriert werden. Die Beschaffung des PRBS-Codes kann ohne weiteres mit GPS-bezogener Hardware erzielt werden, und somit kann der verwendete Code vorzugsweise eine PRBS eines etablierten oder vorgeschlagenen Satellitennavigationssystems sein.
Die Bildung einer Korrelationsausgabe durch kohärentes Summieren der Ergebnisse aus 1023 sukzessiven Frequenzsprungsignalen verstärkt das gewünschte Signal, tendiert aber dazu, den Effekt von Mehrfachwegen und Störungen aufzuheben oder zu reduzieren. Es ist ersichtlich, daß die Signale aus jedem diskreten Frequenzsprung untereinander kohärent sein können. Je mehr Komponenten summiert werden können, desto besser ist die Genauigkeit.
Abhängig von der Anwendung kann das Frequenzsprungverfahren pseudozufällig oder gemäß einer linearen Progression ausgeführt werden. Zum Beispiel kann die Trägerfrequenz jedes Teils des Signals gemäß einem Pseudozufallsalgorithmus ausgewählt werden. Dadurch werden Signal-Rausch-Eigenschaften verbessert, und außerdem erscheint vom Standpunkt eines unbefugten Empfängers oder Opferempfängers (vom Standpunkt der Störungen) aus gesehen die Trägerfrequenzauswahl zufällig. Mit der Zeit kann die gesamte verfügbare Systembandbreite benutzt werden.
Es ist auch möglich, daß die Auswahl der Trägerfrequenz (gleichgültig, ob sie durch einen Pseudozufallsprozeß oder anderweitig geschieht) so ausgeführt wird, daß die Verwendung von einer oder mehreren Frequenzen oder Bändern von Frequenzen in der gewählten Bandbreite vermieden wird. Man könnte dies zum Beispiel durchführen, wenn bekannt ist, daß bestimmte Teile der Gesamtbandbreite vermieden werden sollten, z.B. weil es bekannt ist, daß ein starkes Störsignal vorhanden ist oder vielleicht ein anderer Dienst beeinträchtigt werden könnte (z.B. Mobiltelefone/Radarnavigationssysteme usw.)
Bei bestimmten Ausführungsformen kann das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugte UWB-Signal diskontinuierlich gesendet werden, d.h. mit einem Tastverhältnis. Zum Beispiel kann in einem gegebenen Zeitraum das UWB-Signal nur für einen Teil dieses Zeitraums gesendet werden (z.B. eins lang eingeschaltet, fünfzehn lang ausgeschaltet usw.). Die Leistung des gesendeten Signals kann in den eingeschalteten Teilen des Tastverhältnisses in bezug auf die Leistung vergrößert werden, die ansonsten bei kontinuierlichem Senden des Signals verwendet werden würde. Eine solche Anordnung ermöglicht außerdem ein leichtes Einrichten von zeitlichem Multiplexen für mehrere Sender.
Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung die Erzeugung eines UWB-Signals, das ein flacheres Spektrum erfordert, als mit einem normalen UWB-Signal erzielt werden kann. Ein typisches UWB-Signal erfordert mindestens 10 dB Reserve bei Spitze zu Mittel über das Spektrum hinweg, wodurch das Leistungsbudget für dieses Signal um denselben Betrag reduziert wird. Mit der vorliegenden Erfindung sollte eine kleine Marge (z.B. 2 dB) genügen, wodurch wiederum eine Bereichsvergrößerung von bis zu 50% ermöglicht wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen muß die Spektralform des PRBS-Signals nicht der durch die Formel [(sin x)/x]exp 2 gegebenen üblichen Form folgen. Es sind verschiedene Verfahren zum Modifizieren der Spektralform eines PRBS-Signals bekannt, zum Beispiel beschreibt das europäische Patent EP 0131455 ein digitales Verfahren, das die Antwort einer PRBS nur unter Verwendung von elementarer digitaler Filterung in eine rechteckigere Form umsetzt. Mit dieser Technik könnte man die Menge von Frequenzsprüngen so konfigurieren, daß ein beliebiges bestimmtes Frequenzsegment vermieden wird, wodurch Störungen eines Dritten wie oben beschrieben bzw. Störungen von diesem vermieden werden.
Zusätzlich und/oder als Alternative könnte bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung Leistungsregelung auf jeden einzelnen Frequenzsprung angewandt werden, um das Signal/Rausch-Verhältnnis jedes Sprungs zu steuern, z.B. um das minimal notwendige Signal/Rausch-Verhältnnis zu erzielen.
Ähnlich kann das Empfangssignal als Funktion der Frequenz, auf der es empfangen wird, skaliert oder gewichtet werden, um die Genauigkeit der aus ihm abgeleiteten Zeit- oder Positionsinformationen zu verbessern. Die angewandte Skalierungs- oder Gewichtungsfunktion kann angepaßt werden, um die Genauigkeit gemäß der Umgebung zu verbessern, die die Informationen erfahren, die von dem Sender und dem Empfänger weitergeleitet werden. Häufig nimmt die Skalierungs- oder Gewichtungsfunktion die Form eines „Fensters" an (wie zum Beispiel in „On the Use of Windows for Harmonic Analysis with Discrete Fourier Transform", Federic J. Harris, Proc IEEE, Band 66, Nr. 1, Januar 1978, Seiten 51–83, beschrieben). Die Funktion kann auch niederwertige Koeffizienten für Frequenzbänder enthalten, in denen man Störungen wahrnimmt.
Zusätzlich oder als Alternative kann das in einer Frequenzbandbreite empfangene Signal unter Verwendung von Informationen ersetzt werden, die aus Informationen abgeleitet werden, die auf beliebigen oder allen der anderen Frequenzen empfangen werden, mit der Absicht, daß diese abgeleiteten Informationen ein besseres Duplikat der gesendeten Informationen in dieser Bandbreite wären, wenn diese Informationen verlorengegangen, verfälscht, oder anderweitig durch die Umgebung modifiziert worden wären, die die Informationen erfahren haben, die von dem Sender zu dem Empfänger geleitet wurden.
In einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Ultrabreitbandsignals, umfassend: (I) Moduliermittel zum Modulieren eines Trägersignals durch eine Spreizsignalform, die ein periodisches deterministisches Breitbandsignal ist und (II) Mittel zum Ändern der Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen – deren Kehrwert die Sprungrate ist – um einen vorbestimmten Betrag, wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und der Periode der Spreizsignalform besteht.
Vorzugsweise ist die Spreizsignalform ein Chirpsignal, das eine vorbestimmte Modulationsrate und Dauer aufweist, wobei die Periode der Spreizsignalform das Intervall zwischen Chirps oder Mitteln zum Ausführen der Frequenzsprünge auf pseudozufällige Weise ist.
In einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung folglich eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Ultrabreitbandsignals, umfassend: (I) Moduliermittel zum Modulieren eines Trägersignals durch ein PRBS-Signal mit einer bestimmten Chippingrate oder einem Chirpsignal und (II) Mittel zum Ändern der Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen um einen vorbestimmten Betrag, wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und der Chippingrate des PRBS-Signals oder dem Intervall zwischen Chirps besteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung Mittel zum Ausführen der Frequenzsprünge auf pseudozufällige Weise oder in einem beliebigen anderen deterministischen Muster.
Vorzugsweise ist das Mittel zum Ändern der Frequenz des Trägersignals betreibbar, um so ausgeführt zu werden, daß die Verwendung von einer oder mehrerer Frequenzen oder Bändern von Frequenzen in der gewählten Bandbreite vermieden wird.
Die Vorrichtung könnte Teil eines Senders sein, der Teil eines Satelliten in einem Satellitennavigationssystem ist.
In einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Empfangen eines Signals, umfassend: (I) Mittel zum Demodulieren eines Trägersignals, das durch eine Spreizsignalform moduliert ist, die ein periodisches deterministisches Breitbandsignal ist, und (II) Mittel zur Bestimmung der Frequenz des Trägers, die sich in vorbestimmten Intervallen – deren Kehrwert die Sprungrate ist – um vorbestimmte Beträge ändert, und Mittel zum Ändern der Trägerfrequenz auf vorbestimmte Werte.
In einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Empfangen eines Ultrabreitbands, umfassend: (I) Mittel zum Demodulieren eines durch ein PRBS-Signal oder ein Chirpsignal modulierten Trägersignals und (II) Mittel zum Detektieren der Trägerfrequenz, das das Signal in vorbestimmten Intervallen um einen vorbestimmten Betrag ändert, und Mittel zum Ändern der Trägerfrequenz auf vorbestimmte Werte.
Vorzugsweise ist jeder Empfänger Teil eines Satellitennavigationssignal-Systemempfängers oder mit diesem verbindbar.
Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Senders gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Diagramm eines Empfängers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 einen Graph eines Beispiels für ein Spektrum eines gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten Breitbandsignals;
4 einen Graph des Spektrums des Signals wie in 3 gezeigt, das modifiziert wird, um Frequenzen auszuschließen, die mit einem Störsignal assoziiert sind;
5 ein schematisches Diagramm des Frequenzsprungverfahrens, das verwendet wird, um ein Beispiel für ein Signal gemäß der vorliegenden Erfindung zu produzieren;
6 ein schematisches Diagramm einer Situation, in der die vorliegende Erfindung verwendet werden könnte;
7 die Dualform der in 6 beschriebenen Anordnung;
8 ein Beispiel für eine Frequenzsprungsequenz zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung.
In 1 wird ein Sequenzgenerator 2 zur Erzeugung eines PRBS-Signals verwendet, und dies wird Modulo 2 zu einem Datenstrom addiert und das zusammengesetzte Signal moduliert dann ein Trägersignal aus einem Lokaloszillator in dem Mischer 4. Danach wird durch den im Frequenzsprung betriebenen Oszillator 8 unter der Steuerung 10 die Trägerfrequenz des Signals bestimmt. In einem Beispiel steuert die Steuerung 10 den Frequenzsprungoszillator 8 auf pseudozufällige Weise, um so ein Signal zu produzieren, von dem ein Teil in
5 gezeigt ist. Das resultierende CDMA-Signal wird dann unter Verwendung eines Standard-Leistungsverstärkers 12 und einer Antenne 14 gesendet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann Frequenzkorrektur auf eines oder mehrere der Frequenzreferenzsignale angewandt werden, z.B. auf den Festfrequenz-Lokaloszillator, der den Mischer 4 speist und/oder die in dem im Frequenzsprungverfahren betriebenen Oszillator 8 verwendete Referenzfrequenz. Ein geeigneter Kalibrationsprozeß kann Gesamtlaufzeit-Timings zwischen drei oder mehr Einheiten verwenden, um gefilterte Verzögerung zu kalibrieren. Vorzugsweise sind die beiden Frequenzreferenzquellen bei dieser Ausführungsform (der den Mischer 4 speisende Festfrequenz-Lokaloszillator und die Frequenzreferenz in dem im Frequenzsprungverfahren betriebenen Oszillator 8) phasenverriegelt, d.h. sie sind im Hinblick auf Frequenzdrift in Wirklichkeit eine Referenz. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel dafür, wie man dies erzielen könnte. Als Alternative könnten der Festfrequenz-Lokaloszillator und der Mischer 4 weggelassen und statt dessen eine Direktsynthese verwendet werden.
2 zeigt einen Empfänger gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Das CDMA-Signal gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung einer Standardantenne 20 und eines rauscharmen Verstärkers 22 empfangen. Das Empfangssignal ist dann ein Frequenzsprungsignal und der Frequenzsprungaspekt wird effektiv durch Verwendung des Demodulators 24 beseitigt. Der Demodulator 24 verwendet einen im Frequenzsprung betriebenen Oszillator 26 unter der Steuerung einer Synchronisationseinheit 28, die gemäß dem selben Algorithmus betrieben wird, der zur Erzeugung der Frequenzsprünge in dem Sender verwendet wird.
Auf diese Weise ist das an einem Eingangsanschluß 30 eines GPS-Empfängers 32 produzierte Signal effektiv ein Standard-CDMA-Signal, so als ob es nur durch das Direktsequenzverfahren produziert worden wäre und eine einzige feste Trägerfrequenz aufwies. Der GPS-Empfänger 32 kann dann das Signal unter Verwendung desselben PRBS-Codes, der zur Erzeugung des Signals verwendet wurde, auf die bekannte Decodierungsweise decodieren.
Bei einer allgemeineren Ausführungsform kann der GPS-Empfänger durch einen Prozessor ersetzt werden, wodurch die Anwendung der Gewichtung auf verschiedene Frequenzen möglich wird.
Vorzugsweise enthält der Empfänger Mittel für eine robuste Wiederherstellung der Normalverhältnisse nach einem Frequenzfehler ohne Notwendigkeit zusätzlicher paralleler Hardware; dies verbessert den Betriebsbereich der Geräte. Die Mittel umfassen Bearbeitungsmittel zum Verarbeiten des Eingangssignals gemäß einem Algorithmus, der folgendermaßen wirkt:
Als erstes bestimmt man die integrierten komplexzahligen Vektoren für jede Frequenz, aus denen die Eingangsterme der Fouriertransformation bestehen. Vor jeder bestimmten Frequenz bestimmt man die komplexzahligen Vektoren für ihre Verwendung bei einer Gelegenheit und einer nachfolgenden Gelegenheit, und einer wird mit dem komplex-konjugierten des anderen multipliziert, das Ergebnis ergibt die Phasenänderung in dem Zeitintervall zwischen den Besuchen dieser bestimmten Frequenz. Dasselbe kann dann für andere Frequenzen durchgeführt werden, die in dem Frequenzsprungsystem benutzt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Phasenänderungen skaliert werden, um etwaige Differenzen der jeweiligen Zeitintervalle zu korrigieren. wenn alle Zeitintervalle gleich sind (z.B. weil dieselbe sich wiederholende Sprungsequenz für den Besuch aller Frequenzen in der gewählten Menge verwendet wird), ist keine Korrektur erforderlich. Die Menge von (möglicherweise korrigierten) Vektoren kann dann einer Fouriertransformation mit Fenstern unterzogen werden, die eine oder mehrere Fensterfunktionen verwendet. Der Spitzenterm in der Fouriertransformationsausgabe repräsentiert ein Frequenzgebiet in der Übertragung, einschließlich eines etwaigen als Ergebnis von Bewegung produzierten Dopplerfehlers. Die Eingangsterme der Fouriertransformation können (anstelle der obigen oder zusätzlich zu ihnen) auf andere Weisen gefiltert werden, z.B. Phasenregelkreis, Kalman-Filter usw., um den Frequenzfehler zu verfolgen.
Das Verfahren kann mehrere Vorteile liefern, wie folgt:

a. Es weist Verarbeitungsgewinn auf und wird daher mit großen Rauschpegeln fertig.
b. Es wird durch (stationäre) Mehrfachwege nicht verschlechtert, sondern zieht tatsächlich Nutzen daraus.
c. Es wird mit großem Frequenzoffset ohne Mehrdeutigkeit fertig. Man kann billige unkorrigierte Kristalle verwenden, ohne den Bereich zu beeinträchtigen.
d. Es erfordert zur Implementierung keine schnelle Hardware mehr.
e. Der Algorithmus arbeitet mit einer beliebigen Menge von Zeitabständen. Größere Zeitabstände zwischen Besuchen einer Frequenz führen zu genaueren Messungen des Frequenzfehlers (aber kleinerem Bereich – es kann zuerst eine Grobkorrektur notwendig sein). Man würde deshalb mit Nachbarbesuchen für Grobkorrektur beginnen und dann unter Verwendung von mehrere Besuche auseinanderliegenden Besuchen feiner verfolgen. Die Grobkorrektur kann durch Justieren der Frequenzreferenz geschehen, oder durch Multiplizieren der Terme vor der Fouriertransformation mit einem (rückwärts) mit der Rate der Grobschätzung rotierenden Vektor. Das Sendemuster kann kontinuierlich sein oder kann gepulst sein, solange mindestens zwei Besuchszyklen für die erste Grobschätzung einander benachbart abgeschlossen werden. Er eignet sich gut für zeitliches Multiplexen.
f. Der Nutzen ist hauptsächlich für die Verwendung für die Positionsbestimmung und niederratige Datensysteme, und nicht für hochratige Datensysteme.
g. Eine Nebenwirkung der Fouriertransformation ist, daß auch ein Segment der Impulsantwort des Kanals festgelegt wird (typisch sind etwa 30 Meter). Impulssysteme müßten Hunderte von Rake-Abgriffen aufweisen, um dasselbe zu erreichen (was sehr viel Strom verbrauchen würde), oder müßten den Kanal sequentiell scannen (wodurch entweder die Aktualisierungsrate verringert oder die Integrationsperiode und daher der Bereich verringert wird). Es sollte möglich sein, Bewegung mit Raten von etwa 100x schneller im Vergleich zu UWB im selben Bereich zu verfolgen.

3 zeigt einen Graph der Frequenz als Funktion der Amplitude für ein Beispiel für ein gemäß der vorliegenden Erfindung produziertes CDMA-Signal. Das Signal wird als ein Hybridfrequenzsprung-/Direktsequenz-Spreizspektrumsignal bezeichnet. Es ist ersichtlich, daß das Spektrum des Signals aus mehreren einzelnen Signalspitzen besteht (von denen eine mit 40 gekennzeichnet ist). Jede Spitze 40 ist um eine verschiedene Trägerfrequenz zentriert und die mehreren Spitzen – die sich überlappen können – kombinieren sich, um ein Hybridsignal zu produzieren, das die gezeigte große Bandbreite abdeckt. Zum Beispiel würde eine Bandbreite von 1 GHz Positionsbestimmungsgenauigkeiten von besser als 0,2m und Mehrwegeauflösung von besser als 0,5m erlauben.
4 ist ein weiterer Graph der Amplitude als Funktion der Frequenz für ein Beispiel für ein Signal gemäß der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel wurden die Frequenzsprünge modifiziert, um so ein Band von Frequenzen auszuschließen. Dieses Band von Frequenzen entspricht einem erwarteten Störsignal 42, so daß das Störsignal das Signal der vorliegenden Erfindung nicht stört und umgekehrt.
5 ist ein schematischer Graph der Frequenz als Funktion der Zeit für einen Teil eines Signals gemäß der vorliegenden Erfindung. wie aus 3 ersichtlich ist, besteht das Ziel der Erfindung in diesem Beispiel darin, ein Signal mit einer Bandbreite von der Frequenz F1 zu der Frequenz F2 zu produzieren. In 5 wird von den Zeitpunkten T1 bis T2 ein „Burst" des Signals 50 produziert, der durch das zuvor erläuterte PRBS-Verfahren ein Signal mit einer Bandbreite von der Frequenz F3 zu der Frequenz F4 produziert. Zum Zeitpunkt T2 hat sich die Trägerfrequenz geändert, und vom Zeitpunkt T2 bis T3 wird wieder durch das PRBS-Verfahren ein weiterer Burst des Signals 52 produziert, der eine Bandbreite von der Frequenz F5 zu der Frequenz F6 aufweist.
Wie aus 5 ersichtlich ist, wird diese Prozedur fortgesetzt und effektiv werden diskrete Signalbursts produziert, die einen verschiedenen Teil der Systembandbreite abdecken, die, wenn sie miteinander addiert werden, die gesamte, im wesentlichen die gesamte oder einen Teil der Systembandbreite abdecken. Wie bereits erläutert wurde, kann ein Teil der Systembandbreite absichtlich unbenutzt bleiben, und in diesem Beispiel ist dies von der Frequenz F7 bis zu der Frequenz F8 der Fall.
Die Bandbreite kann nützlicherweise von 1 MHz (1,023 MHz ist für GPS zweckmäßig) über z.B. 10,23 MHz (militärische GPS-Chippingrate) bis zu z.B. 100 MHz (hierbei ist das Erfassungsproblem von größter Wichtigkeit) reichen. Ein gutes Beispiel läge in dem Bereich von 10–20 MHz. Erfassungszeiten werden durch Bandbreite, Sequenzperiode und Trägerfrequenzoffset bestimmt.
Frequenzsprünge können auf lineare Weise stattfinden oder nicht. In 5 werden die Sprünge auf pseudozufällige Weise angeordnet, so daß jeder Signalburst einen scheinbar nicht mit dem vorherigen Burst zusammenhängenden Teil der Systembandbreite einnimmt.
Kurz gefaßt, zeigt 5 in Diagrammform die gesendete Signalform für dieses Ultrabreitbandverfahren. Es ist im wesentlichen ein Hybrid zweier Verfahren für Spreizspektrum, nämlich Frequenzsprung (F_H) und zum Beispiel Direktsequenz-(PRBS-)Spreizspektrum (DSSS). Die verfügbare Systembandbreite wird als in eine Anzahl (N) zusammenhängender Kanäle jeweils mit einer Bandbreite von B unterteilt betrachtet. Das Direktsequenzsignal (die Spreizsignalform) nimmt eine Prinzipbandbreite B ein und besitzt eine Periode T (T kann die Dauer eines oder mehrerer Codezyklen sein). Sukzessive Impulse des DSSS-Signals werden auf Trägerfrequenzen gesendet, die durch einen Algorithmus bestimmt werden, der sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt ist, und der Empfänger führt einen als Erfassung bekannten Prozeß durch, um Signalempfang zu ermöglichen. Vom Standpunkt eines unbefugten Empfängers aus gesehen erscheint die Trägerfrequenzauswahl zufällig. Mit der Zeit kann die gesamte verfügbare Systembandbreite benutzt werden. Durch korrektes Kombinieren aller Signale im Empfänger ist es möglich, aus der sehr großen Spreizung der Bandbreite N × B (oder weniger bei Überlappung) Nutzen zu ziehen, um Mehrwegesignale zu diskriminieren. Bei bestimmten Ausführungsformen besteht ein Vorteil, wenn nur ein Teil der Signale kombiniert und eine reduzierte Bandbreite akzeptiert wird, zum Beispiel wenn bestimmte Signale durch Rauschen oder Störungen beeinträchtigt werden. 5 zeigt auch einen Kanal (es könnte mehr als einer sein, entweder in Nachbarschlitzen oder in einer Anzahl nicht benachbarter Schlitze), der nicht für die Benutzung verfügbar ist (bzw. die nicht für die Benutzung verfügbar sind), um Störungen zu verhindern oder zu vermeiden.
Um den durch die ultragroße Bandbreite ermöglichten Verarbeitungsgewinn auszunutzen, sind die Frequenzsprünge vorzugsweise phasenkohärent (es wird eine konstante Phasendifferenz zwischen Sender und Empfänger aufrechterhalten, während die Sprünge ablaufen). Man erreicht dies durch Erzeugen von Trägerfrequenzen, die harmonische Vielfache einer Grundfrequenz sind.
Die vorliegende Erfindung kann die durch GPS etablierten Signalstrukturen verwenden (und könnte in der Zukunft auf einem beliebigen solchen Standard, der z.B. für GALILEO entwickelt wird, basieren), wodurch sichergestellt wird, daß Kanäle um diesen Wert (1,023 MHz) beabstandet sind. Dies ermöglicht im Prinzip die Verwendung von Standard-GPS-Korrelationsempfängern.
In 6 ist ein Empfänger 60 gezeigt, der Signale von vier Referenzsendern 62 empfangen kann. Die Referenzsender weisen bekannte Orte auf und sind zeitlich synchronisiert. Der Empfänger 60 kann Direktwegübertragungen von dem Sender 62 empfangen, und ein Beispiel ist als Weg 64 gezeigt. Der Empfänger 60 kann jedoch auch indirekte Wegübertragungen empfangen, wie zum Beispiel reflektierte Übertragungen von einem reflektierenden Objekt 66. Zwei Beispiele für indirekte Wegübertragungen sind als 68, 70 gezeigt.
Der Empfang der indirekten Wegübertragungen produziert ein Mehrwegeecho, und da diese indirekten Wegübertragungen leicht verzögert sind, verschiebt dies potentiell die Positionsschätzung für den Empfänger. Die von der vorliegenden Erfindung verwendeten Ultrabreitbandsignale helfen dabei, es dem Empfänger zu ermöglichen, kleinere Zeitdifferenzen zu erkennen, wodurch die Positionsfehler aufgrund der Mehrwegebeschaffenheit der Übertragungen reduziert werden.
7 zeigt eine Dualform der durch 6 beschriebenen Anordnung. Empfänger in der festen Referenzstation 72 empfangen die Übertragung von einer (oder mehreren) Mobilstation 70, 71. Wie in 6, werden die Referenzstationen genau synchronisiert, und die Position der Mobilstation kann aus den Zeitdifferenzen der in den Referenzstationen beobachteten Signale berechnet werden. Für eine Position in n Dimensionen, wie in 6, sind mindestens (n + 1) feste Stationen erforderlich. Die empfangenen Signale können direkte 74 oder Mehrwegesignale 80 sein.
8 zeigt ein Beispiel für eine mit der vorliegenden Erfindung verwendete Frequenzsprungsequenz. Sie weist die folgenden Merkmale auf:

a. Jede Frequenz wird einmal besucht.
b. Der Synthesizer muß sich frequenzmäßig von einem Sprung zum nächsten nicht weit ändern. Dadurch werden schnelle Sprünge leichter.
c. Die Anordnung ermöglicht mehrere Sender, die einander „folgen". Das heißt, wenn ein Sender auf einer Frequenz fertig wird, verwendet der nächste dann diese Frequenz. Dadurch wird ein Zeitmultiplex-/Frequenzmultiplex-Schema bereitgestellt.
d. Das Multiplexschema ist so angeordnet, daß mehrere Sender frequenzmäßig beabstandet sind, um Störungen und Nah-Fern-Probleme zu vermeiden.
e. Das Schema wird durch Gleichungen repräsentiert, wodurch Steuerung von Frequenzabstand, Anzahl der Senderschlitze und der Gesamtzahl der Frequenzen (2 von diesen 3) möglich wird.

Es folgt eine beispielhafte Menge von Gleichungen zum Ableiten einer geeigneten Frequenzsprungsequenz.

Es sei W die Anzahl der Zyklen (z.B. 8); bestimmt die Anzahl der Frequenzen und Kanäle. W ist im Fall Z = 1 gerade.
Es sei S der Frequenzschritt (z.B. 7), z.B. für Nah-Fern-Beanstandung.
S·R ist die Anzahl der Frequenzen (im Fall Z = 1)
W·2 ist die Anzahl der Kanäle.
Es sei R = INT(S/2) + 1
Es sei Y = –1, in der Regel die Staffelung.
Es sei Z = 0 oder 1 (Frequenzabstandsverdoppler)
Es sei X = IF(Z, 0,5, 0)
Es sei A = 0..S·R–1 als zunehmende Zeit (x-Achse)

B = INT(A/W)

C = B%(S·2)

D = C% 2

E = D·R

F = INT((C%(S·2))/S)

G = F·S

H = INT(C/2)

I = G – H + 2(1 – F)·H – F + D·F·Y

J = I + E

K = A%W

L = INT(A/W)%2

M = L·S·(W – 1)

N = M – K·S + 2(1 – L)·K·S

P = J + N + IF((A%(W·S·2)) > =(W·S), X, 0)·IF(Z, 2, 1)

P ist die Frequenzzahl.
IF(A, B, C) bedeutet: wenn A wahr ist (von Null verschieden), gilt B, andernfalls C.
INT(X) bedeutet den ganzzahligen Teil von X.
% ist der Teilungsrestoperator.
A–Z sind Variablen.

Man findet eine Familie von Sequenzen durch Justieren der ganzen Zahlen W, S und durch Setzen von Z als 0 oder 1. Y kann auch justiert werden.
Zusätzlich oder als Alternative kann ein System gebildet werden, bei dem keine Mobilstation in der Ausführungsform erforderlich ist, bei dem aber die Referenzstationen ihre eigenen und/oder Übertragungen voneinander auf Änderungen an dem Mehrwegesignal überwachen. Die Entfernung oder Pseudoentfernung, in der diese Signale gesehen werden, läßt sich durch dasselbe Verfahren bestimmen, wie wenn sie durch eine Mobilstationsvorrichtung empfangen würden. Durch Triangulation der gesehenen Entfernungen oder Pseudoentfernungen ist es möglich, Position und/oder Bewegung eines oder mehrerer unausgestatteter mobiler Ziele in der Reichweite der Referenzstationen zu bestimmen. Wenn jedes Referenzstation ihr eigenes Signal überwacht, wird sie als ein monostatischer Radar bezeichnet.
Es ist auch ein Tag-System mit einem einzigen Sender und Empfänger oder einem Transponderpaar möglich. Wenn jede Referenzstation eine andere Referenzstation überwacht, handelt es sich um einen bistatischen Radar. Wenn alle Referenzstationen zwei oder mehr Referenzstationen (von denen eine ihr eigenes Signal sein könnte) überwachen, handelt es sich um einen multistatischen Radar. Die Referenzstationen können auch eine verringerte Anzahl gesendeter Signale überwachen.
Das Verfahren kann auch auf eine oder mehrere mobile Referenzstationen erweitert werden, solange sie ihre relativen Positionen berechnen. In jedem Fall sind die Entfernung(en) oder Pseudoentfernung(en) zu der Perturbation bzw. den Perturbationen in dem Mehrwegesignal bekannt, und aus diesen kann man ohne weiteres die Position eines oder mehrerer beweglicher Ziele bestimmen und sie können verfolgt werden. Ein System, das dafür ausgelegt ist, einer ausgestatteten mobilen Einrichtung Ortsinformationen zuzuführen, liefert notwendigerweise auch Ortsinformationen (2D oder 3D) bei Verwendung zum Finden unausgestatteter mobiler Einrichtungen. Anwendungen für diese Technik sind, ohne Einschränkung, Eindringsensoren und Sicherheitswarnsysteme, wie zum Beispiel Kollisionswarnungen. Ein Alarm kann ausgelöst werden, wenn ein oder mehrere Ziele in bestimmten Gebieten oder Volumen vorhanden sind.
Filterung kann angewendet werden, indem man zum Beispiel die Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Ziels unter Verwendung der empfangenen Signale bestimmt, um Falschalarme zu reduzieren oder Kollisionen vorherzusagen. Verstärkung oder Empfindlichkeit können auch zum Beispiel abhängig von Entfernung oder Grad der Mehrfachwege justiert werden. Alarme können unterdrückt werden, wenn mobile Vorrichtungen, deren Position bestimmt wurde, die Referenzstationen informiert haben und ihr Ort bei der Perturbation oder in der Nähe davon liegt. Für Systeme, die bei der Sicherheit helfen, kann man zum Beispiel beim Eintritt in ein Gebiet Maschinen herunterfahren oder Fahrzeuge verlangsamen oder stoppen und/oder einen Alarm ertönen lassen.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen eignen sich insbesondere für Radaranwendungen, da sie keine zusätzliche Hardware zum Scannen nach einzelnen oder mehreren Zielen erfordern, im Gegensatz zu derzeitigen Gegebenheiten im Stand der Technik von UWB. Die Ausführungsformen haben außerdem signifikante Vorteile in bezug auf ihre Fähigkeit, aufgrund der feinen Auflösung der Mehrwegereflexion, die sie bei Anwesenheit anderer Signale oder eines Durcheinanders bestimmen können, mehrere Ziele trennen und klassifizieren zu können. Die Ausführungsformen können mit anderen Positionsbestimmungs- oder Timing-Systemen, wie zum Beispiel GPS, kombiniert werden, um größere Abdeckung, Verfügbarkeit und/oder Genauigkeit bereitzustellen.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Ultrabreitbandsignals, bei dem ein Trägersignal durch eine Spreizsignalform moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizsignalform ein periodisches deterministisches Breitbandsignal ist und die Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen um einen vorbestimmten Betrag geändert wird – wobei der Kehrwert dieses Intervalls die Sprungrate ist – und wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und der Periode der Spreizsignalform besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spreizsignalform ein PRBS-Signal mit einer bestimmten Chippingrate ist, wobei die Codelänge dividiert durch die Chippingrate die Periode der Spreizsignalform ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spreizsignalform ein Chirpsignal mit einer vorbestimmten Modulationsrate und Dauer ist, wobei die Periode der Spreizsignalform das Intervall zwischen Chirps ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzsprünge auf pseudozufällige Weise ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerfrequenz jedes Teils des Signals gemäß einem Pseudozufallsalgorithmus ausgewählt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahl der Menge von Trägerfrequenzen so ausgeführt wird, daß die Verwendung von einer oder mehreren Frequenzen bzw. Frequenzbändern innerhalb der gewählten Bandbreite vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf jeden einzelnen Frequenzsprung Leistungssteuerung angewandt wird, um das Signal/Rausch-Verhältnis jedes Sprungs zu steuern oder um Störungen Dritter zu reduzieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einschließlich des Empfangs des erzeugten Ultrabreitbandsignals, wobei das empfangene Signal gemäß einer Funktion der Frequenz, auf der es empfangen wird, gewichtet oder skaliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, einschließlich des Empfangs des erzeugten Ultrabreitbandsignals, wobei das auf einer Frequenz empfangene Signal durch ein Signal ersetzt wird, das aus dem Signal abgeleitet wird, das auf einer beliebigen der Frequenzen empfangen wird, bevor Positions- oder Zeitinformationen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das ersetzte Signal eine Schätzung des Signals ist, das empfangen worden wäre, wenn die von dem aus dem Sender und Empfänger geleiteten Signal erfahrene Umgebung günstiger wäre.
Vorrichtung zur Erzeugung eines Ultrabreitbandsignals, umfassend: (I) Moduliermittel (2, 4) zum Modulieren eines Trägersignals durch eine Spreizsignalform, dadurch gekennzeichnet, daß die Spreizsignalform ein periodisches deterministisches Breitbandsignal ist und daß sie Mittel zum Ändern der Frequenz des Trägersignals in vorbestimmten Intervallen – deren Kehrwert die Sprungrate ist – um einen vorbestimmten Betrag umfaßt, wobei eine harmonische Beziehung zwischen der Trägerfrequenz, dem vorbestimmten Frequenzänderungsbetrag und der Periode der Spreizsignalform besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Spreizsignalform ein PRBS-Signal mit einer bestimmten Chippingrate ist, wobei die Codelänge dividiert durch die Chippingrate die Periode der Spreizsignalform ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Spreizsignalform ein Chirpsignal mit einer vorbestimmten Modulationsrate und Dauer ist, wobei die Periode der Spreizsignalform das Intervall zwischen Chirps ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13 mit Mitteln zum Ausführen der Frequenzsprünge auf pseudozufällige Weise.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Ändern der Frequenz des Trägersignals betreibbar sind, um so ausgeführt zu werden, daß die Verwendung von einer oder mehreren Frequenzen bzw. Frequenzbändern innerhalb der gewählten Bandbreite vermieden wird.
Sender mit Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 11–15.
Positionsbestimmungssystem mit mehreren Referenzstationen, wobei jede Referenzstation einen Sender nach Anspruch 16 enthält.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 17, wobei die Referenzstationen Teil eines zellularen Fernsprechnetzes sind.
Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 17 oder 18 mit einem mobilen Endgerät, das Vorrichtungen nach Anspruch 21 enthält.
Positionsbestimmungssystem mit einem mobilen Endgerät, das einen Sender nach Anspruch 16 enthält, wobei das Positionsbestimmungssystem außerdem mehrere Referenzstationen enthält, die jeweils Vorrichtungen nach Anspruch 21 enthalten.
Vorrichtung zum Empfangen eines Signals, umfassend: Mittel (24) zum Demodulieren eines Trägersignals, das durch eine Spreizsignalform moduliert ist, die ein periodisches deterministisches Breitbandsignal ist, und Mittel zum Synchronisieren eines Empfangsoszillators zur Übereinstimmung mit der Frequenz des Trägers, die sich in vorbestimmten Intervallen – deren Kehrwert die Sprungrate ist – um vorbestimmte Beträge ändert, und Mittel zum Ändern der Trägerfrequenz auf vorbestimmte Werte.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Spreizsignalform ein PRBS-Signal mit einer bestimmten Chippingrate ist, wobei die Codelänge dividiert durch die Chippingrate die Periode der Spreizsignalform ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Spreizsignalform ein Chirpsignal mit einer vorbestimmten Modulationsrate und Dauer ist, wobei die Periode der Spreizsignalform das Intervall zwischen Chirps ist.