GSM passive coherent location signal processing

Kurzfassung Passiv-Radar, auch PCL-System genannt (engl. Passive Coherent Location), wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht. Solche Systeme verzichten auf eigene Sendeeinheiten und verwenden stattdessen die kommerziell verfügbaren Sender als Gelegenheitsbeleuchter. In der Tat erhöht die Fülle der aktuell vorhandenen Sender die Attraktivität von PCL-Systemen. FM, DAB, DVB-T sowie GSM-Sender sind potenzielle Kandidaten, welche als Gelegenheitsbeleuchter für PCL verwendet werden können. Dabei spielen die Wellenform sowie die Netzinfrastruktur eine wesentliche Rolle bei der Leistungsfähigkeit der einzelnen Systeme. Während zahlreiche FM, DAB und DVB-T-basierte PCL-Systeme unterschiedlicher Reifegrade vorhanden sind, wurde GSM als mögliche Beleuchtungsart selten berücksichtigt. Dies liegt wesentlich an der durch die Wellenform bedingten groben Entfernungsauflösung sowie an der relativ niedrigen Sendeleistung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, genau diese Lücke in der Radarwelt zu schließen und ein PCL-Konzept vorzustellen, welches die bekannten Nachteile kompensiert. Dieses Konzept basiert auf der Fusion von mehreren dislozierten GSM-Sendern. Dabei profitiert es von der hohen Dichte des GSM-Netzes. Die intelligente Ausnutzung der Sender-Diversität ist eine zentrale Säule des entwickelten Konzeptes und erlaubt eine signifikante Verbesserung der Positionsgenauigkeit und des Entdeckungsbereichs. In der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf Signalverarbeitungsverfahren. Allerdings werden zum besseren Verständnis alle Aspekte eines GSM-basierten PCL-Systems betrachtet: Anforderungen bezüglich der Antenne und der Empfangshardware, Trackingverfahren, sowie Datenfusion- und Systemmanagementaspekte. Zunächst wird die Wellenform von GSM-Signalen untersucht, um daraus spezifische Radar-Charakteristika zu extrahieren. Dies erlaubt, eine realistische Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie Begrenzungen des Systems anzugeben. Anschließend wird ein Systemkonzept vorgestellt mit dem Ziel, die erkannten Nachteile zu kompensieren. Das Konzept basiert auf einer linearen und äquidistanten Gruppenantenne (engl. Uniform Linear Array, ULA), aus der alle Signale durch Signalverarbeitungsmethoden im Raum- und Zeitbereich parallel extrahiert werden können. Somit ist der Einsatz von zusätzlichen Referenzantennen (für jeden GSM-Sender) nicht notwendig. Aus Gründen der Vergleichbarkeit mit anderen Aktiv-Radar-Systemen, wurden zuerst konventionelle Signalverarbeitungsmethoden benutzt. Das implementierte angepasste Filter (engl. Matched Filter, MF), welches im Allgemein in Radarsystemen eingesetzt wird, ist durch die Autokorrelationseigenschaft der GSM-Signale in der Entfernungsauflösung und in der Entdeckung von schwachen Zielen im Clutter-Bereich limitiert. Alternative nicht-angepasste Methoden werden in dieser Arbeit vorgeschlagen. Obwohl zahlreiche Methoden zur Verbesserung der Entfernungs-, Winkel- sowie Dopplerschätzung verwendet werden können, liegt der Fokus auf der Verbesserung der Entfernungsschätzung, was hier das Kernproblem darstellt. Die hierfür vorgeschlagenen Methoden werden an die GSM-Signalstruktur angepasst und eine Analyse bezüglich der Leistungsfähigkeit gegenüber dem MF wird anhand von Simulationen durchgeführt. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Konzeptes durch Evaluation von aus Experimenten gewonnenen Realdaten untermauert und es wird die Robustheit der vorgeschlagenen Methoden untersucht.