Beschreibung

Technisches Gebiet

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen Transceiver zur Verwendung in einem Positionierungssystem, einen Rechner zum Bestimmen einer Laufzeit sowie ein entsprechendes System und Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Systeme für eine Positionsbestimmung spielen im täglichen Leben eine immer wichtigere Rolle. Die Satellitennavigation hat beispielsweise die Papierkarten zum Teil schon verdrängt und ermöglicht den Einsatz von autonom fahrenden Autos und Flugzeugen. Mit den steigenden Anforderungen an Logistik und Fertigung werden genaue Informationen über die Position von Transportmitteln zwingend erforderlich. Je nach den

Betriebsbedingungen für die Positionsbestimmung gibt es unterschiedliche

Messprinzipien und -verfahren.

Die gebräuchlichsten Messverfahren basieren auf einer Ankunftszeit, das auf Englisch mit TOA /„Time of Arrival“ bezeichnet wird oder auf einer Zeitdifferenz der Ankunft, die auf Englisch mit TDOA /„Time Difference of Arrival“ bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht darin, dass TOA die Entfernung zwischen zwei Stationen ("Ankern") durch die Signallaufzeit und TDOA durch die Zeitdifferenz zwischen den Stationen erhält.

Eine Zweiwege-Reichweitenmessung ist ein sogenanntes TWR-Verfahren, das auf Englisch mit„Two Way Range“ bezeichnet wird, verwendet die TOA-Technik, um den Abstand zwischen zwei Stationen zu erhalten. Im Gegensatz zu einer Einweg- Reichweitenmessung, wie sie z.B. bei satellitengestützten Anwendungen verwendet wird, erfolgt beim TWR ein Antwortsignal auf das eingehende Signal. Daher ist es nicht notwendig, dass die Sendestationen synchron sind. In Anwendungen, in denen es notwendig ist, nicht nur die Entfernung, sondern auch die Position eines Ziels (Englisch auch als„Tag“ bezeichnet) in Bezug auf die anderen Stationen, die auch als Anker bezeichnet werden, zu erhalten ist ein TWR-Verfahren aufgrund der geringen

Aktualisierungszeit weniger geeignet. Eine für die Positionsbestimmung verwendete Triangulation in einem zweidimensionalen Raum (2D) erfordert mindestens drei

Entfernungsmessungen.

Im Gegensatz zu TOA ist TDOA besser geeignet für Anwendungen mit vielen Tags ("Zielen"). In TDOA-Anwendungen reagieren die Stationen nicht. Eine "Multilateration" ergibt sich aus der Differenz von Zeitstempeln zwischen den Stationen. Geometrisch gesehen entsprechen den TOA-Gleichungen Kreise, wohingegen TDOA-Gleichungen Hyperboloiden in einem zweidimensionalen Raum. Ähnlich wie bei

Satellitennavigationssystemen, die auf TOA basieren, ist es notwendig, die Uhren der TDOA-Stationen zu synchronisieren. Die Synchronisierung kann drahtgebunden oder mit Hilfe einer zusätzlichen Station erfolgen. Neben der Messtechnik sind auch die

Messvorrichtungen von Bedeutung.

Eine Positionsbestimmung in einem Innenraum stellt im Allgemeinen eine

Herausforderung für RF-basierte Lokalisierungssysteme dar. Reflexionen können zu Störungen des Hauptsignals führen und ein Abschwächen, das auch als "Fading" bezeichnet wird, bewirken. Im Gegensatz zu Schmalbandsignalen sind

Ultrabreitbandsignale, die auch als UWB-Signale bezeichnet werden, weniger störungsanfällig. Ein sogenannter„Decawave“-Transceiver basiert auf der Ultra- Breitband-Technologie (UWB) und entspricht dem Standard IEEE802.15.4-2011. Er unterstützt z.B. sechs Frequenzbänder mit Mittelfrequenzen von 3,5 GHz bis 6,5 GHz und Datenraten bis zu 6,8 Mb/s. Die Bandbreite kann mit den gewählten Mittelfrequenzen von 500 bis 1000 MHz variieren.

Im Gegensatz zu TOA ist TDOA besser für Anwendungen mit vielen Tags geeignet. In TDOA-Anwendungen antworten die Anker nicht. Eine sogenannte Multilateration ergibt sich aus der Differenz der Zeitstempel zwischen den Ankern. Geometrisch gesehen sind TOA-Gleichungskreise und TDOA-Hyperboloide in einem zweidimensionalen Raum. Ähnlich wie bei Satellitennavigationssystemen, die auf TOA basieren, ist es notwendig, dass die Uhren der TDOA-Anker synchronisiert sind. Eine Positionsbestimmung mit„Decawave“~Transceivern basiert auf Zeitstempeln. Diese werden gesetzt, wenn ein Signal gesendet oder empfangen wird. Hierbei ist es

erforderlich alle Verzögerungen zu berücksichtigen. Manche dieser Verzögerungen, wie das "Antennen delay", sind von der Umgebungstemperatur abhängig. Dadurch ist es oft notwendig die Verzögerungen immer wieder neu zu bestimmen. Bekannte Verfahren basieren auf gemessenen Distanzen zwischen den Stationen, um auf die Verzögerung zu schließen. Dadurch sind externe Messapparaturen erforderlich.

Daher ist es wünschenswert, zu einem Konzept zu gelangen, das keine zusätzlichen Messapparaturen für die Bestimmung der Distanzen zwischen den Stationen benötigt und das eine Selbstkalibrierung ermöglicht.

Dies wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung erreicht.

Weitere Ausführungsformen nach der Erfindung werden durch den Gegenstand der abhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung definiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Ausführungsform gemäß dieser Erfindung bezieht sich auf einen

Kalibrierwertberechner zum Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert A, B, S, O,, O, für ein Positionsbestimmungssystem, wobei der Kalibrierwertberechner ausgelegt ist, um zumindest einen Kalibrierwert A und/oder B und/oder S, der eine Verzögerung an oder in einer Station, z.B. einer Basistation oder eines Transponders des

Positionsbestimmungssystems beschreibt, auf der Basis einer Mehrzahl von Zeitstempelbasierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, i.e. TOA-Messungen und optional unter Verwendung weiterer Messungen, wie beispielsweise Laufzeitdifferenzmessungen i.e. TDOA-Messungen zwischen verschiedenen Paaren von Stationen des

Positionsbestimmungssystems, deren Positionen zum Beispiel zumindest teilweise unbekannt sind, zu bestimmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um eine Lösung eines ausreichend bestimmten oder überbestimmten Gleichungssystems, beispielsweise gemäß der Gleichung

das Stations-individuelle Kalibrierwerte, z.B. A, B, S, Oj, O _j und auch unbekannte Positionskoordinaten zumindest einer der Stationen, z.B. X _j , y _j , Z _j , a _it bi, s, aufweist, beispielsweise exakt oder numerisch, z.B. mit linearen oder nichtlinearen Lösungsverfahren oder Optimierungsverfahren durchzuführen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um eine Lösung eines ausreichend bestimmten oder überbestimmten Gleichungssystems durchzuführen, wobei Gleichungen des Gleichungssystems jeweils einen Zusammenhang zwischen einem geometrischen Abstand zweier Stationen, z.B. einer unter Vernachlässigung der Kalibrierwerte bestimmten Distanz der zwei Stationen, z.B. d _j , _j und Kalibrierwerten der zwei Stationen, z.B. Oj, O _j beschreiben.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um neben einer Bestimmung von Stations-individuellen Kalibrierwerten, Positionskoordinaten zumindest einer Station im Rahmen der Lösung des Gleichungssystems mitzubestimmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner so ausgelegt, dass ein für die Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen gewähltes Koordinatensystem so ausrichtbar ist, dass der Ursprung des Koordinatensystems mit den Koordinaten einer Station zusammenfallen und eine der Koordinatenachsen auf eine weitere Station ausgerichtet ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um die Position von weiteren Stationen in einem Koordinatensystem, das durch zumindest drei Anker- Stationen definiert wird, zu bestimmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um auf der Basis von Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen zwischen allen Paaren der Stationen, Kalibrierwerte zu berechnen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu berechnen, basierend auf einem ersten Satz von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, die bei einer ersten Anordnung der Stationen durchgeführt werden und zumindest einem zweiten Satz von Zeitstempel- basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, die bei einer zweiten Anordnung der Stationen durchgeführt werden. Dabei ist bei der zweiten Anordnung der Stationen zumindest eine Position einer Station gegenüber der ersten Anordnung verändert, wobei eine relative Lage der Stationen zueinander gegenüber der ersten Anordnung verändert ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu bestimmen, basierend auf Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen mit veränderten Positionen zumindest einer der Stationen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um in einer ersten Näherung Kalibrierwerte zu bestimmen, basierend auf der Annahme, dass Kalibrierwerte verschiedener Stationen gleich sind.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu bestimmen, unter Verwendung von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen und Zeitstempel-basierten Laufzeitdifferenzmessungen oder Distanzdifferenzmessungen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu bestimmen, wobei ein Gleichungssystem gemäß folgender Formel berechenbar ist

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Parameter, wie beispielsweise Positionskoorinaten x _jt y _j , Z _j ,a _j ,b _j , der Stationen und Kalibrierwerte O _f , O _j der Stationen, die Positionen einer Mehrzahl von Stationen und Kalibrierwerte der Mehrzahl von Stationen beschreiben, beispielsweise unter Verwendung eines Optimierungsverfahrens, so zu bestimmen, dass eine Zielfunktion zumindest näherungsweise minimiert wird. Dabei beschreibt die Zielfunktion eine Summe einer Mehrzahl von quadratischen Fehlern zwischen sich aufgrund von Positionskoordinaten ergebenden geometrischen Abständen zwischen jeweils zwei Stationen einerseits und sich durch Korrektur von gemessenen Abständen dj _j zwischen den jeweils zwei Stationen mit Kalibrierwerten O _j , O _j ergebenden Abständen zwischen den jeweils zwei Stationen djj+ O, + O _j andererseits.

Gemäß einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Summanden der Zielfunktion einer ersten räumlichen Anordnung der Stationen zugeordnet sind. Dabei sind ein oder mehrere Summanden der Zielfunktion einer zweiten räumlichen Anordnung der Stationen zugeordnet, bei der eine relative räumliche Anordnung der Stationen zueinander im Vergleich zu der ersten räumlichen Anordnung verändert ist, beispielsweise dadurch, dass sich die Position zumindest einer der Stationen relativ zu einer oder mehreren anderen Stationen verändert hat.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um zumindest einen Kalibrierwert basierend auf einer Laufzeitmessung / TOA zwischen einer ersten Station A und einer dritten Station S zu bestimmen. Die Berechnung erfolgt basierend auf einer Laufzeitmessung / TOA zwischen einer zweiten Station B und der dritten Station S und basierend auf einer Laufzeitdifferenzmessung / TDOA, bei der ein Unterschied zwischen Eintreffzeitpunkten von zwei durch die erste Station und die zweite Station zeitlich koordiniert ausgesendeten Signalen bei der dritten Station ausgewertet wird.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um den zumindest einen Kalibrierwert unter Berücksichtigung einer Information

über einen zeitlichen Abstand zwischen einer Aussendung eines Signals durch die erste Station A und einer Aussendung eines Signals durch die zweite Station B bei der Laufzeitdifferenzmessung und unter Berücksichtigung einer Information über einen Abstand zwischen der ersten Station, oder einer Antenne der ersten Station, und der zweiten Station, oder einer Antenne der zweiten Station, zu bestimmen.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt

- um eine Information DT ₂ über eine Zeitdifferenz zwischen einem ersten Zeitpunkt, zu dem die dritte Station ein von der ersten Station ausgesendetes Signal empfängt, und einem zweiten Zeitpunkt, zu dem die dritte Station ein durch die zweite Station ausgesendetes Signal, das mit dem durch die erste Station ausgesendeten Signal koordiniert ausgesendet wird, empfängt, zu erhalten; - um eine Information DT^ ₂ über einen zeitlichen Abstand zwischen einer Aussendung eines Anregungssignals und einem Empfang eines Antwortsignals bei einer

Laufzeitmessung zwischen der ersten Station und der dritten Station zu erhalten;

- um eine Information DT ₂ über einen zeitlichen Abstand zwischen einem Empfang des Anregungssignals und einer Aussendung des Antwortsignals bei der Laufzeitmessung zwischen der ersten Station und der dritten Station zu erhalten;

- um eine Information DT? ₂ über einen zeitlichen Abstand zwischen einer Aussendung eines Anregungssignals und einem Empfang eines Antwortsignals bei einer

Laufzeitmessung zwischen der zweiten Station und der dritten Station zu erhalten; und

- um eine Information DT ₂ über einen zeitlichen Abstand zwischen einem Empfang des Anregungssignals und einer Aussendung des Antwortsignals bei der Laufzeitmessung zwischen der zweiten Station und der dritten Station zu erhalten; und

- um basierend darauf einen der ersten Station zugeordneten Kalibrierwert A und einen der zweiten Station zugeordneten Kalibrierwert B oder eine lineare Kombination, z.B. A+B oder A-B des der ersten Station zugeordneten Kalibrierwerts und des der zweiten Station zugeordneten Kalibrierwerts zu erhalten.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um den der ersten Station zugeordneten Kalibrierwert A und den der zweiten Station zugeordneten Kalibrierwert B oder die lineare Kombination, z.B. A+B oder A-B des der ersten Station zugeordneten Kalibrierwerts und des der zweiten Station zugeordneten Kalibrierwerts unter Verwendung einer Information K, die einen zeitlichen Abstand zwischen der koordinierten Aussendung des durch die erste Station ausgesendeten Signals und des durch die zweite Station damit koordiniert ausgesendeten Signals beschreibt, und unter Verwendung einer Information L(A,B) über einen Abstand zwischen der ersten Station und der zweiten Station oder zwischen der ersten Station und der zweiten Station zugeordnete Antennen, zu erhalten.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um eine Lösung eines zum Beispiel linearen Gleichungssystems, das einen z.B. linearen Zusammenhang zwischen den Kalibrierwerten A, B , dem zeitlichen Abstand DT ₂ zwischen einem Empfang des Anregungssignals und einer Aussendung des Antwortsignals bei der Laufzeitmessung zwischen der zweiten Station und der dritten Station, dem zeitlichen Abstand DT ₂ zwischen einer Aussendung eines Anregungssignals und einem Empfang eines Antwortsignals bei einer Laufzeitmessung zwischen der ersten Station und der dritten Station und dem zeitlichen Abstand DTz ₂ zwischen einer Aussendung eines Anregungssignals und einem Empfang eines Antwortsignals bei einer Laufzeitmessung zwischen der zweiten Station und der dritten Station, beispielsweise unter Berücksichtigung von K beschreibt, und ferner einen beispielsweise linearen Zusammenhang zwischen den Kalibrierwerten A, B, dem zeitlichen Abstand DT ₂ zwischen einer Aussendung eines Anregungssignals und einem Empfang eines Antwortsignals bei einer Laufzeitmessung zwischen der ersten Station und der dritten Station und dem zeitlichen Abstand D7 ^b ₂ zwischen einer Aussendung eines Anregungssignals und einem Empfang eines Antwortsignals bei einer Laufzeitmessung zwischen der zweiten Station und der dritten Station beschreibt, beispielsweise unter Berücksichtigung des Abstands L(A,B) und der Lichtgeschwindigkeit, zu bestimmen, um die Kalibrierwerte A, B zu erhalten oder um eine lineare Kombination der Kalibrierwerte A, B zu erhalten.

Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Gleichung des Gleichungssystems eine Forderung, dass ein durch die Laufzeitdifferenzmessung bestimmter Laufzeitunterschied gleich einem Unterschied zwischen einer durch die Laufzeitmessung TOA zwischen der ersten Station A und der dritten Station S bestimmten Laufzeit einerseits und einer durch die Laufzeitmessung TOA zwischen der zweiten Station B und der dritten Station S bestimmten Laufzeit andererseits ist:

—A + B ~ DT ₂ + K - 0.5 · (D7 - ATx ₆ ) .

Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Gleichung des Gleichungssystems eine Forderung, dass eine durch eine Laufzeitmessung zwischen der ersten Station und der zweiten Station bestimmte Laufzeit einem vorgegebenen Wert L(A,B), c ₀ (Lichtgeschwindigkeut) entspricht

-L - B = ^ - 0.5 · (DG ₇ ^L _b - DG ₇ ^b ₈ ).

Eine Ausführungsform gemäß dieser Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum

Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert A, B, S, O,, O _j für ein

Positionsbestimmungssystem, wobei zumindest ein Kalibrierwert A und/oder B und/oder S, der eine Verzögerung an oder in einer Station, z.B. einer Basistation oder eines Transponders des Positionsbestimmungssystems beschreibt, auf der Basis einer

Mehrzahl von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, i.e. TOA-Messungen und optional unter Verwendung weiterer Messungen, wie beispielsweise Laufzeitdifferenzmessungen i.e. TDOA-Messungen zwischen verschiedenen Paaren von Stationen des Positionsbestimmungssystems, deren Positionen zum Beispiel zumindest teilweise unbekannt sind, bestimmt wird.

Eine Ausführungsform gemäß dieser Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogramm mit einem Programmcode, um beim Ausfuhren auf einem Computer ein Verfahren zum Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert A, B, S, O,, O _j für ein Positionsbestimmungssystem auszuführen, wobei zumindest ein Kalibrierwert A und/oder B und/oder S, der eine Verzögerung an oder in einer Station, z.B. einer Basistation oder eines Transponders des Positionsbestimmungssystems beschreibt, auf der Basis einer Mehrzahl von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, i.e. TOA-Messungen und optional unter Verwendung weiterer Messungen, wie beispielsweise Laufzeitdifferenzmessungen i.e. TDOA-Messungen zwischen verschiedenen Paaren von Stationen des Positionsbestimmungssystems, deren Positionen zum Beispiel zumindest teilweise unbekannt sind, bestimmt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern es wird in der Regel Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hardware-Verzögerung bei einer

Zweiwege-Reichweitenmessung gemäß einer TOA-Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Hardware-Verzögerung bei einer

Zweiwege-Reichweitenmessung gemäß einer TDOA-Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfiguration mit drei Stationen mit je einer Hardware-Verzögerung A, B, S;

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer TOA-Messung zwischen den

Stationen A und S; Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer TOA-Messung zwischen den

Stationen B und S;

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Information K, die einen zeitlichen Abstand zwischen der koordinierten Aussendung des durch die erste Station ausgesendeten Signals und des durch die zweite Station damit koordiniert ausgesendeten Signals beschreibt;

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer TOA-Messung zwischen den

Stationen A und B;

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfiguration mit drei Basis-

Stationen B, und drei Transponder T _j -, und

Fig. 9 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierwertberechners.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Referenzziffern bezeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Zahlen Vorkommen.

In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl von Details dargelegt, um eine umfassendere Erklärung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Einem Fachmann wird es jedoch klar sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen nicht im Detail, sondern im Blockdiagramm dargestellt, um zu vermeiden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verborgen werden. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Dabei können folgende Notationen verwendet werden:

TP Zeitstempel an der Referenzstation

T _j ^T Zeitstempel am Transponder (tag)

Ti ^S Zeitstempel an der Station S

T _j ^A Zeitstempel an der Station A

T, ^B Zeitstempel an der Station B

D r _n,m Differenz zwischen zwei Zeitstempeln Tm - Tn

C„, _m Driftfehler der Uhr berechnet aus den Zeitstempeln

E _j Zeitstempelfehler durch die Signalleistung

A, B , S Hardware- Verzögerung

K Zeitverzögerung

c ₀ Lichtgeschwindigkeit

D Anzahl der Dimensionen

N Anzahl der Basisstationen Bf

M Anzahl der Transponder 7}

d _jj Abstandsmessungen zwischen Bf und 7)

X _j , y _j Z _j Positionen der Transponder T _{j r} 1 <=j<=M

a„ bi, Ci Positionen der Basisstationen ß, , 1 <=i<=N

O, Hardware-Verzögerung (Offset) der Ankerstation

Or Hardware-Verzögerung (Offset) der Transponder

T Anzahl der Transponder

Wie schon erwähnt basiert die Positionsbestimmung mit den Decawave-Transceivern auf Zeitstempeln. Diese werden gesetzt, wenn ein Signal gesendet oder empfangen wird. Hierbei ist es erforderlich alle Verzögerungen zu berücksichtigen. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hardware-Verzögerung zwischen einer Referenzstation und einem Transponder / Tag bei einer TWR / Zweiwege-Reichweitenmessung gemäß einer TOA-Ausführungsform der Erfindung. A und B sind die Verzögerungen / Offsets, die durch die Hardwareverzögerung verursacht werden: A in der Referenzstation und B im Transponder, wobei entsprechende Zeitstempel T† und T gesetzt werden.

Eine allgemeine Gleichung für die TOA-Positionsschätzung mit Taktdriftkorrektur c„, _m und Signalleistungskorrektur E, lautet wie folgt: RT

ül,3

T- TOA = 0.5 D7& - D7·; ₂ - (D7 ^t ₂ + EI) - E ₂ - E^ - A - B

^3

In einem Ausführungsbeispiel kann der Taktdrift und die Signalleistung vernachlässigt werden. Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

TTOA = 0.5 (D7& - AT& - A - B

In Fig. 2 ist der Einfluss einer Antennenverzögerung auf die TDOA-Messung zwischen Referenzstation und einer der Stationen N sowie zwischen dem Tag und der Station N dargestellt.

Mit Berücksichtigung von Taktdriftkorrektur c„ _,m und Signalleistungskorrektur £, ergeben sich folgende allgemeine Gleichungen für eine TDOA-Positionsschätzung:

wobei

Auf ähnliche Weise wie bei im o.a. Ausführungsbeispiel ergibt sich im folgenden Beispiel bei Vernachlässigung von Taktdrift und der Signalleistungsfehler folgende vereinfachte Gleichung:

TTDOA _K = D7& + K wobei in diesem Fall

K = T _T0A + AT[ ₂ + 2 B

Für eine Schätzung der Antennenverzögerung wird in einem ersten Schritt eine TDOA- Messung für die Station mit der Antennenverzögerung S ermittelt. Die Station A wird in diesem Ausführungsbeispiel als Referenzstation und die Station B als Tag verwendet, wie in Fig. 3 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Antennenverzögerung in diesem Fall keinen Einfluss auf die TDOA-Messung hat, weil die Verzögerung, die sich auf den Zeitstempel auswirkt für beide Signale gleich groß ist. Damit hat die Verzögerung keinen Einfluss auf die TDOA Messung. Folglich kann mittels TDOA eine verzögerungsfreie Messung für die Differenzdistanzen realisiert werden, die dafür genutzt werden, um mittels TOA auf die Offsets zu schließen. Daher ergibt sich folgende Gleichung:

In einem zweiten Schritt wird eine TOA-Messung zwischen der Station A und S

durchgeführt, wie in Fig. 4 dargestellt. Daraus ergibt sich folgende Gleichung:

Die gleiche Überlegung kann für die Stationen B und S angewandt werden. Daraus ergeben sich folgende Gleichungen:

Weil die Verarbeitungszeit nahezu konstant ist kann daher angenommen werden, dass A7 ₃ ^s ₄ etwa gleich D7' ₆ ist.

Die Differenz zwischen den beiden vorhergehenden Gleichung für TOA-Messungen führt dementsprechend zu folgender Gleichung für eine TDOA-Messung:

TTBOA = 0.5

Anschließend kann eine Gleichung berechnet werden, die sich aus der Differenz von zwei TOA-Messungen und der TDOA-Messung ergibt:

TTDOAK — TTOA _AS ~ TTQABS

Das entsprechende Ergebnis kann wie folgt ausformuliert werden: Der Parameter K kann ermittelt werden, wenn , die Sendezeit der Stationen A und B bekannt ist. Dies ist möglich, wenn die Stationen A und B mit derselben Uhrzeit betrieben werden, wie beispielhaft in Fig. 6 dargestellt. K entspricht hier der Differenz der

Sendezeiten der Stationen A und B.

Mit dem bekannten Parameter K entspricht die Differenz zwischen dem Offset A und B der folgenden Gleichung:

-A + B = DG^ + K - 0.5 · (DG& - DG ₅ ^b ₆ )

Mit dem bekannten Abstand L(A;B) zwischen der Station A und der Station B entspricht die Summe der Offsets A und B wie folgt:

Eine Schätzung der Antennenverzögerung basierend auf TOA und einem sich bewegenden Transponder wird nachfolgend beschrieben. Die verwendeten

Bezeichnungen sind in folgender Tabelle zusammengefasst:

Bezeichnungen Definition

N Anzahl der Basisstationen Bi

M Anzahl der Transponder T _j

di;i Abstandsmessungen zwischen Bi und T _j

^X j ; yj ; Positionen des Transponders T _j < j <M

af, bi; Ci Positionen der Basisstationen B,< i <N

D Anzahl der Dimensionen

Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 zeigt drei Basisstationen B, und drei Transponder Tj, die sich an je einer unbekannten Positionen befinden. Die Abstände d zwischen den Basisstationen B, und den Transpondern T _j sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel bekannt. Die Entfernungen zwischen den einzelnen Basisstationen Bj sind allerdings unbekannt. Ziel der Selbstkalibrierung ist es, die relativen Koordinaten zwischen allen Basisstationen und den unbekannten Offsets O zu erhalten.

Das Offset (O) kann ein konstanter Wert sein, der sich jeder Basisstation zuordnen lässt. Nachfolgend ist ein Gleichungssystem für eine TOA-Selbstkalibrierung dargestellt. Dieses Gleichungssystem kann mithilfe linearer und nicht linearer Lösungsverfahren, mit sogenannten Optimierungsalgorithmen nach den unbekannten Positionen und Offsets aufgelöst werden. Neben der Offsetbestimmung werden auch die unbekannten Positionen (x, y, z) der Basisstationen geschätzt. Eine entsprechende Zielfunktion lautet: wobei

D (N + M) + N + M < N M Die Anzahl der Distanzmessungen entspricht

N*(N- 1)/2

wobei N die Anzahl der Basisstationen ist. Die geometrische Konstellation ist

Translations- und Rotationsfrei. Dementsprechend sollten beispielsweise Ankerpunkte gesetzt werden. Dabei kann das Koordinatensystem in eine Basisstation gelegt werden, die mit einer Koordinatenachse auf eine andere Basisstation ausgerichtet ist. Als Beispiel soll das Koordinatensystem in Basisstation 1 zentriert und die Y-Achse auf Basisstation 2 ausgerichtet werden.

Daraus ergibt sich für eine planare Betrachtung x =y =X =0

Im dreidimensionalen Fall wäre es

X =y =Z =Xz=Zz=Z ₃ =0

In der Regel ist es nicht möglich mit 4 Basisstationen eine stationäre 2D- Selbstkalibrierung durchzuführen (6 Messungen, 9 Unbekannte). Eine solche

Selbstkalibrierung setzt beispielsweise voraus, dass alle Offsets gleich groß sind (6 Messungen, 5 Unbekannte) oder die Position sich von einer Basisstation oder allen Basisstationen ändert. Die Positionsänderung einer Station würde die Anzahl der Unbekannten zwar um die Koordinaten der neuen Position erhöhen, dafür aber mehr Messungen erforderlich machen. Folglich wäre schon mit vier Basisstationen eine Selbstkalibrierung möglich: hier wären beispielsweise bei 13 Unbekannten zwei Positionsänderungen mit 15 Messungen erforderlich.

Wenn der eine Transponder an verschiedenen Positionen verwendet wird ergibt sich folgende Zielfunktion: wobei

D - (N + M) + N + l < N - M

Der Kalibrierwertberechner kann bei Beispielen in Hardware unter Verwendung von analogen und/oder digitalen Schaltungen, in Software, durch die Ausführung von Befehlen durch einen oder mehrere Univeral- oder Spezial-Prozessoren, oder als eine Kombination von Hardware und Software. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele in der Umgebung eines Computersystems oder eines anderen Verarbeitungssystems implementiert sein. Ein Computersystem kann einen oder mehrere Prozessoren aufweisen, der oder die mit einer Kommunikationsinfrastruktur, wie z.B. einem Bus oder einem Netz verbunden sind. Das Computersystem kann einen Hauptspeicher, wie z.B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und einen Sekundärspeicher, wie z.B. ein Festplattenlaufwerk oder ein entfernbares Speicherlaufwerk, aufweisen. Der Sekundärspeicher kann ermöglichen, dass Computerprogramme oder andere maschinenlesbare Befehle in das Computersystem geladen werden. Das Computersystem kann ferner eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, um zu ermöglichen, dass maschinenlesbare Befehle und Daten zwischen dem Computersystem und externen Vorrichtungen ausgetauscht werden. Die Kommunikation kann elektronisch, elektromagnetisch, optisch oder über andere Signale, die durch die Kommunikationsschnittstelle gehandhabt werden können, erfolgen. Die Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos stattfinden. Fig. 9 zeigt schematisch ein Beispiel eines Kalibrierwertberechners wie er hierin offenbart ist, der einen Speicher 22 und eine Recheneinrichtung 24 aufweist. Die Recheneinrichtung 24 empfängt ein Eingangssignal 20, das Laufzeitmessungen und/oder Distanzmessungen angibt und erzeugt basierend darauf ein Ausgangssignal 26, das den Kalibrierwert angibt. Bei Beispielen kann die Recheneinrichtung 24 durch beliebige geeignete Schaltungsstrukturen implementiert werden, beispielsweise Mikroprozessorschaltungen, ASIC-Schaltungen, CMOS-Schaltungen und dergleichen. Bei Beispielen kann die Recheneinrichtung als eine Kombination von Hardware- Strukturen und maschinenlesbaren Befehlen implementiert sein. Beispielsweise kann die Verarbeitungsschaltung einen Prozessor und Speichereinrichtungen aufweisen, die maschinenlesbare Befehle speichern, die die beschriebenen Funktionalitäten liefern und zur Durchführung von hierin beschriebenen Verfahren führen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden. Bei Beispielen kann der Speicher 22 durch beliebige geeignete Speichervorrichtungen implementiert sein, beispielsweise EPROM, EEPROM, Flash-EEPROM, FRAM (ferroelektrischer RAM), MRAM (magnetoresitiver RAM), oder Phasenwechsel-RAM. Der Speicher 22 ist mit der Recheneinrichtung 24 gekoppelt oder kann als Teil der Recheneinrichtung 24 in dieselbe integriert sein.

Weitere Ausführungsformen werden durch die beigefügten Ansprüche definiert. Jede Ausführungsform, wie durch die Ansprüche definiert, kann durch Details (Merkmale und Funktionalitäten), wie vorangehend beschrieben, ergänzt werden.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Ein erfindungsgemäß codiertes Signal, wie beispielsweise ein Audiosignal oder ein Videosignal oder ein Transportstromsignal, kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein oder kann auf einem Übertragungsmedium wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem verdrahteten Übertragungsmedium, z.B. dem Internet, übertragen werden

Das erfindungsgemäße kodierte Audiosignal kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein, oder kann auf einem Übertragungsmedium, wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem drahtgebundenen Übertragungsmedium, wie beispielsweise dem Internet, übertragen werden.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwirken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.

Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nicht-vorübergehend.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.

Bei manchen Ausführungsbeispieien kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell ersetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.

Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.

Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.

Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Obwohl bestimmte Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen angeführt und/oder in der Beschreibung offenbart sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Merkmale die Offenbarung möglicher Implementierungen einschränken. Tatsächlich können zahlreiche dieser Merkmale auf Weisen kombiniert werden, die nicht spezifisch in den Patentansprüchen angeführt und/oder in der Beschreibung offenbart sind. Obwohl jeder der unten angeführten abhängigen Patentansprüche möglicherweise nur von einem oder einigen Patentansprüchen direkt abhängt, umfasst die Offenbarung möglicher Implementierungen jeden abhängigen Patentanspruch in Kombination mit allen anderen Patentansprüchen in dem Satz von Patentansprüchen.