Die vorliegende Erfindung betrifft ein Phasendifferenzkorrekturverfahren und ein Ultra- breitband-System, welches zum Ausführen des Phasendifferenzkorrekturverfahren geeignet ist, sowie ein entsprechender Computerprogramcode. Insbesondere ist ein Verfahren zur Phasendifferenz-Drift- und Versatz-Korrektur offenbart, welches zu einer Ultrabreit- band(UWB)-Lokalisierung geeignet ist.

Informationen über eine Phase einer T rägerwelle werden bei der Navigation häufig zur Verbesserung oder Bereitstellung von Entfernungsinformationen verwendet. Bei der Satellitennavigation wird die Messung der Phase der T rägerwelle in Kombination mit der Pseudoentfernung verwendet. Das gleiche Prinzip kann auch für UWB-Lokalisierungssysteme verwendet werden, vorausgesetzt, es wird berücksichtigt, dass die Takte, die zum Erzeugen der gesendeten Welle verwendet werden, ungenau sind und daher Drift- und Versatzkorrektur erfordern. Der allgemeine Ansatz zum Überwinden dieses Problems ist die Verwendung von drahtgebundenen Verbindungen zwischen Stationen, um das Taktsignal zu verteilen. Als Folge ist die Phasendrift für jede Station gleich. In [2] wird gezeigt, wie die Phasendifferenz zwischen zwei Empfangsstationen, die das gleiche Taktsignal gemeinschaftlich verwenden, erhalten werden kann. Dieses Verfahren kann durch Verwenden von zwei Sendestationen auch umgekehrt werden [3], In beiden Fällen ist es möglich, nur eine Station statt zweier Stationen zu verwenden. Bei der Verwendung von nur einer Station müssen aber mehrere Antennen in der Station vorhanden sein.

Eine Phasenmessung gemäß einer der soeben beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik ist nur bei Systemen anwendbar, bei denen das Taktsignal gemeinschaftlich verwendet wird oder bei denen eine Station bzw. ein Transceiver mehrere Antennen aufweist, die zum Senden oder Empfangen des Signals verfügbar sind.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ultrabreitband-System 100‘, welche für die TOA-Messtechnik geeignet ist. Ein erster Transceiver 10‘ sendet ein erstes Signal 2T, das durch einen zweiten T ransceiver 20‘ empfangen wird. Hierzu umfassen der erste und der zweite T ransceiver 10‘, 20‘ jeweils einen Sender und einen Empfänger. Der erste Transceiver 10‘ und der zweite Transceiver 20‘ können dazu ausgebildet sein, Zeitstempel der empfangenen und gesendeten ersten und zweiten Signale 2T, 22‘ zu erstellen und diese zu senden bzw. zu empfangen. Eine Zeitstempeldifferenz dT in Kombination mit der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit cO (Lichtgeschwindigkeit) ermöglicht es, eine unbekannten Abstand 25‘ über d = c0 * dT zu bestimmen. In der Praxis sind der erste Transceiver 10‘ und der zweite Transceiver 20‘ nicht synchronisiert. Um dieses Problem zu lösen, kann eine Technik namens Zweiweg-Entfernungsmessung (two-way ranging) verwendet werden. Zur Umsetzung der Zweiweg-Entfernungsmessung antwortet der zweite Transceiver 20‘ durch Aussenden des zweiten Signals 22‘ dem ersten Transceiver 10‘. Das zweite Signal 22‘ enthält eine Information über die Verarbeitungszeit zwischen der empfangenen und der zurückgesendeten Übertragungszeit. Dieses Verfahren wird in [4] näher erläutert. Zusätzlich zu dem Taktfehler sind UWB-Messungen auch anderen störenden Faktoren unterworfen wie zum Beispiel Signalstärkeabhängigkeiten [5] oder Aufwärmfehler [6], Insoweit gehört das bisher zur Fig. 1 beschriebene Verfahren zum Stand der Technik.

In Hinblick auf das zum Stand der Technik gehörende, beschriebene Verfahren ist zu bemerken, dass selbst mit allen verwendeten Korrekturverfahren es nicht möglich ist, dass die Zeitstempel-basierte Positionsschätzung eine bessere Positionsschätzung als mehrere Zentimeter erhält.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Phasendifferenzkorrekturverfahren und damit ein verbessertes Ultrabreitband-System bereitzustellen, insbesondere ohne die Verwendung von mehreren Antennen oder ohne ein Taktsignal einer Quarzuhr gemeinschaftlich verwenden zu müssen. Es ist eine Aufgabe, ein Verfahren und ein Ultrabreitband-System zur verbesserten Ultrabreitband(UWB)-Lokalisierung bereitzustellen, mit welchem eine Positionsschätzung eine Genauigkeit von weniger als 5 cm aufweist.

Dies wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung erreicht. Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden durch den Gegenstand der abhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung definiert.

Mit dem hierin vorgeschlagenen Phasendifferenzkorrekturverfahren und dem weiteren Phasenkorrekturverfahren kann beispielsweise bei einer Frequenz von 6,5 GHz eine Positionsgenauigkeit von weniger als 1 cm, insbesondere von 0,8 mm, bestimmt werden. Bei höheren Frequenzen wird eine Positionsbestimmung noch genauer, da die Wellenlänge kleiner wird. Kern der vorliegenden Erfindung ist es, Korrekturterme zu bestimmen, um einen Phasenversatz und/oder einen Phasendrift aus den, insbesondere gemessenen, Signalen zu korrigieren. Insbesondere das weitere Phasenkorrekturverfahren kann zum Ausführen des weiteren Phasenkorrekturverfahrens passive Transceivern eingehen umfassen.

Vorschlagsgemäß umfasst das Phasendifferenzkorrekturverfahren zum Korrigieren einer Phasendrift und/oder eines Phasenversatzes zunächst ein Aussenden eines ersten Signals durch einen ersten Transceiver und ein Empfangen des ersten Signals durch einen zweiten Transceiver. Das vorgeschlagene Phasendifferenzkorrekturverfahren kann unter Verwendung Ankunftszeit-Messtechnik (TOA = Time of Arrival) ausgeführt werden. Nach dem Empfangen des ersten Signals folgt ein Bestimmen einer ersten Phasendifferenz zwischen einem ersten internen Signal, d.h. einer internen Welle, des zweiten Transceivers und dem empfangenen ersten Signal. Das bestimmen der ersten Phasendifferenz erfolgt in dem zweiten Transceiver. Die Phasendifferenz wird in jenem Transceiver bestimmt, weicher ein Signal empfängt. Eine Berechnung von Korrekturen kann in einem beliebigen Transceiver stattfinden. Das Phasendifferenzkorrekturverfahren umfasst in jedem Fall ferner ein Aussenden eines zweiten Signals durch den zweiten Transceiver nach Ablauf eines definierten ersten Verzögerungszeitfensters, wobei das zweite Signal eine Information zur bereits bestimmten ersten Phasendifferenz und/oder zur Bestimmung der ersten Phasendifferenz umfasst. Das Bestimmen der Phasendifferenz umfasst ein Messen von Signalen, d.h. das Empfangen von Signalen durch einen entsprechenden Transceiver. Ferner umfasst das Bestimmen der Phasendifferenz ein Auswerten der gemessenen Signale durch Berechnen der Phasendifferenz. Das Berechnen der Phasendifferenz kann durch irgendeinen Transceiver oder durch einen Server oder dergleichen erfolgen. Bei dem erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren ist es folglich denkbar, dass die erste Phasendifferenz im zweiten Transceiver bestimmt wird. In Diesem Fall kann das zweite Signal, welches von dem zweiten Transceiver zu dem ersten Transceiver gesendet wird, eine Information zur bereits bestimmten ersten Phasendifferenz umfassen. Bei dem erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren ist es ferner denkbar, dass die erste Phasendifferenz im ersten Transceiver bestimmt wird. In Diesem Fall kann das zweite Signal, welches von dem zweiten Transceiver zu dem ersten Transceiver gesendet wird, mindestens eine Information umfassen, die es dem ersten Transceiver ermöglicht, die erste Phasendifferenz zu bestimmen. Bevorzugt umfasst das zweite Signal dann Informationen zum ersten Signal und zum internen Signal des zweiten Transceivers. Ferner ist es denkbar, dass die erste Phasendifferenz im ersten Transceiver und im zweiten Transceiver bestimmt wird. Hierdurch kann ein Fehler der ersten Phasendifferenz reduziert werden. In Diesem Fall kann das zweite Signal, welches von dem zweiten Transceiver zu dem ersten Transceiver gesendet wird, mindestens eine Information umfassen, die es dem ersten Transceiver ermöglicht, die erste Phasendifferenz zu bestimmen und die Information zur bereits im zweiten Transceiver bestimmten ersten Phasendifferenz.

In jedem der Fälle umfasst das zweite Signal ein Signal zur Bestimmung einer zweiten Phasendifferenz in dem ersten Transceiver. Mit anderen Worten, ein Signal zur Bestimmung einer Phasendifferenz umfasst die gemessenen Signale, aus denen die Phasendifferenz in einem beliebigen Transceiver oder aus einem Server oder in einer Cloud berechnet werden können. Das Phasendifferenzkorrekturverfahren umfasst ein Empfangen des zweiten Signals durch den ersten Transceiver. Nach dem Empfangen des zweiten Signals durch den ersten Transceiver erfolgt ein Bestimmen der zweiten Phasendifferenz in dem ersten Transceiver zwischen einem zweiten internen Signal des ersten Transceivers und dem empfangenen zweiten Signal. Schließlich erfolgt ein Summieren der ersten bestimmten Phasendifferenz und der zweiten bestimmten Phasendifferenz, wodurch ein Phasenversatz zwischen den beiden Transceivern korrigiert wird. Würde keine Drift vorliegen, wäre die so erhaltene Phasendifferenz nur abhängig von der Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten Transceiver und damit einer Signalphase entsprechen. Die erste Phasendifferenz wird bevorzugt in dem zweiten Transceiver bestimmt. Die dafür notwendigen Messungen werden jedenfalls in dem zweiten Transceiver ausgeführt. Beispielsweise wird in dem zweiten Transceiver 20 das erste Signal 21 gemessen und in dem ersten Transceiver 10 werden das zweite und das dritte Signal 22, 23 gemessen. Zusammen kann mittels des gemessenen Signale 21 , 22, 23 die korrigierte Phasendifferenz, also die Signalphase, berechnetwerden. Wo die Berechnung stattfindet ist irrelevant; sie kann also im ersten und/oder im zweiten Transceiver berechnet werden. Wichtig ist nur, dass die gemessenen Signale 21 , 22, 23 zur Berechnung der korrigierten Phasendifferenz bei der Ausführung der Berechnung der korrigierten Phasendifferenz zur Verfügung stehen.

Zum Empfangen von Signalen umfasst ein T ransceiver mindestens eine Antenne. Ein Phasenwert eines empfangenen Signals wird dadurch bestimmt, dass eine Phase eines Signals als Funktion einer komplexen Basisband-Impulsantwort (basisband impulse response) des von der Antenne empfangenen Sendesignals erhalten wird. Beim Empfangen eines Signals durch einen Transceiver wird der SFD (start frame delimiter), der Realteils des Signals und der Imaginärteil des Signals gemessen. Über diese Messwerte kann schließlich die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Signal und einem internen Signal berechnet werden. Nachfolgend werden einige in dieser Anmeldung verwendete Begriffe erläutert, um die Begriffe im Rahmen dieser Anmeldung zu definieren.

In der vorliegenden Anmeldung ist ein Signal als eine elektromagnetische Welle, insbesondere mit oder ohne modulierter Information, zu verstehen. Der Begriff Signal kann durch den Begriff Welle ausgetauscht werden, da Welle und Signal zueinander synonym verwendet werden. Vorliegend werden die Signale als digitale Signale gesendet und empfangen. Selbstverständlich kann auch ein Analogsignal in ein Digitalsignal transkribiert werden. Vorliegend werden die Signale zwischen Transceivern transmittiert, wobei vorliegend ein Transceiver nur einen Receiver umfassen kann, sofern der Empfänger für die Durchführung des erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahrens ausreichend ist. Wann ein Receiver ausreichend ist, wird für dem Fachmann durch die weitere Beschreibung erläutert werden. In der Regel umfasst ein Transceiver einen Sender und einen Empfänger.

Der Begriff “interne Welle“ bzw. “internes Signal“ lässt sich wie folgt erklären: Eine Quarzoszillatoruhr (crystal clock) treibt eine PLL (Phase Locked Loop; deutsch: Phasenregelschleife) an, die eine Trägerwelle erzeugt. Diese Trägerwelle wird nicht nur zum Senden verwendet, sondern auch um das empfangene Signal zu demodulieren. Dazu wird ein Abwärtsmischer (down coverter mixer) verwendet. Wird ein Signal mit einer Antenne empfangen, bestimmt der Abwärtsmischer mit dem internen Signal die l/Q Daten.

Diese geben Aufschluss über die Phasendifferenz <P zwischen dem internen Signal und dem empfangenen Signal gemäß <P = arctan(y) .

Nachdem die l/Q Daten durch den Analog-Digital-Umsetzer (ADC) digitalisiert wurden, kann der Basisband-Prezessor (Baseband Processor) die Impuls-Antwort bilden, um die l/Q Daten dem direkten Signal zuzuordnen.

Unter dem Begriff Phasendifferenz ist die Differenz der Phase von dem Empfangenen Signal und der Phase von der internen Welle der Quarzuhr zu verstehen. Diese wird bestimmt indem die l/Q Daten in der Impuls-Antwort (Channel Impulse Response) ausgelesen werden. Spezifisch zum UWB Chip müssen diese Daten weiter verrechnet werden, um die Phasendifferenz zu bestimmen, beispielsweise mit dem Driftsynchronisationsrahmen Begrenzer (synchronization frame delimiter /SFD). Wenn in der vorliegenden Anmeldung von der Bestimmung der Phasendifferenz die Rede ist, dann ist damit die Bestimmung aller für die Berechnung der Phasendifferenz notwendigen Daten, insbesondere SFD, Realteil und Imaginärteil des empfangenen Signals, gemeint, die beim Empfangen der Nachricht entstehen. Dabei ist es unerheblich, wo diese Daten zur eigentlichen Phasendifferenz zusammengeführt werden. Mit anderen Worten, die Phasendifferenz als solche kann durch einen beliebigen Transceiver berechnet werden.

Gemäß der hierin beschriebenen technischen Lehre werden mehrere Phasendifferenzen zwischen den Transceivern gebildet, um die Signalphase zu bestimmen, die nur abhängig von der Distanz zwischen zwei Transceivern ist. Die Drift- und Versatz korrigierte Phasendifferenz wird vorliegend als Signalphase dPc für TOA oder dPcc für TDOA bezeichnet werden.

Bevorzugt wird das Phasendifferenzkorrekturverfahren in einer Reihenfolge der einzelnen Schritte ausgeführt, wie in Anspruch 1 nacheinander beansprucht. Es ist jedoch denkbar, dass ein Bestimm der ersten und zweiten Phasendifferenz erst dann erfolgt, wenn das erste Signal und das zweite Signal zwischen dem ersten Transceiver und dem zweiten Transceiver ausgetauscht worden sind.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ultrabreitband-System mit einem ersten Transceiver und einem zweiten Transceiver, welche jeweils zum Senden und Empfangen von Signalen ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, wobei das System dazu ausgebildet ist, ein Phasendifferenzkorrekturverfahren wie hierin beschrieben auszuführen. Durch Ausführen des Phasendifferenzkorrekturverfahrens wird ein Phasenversatz zwischen den beiden Transceivern korrigiert, wodurch die Phasendifferenz eine Funktion der Distanz beider Transceiver ist. Nach einem Korrigieren der Phasendifferenz wird somit die Signalphase erhalten. Das erfindungsgemäße Ultrabreitband(UWB)-System weist Sender-, Empfänger- oder Sende/Empfangsgerät-stationen, vorliegend Transceiver genannt, auf. Die Empfangsstationen, also die Transceiver, können die Phasendifferenz zwischen der Trägerwelle, d.h. des ersten Signals, und/oder des zweiten Signals und/oder eines dritten Signals erhalten. Die interne Welle oder das interne Signal, welches zur Bestimmung einer Phasendifferenz verwendet wird, ist unabhängig davon, welches Signal gesendet und/oder empfangen wird. Die interne Welle hat eine Frequenz mit einer bestimmten Genauigkeit und einer Phasendrift

Mit dem präsentierten Korrekturverfahren kann die korrigierte Phasendifferenz, also die Signalphase, im Fall von verteilten U WB-Stationen mit T aktungenauigkeit realisiert werden. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein weiteres Phasendifferenzkorrekturverfahren, insbesondere für passive Transceiver, zum Korrigieren einer Phasendrift und/oder eines Phasenversatzes. Passive Transceiver umfassen einen Empfänger zum Empfangen von Signalen. Das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren umfasst zunächst ein Aussenden eines ersten Signals durch einen ersten Transceiver und ein Empfangen des ersten Signals durch einen zweiten Transceiver und einen dritten Transceiver. Im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren wird das erste Signal bei dem weiteren Phasendifferenzkorrekturverfahren an zwei verschiedene Transceiver, dem zweiten und dem dritten Transceiver, gesendet und von diesen empfangen. Der erste bis dritte Transceiver können voneinander beabstandet sein. Ferner ist es denkbar, dass der zweite Transceiver und der dritte Transceiver in einem Transceiver verwirklicht sind. Das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren umfasst nach dem Empfangen des ersten Signals durch einen zweiten Transceiver und einen dritten Transceiver ein Bestimmen einer ersten Phasendifferenz in dem zweiten Transceiver und ein Bestimmen einer zweiten Phasendifferenz in dem dritten Transceiver. Die erste Phasendifferenz wird zwischen einem ersten internen Signal des zweiten Transceivers und dem empfangenen ersten Signal bestimmt. Die zweite Phasendifferenz wird zwischen einem zweiten internen Signal des dritten Transceivers und dem empfangenen ersten Signal bestimmt. Ferner umfasst das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren ein Aussenden eines zweiten Signals durch den zweiten Transceiver nach Ablauf eines definierten ersten Verzögerungszeitfensters. Dieser Schritt erfolgt in Analogie zu dem bereits beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren. Nach einem Empfangen des zweiten Signals durch den dritten Transceiver erfolgt ein Bestimmen einer dritten Phasendifferenz in dem dritten Transceiver zwischen dem zweiten internen Signal des dritten Transceivers und dem empfangenen zweiten Signal.

Ferner umfasst das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren ein Aussenden eines dritten Signals durch den zweiten Transceiver. Insbesondere wird nach Ablauf eines definierten zweiten Verzögerungszeitfensters das dritte Signal durch den zweiten Transceiver ausgesendet. Ferner kann/können das zweite Signal und/oder das dritte Signal eine Information zur bestimmten ersten Phasendifferenz und/oder zum Bestimmen der ersten Phasendifferenz umfassen. Die Ausführungen, welche zum Phasendifferenzkorrekturverfahren bereits gemacht worden sind, gelten auch für das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren und werden an dieser Stelle nicht noch einmal wiederholt. Außerdem umfasst das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren ein Empfangen des dritten Signals durch den dritten Transceiver. Nach einem Empfangen des dritten Signals durch den dritten Transceiver erfolgt ein Bestimmen einer vierten Phasendifferenz in dem dritten Transceiver. Die vierte Phasendifferenz wird zwischen dem vom dritten Transceiver empfangenen zweiten Signal und dem zweiten internen Signal bestimmt. Schließlich erfolgt ein Bestimmen einer korrigierten Phasendifferenz durch Subtrahieren der ersten und zweimal der dritten bestimmten Phasendifferenzen vom der Summe aus der bestimmten zweiten und vierten Phasendifferenz gemäß: dPcc = dP2-dP3-dP1 - (dP3-dP4) = dP2+ dP4 -2*dP3-dP1.

Die zweite Phasendifferenz dP2 ist die Phasendifferenz zwischen dem ersten empfangenen Signal und dem zweiten internen Signal des dritten Transceivers. Die Differenz zwischen der dritten und der vierten Phasendifferenz (dP3-dP4) gibt die Drift-Korrektur an und die erste Phasendifferenz dP1 gibt die Versatz-Korrektur an. Der Term dPcc kann unter Verwendung der Ankunftszeitdifferenz-Messtechnik bestimmt werden.

Die korrigierte Phasendifferenz liegt im Idealfall bei null, d.h. im Idealfall liegt nach einem Korrigieren der Phasendifferenz keine Phasendifferenz mehr vor, sondern die Signalphase.

Manche Schritte des weiteren Phasendifferenzkorrekturverfahrens erfolgen in Analogie zu den Schritten des Phasendifferenzkorrekturverfahrens. Folglich sind die weiteren ausführlichen Beschreibungen zu dem weiteres Phasendifferenzkorrekturverfahren auf das weitere weiteres Phasendifferenzkorrekturverfahren übertragbar. Auf die weiteren ausführlichen Beschreibungen einzelner Merkmale wird zur Vermeidung von Redundanzen verzichtet. Es versteht sich jedoch, dass Merkmale, welche in Bezug auf das Phasenkorrekturverfahren beschrieben sind in analoger Weise auch auf das weitere Phasenkorrekturverfahren übertragbar sind uns umgekehrt, sofern eine analoge Übertragung also solche nicht explizit ausgeschlossen ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ultrabreitband-System mit einem ersten T ransceiver und einem zweiten T ransceiver und einem dritten T ransceiver, welche einen Abstand voneinander beabstandet sind, wobei das System dazu ausgebildet ist, ein Phasendifferenzkorrekturverfahren wie beschrieben. Durch Ausführen des Phasendifferenzkorrekturverfahrens wird ein Phasenversatz zwischen den beiden Transceivern kor- rigiert. Das erfindungsgemäße Ultrabreitband(UWB)-System weist Sender-, Empfänger- cider Sende/Empfangsgerät-stationen aufweist, vorliegend Transceiver genannt auf. Die Empfangsstationen, also die Transceiver, können die Phasendifferenz zwischen der Trägerwelle, d.h. des ersten Signals, und/oder des zweiten Signals und/oder eines dritten Signals, und der internen Welle, d.h. des ersten internen Signals und/oder des zweiten internen und/oder eines dritten internen Signals, erhalten. Mit dem präsentierten Korrekturverfahren kann die Phasendifferenz im Fall von verteilten UWB-Stationen mit Taktungenauigkeiten realisiert werden.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst Computerprogramcode, welcher Schritte eines Phasendifferenzkorrekturverfahrens wie hierin beschrieben ausführt, wenn der Computerprogramcode auf einem Programcode ausführbaren Medium ausgeführt wird.

Im Wesentlichen umfasst das Korrekturverfahren ein Korrigieren der Phasendrift und/oder des Phasenversatzes. Dieses kann zwischen zwei aktiven Stationen bzw. aktiven Transceivern (senden und empfangen Signale) oder beliebig vielen passiven Transceivern (empfangen nur) realisiert werden. Ein passiver Transceiver entspricht einem Receiver (Empfänger).

Die hierin beschriebene technische Lehre offenbart, wie die Phasendifferenz zwischen zwei oder mehreren Transceivern, insbesondere UWB-Transceivern, korrigiert werden kann, ohne das Taktsignal teilen zu müssen und/oder ohne spezielle Antennenarrays verwenden zu müssen. Durch Korrigieren der Phasendifferenz kann die Signalphase erhalten werden, welche nur eine Funktion der Distanz der Transceiver ist.

Das hierin offenbarte Phasendifferenzkorrekturverfahren und das weitere Phasenkorrekturverfahren konnten durch reale Messungen verifiziert werden. Anhand der realen Messungen konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die korrigierte Phasendifferenz, also die Signalphase, verwendet werden kann, um die Präzision und Genauigkeit von UWB- Lokalisierungssystemen deutlich zu erhöhen, wie dies nachfolgend der Bildbeschreibung zu entnehmen ist.

In dem Stand der Technik war bisher nur bekannt, dass eine Positionsbestimmung im UWB-Bereich nur auf mehrere cm genau bestimmt werden konnte. Mit der hierin offenbarten Erfindung jedoch wird eine Position auf 0,8 mm genau bei einer Frequenz von 6,5 GHz erfasst. Bei höheren Frequenzen wird eine Positionsbestimmung noch genauer, da die Wellenlänge kleiner wird.

Dies ist eine technische Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik. Denn eine Phasenmessung gemäß einer der in der Einleitung beschriebenen Verfahren ist nur bei Systemen anwendbar, bei denen das Taktsignal gemeinschaftlich verwendet wird oder bei denen eine Station mehrere Antennen aufweist, die zum Senden oder Empfangen des Signals verfügbar sind. Das erfindungsgemäße Phasendifferenzkorrekturverfahren bzw. das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren machen es nicht nur möglich, dieses Problem zu lösen, sondern das Phasendifferenzkorrekturverfahren bzw. das weite Phasendifferenzkorrekturverfahren kann auch für Ankunftszeit (TOA) bzw. auch für Ankunftszeitdifferenz (TDOA) verwendet werden. Außerdem können aktive und/oder passive Transceiver verwendet werden..

Die hierin offenbarte technische Lehre ist in den Bereichen von Vorteil, in welchen eine hohe Positionsgenauigkeit eine wichtige Rolle spielt, wie beispielsweise Augmented Reality, Robotics, Militär, etc..

Ferner sei an dieser Stelle nocheinmal die Bedeutung hierin verwendeter Abkürzungen erklärt:

TOA: Ankunftszeit-Messtechnik (TOA = Time of Arrival)

TDOA: Ankunftszeitdifferenz-Messtechnik (TDOA = Time Difference of Arrival)

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; vielmehr wird im Allgemeinen darauf Wert gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Ultrabreitband-System mit einer TOA zwischen zwei UWB- Transceivern;

Fig. 2 schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahrens in einem Ultrabreitband-System; Fig. 3 Phasendifferenzkorrektur für TOA;

Fig. 4 eine Phasendifferenz dP1 zwischen zwei Transceivern ohne Korrekturen;

Fig. 5 eine Summe der Phasendifferenz dP1 und dP2;

Fig. 6 eine gemäß der Erfindung erhaltene endgültige korrigierte TOA- Signalphase;

Fig. 7 eine geänderte Signalphase aufgrund von TOA-Abstandsänderungen;

Fig. 8 den berechneten Abstand basierend auf der Signalphase;

Fig. 9 eine mögliche Lösung S basierend auf vier unterschiedlichen Frequenzen

F1-F4;

Fig. 10 Ergebnisse der Genauigkeitsaktualisierung aufgrund von Frequenzänderungen;

Fig. 11 schematisch ein Ultrabreitband-System mit einer TDOA zwischen drei UWB- Transceivern;

Fig. 12 schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen weiteren Phasendifferenzkorrekturverfahrens in einem Ultrabreitband-System;

Fig. 13 eine gemäß der Erfindung erhaltene Phasendifferenzkorrektur für TDOA;

Fig. 14 eine geänderte Phase aufgrund von TDOA-Positionsänderungen; und

Fig. 15 ein Skizze zur Erläuterung des Begriffes „internes Signal“. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen

Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Referenzzahlen bezeichnet, auch wenn sie in verschiedenen Figuren vorkommen. Vorliegend wird beispielsweise der Begriff Signal synonym für elektromagnetische Welle und umgekehrt verwendet. Die hierin beschriebene technische Lehre wird in Zusammenschau der Figuren 1 bis 12 nachfolgend beschrieben.

In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl von Details aufgeführt, um eine durchgehende Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgebildet werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen eher in Blockschaltbildern oder schematischen Darstellungen als im Detail dargestellt, um zu vermeiden, dass Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lehre verdeckt werden. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

Wie bereits in der Einleitung erwähnt wurde, war eine Phasenmessung bisher nur bei Systemen anwendbar, bei denen das Taktsignal gemeinschaftlich verwendet wird oder bei denen ein Transceiver mehrere Antennen aufweist, die zum Senden oder Empfangen des Signals verfügbar sind.

Die erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren lösen diese Probleme können sowohl bei einem Verfahren angewendet werden, in dem die Ankunftszeit (TOA) relevant ist, als auch bei einem Verfahren angewendet werden, in dem die Ankunftszeitdifferenz (TDOA) relevant ist. Dies wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsformen erklärt. In Zusammenschau der Figs. 2 bis 10 und 12 bis 14 werden die bevorzugten Ausführungsformen im Detail erläutert.

Das erfindungsgemäße Phasenkorrekturverfahren kann insbesondere in Zusammenhang mit der Ankunftszeit (TOA) verwendet werden:

In Hinblick auf das zum Stand der Technik gehörende und in der Einleitung beschriebene Verfahren wird nochmals bemerkt, dass selbst mit allen verwendeten Korrekturverfahren es nicht möglich ist, dass die Zeitstempel-basierte Positionsschätzung eine bessere Positionsschätzung als mehrere Zentimeter erhält. Diese Beschränkung kann durch Verwenden des erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahrens überwunden werden.

Das erfindungsgemäße Phasendifferenzkorrekturverfahren zum Durchführen einer Phasendifferenzkorrektur mit Ankunftszeitmessungen ist in einem Flussdiagramm in Fig. 2 und schematisch als Verwirklichung in einem Ultrabreitband-System 100 in Fig. 3 gezeigt. Figuren 2 und 3 werden daher in Zusammenschau beschrieben.

In einem ersten Schritt 200 der Phasendifferenzkorrekturverfahrens zum Korrigieren einer Phasendrift und/oder eines Phasenversatzes erfolgt ein Aussenden eines ersten Signals 21 durch einen ersten Transceiver 10. Der erste und der zweite Transceiver 10, 20 sind einen Abstand 25 voneinander entfernt. In einem anschließenden Schritt 210 erfolgt ein Empfangen des ersten Signals 21 durch einen zweiten Transceiver 20. Der erste und der zweite Transceiver umfassen jeweils einen Sender 11 und einen Empfänger 12. Der erste und der zweite Transceiver umfassen jeweils eine Steuerungsvorrichtung 13, um die gesendeten und empfangenen Signals 21 , 22 zu bearbeiten. Wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung offenbart, sind die einzelnen Transceiver, also der erste und der zweite Transceiver, dazu ausgebildet beim Empfangen eines Signales Messwerte wir die SFD, den Realteil und den Imaginärteil des empfangenen Signals 21 , 22, 23 zu messen. Aus den gemessenen Werten, also den gemessenen Signalen 21 , 22, 23 kann dann an einem beliebigen Transceiver 10, 20, also dem ersten und/oder dem zweiten Transceiver 10, 20, die Phasendifferenz berechnet werden. Die Berechnung der Phasendifferenz kann auch auf einem Server erfolgen. Hierzu müssen lediglich die gemessenen Signale 21 , 22, 23 bereitgestellt werden.

Nach dem Empfangen des ersten Signals 21 durch den zweiten Transceiver 20 erfolgt in einem Schritt 220 ein Bestimmen einer ersten Phasendifferenz dP1 in dem zweiten Transceiver 20 zwischen einem ersten internen Signal 31 des zweiten Transceivers 20 und dem empfangenen ersten Signal 21

Zur Erläuterung des Begriffes “interne Welle“ bzw. internes Signal 31 , 32 wird auf Fig. 15 Bezug genommen. Fig. 15 zeigt schematisch, dass eine Quarzoszillatoruhr (crystal clock) 500 eine PLL 510 (Phase Locked Loop; deutsch: Phasenregelschleife) antreibt, die eine Trägerwelle erzeugt. Diese Trägerwelle wird nicht nur zum Senden verwendet, sondern auch um das empfangene Signal zu demodulieren (siehe Fig. 15). Dazu wird ein Abwärtsmischer (down coverter mixer) verwendet. Wird ein Signal mit einer Antenne 520 empfangen, bestimmt der Abwärtsmischer 530 die l/Q Daten. Diese geben Aufschluss über die Phasendifferenz <P zwischen dem internen Signal und dem empfangenen Signal gemäß <P = arctan(y) . Nachdem die l/Q Daten durch den Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 540 digitalisiert wurden, kann der Basisband-Prezessor (Baseband Processor) 550 die Impuls- Antwort bilden, um die l/Q Daten dem direkten Signal zuzuordnen.

In einem Schritt 230 erfolgt ein Aussenden eines zweiten Signals 22 durch den zweiten Transceiver 20 nach Ablauf eines definierten ersten Verzögerungszeitfensters V1, wobei das zweite Signal 22 eine Information zur bestimmten ersten Phasendifferenz dP1 und/oder eine Information zum Bestimmen der ersten Phasendifferenz umfasst. Eine Information zum Bestimmen der ersten Phasendifferenz umfasst jene Messwerte, welche zum Berechnen der Phasendifferenz erforderlich sind. Die berechneten Phasendifferenzen dP1 , dP2, dP3 und weitere Informationen können für alle T ransceiver zugänglich sein, weil alle aktiven Transceiver Informationen senden und empfangen können und daher auch an einen passiven T ransceiver weitergeben können. An dieser Stelle sei bemerkt, dass Schritte 220 und 230 hintereinander, also erst Schritt 220 dann schritt 230, ablaufen können. Genauso gut kann erst Schritt 230 und dann Schritt 220 erfolgen. In diesem Fall umfasst das zweite Signal eine Information zum Bestimmen der ersten Phasendifferenz, welche dann im ersten Transceiver 10 und nicht im zweiten Transceiver 20 bestimmt würde. Das erste Verzögerungszeitfenster V1 gibt eine Zeitspanne von einem Empfangen des ersten Signals 21 bis zum Aussenden des zweiten Signals 22 an. Das erste Verzögerungszeitfenster V1 kann eine Zeitspanne von wenigen Millisekunden umfassen, insbesondere von weniger als zwei Millisekunden. Der zweite Transceiver 20 kann nach einer definierten Verzögerungszeit V1 , dem ersten Verzögerungszeitfenster V1 , eine Antwort, d.h. das zweite Signal 22, zurücksenden zum ersten Transceiver. Das Verzögerungszeitfenster V1 wird in Relation zu der Zeitspanne gesehen, zu der das erste Signal 21 empfangen wird.

In einem Schritt 240 erfolgt ein Empfangen des zweiten Signals 22 durch den ersten Transceiver 10. Das zweite Signal 22 kann das erste interne Signal 31 inklusive eine möglichen Drift sein. In Fig. 3 beispielsweise ist das erste interne Signal 31 als Signal B dargestellt, während das zweite Signal 22 als Signal B1 dargestellt ist. Nach dem Empfangen des zweiten Signals durch ersten Transceiver 10 erfolgt in Schritt 250 ein Bestimmen einer zweiten Phasendifferenz dP2 in dem ersten Transceiver 10. Die zweite Phasendifferenz dP2 wird zwischen einem zweiten internen Signal 32 des ersten Transceivers 10 und dem empfangenen zweiten Signal 22 bestimmt. Das zweite interne Signal 32 kann beispielsweise dem ersten Signal 22 entsprechen, welches in Fig. 3 auch als Signal A bezeichnet ist. Das zweite interne Signal 32 kann aber auch von dem ersten Signal 21 verschieden sein. Verschieden in dem Sinne, dass es ist immer noch dasselbe zweite interne Signal 32 ist, welches jedoch aufgrund des vergangenen Zeitfensters eine andere Phase in dem ersten Signal 21 aufweist. Außerdem kann das empfangene erste Signal 21 eine Phasendrift ausweisen, welche mit einem dritten Signal 23 korrigiert werden kann.

In einem anschließenden Schritt 260 erfolgt ein Summieren der ersten bestimmten Phasendifferenz dP1 und der zweiten bestimmten Phasendifferenz dP2, wodurch ein Phasenversatz zwischen den beiden Transceivern korrigiert wird. In Hinblick auf die Offenbarung der Fig. 3 sei hingewiesen, dass zum Korrigieren eines Phasenversatz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal 21 , 22, also zwischen den beiden Transceivern, nur ein erste Signal 21 , ein zweites Signal 22, ein erstes internes Signal 31 und ein zweites internes Signal 32 erforderlich sind.

Die Phasendifferenz dP1 ist in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 ist die bestimmte erste Phasendifferenz in Abhängigkeit der Anzahl der Messungen gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass sich die Phasendifferenz dP1 von einer Messung zu der nächsten schnell ändert.

Der erste Transceiver 10 dient durch Aussenden des ersten Signals 21 als Initialisierungstransceiver. Sowohl der erste T ransceiver 10 als auch der zweite T ransceiver 20 umfassen die gleichen Verfahrensschritte, nämlich das bestimmen einer Phasendifferenz dP1 , dP2 zwischen dem empfangenen Signal 21 , 22 und dem internen Signal 31 , 32, vgl. mit Fig. 3. Die Summe aus der ersten Phasendifferenz dP1 und der zweiten Phasendifferenz dP2 reduziert, insbesondere eliminiert, den Phasenversatz zwischen den beiden Transceivern 10, 20 wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Fig. 5 zeigt die Summe aus der ersten Phasendifferenz dP1 und der zweiten Phasendifferenz dP2 in Abhängigkeit der Anzahl der Messungen. Sowohl in Fig. 4 als auch in Fig. 5 wurden insgesamt 50 Messungen durchgeführt. Im Gegensatz zu Fig. 4 zeigt Fig. 5 ein periodisches Signal, d.h. die Summe aus dP1 + dP2 verläuft, insbesondere innerhalb einer scheinbaren Einhüllenden, periodisch. Zu der scheinbaren Einhüllenden kommt es dann, wenn ein Transceiver eine höheren Taktrate als der andere Transceiver ausweist. Damit überrundet der eine Transceiver immer wieder den anderen Transceiver.

Falls das zweite Signal 22, in Fig. 3 auch als Signal B1 bezeichnet, unmittelbar nach dem Empfangen des ersten Signals 21 , in Fig. 3 auch als Signal A1 bezeichnet, gesendet würde, wäre eine weitere Driftkorrektur, wie nachfolgend beschrieben, nicht notwendig. Unmittelbar nach dem Empfangen des ersten Signals 21 bedeutet vorliegend nach Ablauf einer Millisekunde oder weniger.

Kurze Verarbeitungszeiten können jedoch zu Phasendrift führen. Entsprechend wird nach einer bekannten zweiten Verzögerungszeit 2, einem zweiten Verzögerungsfenster V2, ein drittes Signal 23 von dem zweiten Transceiver 20 gesendet. Der Begriff „kurze Verarbeitungszeit“ hängt von der Drift des involvierten Signales bei einer Signalfrequenz ab. Sicherlich kann mit einer kurzen Verarbeitungszeit eine Verarbeitungszeit > 1ns gemeint sein,

Bevorzugt ist ein Verhältnis zwischen dem zweiten Verzögerungszeitfenster V2 und dem ersten Verzögerungszeitfenster V1 bekannt, insbesondere und im einfachsten Fall gilt, wenn derselbe Startzeitpunkt vorausgesetzt wird, V2=2*V1 (s. Figs. 3 und 13). Es wird angenommen, dass die Taktdrift sich während des Empfangs des ersten Signals 21 bis zu der Übertragung des zweiten Signals 22 nicht wesentlich ändert. Ferner bevorzugt entspricht das erste Verzögerungszeitfenster V1 einer Zeitspanne zwischen dem Empfangen des ersten Signals 21 durch den zweiten Transceiver 20 und dem Aussenden des zweiten Signals 22 durch den zweiten Transceiver 20, insbesondere ist das erste Verzögerungszeitfenster V1 kleiner oder gleich 1 ms ist. Ferner bevorzugt entspricht das zweite Verzögerungszeitfenster V2 einer Zeitspanne zwischen dem Empfangen des ersten Signals 21 durch den zweiten Transceiver 20 und dem Aussenden des dritten Signals 23 durch den zweiten Transceiver 20, welches insbesondere kleiner oder gleich 2ms ist. Bevorzugt gilt für das zweite Verzögerungszeitfenster V2:

V2=2*V1.

In diesem Fall kann eine Phasendrift mittels eines Phasendifferenzkorrekturterms korrigiert werden, wie nachfolgend erläutert ist.

Eine Phasendrift des zweiten Transceivers 20 in Bezug auf den ersten Transceiver 10 wird durch die Phasendifferenz zwischen dem zweiten Signal 22, in Fig. 3 auch als Signal B1 bezeichnet, und einem, insbesondere von dem zweiten Transceiver nach Ablauf des zweiten Zeitverzögerungsfenster V2 gesendeten, dritten Signal 23, in Fig. 3 auch als Signal B2 bezeichnet, erhalten. Dies führt zu einem endgültigen TOA-Phasendifferenzkorrekturterm: dPc=dP1+dP2+(dP2-dP3)=dP1+ 2*dP2-dP3, während dP3 eine dritte Phasendifferenz ist. Die dritte Phasendifferenz dP3 ist die Differenz zwischen der internen Welle in Bezug auf das Signal B2.

Folglich umfasst das Phasendifferenzkorrekturverfahren bevorzugt ein Aussenden des dritten Signals 23 durch den zweiten Transceiver 20 nach Ablauf des definierten zweiten Verzögerungszeitfensters V2. Insbesondere umfasst das dritte Signal 23 eine Information zum zweiten Signal 22, wie beispielsweise die erste Phasendifferenz dP1. Außerdem umfasst das Phasendifferenzkorrekturverfahren bevorzugt ein Empfangen des dritten Signals 23 durch den ersten Transceiver 10 und ein Bestimmen der dritten Phasendifferenz dP3 zwischen dem vom ersten Transceiver 10 empfangenen dritten Signal 23 und dem zweiten internen Signal 32. Hierbei bestimmt die dritte Phasendifferenz dP3 einen Phasendrift des zweiten Transceivers 20 in Bezug auf den ersten Transceiver 10, so dass der Phasendifferenzkorrekturterm dPc durch dPc = dP1+dP2+(dP2-dP3) = dP1+ 2*dP2-dP3, gegeben ist, welcher eine korrigierte endgültige TOA-Phasendifferenz dPc ist. Außerdem gilt:

Versatz-Korrektur Term: dP2 Drift-Korrektur Term: (dP2-dP3)

Insbesondere ist der Phasendifferenzkorrekturterm dPc eine Signalphase dPc.

In Fig. 6 ist die korrigierte endgültige TOA-Phasendifferenz, also die Signalphase, dPc gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Signalphase konstant bei 100 Grad ± einem Fehler liegt, wobei der Fehler mit steigender Anzahl an Messungen abnimmt.

Mit veränderten Abständen 25 zwischen dem ersten Transceiver 10 und dem zweiten Transceiver 20 verändert sich auch die korrigierte endgültige Phasendifferenz, d.h. die Signalphase, dPc, wie es in Fig. 7 gezeigt ist. Die in der Fig. 7 gezeigten Plateaus bei 50 °, 100° und 150° (insgesamt fünf Plateaus sind in Fig. 7 zu sehen) entsprechen jeweils einem bestimmten Abstand 25 des ersten und des zweiten Transceivers 10, 20 zueinander. Während der gemessenen Schwankungen zwischen den Plateaus wurden der erste und der zweite T ransceiver 10, 20 bewegt.

Die korrigierte Phasendifferenz, also die Signalphase, kann in ein Längenmaß bei bekannten Wellenlängen der Signale 21 , 22, 23, 31 , 32 umgewandelt werden. Bevorzugt erfasst das Phasendifferenzkorrekturverfahren zur Erfassung einer Positionsänderung eines Transceivers 10, 20 eine veränderte Phasendifferenz und damit eine veränderte Signalphase, wenn eine Messrate von empfangenen ersten, zweiten und/oder dritten Signalen 21 , 22, 23 größer als ein Verhältnis aus einer Geschwindigkeit v zu der Wellenlänge des empfangenen ersten, zweiten und/oder dritten Signals 21 , 22, 23 ist, wobei die Geschwindigkeit v eine Transceiver-Bewegungsgeschwindigkeit ist.

Mit dem Phasendifferenzkorrekturverfahren, welches insbesondere ein TOA- Vorkorrekturverfahren sein kann, entspricht eine Phasenverschiebung von 360 Grad nur der Hälfte der tatsächlichen Wellenlänge eines Signals 21 ,22, 23. Wie der Fig. 7 zu entnehmen ist, ist es möglich zu erkennen, ob eine neue Periode und damit eine neue Phasendifferenz aufgetreten ist (= Schwankungen zwischen den Plateaus zeigen eine neue Phasendifferenz an), falls die Messrate ausreichend hoch ist. Die Messrate ist ausreichend hoch, wenn mit dem hierin beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren Plateaus in der korrigierten endgültigen Phasendifferenz, d.h. der Signalphase dPc, gemessen werden können.

Die neue Periode bzw. die neue Phasendifferenz dPc kann berücksichtigt werden, wenn der Abstand 25 bestimmt wird. Der Abstand 25 kann durch Addieren oder Subtrahieren der Hälfte der Wellenlänge bestimmt werden. Jedes der Signale 21 , 22, 23 hat dabei dieselbe Wellenlänge, Bei jeder Messung wird eine Phasendifferenz erhalten, die Aufgrund der Kenntnis über die Wellenlänge in eine Distanz überführt werden kann. Wenn die Transceiver sich beispielsweise genau um eine Wellenlänge voneinander entfernt haben, würde die Phasendifferenz wieder auf null springen. Um diese jedoch zu vermeiden, wird eine Wellenlänge hinzuaddiert. Bei TOA beispielsweise wird nur die halbe Wellenlänge hinzuaddiert. Würden die Transceiver sich näher kommen, dann müssten die Wellenlängen entsprechend subtrahiert werden. Fig. 8 zeigt das Ergebnis der Messung des Abstands 25 mit dem klassischen Zeitstempelverfahren (timestamp based = Zeitstemple basiert) und mit dem erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren (Phase based = Phasen basiert). Die halbe Wellenlänge, die für die Experimente verwendet wird, entsprach 0,0429 Metern. Es ist deutlich zu sehen, dass die Periodenänderungen, also die Phasendifferenzen dPc, erkannt werden können und dass eine Positionsgenauigkeit durch die Phasendifferenz gemäß dem erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren sehr viel höher ist als mit dem klassischen Zeit- stempel-basiertem Verfahren. Die Positionsgenauigkeit mit dem erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren ist erhöht und zugleich ist ein Fehler der Positionsgenauigkeit reduziert. Die Genauigkeit der phasenbasierten Abstandsmessung mit dem erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahren ist dem Zeitstempelverfahren überlegen.

Falls jedoch die Messrate niedrig ist oder die Übertragung für eine bestimmte Zeitperiode blockiert ist, beispielsweise durch Abschirmung von einer Wand oder einem Menschen, ist es nicht möglich, der korrekten Phasenänderung dPc zu folgen. Dieses Problem kann überwunden werden durch Aktualisieren des phasenbasierten Verfahrens, d.h. des Phasendifferenzkorrekturverfahrens, mit dem Zeitstempel-basierten Verfahren nach Ablauf einer Zeitspanne.

Zusätzlich oder alternativ dazu sind zur Ausübung des Phasendifferenzkorrekturverfahrens der erste und/oder der zweite Transceiver 10, 20 dazu ausgebildet, das erste, das zweite und/oder das dritte Signal auf unterschiedlichen Frequenzen zu senden, wobei das Phasendifferenzkorrekturverfahren weiter ein Bestimmen eines Zeitfensters umfasst, in dem alle der unterschiedlichen Frequenzen ein Vielfaches einer Periodendauer aufweisen, wobei jede der unterschiedlichen Frequenzen ein unterschiedliches Vielfaches an Periodendauern in dem Zeitfenster ausweist. Wie in Fig. 9 gezeigt, werden unterschiedliche Übertragungsfrequenzen (F1 , F2, F3 und F4) übertragen, beispielsweise wurden folgende Frequenzen verwendet: F1=3494.4 MHz, F2=3993.6 MHz, F3=4492.8 MHz, und F4=6489.6 MHz. Bei dem gezeigten Beispiel aus Fig. 9 sind nur zwei Lösungen S1 und S2 für einen bestimmten Abstand 25 möglich. Das Zeitstempel-basierte Verfahren kann verwendet werden, um die korrekte Lösung auszuwählen. In Fig.9 sieht man, dass durch den Zeitstempel die Anzahl der möglichen Lösungen reduziert werden können. Angenommen bei einer Frequenz wird eine Phasendifferenz von 180° gemessen und bei einer anderen Frequenz werden auch 180° gemessen. Dann kann berechnet werden, bei welchen Distanzen sich genau diese Konstellation ergibt. Angenommen es passiert bei einem Meter, bei zwei Meter und so weiter. Dann kann mit Hilfe des Zeitstempel-Verfahrens (was nur auf 10 cm genau ist) entschieden werden, welche der möglichen Lösungen in Frage kommt.

Bevorzugt umfasst das Phasendifferenzkorrekturverfahren zusätzlich oder alternativ ein Durchführen eines bekannten Zeitstempel-basierten Verfahrens, und Verifizieren des Phasendifferenzkorrekturverfahrens durch Vergleichen der Ergebnisse des bekannten Zeitstempel-basierten Verfahrens mit den Ergebnissen des Phasendifferenzkorrekturverfahrens. Beispielsweise kann eine Steuerung vorgesehen sein, welche zum Ausführen eines Vergleichsprogrammes ausgebildet ist. Die nicht korrigierte Phasendifferenz wird unter Verwendung des gleichen Verfahrens erhalten, wie es in [2] beschrieben ist, welches bereits im einleitenden Teil erläutert worden ist.

Fig. 10 zeigt die Ergebnisse der Genauigkeitskorrektur aufgrund von Frequenzänderungen. Die Einhüllende (R) ist das Ergebnis des erfindungsgemäßen Phasendifferenzkorrekturverfahrens. Die Säulen (CR) in Fig. 10 sind die Lösungen aufgrund der Frequenzänderungen. Fig. 10 zeigt sieben Plateaus, nämlich bei Abständen 25 von 0 m, 0,04 m und 0,1 m.

Der vorhergehenden Abschnitt zeigte, wie Phasendifferenz-Drift- und Versatz-Korrektur angewendet werden können, um die Ankunftszeittechnik zu korrigieren.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Ultrabreitband-System 100 (siehe Fig. 3), welches einen ersten Transceiver 10 und einen zweiten Transceiver 20, welcher jeweils zum Senden und Empfangen von Signalen 21 , 22, 23 ausgebildet sind und voneinander beabstandet sind, wobei das System dazu ausgebildet ist, ein Phasendifferenzkorrekturverfahren wie hierin beschrieben auszuführen.

Das erfindungsgemäße weitere Phasenkorrekturverfahren kann insbesondere in Zusammenhang mit der Ankunftszeitdifferenz (TDOA) verwendet werden:

Der folgende Abschnitt zeigt, wie das entwickelte Korrekturverfahren auch für die Ankunftszeitdifferenz verwendet werden kann. Bei der Verwendung des Phasenkorrekturverfahrens in der Ankunftszeitdifferenz wird das Verfahren als weiteres Phasenkorrekturverfahren bezeichnet.

In Fig. 11 sind drei Transceiver 10‘, 20‘ und 30‘ eines Ultrabreitband-System 10T gezeigt, welches zum Ausführen eines Verfahrens zur Bestimmung einer Ankunftszeitdifferenz (TDOA) geeignet ist und einem Fachmann aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist. Die Signale 2T 22‘ werden zwischen den Transceivern 10‘, 20‘, 30‘ mit einem Zeitstempel versendet.

Das erfindungsgemäße weitere Phasenkorrekturverfahren ist in einem Flussschema in Fig. 12 und schematisch eingebettet in ein Ultrabreitband-System 100‘ in Fig. 13 gezeigt.

In einem ersten Schritt 300 des weiteren Phasendifferenzkorrekturverfahrens zum Korrigieren einer Phasendrift und/oder eines Phasenversatzes erfolgt ein Aussenden eines ersten Signals 21 durch einen ersten Transceiver 10. In einem Schritt 310 erfolgt ein Empfangen des ersten Signals 21 durch einen zweiten Transceiver 20 und einen dritten Transceiver 30.

Der erste und der zweite und der dritte Transceiver 10, 20, 30 sind jeweils einen Abstand 25, 26 voneinander entfernt. Der Abstand 25 kann dabei vom Abstand 26 unterschiedlich sein. Der erste und der zweite T ransceiver umfassen jeweils einen Sender 11 und einen Empfänger 12. Der dritte Transceiver 30 ist, wie in Fig. 13 gezeigt, als Empfänger 12 ausgebildet, wobei es denkbar ist, auch den dritten Transceiver 30 mit Sender 11 und Empfänger 12 auszubilden. Der erste und der zweite und der dritte Transceiver 10, 20, 30 umfassen jeweils eine Steuerungsvorrichtung 13, um die gesendeten und empfangenen Signale 21 , 22, 23 zu bearbeiten. Insbesondere kann der dritte Transceiver 30 eine passiver Transceiver sein, d.h. ein Receiver sein. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Phasenkorrekturverfahren erwähnt, ist es möglich, dass alle Phasendifferenzen in nur einem einzigen Transceiver berechnet werden. Wichtig ist nur, das die dazu erforderlichen Messwerte oder Messsignale von dem empfangenden Transceiver gemessen werden.

Nach dem Empfangen des ersten Signals 22 erfolgt in Schritt 320 ein Bestimmen einer ersten Phasendifferenz dP1 in dem zweiten Transceiver 20 zwischen einem ersten internen Signal 31 des zweiten Transceivers 20 und dem empfangenen ersten Signal 21. Außerdem erfolgt in Schritt 330 ein Bestimmen einer zweiten Phasendifferenz dP2 in dem dritten Transceiver 30 zwischen einem zweiten internen Signal 32 des dritten Transceivers 30 und dem empfangenen ersten Signal 21. Bevorzugt laufen die Schritte 320 und 330 zeitgleich ab. Die Schritte 320 und 330 können auch hintereinander in beliebiger Reihenfolge ablaufen. Das erste interne Signal 31 kann beispielsweise dem zweiten Signal 22 entsprechen, welches in Fig. 13 auch als Signal B bzw. B1 bezeichnet ist. Das erste interne Signal 31 kann aber auch von dem zweiten Signal 22 verschieden sein, in dem Sinne dass das zweite Signal 22 dem ersten internen Signal 31 plus einer Drift und/oder eine anderen Phase entspricht.

In Schritt 340 erfolgt ein Aussenden eines zweiten Signals 22 durch den zweiten Transceiver 20 nach Ablauf eines definierten ersten Verzögerungszeitfensters V1.

In Schritt 350 erfolgt ein Empfangen des zweiten Signals 22 durch den dritten Transceiver 30. Nach dem Empfangen des zweiten Signals 22 erfolgt in Schritt 360 ein Bestimmen einer dritten Phasendifferenz dP3 in dem dritten Transceiver 30. Die dritte Phasendifferenz dP3 wird zwischen dem zweiten internen Signal 32 des dritten Transceivers 30 und dem empfangenen zweiten Signal 22 bestimmt.

In Schritt 370 erfolgt ein Aussenden eines dritten Signals 23 durch den zweiten Transceiver 20 nach Ablauf eines definierten zweiten Verzögerungszeitfensters V2 durch den zweiten Transceiver. Insbesondere umfasst/umfassen das zweite Signal 22 und/oder das dritte Signal 23 eine Information zur bestimmten ersten Phasendifferenz dP1 oder eine Information zur Bestimmung der ersten Phasendifferenz, wie dies bereits beschrieben worden ist und worauf hiermit Bezug genommen ist.

Das erste Verzögerungszeitfenster V1 gibt eine Zeitspanne von einem Empfangen des ersten Signals 21 bis zum Aussenden des zweiten Signals 22 an. Das erste Verzögerungszeitfenster V1 kann eine Zeitspanne von wenigen Millisekunden umfassen, insbesondere von weniger als 1 ms, wobei dieses von der genutzten Uhr abhängt und wie stark die Uhr driftet. Der zweite Transceiver 20 kann nach einer definierten Verzögerungszeit V1 , dem ersten Verzögerungszeitfenster V1 , eine Antwort, d.h. das zweite Signal 22 zum dritten Transceiver senden. Das Verzögerungszeitfenster V1 wird in Relation zu der Zeitspanne gesehen, zu der das erste Signal 21 empfangen wird.

Das zweite Verzögerungszeitfenster V2 gibt eine Zeitspanne von einem Empfangen des ersten Signals 21 bis zum Aussenden des dritten Signals 23 an. Das zweite Verzögerungszeitfenster V2 kann eine Zeitspanne von wenigen Nanosekunden umfassen, insbesondere von weniger als 2 ms. Der zweite T ransceiver 20 kann nach einer definierten Verzögerungszeit V2, dem zweiten Verzögerungszeitfenster V2, eine Antwort, d.h. das dritte Signal 23 zum dritten Transceiver senden. Das Verzögerungszeitfenster V2 wird in Relation zu der Zeitspanne gesehen, zu der das erste Signal 21 empfangen wird.

In Schritt 380 erfolgt ein Empfangen des dritten Signals 23 durch den dritten Transceiver 30. In Schritt 390 erfolgt daraufhin ein Bestimmen einer vierten Phasendifferenz dP4 in dem dritten Transceiver 30 zwischen dem zweiten internen Signal 32 des dritten Transceivers 30 und dem empfangenen dritten Signal 23.

In Schritt 400 schließlich erfolgt ein Bestimmen einer korrigierten Phasendifferenz, d.h. der Signalphase dPcc, insbesondere durch Subtrahieren der von zweimal der dritten und einmal der vierten bestimmten Phasendifferenzen dP3, dP4 von der Summer aus der bestimmten zweiten Phasendifferenz dP2 und der bestimmten vierten Phasendifferenz dP4 gemäß: dPcc = dP2-dP3-dP1 - (dP3-dP4).

Hierbei ist die Versatz-Korrektur gegeben durch dP1 , und die Drift-Korrektur ist gegeben durch (dP3-dP4).

Gemäß dem weiteren Phasenkorrekturverfahren senden der erste Transceiver 10 und der zweite Transceiver 20 ein Signal 21 , 22, 23, während der dritte, insbesondere passive, Transceiver (Receiver) 30 nur die Signale 21 , 22, 23 empfängt. Der dritte Transceiver bestimmt die zweite, dritte und vierte Phasendifferenz dP2, dP3, dP4 zwischen den Signalen 21 , 22, 23 der ersten und zweiten Transceivers 10, 20.

Bevorzugt wird das dritte Signal 23 zeitgleich mit dem zweiten Signal 22 oder nach Ablauf des definierten zweiten Verzögerungszeitfensters V2 gesendet wird, wobei das zweite Verzögerungszeitfenster V2 größer als das erste Verzögerungszeitfenster ist.

Bevorzugt umfasst das Phasendifferenzkorrekturverfahren ein Bestimmen der zweiten und dritten Phasendifferenz dP2, dP3 durch den dritten Transceiver 30, um daraus die Phasendifferenz (a) zwischen dem ersten Signal (21) des ersten Transceivers (10) und dem zweiten Signal (22) des zweiten Transceivers (20) gemäß a =dPcc zu bestimmen, wobei die Phasendifferenz a einem Ankunftswinkel 0=arcsin(aA/2TTd) entspricht, wobei a die Phasendifferenz dPcc ist, A eine Trägerwellenlänge der Signale 21 , 22, 23 ist, und d der Abstand 25 zwischen dem ersten Transceiver 10 und dem zweiten Transceiver 20 ist. Insbesondere falls der Abstand 25 zwischen dem ersten Transceiver 10 und dem zweiten Transceiver 20 geringer ist als die Wellenlänge A , entspricht die Signalphase dem Ankunftswinkel 0=arcsin(aA/2TTd).

Der Signalaustausch zwischen dem ersten Transceiver 10 und dem zweiten Transceiver 20 wird verwendet, um die Phasenverschiebung zwischen den beiden Transceivern 10, 20 zu korrigieren. Diese Vorgehen erfolgt auch in dem zuvor beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren. Das zweite Signal, das durch den zweiten Transceiver gesendet wird, soll die Phasenverschiebung, d.h. den Phasendrift, korrigieren.

Das weitere Phasenkorrekturverfahren lässt sich wie folgt zusammenfassen: Der erste Transceiver 10 initialisiert den Prozess durch Senden des ersten Signals 21. Dieses erste Signal 21 wird durch den zweiten und dritten Transceiver 20, 30 empfangen. Daraufhin bestimmen beide Transceiver 20, 30 die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen ersten Signal 21 und einem internen Signal (dP1 und dP2). Der zweite Transceiver 20 reagiert auf das erste Signal 21 durch Senden des zweiten und dritten Signals 22, 23, welche auch als Signale B1 und B2 in Fig. 13 bezeichnet sind, nach dem Verzögerungszeitfenster V1 und dem Verzögerungszeitfenster V2. Die Phasendifferenz dP1 wird verwendet, um den Phasenversatz zwischen dem ersten Transceiver 10 und dem zweiten Transceiver 20 zu korrigieren, während die zweiten und dritten Signale 22, 23 bzw. Signal B1 und Signal B2 erforderlich sind, um die Phasendrift zu korrigieren. Der dritte Transmitter 30 empfängt das erste Signal 21 , das zweite und das dritte Signal 22, 23 und bestimmt die Phasendifferenzen dP2 und dP3. Die Phasendifferenz dP4 entspricht der Phasendifferenz zwischen dem dritten Signal 23 bzw. Signal B2 und dem zweiten internen Signal 32. Die endgültige korrigierte Phasendifferenz, d.h. die Signalphase, für TDOA ist gleich: dPcc = dP2-dP3-dP1 - (dP3-dP4).

Fig. 14 zeigt die endgültige korrigierte Phasendifferenz, d.h. die Signalphase dPcc, welches durch Anwendung des weiteren Phasendifferenzkorrekturverfahrens für TDOA erhalten worden ist. Fig. 14 zeigt die korrigierte Phasendifferenz, d.h. die Signalphase dPcc, wenn die Position des dritten Transceivers 30 mit realen Messdaten geändert wird, wie beispielsweise einer Distanzänderung um die 30 cm. Die Signalphase liegt im Bereich von -180 bis 180 Grad, welches beispielsweise einer einzigen Periodendauer einer Wellenlänge mit einer Frequenz von 6489,6 MHz entspricht Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft Ultrabreitband-System 101 , welches einen ersten Transceiver 10 und einen zweiten Transceiver 20 und einen dritten Transceiver 30 umfasst, wobei die Transceiver 10, 20, 30 jeweils einen Abstand voneinander beab- standet sind, wobei das Ultrabreitband-System 101 dazu ausgebildet ist, das weitere Phasendifferenzkorrekturverfahren wie soeben beschrieben auszuführen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramcode, welcher Schritte eines Phasendifferenzkorrekturverfahrens oder eine weiteren Phasendifferenzkorrekturverfahrens, wie hierin beschrieben, ausführt, wenn der Computerprogramcode auf einem Programcode ausführbaren Medium ausgeführt wird. Beispielsweise sind der erste bis dritte Transceiver 10, 20, 30 Medien, welche den Programcode ausführen können.

Einzelne hierin beschriebene Aspekte zu dem beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren gelten auch für das weitere beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren und andersherum, ohne dass diese zwingend detailliert wiederholt worden sind.

Ein Unterschied zwischen dem beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren und dem weiteren beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren liegt darin, dass das beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren zwei Transceiver (s. Fig. 3) umfasst und das weitere beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren drei Transceiver (S. Fig. 13) umfasst.

Gemeinsam ist dem beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren und dem weiteren beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren, dass Phasendifferenzen zwischen mindestens einem empfangenen und einem internen Signal sowie eine Phasendifferenz zwischen zwei empfangenen Signalen bestimmt werden, um die Phasendifferenz-Drift- und Versatz-Korrektur zwischen den Signalen zu erreichen.

Mit den hierin beschriebenen Phasendifferenzkorrekturverfahren kann folgendes erreicht werden:

UWB-Phasendriftkorrektur durch ein zusätzliches Signal.

UWB-Phasenversatzkorrektur zwischen zwei oder mehr Transceivern.

UWB-Phasendifferenzkorrekturterm für TOA und TDOA. UWB-Frequenzänderung zum Korrigieren der Entfernung, die durch die korrigierte Phasendifferenz, welche der Signalphase entspricht, erhalten wird.

Auch wenn einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder Anordnung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Die erfinderischen Methoden können auf einem digitalen Speichermedium gespeichert o- der auf einem Übertragungsmedium wie einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem drahtgebundenen Übertragungsmedium wie dem Internet übertragen werden.

Je nach bestimmten Umsetzungsanforderungen können Ausführungsformen der Erfindung in Hardware oder in Software umgesetzt werden. Die Umsetzung kann mit einem digitalen Speichermedium, z.B. einer Diskette, einer DVD, einer CD, einem ROM, einem PROM, einem EPROM, einem EEPROM oder einem FLASH-Speicher, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem so Zusammenwirken oder Zusammenwirken können, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.

Einige erfindungsgemäße Ausführungsformen bestehen aus einem Datenträger mit elektronisch lesbaren Steuersignalen, die mit einem programmierbaren Rechnersystem so Zusammenwirken (können), dass eines der hier beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Insbesondere sind die elektronisch lesbaren Steuersignale zum Erfassen von Zeitstempeln eines Signales ausgebildet.

Im Allgemeinen können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert werden, wobei der Programmcode zur Durchführung einer der Methoden wirksam ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer läuft. Der Programmcode kann z.B. auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert werden. Andere Ausführungsformen umfassen das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherte Computerprogramm zur Durchführung einer der hier beschriebenen Methoden.

Mit anderen Worten, eine Verkörperung der erfinderischen Methode ist daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung einer der hier beschriebenen Methoden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.

Eine weitere Verkörperung des erfinderischen Verfahrens ist daher ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), der das Computerprogramm zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren enthält und darauf aufgezeichnet ist.

Eine weitere Verkörperung des erfinderischen Verfahrens ist daher ein Datenstrom oder eine Folge von Signalen, die das Computerprogramm zur Durchführung eines der hier beschriebenen Verfahren darstellen. Der Datenstrom oder die Signalfolge kann z.B. so konfiguriert sein, dass er oder sie über eine Datenkommunikationsverbindung, z.B. über das Internet, übertragen werden kann.

Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Verarbeitungsmittel, z.B. einen Computer oder eine programmierbare Logikvorrichtung, die so konfiguriert oder angepasst ist, dass sie eine der hier beschriebenen Methoden ausführt.

Eine weitere Verkörperung umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zur Durchführung einer der hier beschriebenen Methoden installiert ist.

In einigen Ausführungsformen kann ein programmierbares Logikbauelement (z.B. ein feldprogrammierbares Gate-Array) verwendet werden, um einige oder alle Funktionalitäten der hier beschriebenen Methoden auszuführen. In einigen Ausführungsformen kann ein feldprogrammierbares Gate-Array mit einem Mikroprozessor Zusammenarbeiten, um eine der hier beschriebenen Methoden durchzuführen. Im Allgemeinen werden die Methoden vorzugsweise von einer beliebigen Hardwarevorrichtung ausgeführt.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden technischen Lehre. Es versteht sich von selbst, dass Änderungen und Variationen der Anordnungen und der hier beschriebenen Einzelheiten für andere Fachkräfte offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, nur durch den Umfang der bevorstehenden Patentansprüche begrenzt zu sein und nicht durch die spezifischen Details, die durch die Beschreibung und Erklärung der hier beschriebenen Ausführungsformen präsentiert werden.

Literaturverzeichnis

[1] https://patents.justia.com/patent/20200045661

[2] https://patents.justia.com/patent/10509116

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[4] J. Sidorenko, V. Schatz, N. Scherer-Negenborn, M. Arens and II. Hugentobler, "Error Corrections for Ultrawideband Ranging," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, no. 11 , pp. 9037-9047, Nov. 2020, doi: 10.1109/TIM.2020.2996706.

[5] https://patentscope.wipo. int/search/en/detail.jsf?docld=WO2020165429

[6] J. Sidorenko, V. Schatz, N. Scherer-Negenborn, M. Arens and II. Hugentobler, "DecaWave Ultra- Wideband Warm-Up Error Correction," in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Bd. 57, Nr. 1 , S. 751-760, Feb. 2021 , doi: 10.1109/TAES.2020.3015323.