DE102021118723A1 - Method for simultaneously estimating the position and orientation of radio nodes and the antenna diagram of at least one multi-port antenna of at least one of the radio nodes - Google Patents

Method for simultaneously estimating the position and orientation of radio nodes and the antenna diagram of at least one multi-port antenna of at least one of the radio nodes Download PDF

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Siwei Zhang
Armin Dammann
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Abstract

Das Verfahren dient der gleichzeitig erfolgenden Schätzung von Position und Orientierung mindestens eines mobilen Funkknotens relativ zu mindestens einem statischen Funkknoten eines Funkknotennetzwerks. Einer der Funkknoten weist eine Mehrtorantenne auf, während die anderen Funkknoten entweder eine Eintorantenne oder ebenfalls eine Mehrtorantenne aufweisen. Durch relative Bewegung der Funkknoten empfängt die Mehrtorantenne Signale aus den unterschiedlichsten Richtungen. Durch die Schätzung von Position und Orientierung einerseits sowie die Kenntnis über das Antennendiagramm der mindestens einen Mehrtorantenne gelingt es, sowohl die Distanzschätzung als auch die Schätzung des Antennendiagramms stetig zu verbessern.The method is used for simultaneously estimating the position and orientation of at least one mobile radio node relative to at least one static radio node in a radio node network. One of the radio nodes has a multi-port antenna, while the other radio nodes have either a single-port antenna or also a multi-port antenna. Due to the relative movement of the radio nodes, the multi-port antenna receives signals from a wide variety of directions. By estimating the position and orientation on the one hand and knowing the antenna pattern of the at least one multi-port antenna, it is possible to constantly improve both the distance estimate and the estimation of the antenna pattern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichzeitig erfolgenden Schätzung der Position und Orientierung mindestens eines mobilen Funkknotens relativ zu mindestens einem statischen Funkknoten, wobei einer der Funkknoten eine Mehrtorantenne aufweist und der andere oder die anderen Funkknoten jeweils eine Mehrtorantenne oder eine Eintorantenne aufweisen, und des Antennendiagramms der mindestens einen Mehrtorantenne.The invention relates to a method for simultaneously estimating the position and orientation of at least one mobile radio node relative to at least one static radio node, one of the radio nodes having a multi-port antenna and the other or the other radio nodes each having a multi-port antenna or a single-port antenna, and the antenna diagram of the at least one multiport antenna.

Damit sich beispielsweise autonome Systeme relativ zueinander bewegen können, bedarf es der Kenntnis über die Position und Orientierung der einzelnen Systeme. Die Kommunikation zwischen diesen Systemen findet dabei beispielsweise per Funk statt. Derartige Konzepte werden mitunter auch als Radiolokalisierungssysteme bezeichnet.In order for autonomous systems to be able to move relative to each other, for example, knowledge of the position and orientation of the individual systems is required. The communication between these systems takes place, for example, by radio. Such concepts are sometimes also referred to as radio localization systems.

Radiolokalisierungssysteme basieren oft auf Schätzungen der Signallaufzeiten und/oder Schätzungen der Sende- bzw. Empfangsrichtung der Signale.Radio localization systems are often based on estimates of the signal propagation times and/or estimates of the transmission or reception direction of the signals.

Mittels Messung der Signallaufzeit in einer Richtung in synchronisierten Netzwerken bzw. in Hin- und Rückrichtung in nicht synchronisierten Netzwerken lässt sich die Distanz der Funkknoten bestimmen. Dazu müssen jedoch die internen Signallaufzeiten (Gruppenlaufzeiten) in Sender und Empfänger bekannt sein, um sie kompensieren zu können. Dies umfasst typischerweise die Elemente der Kette zwischen Sende-/Empfangszeitstempel im digitalen Bereich und der Antenne.The distance between the radio nodes can be determined by measuring the signal propagation time in one direction in synchronized networks or in both directions in non-synchronized networks. To do this, however, the internal signal propagation times (group propagation times) in the transmitter and receiver must be known in order to be able to compensate for them. This typically includes the elements of the chain between transmit/receive timestamps in the digital domain and the antenna.

Die Sende- bzw. Empfangsrichtung der Signale wird üblicherweise unter Ausnutzung der Antennencharakteristik einer Mehrtorantenne geschätzt. Bei Gruppenantennen wird beispielsweise die relative Phasenbeziehung der Einzelantennen genutzt, während bei direktionalen Antennen die relative Amplituden- und Phasenbeziehung genutzt werden kann. Dazu muss sowohl die exakte Antennencharakteristik als auch die Amplituden und/oder Phasenbeziehung der einzelnen Kanäle des mehrkanaligen Sende- und/oder Empfangssystems bekannt sein.The transmission or reception direction of the signals is usually estimated using the antenna characteristics of a multi-port antenna. In the case of group antennas, for example, the relative phase relationship of the individual antennas is used, while in the case of directional antennas the relative amplitude and phase relationship can be used. To do this, both the exact antenna characteristics and the amplitude and/or phase relationship of the individual channels of the multi-channel transmission and/or reception system must be known.

Im Folgenden wird dargestellt, wie diese Kalibrationen im Stand der Technik durchgeführt werden.The following shows how these calibrations are carried out in the prior art.

Kalibration von Amplituden, Phasen und/oder Gruppenlaufzeiten eines ein- oder mehrkanaligen Sende- und/oder Empfangssystems:

  • - Kalibration vor dem Betrieb Funkknoten werden vor dem Einsatz kalibriert, z.B. indem sie mit einem exakt vermessenen Signalsplitter verbunden werden. Durch Alterung der Bauteile, Temperaturunterschiede etc. können sich die Eigenschaften ändern. Dies kann durch eine einmalige Kalibration vor dem Betrieb nicht berücksichtigt werden.
  • - Schaltbare Testschleife (Loopback) zwischen Sende- und Empfangszweig Die Funkknoten weisen eine interne Schaltung auf, welche es erlaubt, Sende- und Empfangszweig mit definierten Eigenschaften zu verbinden. Durch eine schaltbare Schleife im Funkknoten, welche Sende und Empfangspfad verbindet (Loopback), kann lediglich die Summe aus Sende- und Empfangsgruppenlaufzeit beobachtet werden. Die Schleife selbst kann einen Einfluss haben, der sich nicht exakt spezifizieren lässt. Außerdem ist die Schleife in seriengefertigten Produkten (z.B. Software-Defined Radios, SDRs) eventuell nicht vorhanden, was Spezialanfertigungen nötig macht.
Calibration of amplitudes, phases and/or group delays of a single or multi-channel transmission and/or reception system:
  • - Calibration before operation Radio nodes are calibrated before use, for example by connecting them to a precisely measured signal splitter. Due to aging of the components, temperature differences, etc., the properties can change. This cannot be taken into account by a one-time calibration before operation.
  • - Switchable test loop (loopback) between the transmit and receive branches The radio nodes have an internal circuit that allows the transmit and receive branches to be connected with defined properties. A switchable loop in the radio node, which connects the transmission and reception path (loopback), only the sum of the transmission and reception group delay time can be observed. The loop itself can have an impact that cannot be specified exactly. Also, the loop may not be present in off-the-shelf products (eg, software-defined radios, SDRs), requiring custom manufacturing.

Kalibration von Mehrtorantennen:

  • - EM Simulation Die Antennencharakteristik wird mithilfe von elektromagnetischer (EM) Simulationssoftware berechnet. Die EM Simulation kann Fertigungstoleranzen etc. nicht berücksichtigen, außerdem entsprechen die getroffenen Modellannahmen oft nur näherungsweise der Realität. Veränderungen, die während des Betriebs auftreten, können ebenfalls nicht berücksichtigt werden.
  • - Messkammer Hierbei wird unterschieden zwischen Messung im Nahfeld oder im Fernfeld. Die Antenne kann in einer kompakten Nahfeldmesskammer vermessen werden, die Antennencharakteristik im Fernfeld wird anschließend berechnet. Alternativ kann die Messung direkt im Fernfeld, üblicherweise in einer „Compact Test Range“ erfolgen. Wenn die Größe der Messkammer dies erlaubt, kann die Antenne in ihrer finalen Montageposition auf dem Gerät vermessen werden. Antennen werden oft in relativ kompakten und somit kostengünstigen Nahfeldmesskammern vermessen. Aufgrund der Kompaktheit der Messkammer kann dort jedoch meist nur die Antenne alleine vermessen werden. Wird diese nun auf eine größere Tragstruktur montiert, wie z.B. Automobil, Roboter, Flugzeug oder Satellit, beeinflusst die Tragstruktur das elektromagnetische Feld und somit die Antennencharakteristik. Für eine zuverlässige Kalibration muss also die Antenne samt Tragstruktur in der Messkammer Platz finden, was u.U. sehr große Messkammern erfordert und daher kostenintensiv ist.
  • - In-Situ Kalibration Hierbei wird der Funkknoten an seinem Bestimmungsort vermessen. Dabei herrschen jedoch nicht die Idealbedingungen wie in einer Messkammer, d.h. fehlende Synchronisation, Mehrwegeausbreitung etc. müssen berücksichtigt werden. Eine gleichzeitige Schätzung von Richtung und Antennencharakteristik ist im Allgemeinen nicht möglich, da diese nicht gleichzeitig identifizierbar sind. Möglich wird die Schätzung jedoch, wenn zusätzlich starke Annahmen getroffen werden. Beispielsweise wird die Schätzung möglich, wenn eine omnidirektionale Antennencharakteristik für alle Antennenelemente oder eine uniform lineare Geometrie der Gruppenantenne angenommen werden. Dadurch beschränkt sich die Anwendbarkeit der bekannten Methoden auf bestimmte Typen von Gruppenantennen, andere Antennentypen wie z.B. Multimodenantennen sind nicht möglich. Außerdem können die physikalischen Eigenschaften echter Antennen von diesen Annahmen abweichen, was zu einem Modellfehler und somit beeinträchtigter Performance führt. Alternativ können zusätzliche Sensoren die Kalibration ermöglichen. Dies stellt jedoch einen Mehraufwand dar und ist je nach Anwendung nicht immer möglich.
Calibration of multiport antennas:
  • - EM simulation The antenna characteristics are calculated using electromagnetic (EM) simulation software. The EM simulation cannot take manufacturing tolerances etc. into account, and the model assumptions made often only approximate reality. Changes that occur during operation cannot be taken into account either.
  • - Measuring chamber A distinction is made between measurements in the near field and in the far field. The antenna can be measured in a compact near-field measuring chamber, and the antenna characteristics in the far field are then calculated. Alternatively, the measurement can be carried out directly in the far field, usually in a "compact test range". If the size of the measuring chamber allows it, the antenna can be measured in its final mounting position on the device. Antennas are often measured in relatively compact and therefore inexpensive near-field measuring chambers. Due to the compactness of the measuring chamber, however, only the antenna alone can usually be measured there. If this is now mounted on a larger support structure, such as an automobile, robot, airplane or satellite, the support structure influences the electromagnetic field and thus the antenna characteristics. For a reliable calibration, the antenna together with the support structure must therefore find space in the measuring chamber, which may require very large measuring chambers and is therefore expensive.
  • - In-Situ Calibration Here, the radio node is measured at its destination. However, the ideal conditions do not prevail here as in a measuring chamber, ie lack of synchronization, more path propagation etc. must be taken into account. A simultaneous estimation of direction and antenna characteristics is generally not possible, since these cannot be identified at the same time. However, the estimation is possible if additional strong assumptions are made. For example, the estimation becomes possible if an omnidirectional antenna characteristic for all antenna elements or a uniformly linear geometry of the group antenna is assumed. As a result, the applicability of the known methods is limited to certain types of group antennas, other types of antennas such as multimode antennas are not possible. In addition, the physical properties of real antennas can deviate from these assumptions, leading to a model error and thus degraded performance. Alternatively, additional sensors can enable the calibration. However, this represents an additional effort and is not always possible depending on the application.

Generell wird die Antennencharakteristik durch die Tragstruktur sowie Gegenstände in unmittelbarer Nähe der Antenne beeinflusst. Durch Änderungen an der Tragstruktur oder von darauf montierten Körpern, z.B. Rekonfiguration eines Greifarmes auf einem Roboter, kann sich die Antennencharakteristik ändern. Ebenfalls kann sich die Antennencharakteristik z.B. durch Verformung durch einen Aufprall, Abnutzung im Betrieb und andere äußere Einflüsse ändern. Dies kann es nötig machen, während des Betriebs die Antennencharakteristik zu verifizieren bzw. neu zu kalibrieren, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich ist.In general, the antenna characteristics are influenced by the support structure and objects in the immediate vicinity of the antenna. The antenna characteristics can change as a result of changes to the support structure or to bodies mounted on it, e.g. reconfiguration of a gripper arm on a robot. The antenna characteristics can also change, e.g. due to deformation caused by an impact, wear and tear during operation and other external influences. This can make it necessary to verify or recalibrate the antenna characteristics during operation, which is not possible with conventional methods.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur gleichzeitig erfolgenden Schätzung der Position und Orientierung mindestens eines mobilen Funkknotens relativ zu mindestens einem statischen Funkknoten, wobei einer der Funkknoten eine Mehrtorantenne aufweist und der andere oder die anderen Funkknoten jeweils eine Mehrtorantenne oder eine Eintorantenne aufweisen, und des Antennendiagramms der mindestens einen Mehrtorantenne anzugeben.The object of the invention is to provide a method for simultaneously estimating the position and orientation of at least one mobile radio node relative to at least one static radio node, one of the radio nodes having a multi-port antenna and the other or the other radio nodes each having a multi-port antenna or a single-port antenna, and specify the antenna diagram of the at least one multi-port antenna.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur gleichzeitig erfolgenden Schätzung der Position und Orientierung mindestens eines mobilen Funkknotens relativ zu mindestens einem statischen Funkknoten, wobei einer der Funkknoten eine Mehrtorantenne aufweist und der andere oder die anderen Funkknoten jeweils eine Mehrtorantenne oder eine Eintorantenne aufweisen, und des Antennendiagramms der mindestens einen Mehrtorantenne, wobei bei dem Verfahren

  • - die Positionen des mindestens einen statischen Funkknotens bekannt ist,
  • - die Antennendiagramme der mindestens einen Mehrtorantenne vermessen ist,
  • - die Bewegung hinsichtlich Richtung und Geschwindigkeit des mindestens einen mobilen Funkknoten oder jedes mobilen Funkknotens ermittelt wird,
  • - die Distanz zwischen jeweils einem mobilen Funkknoten und dem mindestens einen statischen Funkknoten oder zumindest einem der statischen Funkknoten und zwischen zwei mobilen Funkknoten anhand der Laufzeiten von Funksignalen vom Sendezeitpunkt eines von einem ersten Funkknoten an einem zweiten Funkknoten gesendeten Hinsignals bis zum Empfangszeitpunkt eines von dem ersten Funkknoten als von dem zweiten Funkknoten als Antwort auf den Empfang des Hinsignals gesendeten Rücksignals ermittelt wird, wobei die Funksignalgeschwindigkeiten und die Verarbeitungszeit in dem zweiten Funkknoten zwischen Empfang des Hinsignals und Senden des Rücksignals bekannt sind,
  • - die Empfangsrichtung, aus der der mindestens eine mit einer Mehrtorantenne versehene Funkknoten oder jeder mit einer Mehrtorantenne versehene Funkknoten ein Signal empfängt, auf Grundlage des jeweiligen anfangs als gegeben angenommenen, vermessenen Antennendiagramms ermittelt wird und
  • - durch Bewegung des mindestens einen mobilen Funkknotens relativ zu dem mindestens einen statischen Funkknoten und, bei mehreren mobilen Funkknoten, durch Bewegen der mobilen Funkknoten relativ zueinander und durch während der Bewegung erfolgendes Senden von Hinsignalen und Empfangen von Rücksignalen die Position des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens geschätzt und das Antennendiagramm der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne geschätzt wird,
  • - wobei die Daten über die Richtung, aus der Funksignale von der oder den Mehrtorantennen empfangen werden, und über die Bewegung des mindestens einen mobilen Funkknotens oder jedes mobilen Funkknotens sowie über die Signallaufzeiten ab Beginn der Bewegung des mindestens einen mobilen Funkknotens oder des zeitlich als erster in Bewegung versetzten mobilen Funkknotens mittels eines Schätzalgorithmus wie z.B. eines Algorithmus für eine rekursive Zustandsschätzung in z.B. einem Bayesschen Filter, insbesondere einem Iterated Extended Kalman Filter - IEKF -, geschätzt wird.
According to the invention, this object is achieved by a method for simultaneously estimating the position and orientation of at least one mobile radio node relative to at least one static radio node, one of the radio nodes having a multi-port antenna and the other or the other radio nodes each having a multi-port antenna or a single-port antenna , and the antenna diagram of the at least one multi-port antenna, wherein in the method
  • - the positions of the at least one static radio node are known,
  • - the antenna diagrams of at least one multi-port antenna are measured,
  • - the movement in terms of direction and speed of at least one mobile radio node or each mobile radio node is determined,
  • - the distance between each mobile radio node and the at least one static radio node or at least one of the static radio nodes and between two mobile radio nodes based on the propagation times of radio signals from the time of transmission of a forward signal sent by a first radio node to a second radio node to the time of receipt of one of the first radio node is determined as the return signal sent by the second radio node in response to receipt of the forward signal, the radio signal speeds and the processing time in the second radio node between receipt of the forward signal and transmission of the return signal being known,
  • - the receiving direction, from which the at least one radio node provided with a multi-port antenna or each radio node provided with a multi-port antenna receives a signal, is determined on the basis of the respective measured antenna diagram initially assumed to be given and
  • - by moving the at least one mobile radio node relative to the at least one static radio node and, in the case of several mobile radio nodes, by moving the mobile radio nodes relative to one another and by sending forward signals and receiving return signals during the movement, the position of the at least one or each mobile radio node is estimated and the antenna pattern of at least one or each multi-port antenna is estimated,
  • - Wherein the data on the direction from which radio signals are received by the or the multi-port antennas, and on the movement of the at least one mobile radio node or each mobile radio node, as well as on the signal propagation times from the beginning of the movement of the at least one mobile radio node or the chronologically first moving mobile radio node by means of an estimation algorithm such as an algorithm for a recursive state estimation in eg a Bayesian filter, in particular an iterated extended Kalman filter - IEKF - is estimated.

Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass durch die Bewegung mindestens eines mobilen Funkknotens es möglich ist, die Position und die Orientierung dieses mindestens einen mobilen Funkknotens zu schätzen, und zwar gleichzeitig mit der Kalibration der mindestens einen Mehrtorantenne, wobei Voraussetzung ist, dass das Antennendiagramm dieser mindestens einen Mehrtorantenne zuvor, beispielsweise im Labor, vermessen worden ist. Für die Schätzung der Position und Orientierung wird die Distanz des mindestens einen mobilen Funkknotens jedem der anderen Funkknoten laufend bzw. von Zeit zu Zeit ermittelt, und zwar unter Nutzung der Funksignallaufzeiten. Sämtliche Funkknoten, d.h. die mobilen und die statischen Funkknoten, sind mit Antennen ausgerüstet. Zumindest eine dieser Antennen ist eine Mehrtorantenne. Diese kann entweder auf einem mobilen Funkknoten oder einem statischen Funkknoten angebracht sein. Die anderen Funkknoten verfügen jeweils über eine Mehrtorantenne oder eine Eintorantenne, die dipolähnlich arbeitet. Durch die Tragstrukturen derjenigen Funkknoten, die mit Mehrtorantennen ausgerüstet sind, können deren Antennendiagramme von den im Labor bzw. in einer Messkammer vermessenen Antennendiagramme, bei denen die Tragstrukturen typischer nicht vorhanden sind, abweichen. Dennoch ist aber anhand der ohne Tragstruktur vermessenen Antennendiagramme eine gewisse Orientierungs- und Positionsbestimmung der Funkknoten möglich. So kann anhand des Antennendiagramms durchaus, wenn auch noch mit einem gewissen Fehler, abgeschätzt werden, aus welcher Richtung relativ zur aktuellen Position der Mehrtorantenne bezogen, Funksignale empfangen werden. Durch aus zunehmende Ausmaß an den unterschiedlichsten Bewegungen des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens relativ zueinander werden diese Schätzungen immer besser bzw. die Schätzfehler konvergieren gegen eine Konstante, so dass mit großer Zuverlässigkeit sowohl die Antennendiagramme jeder Mehrtorantenne ausreichend gut bekannt und Orientierung und Positionierung der mobilen Funkknoten hinreichend genau bestimmbar sind.According to the invention it is therefore provided that by moving at least one mobile radio node it is possible to estimate the position and the orientation of this at least one mobile radio node, at the same time as the calibration of the at least one multi-port antenna, the prerequisite being that the antenna diagram this at least one multi-port antenna has previously been measured, for example in the laboratory. To estimate the position and orientation, the distance between the at least one mobile radio node and each of the other radio nodes is determined continuously or from time to time, specifically using the radio signal propagation times. All radio nodes, ie the mobile and the static radio nodes, are equipped with antennas. At least one of these antennas is a multiport antenna. This can be installed either on a mobile radio node or on a static radio node. The other radio nodes each have a multi-port antenna or a single-port antenna that works like a dipole. Due to the supporting structures of those radio nodes that are equipped with multi-port antennas, their antenna diagrams can deviate from the antenna diagrams measured in the laboratory or in a measuring chamber, where the supporting structures are typically not present. However, based on the antenna diagrams measured without a support structure, it is still possible to determine the orientation and position of the radio nodes to a certain extent. The antenna diagram can be used to estimate, albeit with a certain error, from which direction relative to the current position of the multi-port antenna radio signals are being received. Due to the increasing extent of the most varied movements of at least one or each mobile radio node relative to one another, these estimates become better and better or the estimation errors converge towards a constant, so that both the antenna diagrams of each multi-port antenna are sufficiently well known and the orientation and positioning of the mobile Radio nodes can be determined with sufficient accuracy.

Es spielt grundsätzlich keine Rolle, welcher der mobilen Funkknoten (bei Existenz mehrerer derartiger Funkknoten im hier zu betrachtenden Funkknotennetzwerk) sich als erster bewegt. Es mag von Vorteil sein, wenn bei mehreren Funkknoten diese zeitlich gestaffelt in Bewegung gesetzt werden.In principle, it does not matter which of the mobile radio nodes (if there are several such radio nodes in the radio node network to be considered here) moves first. It may be advantageous if, in the case of several radio nodes, these are set in motion at different times.

Mit Vorteil kann also vorgesehen sein, dass bei mehreren mobilen Funkknoten zunächst mindestens einer der mit einer Mehrtorantenne versehenen mobilen Funkknoten in Bewegung versetzt wird, um zeitlich versetzt zu dem Bewegungsbeginn dieses einen mobilen Funkknotens die anderen mobilen Funkknoten in Bewegung zu versetzen oder aber dass bei mehreren mobilen Funkknoten mindestens zwei der mobilen Funkknoten gleichzeitig in Bewegung versetzt werden.Advantageously, it can therefore be provided that when there are several mobile radio nodes, at least one of the mobile radio nodes provided with a multi-port antenna is initially set in motion in order to set the other mobile radio nodes in motion at a time offset from the start of movement of this one mobile radio node, or that in the case of several mobile radio nodes at least two of the mobile radio nodes are set in motion at the same time.

In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die gleichzeitige Schätzung der Positionen und Orientierung und der Antennendiagramme bei Anordnung der statischen Funkknoten und Bewegung der mobilen Funkknoten sowohl im zweidimensionalen als auch im dreidimensionalen Raum erfolgen kann.In a further expedient embodiment of the invention, it can be provided that the positions and orientation and the antenna diagrams can be estimated simultaneously when the static radio nodes are arranged and the mobile radio nodes are moved both in two-dimensional space and in three-dimensional space.

Um die Bewegung und die Bewegungsrichtung bzw. den jeweiligen Bewegungszustand jedes mobilen Funkknotens schätzen zu können, kann gemäß mehrerer Alternativen vorteilhafterweise so vorgegangen werden,

  • - dass die Ermittlung der Bewegung und des jeweiligen Bewegungszustands des mindestens einen mobilen Funkknotens zusätzlich modellbasiert erfolgt und damit zusätzlich durch Prädiktion der Bewegung und des jeweils aktuellen Bewegungszustands des mindestens einen mobilen Funkknotens geschätzt wird und/oder
  • - dass die Bewegung und der jeweils aktuelle Bewegungszustand des mindestens einen mobilen Funkknotens unter zusätzlicher Verwendung der Signale von Sensoren, insbesondere mittels in jedem mobilen Funkknoten angeordneter Gyroskope oder Drehratensensoren und Geschwindigkeitssensoren geschätzt werden.
In order to be able to estimate the movement and the direction of movement or the respective state of movement of each mobile radio node, one can advantageously proceed as follows according to several alternatives:
  • - that the determination of the movement and the respective movement status of the at least one mobile radio node is also model-based and is thus additionally estimated by predicting the movement and the current movement status of the at least one mobile radio node and/or
  • - that the movement and the respective current state of movement of the at least one mobile radio node are estimated with the additional use of the signals from sensors, in particular by means of gyroscopes or yaw rate sensors and speed sensors arranged in each mobile radio node.

Zur Schätzung der absoluten Position und Orientierung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens bezogen auf ein globales, fixes Koordinatensystem sollten mindestens drei statische Funkknoten mit jeweils bekannter Position und mit jeweils einer Eintorantenne vorhanden sein, wobei durch für jeden mobilen Funkknoten erfolgende Schätzungen der Abstände (ranging) zu jedem statischen Funkknoten die Schätzung von Position und Orientierung ermöglicht wird.In order to estimate the absolute position and orientation of at least one or each mobile radio node in relation to a global, fixed coordinate system, there should be at least three static radio nodes, each with a known position and each with a one-port antenna, with estimates of the distances (ranging ) for each static radio node, the estimation of position and orientation is made possible.

Zur Schätzung der absoluten Position und Orientierung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknoten bezogen auf ein globales, fixes Koordinatensystem sollte ein statischer Funkknoten mit bekannter Position und einer Mehrtorantenne vorhanden sein, wobei durch für jeden mobilen Funkknoten erfolgende Schätzungen der Abstände (ranging) und Schätzungen der Richtungen (Direction of Arrival), aus denen Signale empfangen werden, die Schätzung von Position und Orientierung ermöglicht wird.In order to estimate the absolute position and orientation of at least one or each mobile radio node in relation to a global, fixed coordinate system, a static radio node with a known position and a multi-port antenna should be available, with estimates of the distances (ranging) and estimates of the Directions of arrival from which signals are received, allowing estimation of position and orientation.

In einer Variante der Erfindung ist zur Schätzung der relativen Position und Orientierung mehrerer mobiler Funkknoten kein statischer Funkknoten erforderlich.In a variant of the invention, no static radio node is required to estimate the relative position and orientation of a number of mobile radio nodes.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mehrtorantennen über die Laufzeit hinweg betrachtet Signale aus sämtlichen Richtungen (also 360° im zweidimensionalen Raum und aus der oberen und der unteren Hemisphäre im dreidimensionalen Raum) empfangen können. Hierzu kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass zur Schätzung des Antennendiagramms der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne, d.h. zur Kalibration der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne diese Mehrtorantenne oder jede Mehrtorantenne, aus sämtlichen Richtungen im zwei- oder dreidimensionalen Raum empfangene Signale verwendet werden, wobei dann, wenn sich die zu kalibrierende Mehrtorantenne auf einem mobilen Funkknoten oder jede zu kalibrierende Mehrtorantenne auf jeweils einem mobilen Funkknoten befindet, jeder mobile Funkknoten sich um einen oder jeweils einen statischen oder mobilen Funkknoten herum bewegt, oder dann, wenn sich eine zu kalibrierende Mehrtorantenne auf einem statischen Funkknoten befindet, einer der oder jeder der mobilen Funkknoten sich um den statischen Funkknoten herum bewegt.It is particularly advantageous if the multi-port antennas can receive signals from all directions (ie 360° in two-dimensional space and from the upper and lower hemispheres in three-dimensional space) over the propagation time. For this purpose, it can advantageously be provided that signals received from all directions in two- or three-dimensional space are used to estimate the antenna pattern of the at least one or each multi-port antenna, ie to calibrate the at least one or each multi-port antenna, in which case , if the multi-port antenna to be calibrated is located on a mobile radio node or each multi-port antenna to be calibrated is located on a respective mobile radio node, each mobile radio node moves around one or each static or mobile radio node, or if a multi-port antenna to be calibrated is on a static radio node is located, one or each of the mobile radio nodes moves around the static radio node.

Vorteilhaft insoweit ist es, wenn die Bewegung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens derart gesteuert wird, dass vergleichsweise schnell und direkt nach dem Start damit begonnen wird, dafür zu sorgen, dass die mindestens eine oder jede Mehrtorantenne möglichst schnell aus sämtlichen Richtungen Signale empfängt und/oder möglichst schnell in sämtliche Richtungen Signale abstrahlt. Die Bewegung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens wird also im Hinblick auf einen nach dem Start der Bewegung erfolgenden Empfang und/oder eines nach dem Start der Bewegung erfolgenden Sendens von Signalen aus sämtlichen Richtungen durch die mindestens eine oder jede Mehrtorantenne gesteuert. Hierdurch kann also die Kalibration der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne in optimaler und damit günstiger Weise erfolgen, so dass beispielsweise möglichst schnell eine möglichst hohe Güte der Kalibration erzielt wird.It is advantageous in this respect if the movement of the at least one or each mobile radio node is controlled in such a way that, comparatively quickly and directly after the start, work is started to ensure that the at least one or each multi-port antenna receives signals from all directions as quickly as possible and /or emits signals in all directions as quickly as possible. The movement of the at least one or each mobile radio node is therefore controlled by the at least one or each multi-port antenna with regard to receiving and/or transmitting signals from all directions after the movement has started. As a result, the at least one or each multi-port antenna can be calibrated in an optimal and therefore favorable manner, so that, for example, the highest possible quality of the calibration is achieved as quickly as possible.

Das erfindungsgemäße Funkknotennetzwerk umfasst, wie oben bereits ausgeführt, mindestens einen statischen Funkknoten sowie mindestens einen mobilen Funkknoten. Typischerweise existieren mehrere statische Funkknoten und mehrere Funkknoten. Sämtliche Funkknoten können mit jeweils einer Mehrtorantenne ausgestattet sein. Typischerweise können aber für die statischen Funkknoten Eintorantennen verwendet werden. Aber auch der umgekehrte Fall ist möglich, dass nämlich ein statischer oder jeder statische Funkknoten eine Mehrtorantenne aufweist. Die mobilen Funkknoten können dann sowohl Mehrtorantennen als auch Eintorantennen aufweisen. Für die Bestimmung der absoluten Position und Orientierung ist es erforderlich, dass das globale fixe Koordinatensystem mindestens drei statische Funkknoten mit bekannten Positionen und mit Eintorantennen aufweist oder aber mindestens ein statischer Funkknoten mit bekannter Position und mit einer Mehrtorantenne aufweist. Typischerweise existieren demzufolge mindestens drei statische Funkknoten und mehrere mobile Funkknoten. Ein derartiges Funkknotennetzwerk mit mobilen Einheiten in Form beispielsweise von autonom fahrenden Systemen (wie beispielsweise Robotern, Rovern o.dgl.) kann zur Erkundigung schwer zugänglicher Gebiete auf der Erde oder auf extraterrestrischen Himmelskörpern eingesetzt werden.As already explained above, the radio node network according to the invention comprises at least one static radio node and at least one mobile radio node. Typically there are several static radio nodes and several radio nodes. All radio nodes can each be equipped with a multi-port antenna. However, one-port antennas can typically be used for the static radio nodes. However, the reverse case is also possible, namely that a static radio node or each static radio node has a multi-port antenna. The mobile radio nodes can then have both multi-port antennas and single-port antennas. In order to determine the absolute position and orientation, it is necessary for the global fixed coordinate system to have at least three static radio nodes with known positions and single-port antennas, or at least one static radio node with a known position and multi-port antenna. As a result, there are typically at least three static radio nodes and several mobile radio nodes. Such a radio node network with mobile units in the form of, for example, autonomously driving systems (such as robots, rovers or the like) can be used to explore areas on earth that are difficult to access or on extraterrestrial celestial bodies.

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur gemeinsamen Lokalisierung und Kalibration. Dies wird ermöglicht, indem die Lokalisierungsvariablen (siehe Definition weiter unten) in einem gemeinsamen Zustandsraum mit den Kalibrationsparametern (siehe Definition weiter unten) betrachtet werden. Um die Antennencharakteristik einer beliebigen Mehrtorantenne abzubilden, werden vorzugweise die Antennenparameter mit vordefinierten Basisfunktionen, welche Funktionen der Richtung darstellen, multipliziert. Dieser Ansatz wird in der Literatur „Wavefield Modeling“, „Manifold Separation“, oder „Spherical Wave Expansion“ genannt, siehe u.a. [1], [2]. Die Entwicklung der Zustände wird dann über die Zeit geschätzt, vorzugsweise mit einem passenden Zustandsänderungsmodell (z.B. Bewegungsmodell) für die mobilen Funkknoten. Dies kann mit einem Bayesschen Filter, d.h. mit rekursiver Bayesscher Zustandsschätzung, realisiert werden. Ein solcher Algorithmus kann zentral oder dezentral auf den einzelnen Funkknoten realisiert werden. Vorzugsweise wird a-priori Information bzgl. der Kalibrationsvariablen berücksichtigt, z.B. eine ungefähr bekannte Antennencharakteristik aus einer EM Simulation. Weitere Sensoren (z.B. Inertialsensoren) und Steuergrößen (z.B. Robotergeschwindigkeit) können ebenfalls berücksichtigt werden.The invention thus relates to a method for joint localization and calibration. This is made possible by considering the localization variables (see definition below) in a common state space with the calibration parameters (see definition below). In order to map the antenna characteristic of any multi-port antenna, the antenna parameters are preferably multiplied by predefined base functions, which represent functions of the direction. This approach is called “Wavefield Modeling”, “Manifold Separation”, or “Spherical Wave Expansion” in the literature, see e.g. [1], [2]. The development of the states is then estimated over time, preferably with a suitable state change model (e.g. movement model) for the mobile radio nodes. This can be realized with a Bayesian filter, i.e. with recursive Bayesian state estimation. Such an algorithm can be implemented centrally or decentrally on the individual radio nodes. A-priori information regarding the calibration variables is preferably taken into account, e.g. an approximately known antenna characteristic from an EM simulation. Other sensors (e.g. inertial sensors) and control variables (e.g. robot speed) can also be taken into account.

In einer optionalen Erweiterung des Verfahrens wird zusätzlich eine Regelschleife implementiert, welche Teile der Tragstruktur oder einen darauf montierten Körper, z.B. den Greifarm auf einem Roboter, steuern kann. Durch die Steuerung kann also die Antennencharakteristik indirekt beeinflusst werden. Die Regelung erfolgt derart, dass die Antennencharakteristik hinsichtlich bestimmter Kriterien, z.B. Vermeidung von Nullstellen in der Charakteristik (Leistungsdiagramm, d.h. Sende/Empfangsleistung in/aus bestimmter Richtung tendiert gegen Null), oder Genauigkeit der Richtungsschätzung, optimiert wird.In an optional extension of the method, a control loop is also implemented, which can control parts of the support structure or a body mounted on it, e.g. the gripper arm on a robot. The antenna characteristic can thus be indirectly influenced by the control. The control takes place in such a way that the antenna characteristic is optimized with regard to certain criteria, e.g. avoidance of zero points in the characteristic (power diagram, i.e. transmit/receive power in/from a certain direction tends towards zero), or accuracy of the direction estimation.

Zu diesem Zweck wird gemäß einer Variante der Erfindung, die grundsätzlich unabhängig realisierbar ist von dem zuvor beschriebenen Verfahren und seinen diversen, ebenfalls zuvor beschriebenen Weiterbildungen, vorgeschlagen, dass mindestens einer der mit einer Mehrtorantenne versehenen Funkknoten über mindestens ein verstellbares Bauteil, wie z.B. einen Greifarm, einen Manipulator o.dgl., oder über mindestens ein bewegbares Konstruktionsteil einer Tragstruktur der Mehrtorantenne verfügt und dass durch eine Verstellung des mindestens einen Bauteils und/oder des mindestens einen Konstruktionsteils das Antennendiagramm der Mehrtorantenne hinsichtlich vorgebbarer Kriterien wie z.B. hinsichtlich der Vermeidung von Nullstellen, hinsichtlich des Leistungsdiagramms, indem die Sende- und/oder Empfangsleistung in bzw. aus vorgegebenen Richtungen gegen Null tendiert oder maximiert wird, oder hinsichtlich der Genauigkeit der Richtungsschätzung für sämtliche Signalempfangsrichtungen oder für ausgewählte Empfangsrichtungen beeinflusst wird.For this purpose, according to a variant of the invention, which can basically be implemented independently of the method described above and its various developments, also described above, that at least one of the radio nodes equipped with a multi-port antenna has at least one adjustable component, such as a gripper arm, a manipulator or the like, or at least one movable structural part of a support structure of the multi-port antenna and that by adjusting the at least one component and/or the at least one structural part, the antenna diagram of the multi-port antenna with regard to predeterminable criteria such as, for example, with regard to the avoidance of zeros, with regard to the power diagram, in which the transmission and/or reception power in or from pre-determined directions approaches zero is tended or maximized, or is influenced with regard to the accuracy of the direction estimation for all signal reception directions or for selected reception directions.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

  • 1 ein Beispiel für ein Funkknoten-Szenario mit drei statischen Funkknoten A1, A2 und A3 (nachfolgend mitunter auch Ankerknoten genannt) und vier mobilen Funkknoten in Form von Roboterfahrzeugen mit den Bezeichnungen DiasMMA, Drake, Magellan und Vespucci,
  • 2 den Verlauf der Distanzabweichungsschätzung über die Zeit für jeden der insgesamt sieben Funkknoten,
  • 3 eine Darstellung eine der Fehlerquadratsumme (RMSE) der Distanzschätzung über die Zeit, und zwar als Vergleich zwischen der durchgehenden und damit nicht adaptiven Verwendung der Kalibration der Mehrtorantenne von DiasMMA im Labor (siehe die obere und damit weiter von Null weg liegende Kurve) gegenüber der Verwendung der adaptiven Kalibration durch erfindungsgemäße Schätzung des Antennendiagramms (siehe die untere und damit die näher an null liegende Kurve),
  • 4a, 4b und 4c die Leistungsdiagramme über die Empfangsrichtung als Vergleich bei Kalibration einer Mehrtorantenne nach dem Stand der Technik durch z.B. durch EM-Simulation (4a) und in einer Nahfeldmesskammer (4b) gegenüber der Erfindung (4c),
  • 5a, 5b und 5c die Phasendiagramme über die Empfangsrichtung als Vergleich bei Kalibration einer Mehrtorantenne nach dem Stand der Technik durch z.B. durch EM-Simulation (5a) und in einer Nahfeldmesskammer (5b) gegenüber der Erfindung (5c),
  • 6 beispielhaft ein alternativer Bewegungspfad des Roboters DiasMMA und
  • 7 ein Diagramm der kumulativen Wahrscheinlichkeit über dem absoluten Schätzfehler als Vergleich Vergleich bei Kalibration einer Mehrtorantenne nach dem Stand der Technik durch z.B. durch EM-Simulation und in einer Nahfeldmesskammer gegenüber der Erfindung.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and with reference to the drawing. In detail show:
  • 1 an example of a radio node scenario with three static radio nodes A1, A2 and A3 (hereinafter sometimes also called anchor nodes) and four mobile radio nodes in the form of robotic vehicles named DiasMMA, Drake, Magellan and Vespucci,
  • 2 the course of the distance deviation estimate over time for each of the seven radio nodes,
  • 3 a representation of a least squares sum (RMSE) of the distance estimation over time, as a comparison between the continuous and thus non-adaptive use of the calibration of the DiasMMA multi-port antenna in the laboratory (see the upper and thus further away from zero curve) versus the use the adaptive calibration by estimating the antenna diagram according to the invention (see the lower curve, which is therefore closer to zero),
  • 4a , 4b and 4c the performance diagrams over the receiving direction as a comparison when calibrating a multi-port antenna according to the prior art, for example by EM simulation ( 4a) and in a near-field measurement chamber ( 4b) against the invention ( 4c ),
  • 5a , 5b and 5c the phase diagrams over the reception direction as a comparison when calibrating a multi-port antenna according to the prior art, for example by EM simulation ( 5a) and in a near-field measurement chamber ( 5b) against the invention ( 5c ),
  • 6 an example of an alternative movement path of the robot DiasMMA and
  • 7 a diagram of the cumulative probability over the absolute estimation error as a comparison of the calibration of a multi-port antenna according to the prior art, for example by EM simulation and in a near-field measuring chamber compared to the invention.

Als Ausführungsbeispiel wird ein Netzwerk aus mehreren statischen und mobilen Funkknoten betrachtet, und zwar mit Robotern, welche z.B. für die Exploration des Mars eingesetzt werden können. Das Netzwerk besteht aus sieben Funkknoten. Drei dieser Funkknoten sind statische Boxen, deren Positionen bekannt sind und die daher als Ankerknoten A1, A2, A3 bezeichnet werden. Die vier verbleibenden Funkknoten sind die fahrbaren Roboter Dias, Drake, Magellan und Vespucci. Die Ankerknoten sowie die Roboter Drake, Magellan und Vespucci sind jeweils mit einer Eintorantenne (dipolähnlich) ausgestattet. Dias ist mit einer Multimodenantenne mit vier Toren ausgestattet und wird deshalb nachfolgend als DiasMMA bezeichnet. Die Funkknoten senden in unterschiedlichen Zeitschlitzen, wobei jeder Knoten am Anfang seines Zeitschlitzes ein eindeutig bekanntes Signal zur Identifikation sendet, welches als Präambel bezeichnet wird.A network of several static and mobile radio nodes is considered as an exemplary embodiment, with robots that can be used, for example, to explore Mars. The network consists of seven radio nodes. Three of these radio nodes are static boxes whose positions are known and are therefore referred to as anchor nodes A1, A2, A3. The four remaining radio nodes are the wheeled robots Dias, Drake, Magellan and Vespucci. The anchor nodes and the robots Drake, Magellan and Vespucci are each equipped with a one-port antenna (similar to a dipole). Dias is equipped with a multimode antenna with four ports and is therefore referred to as DiasMMA in the following. The radio nodes transmit in different time slots, with each node transmitting a clearly known signal for identification at the beginning of its time slot, which is referred to as a preamble.

Als Bayessches Filter wird ein Iterated Extended Kalman Filter (IEKF) eingesetzt. Der Zustandsraum ist definiert als

  • - Position und Orientierung aller Roboter
  • - Distanzabweichung (Ranging Bias) aller Funkknoten
  • - Antennenparameter der auf Dias montierten Multimodenantenne
An iterated extended Kalman filter (IEKF) is used as the Bayesian filter. The state space is defined as
  • - Position and orientation of all robots
  • - Distance deviation (ranging bias) of all radio nodes
  • - Antenna parameters of the multimode antenna mounted on slides

Als Messungen werden die empfangenen Signale verwendet. Weiterhin wird ein dem Stand der Technik entsprechendes Bewegungsmodell (beispielsweise Prädiktor) angenommen, welches die Robotergeschwindigkeit und mittels Gyroskope gemessene Drehraten berücksichtigt. A-priori wird für die auf DiasMMA montierte Multimodenantenne eine in einer Nahfeldmesskammer gemessene Antennencharakteristik angenommen.The received signals are used as measurements. Furthermore, a motion model (for example predictor) corresponding to the prior art is assumed, which takes into account the robot speed and rotation rates measured by means of gyroscopes. A priori, an antenna characteristic measured in a near-field measuring chamber is assumed for the multimode antenna mounted on DiasMMA.

1 zeigt die Positionen der drei statischen Ankerknoten, sowie die Pfade, die Roboterfahrzeuge Dias, Drake und Vespucci zurückgelegt haben. Magellan blieb statisch. 1 shows the locations of the three static anchor nodes, as well as the paths traveled by the robotic vehicles Dias, Drake, and Vespucci. Magellan remained static.

2 zeigt die geschätzten Distanzabweichung (Ranging Bias) aller Funkknoten über die Zeit des Experiments. Anfangs fährt nur DiasMMA, ab ca. 06:00 fahren auch Drake und und Vespucci. Die Distanzabweichungen werden besser beobachtbar, sobald sich mehrere Funkknoten im Netzwerk bewegen. Ab ca. 08:00 ist die Schätzung der Distanzabweichungen konvergiert, anschließend finden nur noch kleinere Korrekturen statt. 2 shows the estimated distance deviation (ranging bias) of all radio nodes over the time of the experiment. In the beginning only DiasMMA drives, from about 06:00 Drake and Vespucci also drive. The distance deviations are observed better tbar as soon as several radio nodes move in the network. From about 08:00 the estimate of the distance deviations has converged, after that only minor corrections take place.

Auf den Robotern ist ein Referenzsystem für Position und Orientierung installiert, somit ist es möglich die Schätzfehler zu bestimmen. 3 zeigt die Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme (Root Mean Square Error, RMSE) der Distanzschätzungen, berechnet über alle Funkverbindungen im Netzwerk. Der Schätzfehler ist mit der beschriebenen Methode der gemeinsamen Lokalisierung und Kalibration niedriger, als wenn die Funkknoten lediglich vor Einsatz einmal im Labor kalibriert werden. Insbesondere ab 07:00, wenn sich drei Roboter bewegen, werden die Distanzabweichungen besser beobachtbar, und die Schätzfehler sinken.A reference system for position and orientation is installed on the robots, so it is possible to determine the estimation errors. 3 shows the root mean square error (RMSE) of the distance estimates calculated over all radio links in the network. The estimation error is lower with the described method of joint localization and calibration than if the radio nodes are only calibrated once in the laboratory before use. Especially from 07:00, when three robots are moving, the distance deviations become more observable and the estimation errors decrease.

4a, 4b, 4c und 5a, 5b, 5c zeigen Leistungsdiagramme und Phasendiagramme, d.h. die Antennencharakteristik der auf dem Roboter DiasMMA installierten Multimodenantenne, die in diesem Ausführungsbeispiel vier Tore aufweist, in Abhängigkeit von der Empfangsrichtung ϕ. Gezeigt sind drei Antennencharakteristiken, die aus auf verschiedene Arten erfolgte Kalibrationen resultieren. Die erste Antennencharakteristik (4a, 5a) stammt aus einer EM Simulation der Antenne im Freiraum (EM Simulation). Die zweite Antennencharakteristik (4b, 5b) wurde bestimmt, indem die Antenne in einer Nahfeldmesskammer vermessen wurde und die Messung ins Fernfeld transformiert wurde. Die dritte Antennencharakteristik (4c, 5c) wurde durch das Fahren der gemeinsamen Lokalisierung und Kalibration nach der Erfindung bestimmt. 4a , 4b , 4c and 5a , 5b , 5c show performance diagrams and phase diagrams, ie the antenna characteristics of the multimode antenna installed on the DiasMMA robot, which has four ports in this exemplary embodiment, as a function of the reception direction φ. Three antenna characteristics are shown, which result from calibrations carried out in different ways. The first antenna characteristic ( 4a , 5a) comes from an EM simulation of the antenna in free space (EM simulation). The second antenna characteristic ( 4b , 5b) was determined by measuring the antenna in a near-field measuring chamber and transforming the measurement into the far field. The third antenna characteristic ( 4c , 5c ) was determined by driving the joint localization and calibration according to the invention.

Um die Güte der Antennenkalibration zu evaluieren, wird ein zweiter Messdatensatz verwendet. Die drei Ankerknoten befinden sich an denselben Positionen wie im Ausführungsbeispiel zuvor. Der Roboter DiasMMA mit installierter Multimodenantenne fährt einen anderen Pfad als zuvor (siehe 6).A second set of measurement data is used to evaluate the quality of the antenna calibration. The three anchor nodes are in the same positions as in the previous embodiment. The DiasMMA robot with the multimode antenna installed travels a different path than before (see 6 ).

Währenddessen wird auf dem Roboter DiasMMA die Empfangsrichtung ϕ̂ der von A1, A2, A3 empfangenen Signale geschätzt. Für die Schätzung werden die drei zuvor genannten, unterschiedlichen Antennencharakteristiken zugrunde gelegt. 7 zeigt die kumulative Wahrscheinlichkeit des absoluten Schätzfehlers |ϕ̂ - ϕ| der Richtungsschätzung. Der Schätzfehler ist geringer, wenn statt der per EM Simulation bestimmten Antennencharakteristik die in der Nahfeldmesskammer gemessene Charakteristik verwendet wird. Wird das erfindungsgemäße Verfahren der gemeinsamen Lokalisierung und Kalibration angewandt, verringert sich der Schätzfehler nochmals.Meanwhile, the reception direction ϕ̂ of the signals received from A1, A2, A3 is estimated on the DiasMMA robot. The three different antenna characteristics mentioned above are used as a basis for the estimation. 7 shows the cumulative probability of the absolute estimation error |ϕ̂ - ϕ| the direction estimate. The estimation error is lower if the characteristic measured in the near-field measuring chamber is used instead of the antenna characteristic determined by EM simulation. If the method according to the invention of joint localization and calibration is used, the estimation error is reduced again.

Gebiete der Anwendung der Erfindung sind z.B.:

  • - Terrestrische Radiolokalisierung im Kontext von:
    • - 5G / 6G Mobilfunk
    • - WLAN / WiFi / 802.11 Netzwerke
    • - Internet-of-Things (IoT), Sensornetzwerke
    • - Industrie 4.0
    • - Automotive, (Car2Car, Car2I, Car2X)
  • - Extraterrestrische Radiolokalisierung:
    • - Robotische Exploration von Mond, Mars, etc.
  • - Radiolokalisierung mit globalem Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System GNSS, z.B. Galileo, GPS, GLONASS):
    • - Kalibration von Mehrtorantennengeräten für hochgenaue / robuste Anwendungen
  • - Kalibration von Mehrtorantennen beliebigen Typs:
    • - Gruppenantennen
    • - Multimodenantennen
    • - Kollokierte Antennen
    • - Rekonfigurierbare Oberflächen
Areas of application of the invention are, for example:
  • - Terrestrial radio localization in the context of:
    • - 5G / 6G cellular
    • - WLAN / WiFi / 802.11 networks
    • - Internet of Things (IoT), sensor networks
    • - Industry 4.0
    • - Automotive, (Car2Car, Car2I, Car2X)
  • - Extraterrestrial radio localization:
    • - Robotic exploration of Moon, Mars, etc.
  • - Radio localization with global navigation satellite system (Global Navigation Satellite System GNSS, e.g. Galileo, GPS, GLONASS):
    • - Calibration of multiport antenna devices for high accuracy / robust applications
  • - Calibration of multiport antennas of any type:
    • - array antennas
    • - Multimode antennas
    • - Collocated antennas
    • - Reconfigurable surfaces

BEGRIFFSDEFINITIONENDEFINITIONS OF TERMS

Funkknoten:radio node:

Empfangs- und/oder Sendeeinheit eines Funksystems, welches einen oder mehrere Sende bzw. Empfangskanäle aufweist, welche mit einer oder mehreren Antennen verbunden ist und in ein beliebiges Gerät, z.B. Roboter, Drohne (UAV), Mobiltelefon, Mobilfunk-Basisstation, Automobil etc. integriert ist. In diesem Dokument wird das Gesamtgerät als Funkknoten bezeichnet. Ein Funkknoten kann stationär oder mobil sein.Receiving and/or transmitting unit of a radio system, which has one or more transmission or reception channels, which is connected to one or more antennas and integrated into any device, e.g. robot, drone (UAV), cell phone, cell phone base station, automobile, etc. is integrated. In this document, the entire device is referred to as a radio node. A radio node can be stationary or mobile.

Netzwerk:Network:

Mehrere Funkknoten, wobei zwischen allen oder einem Teil der Knoten Funkverbindungen bestehen.Multiple radio nodes, with radio links between all or some of the nodes.

Eintorantenne:One-port antenna:

Antenne mit einem Anschluss (Tor), z.B. ein Dipol.Antenna with a connection (gate), e.g. a dipole.

Mehrtorantenne:multiport antenna:

Antenne bzw. Antennensystem mit mehreren Anschlüssen (Toren). Dies kann z.B. eine Gruppenantenne (antenna array) oder eine Multimodenantenne sein.Antenna or antenna system with several connections (gates). This can be a group, for example antenna (antenna array) or a multimode antenna.

Antennencharakteristik:Antenna characteristics:

Leistung/Antennengewinn/Richtwirkung und/oder Phase und/oder Polarisation und/oder Gruppenlaufzeit in Abhängigkeit des Raumwinkels. In der Literatur auch als Antennendiagramm bezeichnet.Power/antenna gain/directivity and/or phase and/or polarization and/or group delay as a function of the solid angle. Also referred to as an antenna pattern in the literature.

Lokalisierung:Localization:

Bestimmung von Lokalisierungsvariablen, d.h. Position und/oder Orientierung (Lage im Raum, z.B. beschrieben durch Roll-, Nick- und Gier-Winkel) und/oder Zeit der Funkknoten. Zeitsynchronisation der Funkknoten wird hier auch zur Lokalisierung gezählt. Die Lokalisierung kann entweder direkt mithilfe der empfangenen Signale, oder über Zwischenschritte, beispielsweise indem zuerst Distanzen und/oder Winkel zwischen Funkknoten geschätzt werden, durchgeführt werden.Determination of localization variables, i.e. position and/or orientation (location in space, e.g. described by roll, pitch and yaw angles) and/or time of the radio nodes. Time synchronization of the radio nodes is also counted here for localization. The localization can be carried out either directly using the received signals or via intermediate steps, for example by first estimating distances and/or angles between radio nodes.

Kalibration:Calibration:

Bestimmung von Kalibrationsparametern der Funkknoten. Kenntnis dieser Parameter ermöglicht die Lokalisierung. Diese Parameter sind typischerweise für kürzere Zeiträume quasi konstant, können jedoch längerfristig variabel sein. Hier werden folgende Parameter betrachtet:

  • - Gruppenlaufzeiten im Sende- und/oder Empfangszweig des Funkknotens. Diese sind bedeutsam, wenn Verfahren basierend auf Signallaufzeiten (z.B. round-trip-time RTT) zur Lokalisierung verwendet werden. Gruppenlaufzeiten können z.B. durch Temperaturveränderungen beeinflusst werden.
  • - Antennencharakteristik einer Mehrtorantenne: Genaue Kenntnis der Antennencharakteristik ist nötig, um die Abstrahl- und/oder Empfangsrichtung der Signale bestimmen zu können. Die Antennencharakteristik wird durch die Umgebung der Antennen beeinflusst. Wenn sich diese ändert, z.B. Rekonfiguration eines Greifarmes auf einem Roboter, kann sich die Antennencharakteristik ändern.
  • - Amplituden und/oder Phasen der einzelnen Kanäle eines mehrkanaligen Sende- und/oder Empfangssystems. Genaue Kenntnis der Amplituden und/oder Phasen ist nötig, um die Abstrahl- und/oder Empfangsrichtung der Signale bestimmen zu können.
Determination of calibration parameters of radio nodes. Knowledge of these parameters enables localization. These parameters are typically more or less constant for shorter periods of time, but can be variable over longer periods. The following parameters are considered here:
  • - Group delays in the transmission and/or reception branch of the radio node. These are significant when methods based on signal propagation times (e.g. round-trip-time RTT) are used for localization. Group delay times can be influenced by temperature changes, for example.
  • - Antenna characteristics of a multi-port antenna: Precise knowledge of the antenna characteristics is necessary in order to be able to determine the transmission and/or reception direction of the signals. The antenna characteristics are influenced by the environment of the antennas. If this changes, eg reconfiguration of a gripper arm on a robot, the antenna characteristics can change.
  • - Amplitudes and/or phases of the individual channels of a multi-channel transmission and/or reception system. Precise knowledge of the amplitudes and/or phases is necessary in order to be able to determine the emission and/or reception direction of the signals.

Die beschriebene Methode lässt sich auf weitere Funkknoten-spezifische Parameter ausweiten.The method described can be extended to other radio node-specific parameters.

LITERATURVERZEICHNISBIBLIOGRAPHY

  • [1] M. A. Doron and E. Doron, „Wavefield modeling and array processing. I. Spatial sampling,“ IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 42, no. 10, pp. 2549-2559, 1994.[1] M.A. Doron and E. Doron, "Wavefield modeling and array processing. I. Spatial sampling,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 42, no. 10, pp. 2549-2559, 1994.
  • [2] M. Costa, A. Richter, and V. Koivunen, „Unified array manifold decomposition based on spherical harmonics and 2-D fourier basis,“ IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58, no. 9, pp. 4634-4645, Sep. 2010.[2] M Costa, A Richter, and V Koivunen, "Unified array manifold decomposition based on spherical harmonics and 2-D fourier basis," IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 58, no. 9, pp. 4634-4645, Sep. 2010

Claims (11)

Verfahren zur gleichzeitig erfolgenden Schätzung der Position und Orientierung mindestens eines mobilen Funkknotens relativ zu mindestens einem statischen Funkknoten, wobei einer der Funkknoten eine Mehrtorantenne aufweist und der andere oder die anderen Funkknoten jeweils eine Mehrtorantenne oder eine Eintorantenne aufweisen, und des Antennendiagramms der mindestens einen Mehrtorantenne, wobei bei dem Verfahren - die Positionen des mindestens einen statischen Funkknotens bekannt ist, - die Antennendiagramme der mindestens einen Mehrtorantenne vermessen ist, - die Bewegung hinsichtlich Richtung und Geschwindigkeit des mindestens einen mobilen Funkknoten oder jedes mobilen Funkknotens ermittelt wird, - die Distanz zwischen jeweils einem mobilen Funkknoten und dem mindestens einen statischen Funkknoten oder zumindest einem der statischen Funkknoten und zwischen zwei mobilen Funkknoten anhand der Laufzeiten von Funksignalen vom Sendezeitpunkt eines von einem ersten Funkknoten an einem zweiten Funkknoten gesendeten Hinsignals bis zum Empfangszeitpunkt eines von dem ersten Funkknoten als von dem zweiten Funkknoten als Antwort auf den Empfang des Hinsignals gesendeten Rücksignals ermittelt wird, wobei die Funksignalgeschwindigkeiten und die Verarbeitungszeit in dem zweiten Funkknoten zwischen Empfang des Hinsignals und Senden des Rücksignals bekannt sind, - die Empfangsrichtung, aus der der mindestens eine mit einer Mehrtorantenne versehene Funkknoten oder jeder mit einer Mehrtorantenne versehene Funkknoten ein Signal empfängt, auf Grundlage des jeweiligen anfangs als gegeben angenommenen, vermessenen Antennendiagramms ermittelt wird und - durch Bewegung des mindestens einen mobilen Funkknotens relativ zu dem mindestens einen statischen Funkknoten und, bei mehreren mobilen Funkknoten, durch Bewegen der mobilen Funkknoten relativ zueinander und durch während der Bewegung erfolgendes Senden von Hinsignalen und Empfangen von Rücksignalen die Position des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens geschätzt und das Antennendiagramm der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne geschätzt wird, - wobei die Daten über die Richtung, aus der Funksignale von der oder den Mehrtorantennen empfangen werden, und über die Bewegung des mindestens einen mobilen Funkknotens oder jedes mobilen Funkknotens sowie über die Signallaufzeiten ab Beginn der Bewegung des mindestens einen mobilen Funkknotens oder des zeitlich als erster in Bewegung versetzten mobilen Funkknotens mittels eines Schätzalgorithmus wie z.B. eines Algorithmus für eine rekursive Zustandsschätzung in z.B. einem Bayesschen Filter, insbesondere einem Iterated Extended Kalman Filter - IEKF -, geschätzt wird.Method for simultaneously estimating the position and orientation of at least one mobile radio node relative to at least one static radio node, one of the radio nodes having a multi-port antenna and the other or the other radio nodes each having a multi-port antenna or a single-port antenna, and the antenna diagram of the at least one multi-port antenna, with the method - the positions of the at least one static radio node being known, - the antenna diagrams of the at least one multi-port antenna being measured, - the movement in terms of direction and speed of the at least one mobile radio node or of each mobile radio node being determined, - the distance between each one mobile radio node and the at least one static radio node or at least one of the static radio node and between two mobile radio nodes based on the propagation times of radio signals from the time of transmission of a from a first radio node to a zwe iten radio node transmitted forward signal is determined up to the time of receipt of a return signal sent by the first radio node as a response to the receipt of the forward signal by the second radio node, wherein the radio signal speeds and the processing time in the second radio node between receipt of the forward signal and transmission of the return signal are known, - the receiving direction from which the at least one radio node provided with a multi-port antenna or each radio node provided with a multi-port antenna receives a signal is determined on the basis of the respective measured antenna diagram initially assumed to be given and - by moving the at least one mobile radio node relative to the at least one static radio node and, in the case of several mobile radio nodes, the position of the at least one or r of each mobile radio node estimated and the antenna diagram of at least one or each multi-port antenna is estimated, - the data on the direction from which the radio signals are received by the or the multi-port antennas and on the movement of the at least one mobile radio node or each mobile radio node and on the signal propagation times Beginning of the movement of the at least one mobile radio node or the first mobile radio node to move in terms of time using an estimation algorithm such as an algorithm for a recursive state estimation in eg a Bayesian filter, in particular an iterated extended Kalman filter - IEKF - is estimated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren mobilen Funkknoten zunächst mindestens einer der mit einer Mehrtorantenne versehenen mobilen Funkknoten in Bewegung versetzt wird, um zeitlich versetzt zu dem Bewegungsbeginn dieses einen mobilen Funkknotens die anderen mobilen Funkknoten in Bewegung zu versetzen oder aber dass bei mehreren mobilen Funkknoten mindestens zwei der mobilen Funkknoten gleichzeitig in Bewegung versetzt werden.procedure after claim 1 , characterized in that if there are several mobile radio nodes, first at least one of the mobile radio nodes provided with a multi-port antenna is set in motion in order to set the other mobile radio nodes in motion at a time offset from the start of movement of this one mobile radio node, or that with several mobile radio nodes at least two of the mobile radio nodes are set in motion at the same time. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gleichzeitige Schätzung der Positionen und Orientierung und der Antennendiagramme bei Anordnung der statischen Funkknoten und Bewegung der mobilen Funkknoten sowohl im zweidimensionalen als auch im dreidimensionalen Raum erfolgen kann.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the simultaneous estimation of the positions and orientation and the antenna diagrams in the arrangement of the static radio nodes and movement of the mobile radio nodes can take place both in two-dimensional and in three-dimensional space. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Bewegung und des jeweiligen Bewegungszustands des mindestens einen mobilen Funkknotens zusätzlich modellbasiert erfolgt und damit zusätzlich durch Prädiktion der Bewegung und des jeweils aktuellen Bewegungszustands des mindestens einen mobilen Funkknotens geschätzt wird und/oder dass die Bewegung und der jeweils aktuelle Bewegungszustand des mindestens einen mobilen Funkknotens unter zusätzlicher Verwendung der Signale von Sensoren, insbesondere mittels in jedem mobilen Funkknoten angeordneter Gyroskope oder Drehratensensoren und Geschwindigkeitssensoren geschätzt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the determination of the movement and the respective movement status of the at least one mobile radio node is also model-based and is thus additionally estimated by predicting the movement and the respective current movement status of the at least one mobile radio node and/or that the movement and the respective current Movement status of the at least one mobile radio node can be estimated with the additional use of the signals from sensors, in particular by means of gyroscopes or rotation rate sensors and speed sensors arranged in each mobile radio node. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schätzung der absoluten Position und Orientierung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens bezogen auf ein globales, fixes Koordinatensystem mindestens drei statische Funkknoten mit jeweils bekannter Position und mit jeweils einer Eintorantenne vorhanden sind, wobei durch für jeden mobilen Funkknoten erfolgende Schätzungen der Abstände (ranging) zu jedem statischen Funkknoten die Schätzung von Position und Orientierung ermöglicht wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that at least three static radio nodes, each with a known position and each with a one-port antenna, are present to estimate the absolute position and orientation of the at least one or each mobile radio node in relation to a global, fixed coordinate system, with estimates being made for each mobile radio node of the distances (ranging) to each static radio node, the estimation of position and orientation is made possible. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schätzung der absoluten Position und Orientierung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknoten bezogen auf ein globales, fixes Koordinatensystem ein statischer Funkknoten mit bekannter Position und einer Mehrtorantenne vorhanden ist, wobei durch für jeden mobilen Funkknoten erfolgende Schätzungen der Abstände (ranging) und Schätzungen der Richtungen (Direction of Arrival), aus denen Signale empfangen werden, die Schätzung von Position und Orientierung ermöglicht wird.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that there is a static radio node with a known position and a multi-port antenna for estimating the absolute position and orientation of the at least one or each mobile radio node in relation to a global, fixed coordinate system, with estimates of the distances (ranging ) and estimates of the directions (Direction of Arrival) from which signals are received, enabling estimation of position and orientation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schätzung der relativen Position und Orientierung mehrerer mobiler Funkknoten kein statischer Funkknoten erforderlich ist.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that no static radio node is required to estimate the relative position and orientation of multiple mobile radio nodes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schätzung des Antennendiagramms der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne, d.h. zur Kalibration der mindestens einen oder jeder Mehrtorantenne diese Mehrtorantenne oder jede Mehrtorantenne, aus sämtlichen Richtungen im zwei- oder dreidimensionalen Raum empfangene Signale verwendet werden, wobei dann, wenn sich die zu kalibrierende Mehrtorantenne auf einem mobilen Funkknoten oder jede zu kalibrierende Mehrtorantenne auf jeweils einem mobilen Funkknoten befindet, jeder mobile Funkknoten sich um einen oder jeweils einen statischen oder mobilen Funkknoten herum bewegt, oder dann, wenn sich eine zu kalibrierende Mehrtorantenne auf einem statischen Funkknoten befindet, einer der oder jeder der mobilen Funkknoten sich um den statischen Funkknoten herum bewegt.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that to estimate the antenna pattern of the at least one or each multi-port antenna, ie to calibrate the at least one or each multi-port antenna, this multi-port antenna or each multi-port antenna, signals received from all directions in two- or three-dimensional space are used, wherein when the multi-port antenna to be calibrated is located on a mobile radio node or each multi-port antenna to be calibrated is located on a respective mobile radio node, each mobile radio node moves around one or a static or mobile radio node, or if a multi-port antenna to be calibrated is located on a static radio node , one or each of the mobile radio nodes moves around the static radio node. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des mindestens einen oder jedes mobilen Funkknotens im Hinblick auf ein nach dem Start der Bewegung erfolgendes Empfangen und/oder Senden von Signalen aus sämtlichen oder in sämtliche Richtungen durch die mindestens eine oder jede Mehrtorantenne gesteuert wird.procedure after claim 8 , characterized in that the movement of the at least one or each mobile radio node is controlled by the at least one or each multi-port antenna with a view to receiving and/or transmitting signals from all or in all directions after the start of the movement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als ein mobiler Funkknoten vorhanden ist.Procedure according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that more than one mobile radio node is present. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der mit einer Mehrtorantenne versehenen Funkknoten über mindestens ein verstellbares Bauteil, wie z.B. einen Greifarm, einen Manipulator o.dgl., oder über mindestens ein bewegbares Konstruktionsteil einer Tragstruktur der Mehrtorantenne verfügt und dass durch eine Verstellung des mindestens einen Bauteils und/oder des mindestens einen Konstruktionsteils das Antennendiagramm der Mehrtorantenne hinsichtlich vorgebbarer Kriterien wie z.B. hinsichtlich der Vermeidung von Nullstellen, hinsichtlich des Leistungsdiagramms, indem die Sende- und/oder Empfangsleistung in bzw. aus vorgegebenen Richtungen gegen Null tendiert oder maximiert wird, oder hinsichtlich der Genauigkeit der Richtungsschätzung für sämtliche Signalempfangsrichtungen oder für ausgewählte Empfangsrichtungen beeinflusst wird.Procedure according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that at least one of the radio nodes provided with a multiport antenna has at least one adjustable structure part, such as a gripper arm, a manipulator or the like, or has at least one movable structural part of a support structure of the multi-port antenna and that by adjusting the at least one component and/or the at least one structural part, the antenna diagram of the multi-port antenna can be changed with regard to predeterminable criteria such as e.g with regard to the avoidance of zeros, with regard to the power diagram, in that the transmission and/or reception power in or from specified directions tends towards zero or is maximized, or with regard to the accuracy of the direction estimation for all signal reception directions or for selected reception directions.
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