CN102187248B - 用于确定摇摆结构运动的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于确定固定安装有接收器的摇摆结构运动的系统，其中提供了具有已知和固定位置的至少三个参考发射器，并在限定载波频率上发送由接收器接收的发射信号。另外，提供了一个评估装置，所述评估装置根据所接收的信号确定测量相位值，将限定载波频率考虑在内，其中根据所述相位值可以计算出参考发射器之间的距离以及接收器的位置变化，并且因此计算出摇摆结构的位置变化。

Description

用于确定摇摆结构运动的系统
技术领域
本发明涉及一种用于确定摇摆结构运动的系统。 
背景技术
根据EP1 556 713 B1可知一种定位系统，使用该定位系统可以实时持续跟踪至少一个移动物体的位置。在这方面，这是一个例如在运动场上移动的球或运动员的物体的问题。在此定位系统中，固定安装了多个接收器并且物体上连接有多个发射器，它们的信号被接收器接收并被评估。为了能够进行高精确的三维定位，接收器也必须被连接高度较大的位置，在最好的情况下，接收器甚至直接位于运动场的上方。因此不可避免地将接收器接在高杆上，例如接在便于足球场地使用的泛光灯杆上。 
然而，可以看出当这样的杆在风的影响下就会开始摇摆。这些运动影响了发射器和接收器之间，即被定位的物体和接收器之间的实际距离和所测量的距离。如果不考虑杆的运动的话，杆的摆动就会被传送到要被定位的物体。在这方面，对于一个不活动的物体，例如一个不运动的球来说，在最不利的情况下会产生几厘米的位置波动。 
同时已知，借助GPS检测和评估可以确定由于风暴和台风造成的高塔结构或高层建筑的运动。 
发明内容
因此本发明的基本目的是提供一种用于确定摇摆结构运动的系统，其中摇摆结构上连接有接收器，通过该接收器，所述系统可以精确确定所述结构位置的变化，并因此可以确定所述接收器位置的精确变化。 
根据本发明，通过根据主权利要求特征的一种用于确定摇摆结构运动的系统，可以实现这个目的。 
进一步优选的改进和完善可以通过在从属权利要求中描述的方法来实现。 
可以通过以下方式实现所述结构波动的高精确测量：提供至少三个参考发射器，每一个发射器都具有已知和固定的位置，而且这些发射器的发射信号是由调制到具有限定载波频率的载波上的信号形成的，其中一个评估装置在考虑到限定载波频率的同时，根据接收到的信号确定相位测量值，并且根据所述相位测量值计算出到各个发射器的距离以及接收器的位置变化，并因此计算出摇摆结构的位置变化。当只使用三个这样的参考发射器时，有必要使所有发射器以相位锁定的方式相互同步和/或耦合，并进一步与接收器同步和/或耦合。如果安装了四个这样以相位锁定方式相互同步或耦合的发射器，则不必与在移动结构上的接收器同步，因为未知的接收时间可以用从第四个参考发射器获取的信息进行删除。本系统的另一种可以确定所有三维信息的设计包括不以相位锁定的方式同步和耦合的三个参考发射器以及提供了已知位置的至少一个额外的固定接收器，其中后者以相位锁定的方式与移动接收器同步或者耦合。 
每个参考发射器可以具有不同的载波频率，然而，优选将发送信号调制到所有参考发射器共有的载波频率上，因为这样可以明显地减少评估困难和/或成本。例如可以使用2.4GHz ISM波段或5GHz波段或根据频率校准或频率分配的其他可用波段。区分单个参考发射器的信息可以作为识别码以一个比特序列的形式被调制到该载波上。 
特别优选地，在一种用于校准无线电系统的体系中提供根据本发明的系统，该无线电系统用于通过多个接收器在一个三维空间中确定至少一个移动物体的位置，或特别优选地将所述体系作为基础结构进行整合，其中，至少一个接收器被固定在一个摇摆结构上，而且其中还设有一个评估装 置，该评估装置在确定移动物体的位置时将固定在该结构上的接收器的位置变化考虑在内。可以以这种方式校准无线电系统并提供高精确的三维定位，调整摇摆系统的影响。优选地，接收器以相位锁定的方式相互同步或耦合；参考发射器则可以相互之间不同步，因此可以使用便宜的小型参考发射器。 
附图说明
图中示出了本发明的实施例，并且在以下的描述中将更加详细地对实施例进行说明。所示为： 
图1为根据本发明的系统的第一实施例示图； 
图2为根据本发明的系统的第二实施例示图； 
图3为根据本发明的系统的第三实施例示图； 
图4为整合到定位系统中的根据本发明的系统的第三实施例示图； 
图5为泛光灯杆的已确定位置的X-Y坐标系统的俯视图； 
图6为随着时间的推移，泛光灯杆的X位置、Y位置和Z位置的示图。 
具体实施方式
图1中所示为一种确定摇摆结构(例如杆)运动的系统，此摇摆结构的摇摆是由环境影响造成的，即由风或风暴造成的。在图1中，标识为1的杆上固定设有具有天线3的接收器2。在杆1的周围设有具有天线5的多个参考发射器4，在本实施例中为4个固定且位置已知的发射器。例如在时间多路处理和/或代码多路处理中，参考发射器4发送发射信号，该发射信号是由调制在一个载波频率上的信号形成的，其中优选将2.4GHzISM波段用作发射波段，但是也可以使用其他波段，如5GHz ISM波段或根据频率校准或频率分配的其他可用波段。发射信号优选作为发射脉冲发送，在本实施例中所有的参考发射器4使用一个载波频率。相关参考发射 器4上的信息包含在发送信号中，例如作为比特序列在载波上调制的识别码。参考发射器4之间相互同步，即它们具有相同的基准时钟，例如它们通过光纤网络或者通过无线电和惯性原子钟等与时钟源6相连接。根据以上描述，图1示出多种可能方案中一种方案。 
例如，如果接收器3的接收器时间与参考发射器4的发射器时间也同步，则可以省略参考发射器4中的一个参考发射器。这种情况在图2示出并作为最简单的例子的评估，因为所有的发射器4和接收器3都具有同一时钟。 
图1和图2也可以都根据图3在使用三个不同步的参考发射器4和两个相互同步的接收器2，7方面进行修改；这通过与时钟源6的连接示出。在这方面，接收器7位于一个固定的参考位置，而另一个接收器2位于摇摆结构上。 
根据图1～3的实施例中，在接收器2的天线单元中，将由参考发射器4发送和接收的发射脉冲混合到基带上，即去除例如2.4GHz的载波，并且在进一步的处理中考虑参考发射器4上的识别信息。随后将接收器2上的载波的相应接收相位与各个参考发射器4上的载波的各个接收相位相比较，即形成相位差。该相位差或所测量的相位角随着参考发射器4和接收器2之间的相应距离di而减少，并且通常与2πdi/λ相对应。因此，在最简单的例子(图2)中，通过以下方程式来确定距离di
Figure BDA0000055190710000041
其中i为参考发射器4上的标注， 
Figure BDA0000055190710000042
代表测量的相位值，单位是弧度，该相位值通过接收器2中测量的相位和指定的相差的形成来确定，λ代表载波的波长，单位为米。在2.4GHz的载波频率处，波长达到12.27cm，oi为距离偏移，单位同样为米。 
在根据图1的实施例中，接收器2有自己的时钟源，由于时钟源6和接收器2之间的频率偏移，将会产生距离变化(未给出)。由于针对所有参考发射器4计算出的距离都以同样的方式产生偏差，因此可以利用第四参考发射器4的信息，通过形成距离差消除错误。
相应地，在根据图3的实施例中，可以利用在固定接收器7上确定的测量相位值以及参考发射器4和接收器7之间的已知距离对在发送时间时参考发射器4上的相位角进行反算。因此参考发射器4以数学的方式与移动接收器2同步。随后，可以计算出移动接收器2和参考发射器4之间的距离。这样包括发射器4上计算出的相位角，移动接收器2上测量的相位角以及来自以上方程式的距离偏移的计算都完成了。 
偏移最初是利用以上指定的方程式，由杆1的位置、参考发射器4的位置以及各个发射器/接收器的路径的第一相位测量来确定的，杆1的位置是由测量设备如激光测量设备确定的。 
最初的偏移在进一步的测量过程中被校正，以便将不同的影响因素考虑在内，并且被用于适合各自当前的偏移。该校正代表系统中温度漂移的补偿、绝对位置的调正以及被称为“周期滑移”(2π相位跃变)的校正。 
因为所测量的长度也会随着系统温度的变化而变化，所以这样的漂移必须得到补偿，并且确实通过改变偏移而得到补偿。因为该漂移，即测量值的偏移缓慢地发生，所以该漂移通过实际运动在测量值的变化上进行叠加，并且能够通过例如滤波处理进行检测。因此确保了在超过半个波长的长度变化上，不会发生作为系统中波长模糊的结果的位置跃变。 
对各个偏移oi进一步的缓慢校正确保了接收器2的平均位置与由激光测量设备确定的位置相对应。根据本发明，由于工作仅仅是利用测量相位值进行的，所以不能确定绝对位置。正如以上已经提及的，在系统启动时，启动点由未受到风的影响而确定的并且被系统已知的位置形成。然而，如果接收器2的位置与系统启动时的该已知位置大不相同，就会导致更大的错误。在测量的平均值的基础上，测量的位置在该已知位置的方向上进行了更新，因此实现了校正。该校正利用了杆围绕其“静止位置”进行摆动的事实。通过这个过程，可以省去复杂和/或花费较高的绝对位置的确定。 
必须注意的是，由于测量相位值的2π的模糊性，相位值的测量，也就是以上方程式的解也同样是模糊的，即这种现象的发生是因为改变了测量的距离，也就是从一个相位测量到下一个相位测量发生了跃变，正如已经陈述过的，跃变的值为2π。如果这些跃变没有得到补偿，测量的距离会跳跃一个波长，因此实质性地改变了位置结果。由于距离与测量的相位值(单位为米)和偏移的总和相对应，因此执行对偏移进一步的校正以防止距离跃变。在此，这不再是缓慢校正的例子，因为偏移可以从脉冲到脉冲跃变一个波长以补偿发生在测量中的相位跃变。这种补偿是通过相关测量相位值的所谓相位展开来实现的，这种补偿是在偏移上进行的。 
在一个评估装置中，例如该评估装置是远离接收器2的远程设置的计算机，距离di的测量结果就是发送给该评估装置，这些结果是用来以一定的时间间隔或者连续地确定杆1或接收器2的位置的。测量的相位值自然也可以与此时利用以上方程式确定的相应的位置一起被发送到该评估装置。通常Kalman滤波器和其他方法以及处理装置一起用于该评估，然而，也可以使用诸如代数算法(例如Bancroft算法)，或诸如神经元网络或粒子滤波器。随后接收器2的位置的三个坐标也会通过该评估装置进行传送。 
图5示出了通过相位测量确定的杆1位置的俯视图，即在一个选择的坐标系统中X和Y的位置。可以清楚地看到杆的摇摆运动。 
图6中示出随着时间的推移，单个坐标轴上的位置的变化，其中每条中间线都表示最初由激光测量确定的杆的位置。然而从Z坐标上看到的残余振荡实际上并不存在；这个错误的出现是由于与移动接收器2相关的参考发射器4的设置引起的。在相对小的空间角度内，接收器2看得到所有的参考发射器4，这就出现了单个坐标轴之间交叉串扰的结果。 
如上所述的系统或方法可以与一种体系一起使用，该体系用于一个或多个移动物体的高精确的三维定位，尤其是一个或多个在运动场上移动的 物体，如球和/或运动员。该系统在图4中示出。作为例子提供了具有发射器8的两个移动物体，多个接收器9，2布置在运动场周围或运动场上方，至少某些接收器(在本实施例中为接收器2)被装在例如泛光灯杆上。在这样的系统中，固定参考发射器4位于运动场的附近，固定到泛光灯杆上的接收器与接收器2相对应，接收器9与图3中的接收器7相对应。各个物体的发射器8将无线电信号发送到接收器2和9，在评估装置中评估接收到的信号以确定移动物体的位置，该评估装置与以上提到的用于确定摆动杆1位置的评估装置相对应。在确定物体位置的评估中，接收器2在图5和图6中的摇摆运动也被考虑在内，并且相应地校正了移动物体的位置。在示出的定位系统中，接收器相互之间同步，与时钟源6的连接线说明了这一点。整合到用于确定杆1摇摆运动的定位系统中的此系统在此处作为用于校准该定位系统的基础结构，并具有相应增加的精确度。小型而便宜的互不相连的迷你发射器可以作为参考发射器4使用。 
在另一个确定杆或建筑物摇摆的实施例中，以上描述过的波动通过各个坐标的位置变化发展计算出来，不同的天气条件下，对波动的计算是很有必要的。 

Claims (10)

1.一种用于确定固定装有接收器(2)的摇摆结构运动的系统，其特征在于，包括至少三个参考发射器(4)，所述参考发射器(4)具有各自已知和固定的位置，所述参考发射器(4)的发射信号由调制到具有限定载波频率的载波上的信号形成的，通过用于从所述接收器(2)接收到的各个所述参考发射器(4)的发射信号确定测量的相位值的评估装置，并考虑到所述限定载波频率，根据所述测量的相位值可以计算出到各个所述参考发射器(4)的距离以及所述接收器(2)的位置变化，并且因此计算出所述摇摆结构的位置变化；
所述接收器(2)和各个所述参考发射器(4)之间的距离是通过以下方程式计算出来的：
Figure FDA00003354405900011
其中d是各个所述参考发射器(4)和所述接收器(2)之间的距离，i是所述参考发射器的标注，
Figure FDA00003354405900012
是所述接收器上的各个所述参考发射器的测量的相位值，单位为rad，λ为所述载波的波长，单位是m，oi是各个偏移，单位是m。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于一个共同限定的载波频率与所有的所述参考发射器(4)相关联。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于各个所述偏移最初是通过所述结构的位置、所述参考发射器(4)的位置以及第一相位测量确定的，所述结构的位置是通过测量设备测量出来的。
4.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征在于具有已知位置的至少三个参考发射器(4)的布置和一个所述接收器(2)在时间上同步或借助共同时钟源(6)以相位锁定的方式相互连接。
5.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征在于提供第四参考发射器(4)，其中所述四个参考发射器(4)在时间上同步或借助共同时钟源(6)以相位锁定的方式相互连接。
6.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征在于除了在所述摇摆结构处的所述接收器(2)外，还设有至少一个已知位置的固定接收器(7)，其中所述参考发射器(4)相互之间不同步或不以相位锁定的方式连接，摆动的所述接收器(2)与所述固定接收器(7)同步或以相位锁定的方式相互耦合，并且已知位置的各个参考发射器(4)的发射时间可以借助所述固定接收器各自的接收信号计算出来。
7.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征在于所述评估装置用于根据系统中温度变化调整所述偏移的值，其中由温度的变化引起的测量值的变化可以通过滤波处理进行检测。
8.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征在于所述评估装置用于补偿所述摇摆结构位置相对于确定过程开始时的测量位置的可能的偏离，这是通过借助测量位置值的平均值改变各个所述偏移的值来实现的。
9.根据权利要求1～3中任一所述的系统，其特征在于所述评估装置用于使各个所述偏移的值适合补偿所述测量相位值的2π相位跃变，其中可以评估突然的距离变化。
10.一种用于校准无线电系统的组合系统，所述无线电系统用于利用多个接收器(2，9)确定三维空间中至少一个移动发射器(8)的位置，至少一个所述接收器(2)固定在一个由环境影响引起摇摆的结构上，所述组合系统包括根据权利要求1～9中任一所述的系统，其中提供了一种评估装置，所述评估装置在确定移动的发射器(8)的位置时将固定在所述结构上的所述接收器(2)的位置变化考虑在内。
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