CN107690588B - 用于使用无线电波来定位动物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于使用无线电波来定位动物的方法。在无线电定位中，出现针对所述动物的所述定位的大量可能计算结果。使用关于有待定位的节点的可能位置的先前测量和计算的结果，使用随机计算来从多个当前位置计算结果中过滤出实际上应用的概率最高的结果。在所述动物处测量到的加速度值用于所述随机计算。假设随着测量的加速度值增加，所述有待定位的节点的时间上连续的位置之间也能够有相对较大距离的概率增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助于无线电波来定位动物的方法。
背景技术
用于借助于无线电波来定位对象(例如，动物)的常规系统具有位于已知位置的多个无线电发射器和/或无线电接收器，以及在每个有待定位的对象上的相应无线电发射器和/或无线电接收器。
此外，用来借助于无线电波进行定位的发射器和接收器被简单称作“节点”。根据一种频繁使用的方法，为了确定安装到有待定位的动物身上的节点的位置，在第一步骤中使用无线电信号来测量各个已知位置的节点与有待定位的节点之间的距离彼此相差的长度。例如，出于这个目的，同时从所述有待定位的节点向所有其他节点发射信号。接收节点测量这个信号到达它们那里的时间。所述单独测量时间之间的差异，每个乘以光速(相关介质中的信号传播速度)得到各个节点与传输节点之间的距离差异。为了进一步计算，在第一步骤中假设有待定位的节点在双曲面上，所述双曲面的轴线穿过作为焦点的两个已知位置节点，这些节点与有待定位的节点之间的距离的测量差异等于(按照定义)两个焦点与双曲面上的每个点之间的距离相差的长度。有待定位的装置的可能位置局限于与至少三个这种双曲面相交的两个点。进一步局限于一个点可以借助于第四双曲面来实施(结果是因此需要至少四个已知位置的节点)，或者基于已知的几何条件借助于能够在任何情况下都被排除在外的一个点来实施，例如，因为这个点在动物可以在其内部移动的畜棚之外。(在本文中，“双曲面”用来指可以被想象成通过使双曲线绕其主轴线旋转而得到的旋转对称的壳状表面。)
在所描述的方法的修改中，如果在第一步骤中借助于无线电波直接推断出有待定位的动物身上的节点与各个已知位置的节点之间的距离，那么在第二步骤中可以假设球形壳体，而不是双曲面壳体。
例如，文档AT 506628 A1、US 6122960 A、DE 100 45 469 C2、WO9941723 A1、WO2011153571 A2和WO2012079107 A2根据所解释的原理处理对动物的无线电定位。
由于在实践中例如因为无线电波的反射而经常不可避免地出现相当大的测量误差和测量不准确性，因此需要引入进一步的逻辑假设，并且需要实施对应的评估，以便能够获得在一定程度上可靠的位置结果。除了已经提及的排除由于几何条件而不可能的结果之外，随机方法被具体用来基于先前测量的结果同样限制相应当前结果的模糊性，并且找到以最低误差概率反映现实的那个测量结果。在这个背景下，经过反复试验的随机模型是隐马尔可夫模型并且具体而言是维特比算法，在所述算法的帮助下，可以在每种情况下以相对有效的方式从大量可能的状态序列中找到当前最可能的状态序列。
通常用来计算居住概率的边界条件是：至少高于当前正被测试的位置与最后假设的行踪之间的某一极限距离，当前正被测试的位置就是当前行踪的概率随着距离增加而下降。以稍微简化了的方式表达，这意味着动物的当前行踪只可能在概率较高的先前最后假设的行踪周围的特定有限半径的圆内。
例如，EP 1 494 397 A2描述一种尤其用于建筑物中的无线电定位方法。由于频繁发生信号反射，因此，无线电定位在建筑物中尤其困难。
例如，文档EP 549081 A1、GB 2234070 A、GB 2278198 A、US 3999611 A、US6122960 A、US 7616124 B2、WO 2002091001 A1、WO 2003055388 A2、WO 2006077589 A2、WO2010108496 A1和WO 2010109313 A1提出并解释了下列实践：将(尤其是)加速度传感器装配到活动物身上，并且从来自加速度传感器的测量结果中推断导致相应加速度的动物行为。为此，测量结果通常经由无线电连接传输到数据处理系统并且由后者进行检查，以便与存储为模式的加速度数据的时间简档相对应。
在这种情况下，存储为模式的时间简档是动物的特定活动的特性，例如，走步、进食、反刍、睡觉、可能跛行或者趴在其他动物身上。为了找到特性模式，在前期的工作中记录加速度数据，并且以平行的方式记录基于直接观察确定的动物活动，而且从记录的数据中过滤出加速度模式与活动之间的相互关系。
WO9941723 A1涉及一种由人或动物携载的装置，这种装置可以发射和接收无线电波，并且借助于卫星导航系统可以确定装置的位置。它也提到除了可以测量例如生物条件的各种其他传感器之外，所述装置还可以具有加速度传感器。
WO2011153571 A2和WO2012079107 A2涉及用于动物的无线耳标，耳标实现无线电定位并且能够含有加速度传感器，在加速度传感器的帮助下，借助模式评估可以自动地识别动物的活动。
US 6122960 A主要涉及通过测量加速度并且评估测量(随时间推移对测量的加速度矢量积分两次)来测量和记录被人或动物覆盖的移动和距离。还提出了借助无线电导航来另外确定“绝对位置”。
发明内容
基于这个现有技术，本发明的目标是提供一种用于借助于无线电波来定位动物的自动运行方法，所述方法也可以用在动物的训练围栏和围场中，并且基于此目的所需的投资成本，与这种类型的已知方法相比，所述方法提供更准确且更可靠的结果。
为了实现所述目标，将已知的无线电定位方法作为基础，据此使用随机计算，以基于来自关于有待定位的节点的可能位置的先前测量和计算的结果，从多个相应当前位置计算结果中过滤出实际上描述当前位置的概率最高(也就是误差概率最小)的结果，在这种情况下，伴随地包括下列事实作为边界条件：至少高于由当前计算结果定义的位置与有待定位的节点的最后假设位置之间的某一极限距离，根据当前计算结果的位置就是有待定位的节点的实际位置的概率随着两个位置之间的距离增加而下降。
本发明提出了还通过下列方式来改进所述方法的实践：测量有待定位的动物处的加速度数据，并且在概率中伴随地包括所测量的加速度数据，使得如果测量到较高的加速度值，则假设两个时间上连续的假设行踪之间的距离更大的概率增加，不利于两个时间上连续的假设行踪之间的距离更短的概率。
附图说明
对于根据本发明的有利示例性方法变体，在附图的帮助下示出本发明：
图1以高度程式化的方式示出从很多计算的行踪中找出与现实对应的概率最高的行踪序列的任务。
图2针对借助测量和计算以时间上连续的方式找出的有待定位的节点的可能位置(行踪)之间的距离大小，以笛卡尔坐标表示示出两个假设概率特性a、b。
具体实施方式
如上文进一步更详细解释的，用于确定动物的行踪和移动的无线电定位系统具有多个节点，可以自由地移动的动物佩戴有待定位的节点，并且多个其他节点以不动的方式进行安装而且它们相对于彼此的相对位置是已知的。用于无线电定位的测量和计算序列以受控的时间间隔来实施。如上文进一步描述的，测量是有待定位的节点与已知位置的节点之间的距离测量，或者有待定位的节点与各个已知位置的节点之间的距离的差异测量。借助几何计算，从测量结果中推断有待定位的节点(相对于已知位置的节点)的可能位置。由于下列事实：经常存在四个以上已知位置的节点，并且无线电信号通常在两个节点之间不仅在直线上传输而且因为反射而经由其他更长的路径传输，因此出现大量的测量结果，所述测量结果在数学上被称为本身矛盾的超定系统。具体而言，这意味着只要有待定位的节点与另一已知位置的节点之间的无线电信号的相应最后四个接收结果在每种情况下都用来计算有待定位的节点的位置，便获得大量的计算结果，每个计算结果都描述空间中的位置，但这些计算结果中只有小部分实际上描述有待定位的节点的位置。相反，大部分的计算结果都是不正确的。
这个关系在图1中被表征。各自表示位置c的多个计算结果(分别由斜方形表征)之后是各自表示位置d的多个计算结果(分别由星形表征)，以此类推位置e和位置f的计算结果。
从一开始，可以假设下列为固定的：在有待定位的节点的实际路径上，位置c中的单个位置之后是位置d中的单个位置，随后是位置e中的单个位置并且最后是位置f中的单个位置。通过举例方式，单个路径g借助图1中的虚线来表征，作为原则上因而可能的无数路径的代表。
为了计算哪个路径实际上最可能反映现实，考虑到就时间而言紧跟彼此的两个位置(c和d、d和e、e和f)之间的可能距离并不都是同等可能的，而是一些种类的距离更有可能，而其他的不太有可能。极大的距离是不可能，例如，因为它们将意味着佩戴有待定位的节点的动物移动得比生物学和技术的极限所允许的更快。
图2示出含有表述的图表，表述是关于就时间而言直接在彼此之后的两个位置之间的距离大小的概率。
两个曲线a、b各自描述两个时间上连续的位置之间的距离D1、D2有多可能。
例如，如果应用曲线a并且在一段时间内恰好计算到两个可能的距离D1和D2，那么分配给相应距离D1和D2的纵坐标测量Pa1和Pa2的大小比例表示适用于D1的概率与适用于D2的概率之比。为了进一步计算，也必须将概率的绝对大小归一化，使得所有可能位置上的概率之和始终得到相同的值(最多是1)。
曲线a和b都在D＝0处具有最大值，因此，根据两条曲线，时间上连续的位置之间的距离全都是概率越大，距离越短。
然而，曲线a比曲线b以相当更陡的方式下降。这意味着，当将曲线a用来假设概率时，与将曲线b用来假设概率相比，对照更短距离D1是正确距离的概率，更长距离D2是正确距离的概率要低得多。
本发明提供选择使用曲线a还是b取决于在由动物携载的加速度传感器处测量的加速度。如果在将要计算位置的时期期间测量到较小的加速度值，那么使用更陡的曲线a，并且如果测量到较大的加速度值，则使用曲线b。
可以将曲线a、b假设为正常高斯分布，例如，在这种情况下，可以假设已知为伴随地包括在曲线的计算公式中的假设标准偏差取决于所测量的加速度。依赖函数应优选地使得随着加速度增加，标准偏差伴随地单调增加，例如，以与所测量的加速度成正比的方式伴随地增加。
必须根据经验确定最佳的曲线轮廓和依赖性，诸如，取决于所测量的加速度的曲线的形状。为此，动物或机器人等的移动序列一方面借助直接观察、路径测量和记录进行记录，并且另一方面，如所描述的那样借助无线电定位、加速度测量和合并计算进行确定。合并计算使用不同的基础计算参数(例如，关于所测量的加速度，根据图1的曲线的标准偏差的不同依赖性)，直到两种确定方法最佳地提供同样良好的结果。
如果已经正确地假设所有的计算参数并且将它们伴随地包括在计算中，那么可以通过下列方式来找到根据图1的可能路径中的最好路径g：在每种情况下得到分配给沿着位置序列c-d-e-f的所有可能路径的根据图1的相应距离c-d、d-e和e-f的三个概率的相应乘积，并且随后选择此乘积最高的路径。(为了将计算复杂性保持在可适当接受的界限内，应使用在一开始提及的已知隐马尔可夫模型方法，具体而言，维特比算法。)
概率的计算中包括的加速度值严格来说应被理解为是指经数学处理过的数值，所述数值是由在相应当前时间段中测量的多个加速度值形成的并且适当地表示此多个值。它可以是统计平均值，例如，均方根值或在各个方向上测量的均方根值的几何和，或者算术平均值或各个绝对值的平均值等，但也可以是这种类型的不同平均值的加权混合，或者所确定的各个加速度矢量的矢量和的大小。在实践中，相关确定方法同样是根据经验最佳地确定的。选择不仅取决于理论数学精度，而且例如取决于测量频率、测量准确性、可用的计算能力等。
作为监测动物移动的结果，尤其令人感兴趣的是动物在一段时间内(例如，在一天内)覆盖了多远的距离，因为这与动物的活动程度以及因此动物的状况有很大关系。相反，了解动物在各个时间占据的确切位置并不那么有意义，且因此也不太令人感兴趣。
具体而言，当涉及监测动物在“较长时间段”(例如，一小时或一天)内覆盖的整个距离时，如果动物没有移动太多并且因此也测量到较小的加速度，那么无线电定位误差相对而言会产生很强的影响。
因此，根据按照本发明的方法的一个优选进一步发展，建议在计算由紧固到动物身上的无线电定位系统的节点覆盖的最可能轨迹中伴随地包括下列事实：在测量到较高加速度值时获得的来自无线电定位系统的结果(也就是，与下列相关的信息：有待定位的节点与已知位置的节点之间的距离，或者借助无线电信号传输获得的有待定位的节点的时间上连续的位置之间的距离)比在测量到较低加速度值时获得的来自无线电定位系统的结果的正确概率高。
有大量的可能方式将这个事实包括在可被视作最可能的轨迹的具体计算中。作为极其简单的示例性方法，有可能只是忽略应用于所测量的加速度的大小低于特定最小界限的时间范围的无线电定位的测量结果。最终假设的轨迹便沿着特定路径继续下去，所述路径只在应用于测量到高于所述最小值的加速度的时间的无线电定位的那些可能结果位置之间尽可能地直接。
Claims (5)
1.一种用于借助于无线电波来定位动物的方法，所述动物配备有有待定位的无线电定位系统的节点，并且所述无线电定位系统的多个进一步节点安排在已知位置处，无线电信号在所述有待定位的节点与所述已知位置的节点之间传输，并且根据在信号传输期间测量到的参数计算一方面各个已知位置的节点与另一方面所述有待定位的节点之间的各个距离和/或所述距离的各个差异，并且由数据处理系统从这种类型的多个计算结果中计算所述有待定位的节点的可能位置，基于来自关于所述有待定位的所述可能位置的先前测量和计算的结果，使用随机计算来从多个相应当前位置计算结果中过滤出实际上描述所述当前位置的概率最大的结果，在这种情况下，伴随地包括下列事实作为边界条件：至少高于由当前计算结果定义的位置与所述有待定位的节点的最后假设位置之间的某一极限距离，所述最后假设位置是在与当前时间连续的上一个时间的假设位置，根据所述当前计算结果的所述位置就是所述有待定位的节点的实际位置的概率随着两个位置之间的距离增加而下降，也在配备有所述有待定位的节点的所述动物处测量加速度数据，并且所述测量的加速度数据被传输到所述数据处理系统，
所述方法的特征在于，
所述概率假设取决于所述测量的加速度数据，在测量的加速度值较高的情况下，假设两个时间上连续的假设位置之间的距离更大的概率增加，不利于两个时间上连续的假设位置之间的距离更短的概率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，假设所述有待定位的节点的两个时间上连续的位置之间的距离大小的概率基于所述距离大小而至少大约遵循正常高斯分布，假设标准偏差随着测量的加速度单调增加。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将加速度的时间上连续的测量值的统计平均值用作被包括在所述概率的所述假设中的加速度值。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当计算由所述有待定位的节点假设的许多位置的最可能序列时，将从所述无线电信号传输中测量的与所述有待定位的节点相关的距离信息伴随地包括在所述计算中，即为与在所述加速度测量期间确定较低加速度值相比，在所述加速度测量期间确定较高加速度值的正确概率更高。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当计算由所述有待定位的节点假设的许多位置的最可能序列时，将从所述无线电信号传输中测量的与所述有待定位的节点相关的距离信息伴随地包括在所述计算中，即为与在所述加速度测量期间确定较低加速度值相比，在所述加速度测量期间确定较高加速度值的正确概率更高。
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