CN109844556A - 用于位置确定的方法和设备 - Google Patents

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CN109844556A CN201780055263.4A CN201780055263A CN109844556A CN 109844556 A CN109844556 A CN 109844556A CN 201780055263 A CN201780055263 A CN 201780055263A CN 109844556 A CN109844556 A CN 109844556A
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Abstract

本发明涉及一种用于至少一个测量对象的位置确定的方法，所述测量对象分别装备有具有接收器的移动站，并且其中，使用至少四个参考对象，所述至少四个参考对象具有基站，所述至少四个参考对象分别首先具有已知的位置，并且其中，所述基站分别装备有发送器，其中，所述基站发送信号并且所述移动站接收信号。根据本发明，所述基站中的至少两个发送不同频率的周期性的信号并且具有适合于此的设备，所述设备具有用于发送具有周期性的模式的信号的装置，所述信号在紧邻的频率上发送。

Description

用于位置确定的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于位置确定的方法和设备。
背景技术
为了对象的位置确定，根据现有技术已知不同的方法。
在日常中非常频繁地使用GPS方法，例如以便对车辆进行导航。在此，采用至少四个发送器，所述发送器位于地球公转轨道中并且在它们离开地面之前已经被同步。这些发送器发出同步的信号，所述信号也包含关于其位置的信息。待导航的对象具有接收器，所述接收器接收所述信号并且由所述信号确定其自身的位置。在此，考虑相对论效应。该方法例如在出版物http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/qpsuser/qpsuser.pdf中描述。
一种另外的方法在申请人的专利申请DE 10 2011 107 333 A1中描述。该方法实现对象在封闭房间中直至降到实验室规模的距离的位置确定。在此，自身的位置应被确定的对象发出信号，所述信号的频率是已知的，并且，多个接收器确定信号的相位并且由所述相位推导出发送器的位置，其中所述多个接收器的位置是已知的。
Mosshammer等人所著的出版物“A 5.8 GHz Local Positioning andCommunication System”（（2007年）IEEE/MTT-S International Microwave Symposiom（国际微波研讨会），第1237 – 1240页）公开了一种用于对象的位置确定的方法，其中，自身的位置应被确定的对象发送信号，所述信号在时间上改变其频率并且所述信号由基站接收和发送回。该对象接收发送回的信号并且根据所述频率记录幅度。
缺点与根据现有技术的方法关联。
因此，GPS方法在建筑物中仅受限地起作用。
在根据DE 10 2011 107 333 A1的方法中，自身位置可以被确定的对象的数目是受限的。
在Mosshammer等人的方法中，仅仅可以相继地接收基站的信号，带宽的利用是无效率的，在基站与自身位置应被确定的对象之间的同步是必需的，并且，基站和对象必须不仅进行发送而且进行接收。在建筑物中原则上存在以下问题：信号被墙反射。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种方法和一种设备，借助所述方法和所述设备可以克服现有技术的缺点。应实现在如下地点处的对象的准确的地点确定，在所述地点其他位置确定系统不具有足够的准确性或信号强度，例如在建筑物和房间中，在稠密建筑的区域中，或者在地下，即便是在待定位的对象被埋在土壤中的情况下。尤其应实现以下对象的位置确定：所述对象位于建筑物或房间中。测量速率应尽可能高。测量速率应在每秒一次测量直至每秒1000次测量的数量级中或更高。应尤其相对于GPS方法提高地点确定的准确性。该方法应可以用于任意数目的对象的同时的地点确定。应减少或防止起因于信号在墙上反射的问题。
从权利要求1的和并列权利要求的前序部分出发，借助这些权利要求的特征部分的特征来解决所述任务。
现在起，借助根据本发明的方法和设备可能的是，实现在其他位置确定系统不具有足够的准确性或信号强度的地点处的对象的准确位置确定，例如在建筑物和房间中，在稠密建筑的区域中，或者在地下，即便是在待定位的对象被埋在土壤中的情况下。尤其可以以非常高的位置准确性和高的测量速率确定建筑物或房间中的位置。同时可以确定任意数目的多个对象的位置。可以降低或消除可能通过信号在墙上的反射得出的测量问题。
在从属权利要求中说明本发明的有利的扩展方案。
下面，本发明以其一般形式被描述，而这不应解释为限制性的。
根据本发明，自身位置应被确定的至少一个对象装备有移动站，所述移动站具有接收器。具有移动站和接收器的对象称为测量对象。
本发明的意义上的对象是自身位置应被确定的每个物体或每个生物。
此外，本发明意义上的对象也可以是物体的一部分或生物的一部分，例如人的手腕，或者手指的指尖，或人的膝盖。在最简单的实施方式中，对象也可以是移动站的壳体。
使用至少四个对象，所述至少四个对象分别装备有基站，所述基站具有发送器。具有基站的对象在下面称作参考对象，其中所述基站具有发送器。在这种情况下，所述对象是基站的壳体。
参考对象也允许装备有移动站。
自身位置应被确定的对象也可以装备有基站并且属于参考对象。在这种情况下，参考对象具有基站和移动站，所述基站和移动站可以在结构上被合并在一个装置中并且在此具有发送器和接收器。自身位置应被确定的对象或测量对象的数目可以采用任意的值。例如，2、3、4、5、6、...10、...20、50...100个或更多个对象可以关于其位置方面被确定。
参考对象和因此也属于参考对象的具有发送器的基站在此首先具有固定的位置，所述位置也可以发生改变。参考对象的位置在开始运转之前被确定或规定，以便已知：参考对象位于哪些地点坐标上。为了执行所述方法，需要至少四个参考对象，但是，也可以存在多于四个，例如5、6、7、8、9、10、20...50个或更多个。参考对象的数目越高，则位置确定就越准确。
参考对象的发送器在相互限定的时间间隔内，例如同步地或在固定地限定的时间间隔内进行发送，所述发送器可以是部分地同步的。
根据本发明，所述参考对象的至少四个基站的至少两个发送器发送不同频率的信号，所述信号是紧邻的并且具有周期性模式。
相互紧靠的频率比所使用的信号的带宽更少地相互分开。尤其它们可以比所使用的信号的共有的（reziprok）周期持续时间更少地相互分开。这具有以下优点：可以更容易地考虑这些信号的相位用于对位置确定的细化并且高效地利用可用的频率范围。
在此，参考对象的基站的发送器的相互紧靠的频率相对于彼此的行为符合公式1。
（公式1）
在公式1中：
fn是参考对象的任意的基站的发送器的频率，
fm是参考对象的任意的其他基站的发送器的频率，并且
Δf是所使用的信号的傅立叶频谱中的最大值之间的频率间隔。
在此，周期性的模式的周期持续时间必须如此选择，使得Δf对于参考对象的基站的以下发送器是相同的：所述发送器的频率相互紧靠。
有利地，参考对象的基站的发送器使用具有相同的周期性的模式的发送信号，其中所述发送器在相互紧靠的频率上进行发送。这具有以下优点：参考对象的基站的不同发送器的信号的比较变得更简单。
周期性的模式具有以下优点：发送信号具有离散的傅立叶频谱，所述傅立叶频谱具有狭长的、明显地形成的最大值。
但也能够设想的是，紧邻的频率具有至少部分地不同的周期性的模式。
周期性的模式可以自由地选择并且可以以不同方式来构型。
例如，基站的发送器的发送信号可以以限定的时间节拍来脉动。
脉冲的持续时间可以自由地选择。同样，可以自由地选择脉冲的间隔。
相位和/或幅度可以连续或不连续地经历改变，例如以幅度和相位的增加或减少或跳跃式改变的形式。
在本发明的一种实施方式中，参考对象的至少四个基站具有以下发送器：所述发送器全部同步地在紧邻的频率上进行发送。
在一种另外的实施方式中，参考对象的所有基站具有以下发送器：所述发送器在紧邻的频率上同步地进行发送。
在一种另外的实施方式中，存在如下参考对象的群组，所述参考对象的基站分别具有至少一个发送器，所述至少一个发送器在所述群组内在紧邻的频率上进行发送，其中，所述群组的频率范围远远地相互分开。
在一种另外的实施方式中，参考对象的基站的至少两个发送器发送以下信号：所述信号的频率远远地相互分开。
远远地相互分开的频率应具有以下频率差：所述频率差比所使用的信号的带宽更大。这具有以下优点：不同的发送器可容易地相互区分。
在一种另外的实施方式中，参考对象的至少四个基站的一部分具有至少一个发送器，所述至少一个发送器分别同步地在远远地相互分开的频率上进行发送。
在一种另外的实施方式中，参考对象的至少四个基站其中的至少两个基站具有发送器，所述发送器发送分别时间偏移的信号。所述信号可以具有相同的频率，但是并非参考对象的基站的所有发送时间偏移的信号的发送器必须发送相同的频率。
作为发送信号可以使用电磁波。原则上，考虑将无线电波、IR波、光、尤其具有在ISM频带范围内的频率的无线电波作为发送信号。
示例性地但非限制性地，可以使用参考对象的以下基站组合，所述基站组合在表格1中示出，在所述表格中，基站以BS缩写。
此外，可以非限制性地使用频率与时间窗组合，其在表格2和3中示出。在表格2和3中，M1、M2和M3是不同的周期性的模式，并且f1、f2、f3和f4是不同的频率。所述频率f1和f2以及f3和f4是分别紧邻的。频率对f1、f2和f3、f4远远地相互分开。
在一种有利的实施方式中，所述参考对象中的至少一部分，但至少三个、优选所有参考对象除了装备有具有发送器的基站之外附加地也装备有具有接收器的移动站。在此，所述基站和所述移动站可以在结构上合并在一个装置中。这允许具有移动站的参考对象接收所有其他参考对象的信号。由此可以确定在具有移动站的参考对象和所有其他参考对象之间的间隔。借助间隔值可以确定参考对象关于坐标系统而言的位置，其中所述坐标系统通过具有移动站的至少四个参考对象其中的任意三个参考对象展开（aufspannen）。这具有以下优点：不需要任何外部的辅助装置来确定所有参考对象的位置。
在一种另外的实施方式中，所述系统也允许具有零个测量对象。但也可以使用一个或多个测量对象。此外，所有参考对象并非必须是位置固定的，并且所有参考对象除了装备有基站之外附加地也装备有移动站。这允许每个参考对象接收所有其他参考对象的信号。由此，可以确定所有参考对象对之间的间隔。在该实施方式中，系统能够探测参考对象相互的相对位置的改变。如果存在测量对象，则也相对于参考对象确定所述测量对象的位置。
下面示出方法流程。
1. 至少四个参考对象在相互限定的时间间隔内发送信号，所述信号是同步的或至少部分地在时间上偏移，其中所述四个参考对象的位置首先是已知的，但可能改变。至少四个参考对象其中的至少对象两个在紧邻的频率上进行发送，其发送信号具有周期性的模式。
2. 根据点2的测量对象的或参考对象的移动站的接收器接收参考对象的信号，其中所述测量对象或参考对象附加地具有移动站，其在结构上可以与所述移动站合并。
3. 测量对象的或参考对象的移动站将远远地相互分开的频率和可能存在的噪声分离，所述测量对象或参考对象附加地具有移动站。为此，可以考虑根据现有技术已知的方法，如例如使用带通滤波器或低通滤波器。
4. 参考对象的具有紧邻的频率、具有周期性的模式的信号在利用模式的周期性的情况下从具有移动站的测量对象的或参考对象的移动站分离，所述测量对象或参考对象具有移动站。这可以借助对于本领域技术人员已知的装置，例如借助梳状滤波器或傅立叶变换来进行。
5. 移动站测量来自所有参考对象的信号的到达的时间点。每个移动站可以由这些时间点计算其位置。适合于此的方法根据现有技术例如由GPS方法已知。为了提高到达时间的测量的准确性，可以使用所接收的信号的、时间偏移的子采样（Unterabtastung）。到达的信号的相位可以用于对位置确定的细化。
根据本发明的设备具有：至少四个参考对象，所述至少四个参考对象分别装备有具有发送器的基站和用于使基站的时钟同步的装置；以及至少一个对象或测量对象，所述至少一个对象或测量对象具有移动站，所述移动站具有接收器。具有移动站的对象也可以是至少四个参考对象之一。在这种情况下，该对象具有必要时可以在结构上合并的基站和移动站以及发送器和接收器。这些基站中的至少两个具有发送器，所述发送器具有用于发射具有周期性的模式的信号的装置，所述信号在紧邻的频率上被发送。至少一个基站可以具有用于发射信号到远远地相互分开的频率的其他基站的装置。移动站具有用于分离相互紧靠的频率的装置并且可以具有用于分离远远地相互分开的频率的装置。用于分离远远地相互分开的频率的装置可以是例如带通滤波器或低通滤波器。用于分离相互紧靠的频率的装置可以是梳状滤波器或者是用于执行傅立叶变换的装置。
在一种优选的实施方式中，参考对象的至少一部分、但至少三个、优选所有参考对象具有附加的移动站，所述附加的移动站具有接收器。
附图说明
附图示例性地示出本发明的特征的实施例。其中：
图1示出用于具有周期性的模式的两个发送信号的示例；
图2示出两个参考对象的发送器的发送信号的频谱，其频率相互紧靠；
图3示出不同的参考对象的N个发送器的载波频率，其频率相互紧靠；
图4示出用于在基站中的信号产生的和在移动站的负责基站的部分中的信号处理的可能的实现方案的流程图。
具体实施方式
图1示出用于具有周期性的模式的两个合适的发送信号的示例。信号1是经相位调制的，信号2是经幅度调制的。在图1中，x轴表示单位为[s]的时间，并且y轴表示幅度。
图2示出两个基站的发送信号的频谱的幅度变化过程，其频率相互紧靠。在图2中，x轴表示单位为[Hz]的频率，并且y轴表示幅度。
在图3中示出N个发送器的载波频率，所述载波频率满足公式1。Δf在此是所使用的信号的傅立叶频谱中的最大值之间的频率间隔，f0表示这些基站中的一个基站的频率。在图3中，x轴表示单位为[Hz]的频率，并且y轴表示幅度。
图4示出流程图，该流程图描述在基站中信号产生的可能的实现方案，以及在移动站的负责基站的部分中的接收器和信号处理的可能的实现方案。周期性的符号序列借助二进制相移键控来转变到周期性的模式中。周期性的模式被调制到所期望的频率f1的载波信号并且被发送。移动站接收信号并且执行带通滤波，所述带通滤波抑制噪声和在远离的频率上的信号。该信号被解调制和采样。梳状滤波器被用于将该信号与在紧邻的频率上进行发送的其他参考对象的信号分离。接着，确定信号的到达时间和相位。
示例：
下面对于一个示例说明参数，借助所述参数可以执行根据本发明的方法，而这不应解释为限制性的。
具有基站的在时间上同步的16个参考对象被置于所规定的位置上。所有基站发送具有相同的周期性的模式的信号。各两个基站以时间偏移的方式在相同频率上进行发送，从而总共在八个不同频率上发送。这些频率中的前四个和后四个分别相互紧邻。前四个频率的群组与后四个频率的群组远远地分开。作为频率范围考虑在2GHz和5.8GHz的ISM频带。因此，例如第一群组的频率可以位于2GHz频带内，而第二群组的频率可以位于5.8GHz频带内。
移动站接收基站的信号并且借助带通滤波器将在远远地相互分开的频率上的信号分离。在紧邻的频率上被发送的信号可以借助梳状滤波器来分离。在相同频率上被发送的信号具有时间偏移并且不相互影响。
移动站以时间偏移的方式使用子采样，以便以高的速率采样基站的信号并且确定信号的到达时间。可以借助根据现有技术、例如由GPS方法已知的方法来由到达时间确定移动站的位置。附加地，到达的信号的相位可以用于提高位置确定的准确性。
表格1
。
表格2
表格3

Claims (15)

1.一种用于至少一个测量对象的位置确定的方法，所述测量对象包括具有接收器的移动站，并且其中，使用至少四个参考对象，所述至少四个参考对象包括基站和发送器，其中，至少一个参考对象能够具有移动站，所述移动站具有接收器，并且因此参考对象和测量对象是同步的，其中，所述基站和所述移动站能够在结构上合并，并且其中，所述参考对象首先具有已知的位置，所述已知的位置能够改变，其中，所述基站的所述发送器发送信号并且所述移动站接收信号，其特征在于，
所述基站的至少两个发送器在相互限定的时间间隔内发送不同频率的周期性的信号，其中，所述频率是紧邻的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，紧邻的频率比所使用的信号的带宽更少地相互分开。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基站的所述发送器的相互紧靠的频率的行为符合公式1
（公式1），
其中，在公式1中，
fn是任意的基站的发送器的频率，
fm是任意的其他基站的发送器的频率，并且
Δf是所使用的信号的傅立叶频谱中的最大值之间的频率间隔。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如此选择周期持续时间，使得所述频率间隔Δf对于所述基站的以下发送器是相同的：所述发送器的频率相互紧靠。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述基站的所述发送器的发送信号以限定的时间节拍来脉动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，连续地或不连续地改变所述周期性的信号的所述相位和/或所述幅度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述基站的至少两个发送器发送以下信号：所述信号的频率远远地相互分开。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，远远地相互分开的频率被发送，所述频率具有以下频率差：所述频率差比所述所使用的信号的所述带宽更大。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述基站的至少两个发送器发送时间偏移的信号。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，将所述基站的所述发送器的到达信号的相位用于对所述位置确定的细化。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，进行所接收的所述信号的、时间偏移的子采样。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考对象中的至少一部分，但至少三个、优选所有参考对象除了装备有具有发送器的基站之外附加地也装备有具有接收器的移动站，其中，所述基站和所述移动站可以在结构上合并，所述基站和所述移动站允许具有移动站的所述参考对象接收来自其他参考对象的所述信号。
13.一种用于借助参考对象来对具有移动站和接收器的对象进行位置确定的设备，所述设备包含基站和发送器，所述参考对象的位置首先是已知的并且能够改变，并且，所述设备包含至少一个测量对象，所述至少一个测量对象包含移动站和接收器，所述至少一个测量对象附加地能够包括具有发送器的基站并且因此也能够属于所述参考对象，所述至少一个测量对象的位置应被确定，其中，所述基站和所述移动站在结构上合并在一个装置中，
其特征在于，
所述设备具有至少四个参考对象，所述至少四个参考对象分别装备有基站，所述基站具有用于所述基站的在时间上的同步的装置和发送器，其中，至少两个基站具有发送器，所述发送器具有用于发送具有周期性的模式的信号的装置，所述信号在紧邻的频率上被发送。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，至少一个基站具有用于发射信号到远远地相互分开的频率的其他基站的装置。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的设备，其特征在于，所述移动站具有用于分离相互紧靠的频率的装置和/或用于分离远远地相互分开的频率的装置。
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