CN112470023B - 通过使用基于波的信号定位至少一个对象的测位方法以及测位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于通过使用基于波的信号定位至少一个对象的测位方法，其中从待定位的对象发出波场并且由数量为N的接收器接收从所述对象发出的波场；在每个接收器中形成至少一个测量信号，所述至少一个测量信号与所述波场的空间上和时间上的分布相关，并且所述至少一个测量信号的相位变化过程通过从所述对象至相应的接收器的信号延迟时间表征性地影响；其中对于至少两个测量信号中的每个测量信号提取相位值作为测量到的相位值以用于位置测位，并且其中通过将所述测量到的相位值的至少一个线性组合与通过一个或多个发送器‑接收器间距得出的所属的假设的相位值的至少一个线性组合比较以及在使用递归滤波器/估测器的情况下，在时刻k确定待测位对象的当前位置(P(k))。
Description
技术领域
本发明涉及用于通过使用基于波的信号定位至少一个对象的测位方法，其中从待定位的对象发出波场并且由数量为N的接收器接收从对象发出的波场。波场不仅可以由对象自身发射，而且可以通过外部源辐射并且反射其波。
背景技术
用于基于波的测位的常用方法基于来自延迟时间测量(例如多点定位)、延迟时间差测量(TDOA–Time Difference of Arrival Verfahren(到达时间差方法))、角度测量(例如多点测角)的间距信息、来自相位信息或由多个技术的组合的间距信息。关于多样地用于定位的所述熟知的方法的概览例如在Vossiek,M.,Wiebking,L.,Gulden,P.,Wieghardt J.和Hoffmann C.的“Wireless Local Positioning–Concepts,Solutions,Applications”中找到以及用于所述方法的组合的示例在Dobrev Y.和Shmakov D.的“ABilateral 24GHzWireless Positioning System for 3D Real-Time Localization of People andMobile Robots”中找到。
在已知方法中，分别由各个测量仪器(站)计算相关信息(例如相对于另一站的间距和/或角度)并且从中进行位置计算。在此以多点定位为例，其中借助于延迟时间确定(例如借助于FMCW雷达，如在Brooker G.M.的“Understanding Millimetre Wave FMCW Radar”介绍的那样)测量间距。通过形成用于至少两个(2D位置)或三个(3D位置)空间上分离的、其位置已知的站的圆弧段的交点，现在可以对对象、应答器等进行测位。
在下文中，基于波的测量仪器称作雷达。可以利用所有波形(例如电磁、光学或声学地)执行所示出的方法在学术界中普遍已知。用于接收信号的设备在下文中称作天线。然而，如在学术界中普遍已知的那样，基于波的测量仪器可以设有任意能够实现接收波的设备(例如在电磁波的情况下为天线；在光波的情况下为光电探测器或光电混频器，在声波的情况下为声变换器或麦克风)。
然而，至今由现有技术已知的方法具有一些缺点。在这里示例性挑出多点测角方法的缺点：
·可测量的角度范围受限于装置的单义性范围
·多路传播会引起在天线处测量多路的相位并从而错误地估测角度，这使位置明确错误
·如果雷达的角度测量明显错误(例如因为其在冗余系统中强烈与另外的雷达的结果偏差)并且所述雷达的测量结果因此不用于位置确定，则所述雷达的相位值不再对测位有帮助。这就是说，相位值不单独予以评价，并因此即使雷达的相位值的仅仅一小部分对于所述错误角度估测有负责，也共同地取消雷达的所有相位值。
·因为必须扫描测量空间并且必须针对每个点计算假设和测量，所以产生高的计算耗费
·因为天线必须(典型地在小于一个波长直至数个波长的范围中)具有小的间距，所以发生天线之间的串扰，这导致干扰。
发明内容
因此，寻找对于测位方法改进的解决方案，使得要克服先前列举的缺点中的至少一部分。
所述目的通过根据实施例的特征的方法解决。有利的设计方案是实施例的主题。
根据本发明现在提出一种测位方法，所述测位方法直接从对象的至少一个先前位置和至少两个通过至少一个接收器测量到的相位值中确定或估测对象的当前位置，即递归地基于过去的对象位置进行位置确定。为此的基本前提是，待测位对象产生对应的波场，所述波场朝向至少一个接收器传播。然后，这种接收器可以借助于至少一个接收天线检测波场的测量信号，从所述测量信号的信号相位变化过程中可以提取至少一个信号相位值。根据要求的相位值应一方面理解为测量信号的通过至少一个接收器测量到的信号相位，然而另一方面相位值也可以理解为从多个信号相位中推导出的至少一个变量。这种推导出的变量例如可以是由至少两个信号相位值构成的差或和。
对于至少两个用于测位的测量到的相位值决定性的是，对于两个值能够产生信号相位与在发送器/对象和接收器之间的信号延迟时间或信号延迟时间差之间的明确关系。相反，信号相位与信号延迟时间的相关性意味着，信号相位也同样与对象和接收器之间的间距相关。借此能够从假设的发送器/对象-接收器间距中确定假设的相位值。基于所述数学关系，可以通过将测量到的相位值与假设的相位值的比较来确定对象与接收器之间的当前间距并且因此确定对象相对于接收器的当前位置，其中在此按照递归方法将对象的至少一个先前位置用作起点并且通过调整所述位置使测量到的相位值与假设的相位值之间的误差尽可能最小化。
对于多维位置确定，至少两个测量到的相位值与相对应数量的假设的相位值的比较是目的导向的。如上文已经表明的那样，不必将相位值直接彼此比较，而是替代地也可以将测量到的相位值之间的和或差与假设的相位值的相对应的和或差进行比较。所述选项能够通过使用相对应的线性组合描绘，即将可用的测量到的相位值的线性组合与假设的相位值的线性组合进行比较。通过合适地选择线性组合的前因子，能够与任意加权的相位值的对应的和和/或差而且相位值直接彼此比较。
在此情况下，也可以递归地一起估测待测位对象的发送相位。因此，如果待测位对象的发送相位仅缓慢变化(或存在已知的关系)，则可以借助于间距与相位之间的关系获得关于待测位对象的位置的信息。
在本发明的范围内，线性组合也应理解为如下情况：一个或多个或所有前因子假定为零值。
决定性的仅仅是，对于位置估测提供至少两个测量信号，所述至少两个测量信号具有彼此稳定的相位关系。通常为此通过至少两个空间上彼此分离的接收器或天线检测对于波场的至少两个测量信号和由此两个相位值。在此情况下例如可以涉及具有至少两个天线的天线装置的雷达站。然而同样可以涉及两个完全独立的接收器。理想地提供NR个接收器站，所述接收器站分别具有直至N个天线。在此，每个接收器站处的天线的数量可以是不同的和任意的。在这种情况下，在每个接收器中提供有直至N个相位值，所述相位值彼此形成稳定的相位关系。因此，总共提供NR组的直至N个相位值。在相干的发送器中，附加地也存在在站之间的稳定的相位关系。通过形成可用的相位值之间的合适的线性组合可以通过与假设的相位值的相对应的线性组合的比较进行精确的位置估测。
然而，相位值不必一定来自于空间上分离的接收器。可考虑，至少两个相位值通过从在不同时刻的测量信号中的提取得出。对于这种情况，也可考虑利用一个接收器的位置估测。至少两个测量到的相位值也可以从具有不同频率的测量信号中得出，即因此从对象发出具有不同频率的波场，这在接收器侧对于具有不同频率的测量信号构造至少两个相位值的测量。此外可以使用所述方法的组合。
波场从对象朝向至少一个接收器的传播可以通过如下方式引起：待测位对象在待探测的位置P处散射或反射在别处所放射的波。替选地，待测位对象直接在位置P处可以具有无线电设备或发送设备，无线电设备或发送设备放射对应的发送信号。同样可行的是，对象从自己出发以波的形式发出例如热辐射或无线电发射。
如果从对象发出具有不同频率的波场，则这通过在反射时的对象的对应非线性或对象的集成的无线电设备或发送设备的非线性特性产生。
例如，至少一个发送器发出具有频率f0的波场。于是，待定位的对象产生波场作为响应，所述波场由于对象的非线性包括频率f0的倍频(Vielfache)。然后，不同频率的相位值通过一个或多个接收器测量并且经受上述评估方法。
由发送器初始发出的波场具有至少一个频率、优选地至少两个频率(f1；f2；f3；....；fn)。因待定位的对象的非线性产生倍频(n1*f1；n2*f2；n3*f3；....；nn*fn)和互调产物(n1*f1+n2*f2+...+nn*fn；...)，其相位值通过至少一个接收器被测量。同样可设想，由发送器发出的波场包括至少一个频率、优选地至少两个频率(f1；f2；f3；....；fm)，然而待定位的对象自身产生一个频率/多个频率(fm+1，...，fn)并且由于其非线性产生倍频和互调产物，其相位值被测量。
通过使用线性组合和巧妙地选择在那里所使用的前因子可以缩短用于发送相位的可能的信息。由此，如果从至少两个空间上分离的信号中能够推导出相位，则对于所设想的根据本发明的方法而言不必存在关于接收信号相对于发送信号的相干性的信息。
用于接收信号的设备在下文中描述为天线。然而，基于波的测量仪器可以根据所使用的波类型设有合适的设备，所述设备能够实现波的接收(例如在电磁波的情况下为天线；在光波的情况下为光电探测器或光电混频器，在声波的情况下为声变换器或麦克风)。
如果基于对于相位值的理想的测量值，则测量到的相位值与在假定精确对象位置的情况下假设的相位值之间的比较必须得到百分数形式的一致性，即在所基于的对象位置精确的的情况下测量到的相位与假设的相位之间的差对于计算假设的相位必须得出零。然而，因为测量值受噪声信号叠加，所以在此可能出现测量值的偏差。为了处理所述问题，在本发明的优选的实施方案中提出，将合适的罚函数用于线性组合的比较，以便尤其对于线性组合的每个单独比较使得出的偏差构成的和最小化。这通过递归估测器/滤波器进行。在此，根据递归方法从待探测对象的最后已知的点出发并且通过递归统计学的或滤波方法并且借助于比较的相位值确定当前位置。
可设想的是，用于对象的一个或多个运动模型和/或传感器值尤其惯性传感器机构的传感器值和/或用于对象的多普勒评估能够包含到递归估测器/滤波器中。
例如可以将二次函数(最小二乘)用作用于递归位置估测的合适的罚函数。用于最小二乘最小化的已知系统是所谓的扩展卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器例如基于最后已知的状态、即对象的上一次已知的位置。根据上一次已知的状态预估测新状态，所述新状态在使用数学关系的情况下与测量到的相位值或由其构成的线性组合进行比较并且优化。在此也可设想的是：考虑对象的可能的速度分量以及相对应的协方差，以便优化预估测。
根据优选的设计方案，可以针对假设的和/或测量到的相位值的每个线性组合计算所谓的卡尔曼增益，卡尔曼增益是预估测和测量分别多强被置信的量度。然后，在下一步骤中，将预估测的测量值和状态值进行比较，其中为此，预估测的位置例如换算成相对应的假设的相位值并且类似于测量向量例如形成对于每接收器即每个天线组合的所有可行线性组合的差。接着，位置的所进行的预估测和可选地协方差矩阵借助于测量到的相位值并且必要时在考虑卡尔曼增益的情况下修正，以便基于此获得对象的新位置。
为了能够对称地在所有方向上实现修正，相对应的相位借助于取模运算映射到特定的值空间上。
对于第一测量点、即在没有预先已知的位置值的情况下，例如可以假定初始起始值。同样可考虑，基于另一测位方法选择初始起始值或同时从多个起始点开始并且然后选择最好的解决方案。
对为递归位置估测使用扩展卡尔曼滤波器替选地，同样可以使用伪线性滤波器。也存在根据基于梯度的搜索或也暴力搜索执行递归位置估测的可行性。
同样可考虑，通过如下方式针对待估测的位置迭代地执行该方法：多次依次针对单个测量点执行所述方法，以便不断地逼近位置的最好估测。
根据本发明的方法尤其可以用于所有基于波的传感器，其中发送器与接收器之间的间距与相位之间存在关系。在此不重要的是，是涉及相干的信号(例如通过在二次雷达的情况下的纯反射)还是也涉及不相干的信号(例如初级雷达，根据LPR原理或无线电浮标)。
根据本发明的方法尤其在天线装置(天线的布置，其彼此可以具有稳定的相位关系并且其相位因此可以彼此评估)的近场中使用。在此，近场在此定义为在天线装置附近的区域，在所述区域中，从对象发射的球波并不经由天线装置的整个几何传播而可以近似为平面波。近场在文献中通常描述为菲涅尔区域，在菲涅尔区域中，适用菲涅尔近似，然而不适用夫琅禾费近似(Fraunhofer-)。远场通常描述为夫琅禾费区域。在此适用夫琅禾费近似。
所述方法优选地也能够用于对进行发射的对象进行测位，所述对象的信号相对于接收器单元中的比较信号没有确定性的频率和相位关系，即发送载波信号通常与接收器载波信号不相干，因此接收到的信号相位由于所述不相干性首先不允许推断出发送器与接收器之间的距离。
但是，如果优选地假定，仅存在恒定的相位偏移和/或频率偏移、即线性变化的相位偏移和/或发送载波信号与接收器载波信号之间的另外的决定性的时间相关的相位关系，则可以有利地借助于根据本发明的方法的扩展方案同样一起估测所述确定性并从而改进测位。对于其发送和接收信号不相干但发送器与接收器之间的相位差Φs对于在不同时刻的测量而言相关的系统，有利的是，一起估测所述相位差。如果使用多个彼此不相干的无线电接收器，则对于每个站产生自身未知的相位项
除了根据本发明的方法之外，本发明还涉及一种用于对至少一个对象进行位置测位的测位系统，其由至少一个接收器构成，其中接收器具有用于执行根据本发明的方法的机构。明显地，因此测位系统的特征在于如已经在上文中按照根据本发明的方法所示出的那样相同的优点和特性。因此不需要重复描述。
在这里，应指出的是，术语“一”和“一个”并不一定指代所述元件中的恰好一个元件，尽管这表示可行的实施方案，而是也能够表示多个元件。同样地，复数的使用也包括所涉及的元件以单数形式存在，并且反之亦然，单数也包括所涉及的元件中的多个元件。
优选地，一个或多个基于波的信号的波长小于空间内的两个点的最大距离，在所述空间中要定位待测位对象。还有利的是，在其中要定位待测位对象的空间内的两个点的最大距离大于通过由递归的滤波器/估测器评估的线性组合得出的最大单义性范围。
附图说明
所述方法的其他优点和特性要根据各个实施例详细阐述。附图示出：
图1示出具有在位置P(k)处的可运动的对象1和N个接收器或测量点的测量情况，
图2示出方框图，所述方框图用于阐明根据本发明的用于根据相位值的比较来递归地确定对象的位置的方法过程，
图3示出用于接收器的不同频率的测量信号的示图，
图4示出用于借助于卡尔曼滤波器进行递归位置估测的框图。
具体实施方式
在下文中，首先要介绍一些尤其对于经典的多点测角相关的位置识别的基本原理。所述基本原理部分地也形成用于描述根据本发明的构思的基础。
在图1中示出用于测量数据的可能的记录情况。要在时刻k检测可运动的对象1的位置P(k)。为此使用N个传感器或测量点。
数据记录进行为，在时刻k从点P(k)朝向天线An发射信号。信号的发射可以通过如下方式引起：在位置P(k)处的对象散射或反射在别处放射的波(例如，所述波可能原始地由天线An中的一个天线放射)，或者通过如下方式引起：在位置P(k)处存在无线电发送设备，或者通过如下方式引起：对象本身——例如热辐射或无线电发射——放射波。
在具有n＝1、2、...、N的N个测量位置An＝(xn，yn，zn)处接收所发射的信号。对象的待确定的位置是P(k)＝(px(k)，py(k)，pz(k))。
为了更紧凑地表示，假设以下简化：
-对象停留在如下空间区域内，所述空间区域选择成，使得可以从所有位置An检测对象的信号。
-天线的性能是均匀的且方向无关的，或者已经进行校准，以便能够借助于适当的方法补偿不均匀的且方向相关的性能。
-首先假设将传输信道简化为理想的AWGN信道，即得出接收信号作为由对象发出的信号的幅值加权的和时间延迟的版本。与信道叠加的干扰n(t)应被建模为附加的高斯白噪声。
所提及的简化对于本发明方法的功能不是决定性的，而是用于图示的概览。在所述假设下，天线n处接收到的信号可以表示为：
en(t)＝αn·s(t-τn)+n(t)，
其中：
αn为表征An距P(k)的测量路径的阻尼常数
τn为表征P(k)距天线位置An的直接路径的信号延迟时间(即最短路径的信号延迟时间，也称为视线-LOS)
s(t-τn)为由对象发出的并且因对象与接收器之间的路径而延迟了τn的信号
如果将方程转换到频域中，则得出：
根据如下计算从点P(k)到天线位置An的延迟时间：
其中
其中c为波的传播速度。
接收到的信号的相位由项组成，所述项/>与对象和天线n之间的间距和通过由对象发出的信号S(ω)引起的分量相关。如果通过如下表示信号：
其中αs为幅值，并且ΦS为由对象发出的信号的相位，则天线n处的接收相位得到为：
其中将相位/>映射到[-π，π]上，即
在此，例如当雷达发送并且对象仅反射或对象发送相干响应时，ΦS可以是已知的。但是，例如当涉及具有自身的局部振荡器的有源应答器(其相位未知)时，或者当同步发送的信标用作发送器时，所述相位项也可以是未知的。
根据本发明，现在提出一种方法，如在图2中可见，借助于所述方法可以直接从最后位置和测量的相位值估测当前位置P(k)，而无需预先计算/估测入射角、例如在多点测角情况下预先计算/估测入射角。
现在首先根据具有N个天线的无线电接收器来阐述该方法，但是可以容易地将其扩展到具有多个雷达的系统上，其中每个无线电接收器可以具有任意数量的天线。如先前一样，现在对象发送信号，所述信号借助于N个天线被接收，使得在雷达测量系统中现在存在N个彼此相干的接收信号。如果接收信号保持彼此间的稳定的相位关系，则在此认为所述接收信号彼此相干。在使用NR个雷达时，相对应地存在NR组的彼此相干的响应，在相干响应的对象的情况下，所有雷达的所有接收信号彼此相干。
如现有技术中已经提及的那样，电磁波的相位与延迟时间/>相关，并从而与对象距天线的距离(τn～rn)和因由对象发出的信号(例如发送信号或对象处的反射)引起的相位贡献Φs相关。但是在此，相位仅在波长内是单义的。为了应对多义性(Vieldeutigkeit)的问题，结合对象的最后位置(px(k-1)，py(k-1)，pz(k-1))或最后位置或新位置的预估测。
现在为了估测新位置(px(k)，py(k)，pz(k))，在NR个无线电接收器处分别记录一组的N个相位值由此，现在可以将相位的任意线性组合与从发送器-接收器间距中得出的假设的相位进行比较。为此，由测量的相位值形成如下NL个线性组合，
并将其与所属的假设的相位的线性组合进行比较，所述假设的相位通过发送器-接收器间距和发送的对象的相位项Φs确定为：
在此，对应于第n1个线性组合中的第n个相位值的任意可选择的前因子。因此，所述/>可以采用包括零的任意值。容易可见的是，用于相位的线性组合的前因子和用于假设的相位的线性组合的前因子必须相同。取模运算mod′2π可以实现与测量的相位值进行比较，因为所述测量的相位值是多义的。该运算可以通过如下任何运算来替代，所述运算将测量的相位值和所属的假设的相位值映射到相同的数字范围上，使得测量的值和假设的值可以进行比较。替代将相位值彼此进行比较，当然也可以将所属的间距、时间延迟等彼此进行比较。
广义来说，现在可以将无误差测量的相位与用于线性组合nl的假设的位置之间的关系说明为：
在此，左侧部分包含所测量的相位值构成的线性组合，其中右侧部分表示相位的通过发送器-接收器间距得出的所属的假设的线性组合。在此也结合发送相位Φs，视发出波长的对象的何种类型(例如应答器、无源反射等)而定所述发送相位可能是未知的。
如果相位值的测量无误差，则现在可以找到方程(1)的两侧的差得出零的点。因为相位/>的测量通常受噪声干扰，所以必须借助于适当的罚函数Pe(·)评估所选的线性组合，参见Boyd S.和Vandenberghe L.的“Convex Optimization”(第294-300页)。现在为了估测位置(px(k)，py(k)，pz(k))，将所述位置选择成，使得用于所有线性组合的罚函数的和最小化：
在优化函数中，在减去线性组合之前，取模运算mod′2π(·)用于使待测位对象能够在围绕最后位置(px(k-1)，py(k-1)，pz(k-1))的所有方向上均匀地移动。在此，未知的相位项Φs也必须一起估测或者通过巧妙地选择前因子来缩短。在此，会有用的是，一起估测未知的相位项Φs。例如，Φs可以通过待测位对象的发送相位产生。如果所述发送相位仅缓慢地改变或存在其他已知的关系，则所述关系可以用于提升测位精度。在此，待最小化的函数可以从任意多的线性组合的惩罚的和中产生。对本领域技术人员已知的是，可以任意地改变最小化函数，以便可以实现高效的评估。因此，可以根据因子/>在不同的部位处进行取模运算。此外，和的评估是线性的，并且从而可以以任意顺序执行。
对本领域技术人员普遍已知的是，相位值的和和差也可以借助于复数的乘法或除法形成。尤其地会有利的是，通过如下方式计算相位值的和和差：将接收到的信号en(t)彼此相乘或进行复共轭相乘，或者根据en(t)＝|en(t)|*exp(j·arg{en(t)})将接收到的信号分解为数值分量和相位分量，并且仅将复数信号的相位分量、即exp(j·arg{en(t)})彼此相乘或进行复共轭相乘或相除。在上述运算之后，可以针对每个时刻t确定相位值或相位值的和和/或差。为了确定波源的当前位置P(k)，现在在从先前的测量中确定的位置的周围环境中、优选地在最后位置的周围环境中以如下方式进行当前位置的搜索，使得找到根据关系(2)惩罚最小的点。因为测量叠加有干扰变量，所以可以借助于例如最小二乘搜索、梯度方法、暴力(Brute Force)方法等使罚函数的和最小化。
在此提出的方法的特征尤其在于，其可以简单地以任意其他标准来扩展，例如其方式是：方程(2)以结合所述标准的罚函数扩展。因此，具有运动模型的组合、具有其他传感器的融合或多普勒评估等可以结合到罚函数中。替选地，跟随位置估测的滤波也是可行的。此外，也可以在多个频率的情况下评估罚函数。
在此，如已经提及的那样，可以首先任意选择用于相应的线性组合的系数，然而在这里针对出现的两种情况(对象相对于接收器不相干地发送或相干地发送)介绍适当的选择。
相位项Φs对于相干系统是已知的，并从而可以将(1)中的关系建立成，使得仅前因子采用不等于零的值，即完全省略和。
其中
由此得出具有误差函数的恰好N个不相关的线性组合：
合适的应用情况例如是如下系统：在所述系统中，通过如下方式实现相干性：对象反射信号或无延迟地发送相干信号。在所述所谓的“往返行程飞行时间(Round-Trip Timeof Flight)”测量中，信号经过从发送器到对象以及随后到接收器的路程，由此从发送天线到对象的延迟时间中得出相位项Φs。在此，发送天线不必是独立的(双基)，而是也可以对应于接收天线(单基)。
对于其中发送信号和接收信号不相干的系统，有意义的是对于两个相干的接收信道分别形成差，使得缩短未知的相位项Φs。这通过如下方式实现：形成线性组合，使得为每个线性组合选择两个不等于零的前因子
其中
然后得出误差函数为：
通过所述巧妙的和形成节省了未知相位的明确的计算/估测，并从而节省了计算能力。替选地可行的是，一起估测用于每个测量点的相位项Φs。也可以对于相干系统评估天线对的相位差，以便例如提升关于相位的单义性范围。
对于本领域技术人员可容易理解，除了所述两个建议方案之外，在和形式中所有可能的如下组合都是可行的，在所述组合中可以形成至少两个罚函数(2D位置估测)或三个罚函数(3D位置估测)，使得完全确定所得的方程组。
根据本发明的方法的优点：
·相位上的噪声可以假设为高斯分布，因此有效滤波器(例如卡尔曼滤波器)的典型的度量(例如最小二乘)对应于最佳估测器
·相位对间距的变化非常敏感地反应，因此可以实现高精度
·通过调整天线间距(在测量速率保持不变的情况下)，敏感度和唯一性范围可以与测量场景相协调
·因为系统不期望平面波，所以该系统可以在天线装置的近场中工作
·不仅可以针对对象的相干信号进行评估，而且可以针对对象的不相干信号进行评估
·从相位中直接进行位置估测，没有经由波束成形器的计算的计算耗费的弯路
·可单独地加权相位值，以便考虑错误测量或单个信道上的较差的SNR
·如果系统在天线装置的近场中工作并由此不期望平面波，则相对于多路径传播的稳健性强烈提升，因为所述多路径传播引起随机错误测量，而不是结构错误测量
在此根据雷达站处的多个接收信道(天线)演示了上述方法。对于本领域技术人员可容易理解，也可行的是，在不同的雷达站处和/或不同的时刻使用一个或多个接收信道。在此，与所介绍的方法类似，相位间距关系由于距相应的接收位置的不同的延迟时间得出。
如果针对不同的时刻可以建立相位关系、例如如果由对象连续发出波场，则附加地可以使用两个时刻之间的相位差。然后可以从接收相位的所述变化中推导出例如多普勒移位和从而推导出速度。
利用在不同的接收器处测量到的相位介绍在此介绍的发明。等效地，可以在相同接收器的不同频率或任意频率/接收器组合的测量的相位上实现完全相同的原理。
为了说明这，再次使用在角频率ωm＝2πfm时的天线n处的接收相位的公式：
可看出，在间距保持不变和从而延迟τn保持不变的情况下，所测量的相位根据角频率ωm＝2πfm改变。这在图3中示出。因此，在方程(2)中也可以使用在不同频率情况下测量到的相位。此外，也可以在不同的天线处使用不同频率的相位。
不同频率处的相位的测量可以应用于大量已经存在的系统。为此包括所有多载波方法，例如正交频分复用(OFDM)、离散多音(DMT)、多连续波(Multi-CW)和频移键控(FSK)或最小频移键控(MSK)系统，其中在不同频率的情况下发送各个CW信号。在此在现有的基础设施诸如通信系统中，已经可以使用信道估测的信息以用于测位。因此，例如在大规模MIMO系统中，可以使用已经进行的信道估测的不同频率的和不同天线处的相位，以便对移动无线电设备进行测位。也可以相互评估在不同频率上的多个通信过程的相位(例如2.4GHz频带和5GHz频带中的WLAN)。此外，可以使用滤波器组的输出信号的相位以用于测位。
另一应用可行性是所谓的“谐波雷达(Harmonic Radar)”系统。在此，发送器在一个频率或多个频率的情况下发射信号。所述信号由待定位的对象反射或由应答器接收作为具有非线性性能的待定位的对象。因所述非线性发生混频过程或倍频过程，通过所述混频过程或倍频过程产生不同于发送频率的其他频率的情况下的信号分量：
-例如如果基于发出频率(f0)的发送器，则通过非线性的特征曲线在发送频率的倍频(n*f0)的情况下产生信号分量。
-相反，如果基于发送多个频率(f1、f2、f3...fn)的发送器，则产生所述频率的倍频(n1*f1；n2*f2；n3*f3；....；nn*fn)以及互调产物(n1*f1+n2*f2+...+nn*fn，其中n1、...、nn是整数(-∞、...-1、0、1、...、∞)，并且不必相同)。在此，混合系统也是可行的，在所述系统中，发送频率(f1、f2、f3...fm)，并且在对象本身的应答器处产生(fm+1、...、fn)，从中对应地产生混频产物和互调产物。
现在，由待定位的对象或其应答器发出具有在生成的频率情况下的信号分量的波场。所述波场由接收器测量，并且在所述频率下确定相位值。
在所述不同频率情况下的相位再次彼此间具有固定的间距相关的相位关系，并且在相干情况下也相对于发送器具有固定的间距相关的相位关系。因此，根据本发明的方法可以用于评估相位。也可行的是，在不同的天线处和/或时刻使用不同频率的相位。
现在，在下文中，要示出如下情况，根据所述情况开发、测试和验证所述方法。测量构造由U个(具有u＝{1、2、...、U}FMCW二次雷达构成，所述FMCW二次雷达分别具有N个(其中n＝{1、2、...、N}个天线和对雷达设备的信号进行不相干响应的应答器。一个站的N个接收到的信号借助于局部振荡器进行解调、即彼此相干，通过线缆等得出的所有不期望的相位偏移已经通过校准确定和计算。因此如下适用于FMCW雷达的接收信道中的基带信号：
sRXu，n＝ARX，u，n·cos(2πμτLOS，u，nt+2πf0τLOS，u，n+φ)。
其中：
ARx，p，n：基带信号的幅值(由第u个雷达中的第n个天线接收)
μ：扫描速率(在FMCW雷达的情况下，如本领域技术人员已知的那样，定义为扫描带宽/扫描持续时间)
τLOS，u，n：用于在第u个雷达中从应答器到第n个天线的直接路径的延迟时间(视线)
f0：雷达的载波频率(在此24GHz)
φ：未知的相位项(例如，通过应答器中的未知振荡器相位、应答器中的延迟时间等引起)，其对于雷达的所有信道相同
因此，对于雷达u中的天线n处的相位适用：
由于在所述情况下相位项φ是未知的，因此用于比较的对通过如下方式形成：相互减去用于各两个天线(脚标n，m∈{1，..，N}，其中n≠m)的相位值：
现在优选地形成每个可能的组合，由此，如果每个雷达具有N个接收天线，则所述每个雷达根据高斯总式得出(N·(N-1)/2)数量的相位差将所述相位差对于所有U个雷达一起组合成测量矢量：
现在将根据图4的扩展卡尔曼滤波器用于新位置的计算。扩展卡尔曼滤波器的一般描述在Reid I.和Term H的“Lecture Notes Estimation II”中的第1-7页中找到，其在这一点予以明确参考。由位置(px(k-1)，py(k-1)，pz(k-1))和速度分量(vx(k-1)，vy(k-1)，vz(k-1))及其协方差(P(k-1))构成的最后状态(x(k-1))是足够精确已知。
现在，在扩展卡尔曼滤波器中执行以下步骤：
首先，根据最后状态和简单的运动方程来计算用于新状态和协方差的预估测。这也称为“预测”：
其中
P′(k)＝F·P(k-1)·FT+Q。
其中：
ΔT：两个测量点的时间间距
Q：用于计算预估测的协方差矩阵
x′(k)：用于状态的预估测的状态矢量
x(k-1)：用于最后状态的状态矢量
F：运动方程的矩阵形式
P(k-1)：最后状态的协方差矩阵
P′(k)：新协方差矩阵的预估测。
现在，所谓的雅可比矩阵(H(k))通过根据状态矢量的条目推导出用于相位差的关系形成：
其中
因此对于雅可比矩阵的一行的条目得出：
对于每个相位差，得出雅可比矩阵的一行。由此，用于所有U个雷达的H(k)共同为：
随后计算所谓的卡尔曼增益K，其是对预估测和测量分别多强地被置信的度量：
K(k)＝P′(k)H(k)T·(H(k)P′(k)H(k)T+R(k))-1，
其中：
R(k)：用于加载测量值的噪声的协方差矩阵
现在，在下一步骤中，将测量与预测步骤后的状态进行比较。预估测的位置借助于换算成相位值，并且类似于测量矢量形成用于每个站的所有(N·(N-1)/2)个可能的天线组合的差，并且针对所有三个雷达类似于测量的相位差组合在一个矢量中：/>
现在借助于测量值并且与卡尔曼增益相关地修正状态和协方差矩阵的预估测(“更新”)，并且获得新位置x(k)：
x(k)＝x′(k)+K(k)mod′2π(z(k)-h(x′(k)))，
P(k)＝(I-K(k)H(k))·P′(k)
其中：
z(k)：测量矢量
h(x′(k))：具有针对预估测位置所计算的相位值的矢量
mod′2π：在所述情况下，取模运算将相位映射到空间[-π，π]上，以便能够在所有方向上对称地实现修正，即
现在不断重复所述过程，其中最后遍历的结果(x(k)，P(k))再次形成用于计算接下来的点的起始点。
对于周知不存在任何过程的第一测量点，必须假设起始值。所述起始值例如可以任意选择。如果假设的起始值不引起滤波器的稳定的瞬态振荡，则可以以一个或多个其他起始值重复过程。另一可行性是在于，基于另一测位方法来确定起始值、例如借助于上述现有技术中的无线电测位方法来确定起始值。
对于本领域技术人员可容易理解，所述方法可以用于所有基于波的传感器，所述传感器中存在间距与相位之间的关系。在此，是涉及相干信号(例如在初级雷达的情况下通过纯反射)还是不相干信号(例如根据LPR原理的二次雷达或无线电浮标)不重要。
通过与其他传感器的数据的融合，可以扩展所述方法。因此，例如可以将机器人、汽车、自主车辆等的惯性传感机构或控制数据一起用于位置的预估测。
位置确定也可以通过如下方式迭代地进行：针对测量点多次相继地执行方法，以便不断逼近最佳估测位置。
可能出现的多义性(例如，在差/和以及传感器位置选择不当时)可以通过如下方式解决，将所述方法并行用于多个假设、例如用于以最高概率存在的位置、例如在多假设卡尔曼滤波器中。
与此类似地，也可以并行一起估测在各个天线处出现的多路径。如果以足够的间距选择天线，则在不同的天线处也存在不同的多路径。
所述方法也可以同时用于或扩展测位和跟踪多个目标。在此，由于和/差形成，所述目标也可以在带内解决。
随后用于所述方法的相位的确定例如可以通过时频变换(例如FFT或Goertzel滤波器)进行，但是也可以借助于先前确定的位置递归地进行。如果将频率范围用于相位确定，则可以借助于先前确定的位置递归地确定用于相位评估的采样点。
相位方向特征可以直接在相位与信号延迟时间比较时通过如下方式一起协作：在假设的位置的情况下计算关于天线的定向的角度并且从中计算相位偏移，所述相位偏移与从延迟时间中计算的相位相加。
根据所述方法的测位也可以同时用于校准对相位不期望的贡献(例如，通过硬件中未知的延迟时间引起)。
可以扩展方法，以便除了位置之外，也估测对象的当前速度、加速度等。
方法可以无问题地应用于调制信号，例如其方式是解调信号，并且随后确定载波的频率和相位。
应用领域：
·大规模MIMO
·机器人测位
·资产跟踪(RFID)
·车辆跟踪、飞机跟踪、船舶跟踪
·人员跟踪
·运输路径、生产车间的监控
·工具测位和工厂测位
·工业4.0
·车到车测位
·室内定位
·物联网
·医学应用
可能的基础设施：
·存在的基础架构、例如WLAN、移动无线电、通信系统
·雷达技术：CW、FMCW、UWB、OFDM、一般的相关接收器
·声学：超声波
·初级雷达(纯反射)
·二次雷达(应答器同步或异步响应)
·信标(绝对异步)
所述方法可用于进行发射的对象的测位，所述对象的信号相对于接收单元中的比较信号不存在确定性的频率关系和相位关系。
通常的通信系统使用零差式接收器架构或外差式接收器架构，其中发送器的信号在一个或多个阶段中与一个或多个接收器载波信号混合、即在频率上偏移。在此，为了测位的目标不利的是，发送载波信号通常与接收器载波信号不相干，并因此接收到的信号相位由于所述不相干性首先不允许推断出关于发送器与接收器之间的距离。
但是，如果假设在发送载波信号与接收器载波信号之间仅存在一个恒定的相位偏移和/或频率偏移、即线性变化的相位偏移和/或另一确定性的时间相关的相位关系，则根据本发明可行的是，借助于根据本发明的方法的扩展方案同样一起估测所述确定性并由此改进测位。
对于如下系统：其中发送信号和接收信号不相干，但是发送器与接收器之间的相位差Φs对于不同时刻的测量是相关的，有利的是一起估测所述相位差。如果使用多个彼此不相干的无线电接收器，则对于每个站产生自身未知的相位项所述相位项通常不同，并且具有随时间变化的彼此未知的关系。因为无线电接收器在时间k的相位项经由函数fΦ(·)与相位项/>相关，所以预期的相位项/>可以通过如下估测：
所述信息可以通过递归最小化用于不相干系统：
在此，在每个线性组合nl中减去相关的相位PeΦ对应于估测的相位和修正的相位/>的相位比较的误差函数。/>对应于任意加权因子。/>
Claims (23)
1.一种用于通过使用基于波的信号定位至少一个对象的测位方法，其中
从待定位的对象发出波场并且由数量为N的接收器接收从所述对象发出的波场，
在每个接收器中形成至少一个测量信号，所述至少一个测量信号与所述波场的空间上和时间上的分布相关，并且从所述对象至相应的接收器的信号延迟时间表征性地影响所述至少一个测量信号的相位变化过程，
其中对于至少两个测量信号中的每个测量信号提取相位值作为测量到的相位值以用于位置测位，
其中通过将所述测量到的相位值的至少一个线性组合与通过一个或多个发送器-接收器间距得出的所属的假设的相位值的至少一个线性组合比较以及在使用递归滤波器/估测器的情况下，在时刻k确定待测位对象的当前位置，
其特征在于，至少一个天线对的测量到的相位值的和和/或差与其所属的信号延迟时间差相比被评估，以用于对象的递归的位置估测。
2.根据权利要求1所述的方法，其中从所述对象发出的波场由一个或多个接收器接收，并且引起相干的测量信号，其中所述一个或多个接收器在不同的接收器位置处接收所述测量信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中不同频率的多个信号从所述对象发出，并且使用一个或多个接收器，所述一个或多个接收器针对不同频率测量所述相位值并且将其引入到所述测量到的相位值的线性组合中以用于所述位置测位。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中递归地一起评测进行发射的对象的未知发送相位。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在不同时刻由一个或多个接收器接收从所述对象发出的波场，其中至少一个接收器在不同时刻确定相位值并且将其引入到所述测量到的相位值的线性组合中以用于所述位置测位。
6.根据权利要求3所述的方法，其中从所述对象发出的不同频率的信号通过具有非线性特性的对象或应答器产生。
7.根据权利要求6所述的方法，其中至少一个发送器产生具有频率f0的进行发出的波场，待定位的对象发出波场，所述波场由于所述对象的非线性而包括所述频率f0的倍频，所述倍频的相位值通过所述一个或多个接收器测量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中由所述发送器发出的波场具有至少两个频率f1；f2；f3；....；fn，并且通过所述对象的非线性来产生倍频n1*f1；n2*f2；n3*f3；....；nn*fn和互调产物n1*f1+n2*f2+...+nn*fn；...，所述倍频和互调产物的相位值通过至少一个接收器测量。
9.根据权利要求7所述的方法，其中由所述发送器发出的波场具有至少两个频率f1；f2；f3；....；fm，所述对象自身产生所述频率fm+1，...，fn并且通过所述非线性来产生倍频和互调产物，所述倍频和互调产物的相位值被测量。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从所述对象发出的波场通过发送信号在所述对象处的反射产生，或所述对象通过波的独立发射产生所述波场或通过所述对象的内部信号源产生。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中由至少一个天线的相位值与其所属的信号延迟时间相比被评估，用于对象的递归的位置估测。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，形成的线性组合的比较借助于递归的估测器/滤波器来评估，以便最小化对于所有选择的线性组合的比较差的误差函数的和。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线性组合或所述递归的估测器/滤波器考虑运动模型和/或通过附加的传感器值和/或多普勒评估和/或基于磁场的位置确定和\或光学系统和\或超声用于位置确定。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述附加的传感器值是惯性传感器机构的传感器值。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其中扩展卡尔曼滤波器、伪线性滤波器或基于梯度的搜索或暴力搜索用作递归的估测器/滤波器。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量到的和假设的相位值的线性组合的误差通过合适的数学运算映射到定义的值空间上。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述合适的数学运算是取模运算。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在用于测位的天线装置的近场中进行测位。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针对待估测的位置迭代地执行所述方法。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其中递归地一起估测进行发射的对象与所述至少一个接收器之间的未知的相位差
21.根据权利要求1或2所述的方法，其中，波长小于在其中要定位待测位对象的空间内的两个点的最大距离。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在其中要定位待测位对象的空间内的两个点的最大距离大于通过由所述递归的滤波器/估测器评估的线性组合得出的最大单义性范围。
23.一种用于对至少一个对象进行位置测位的测位系统，其由至少一个接收器构成，所述接收器具有用于执行根据权利要求1至22中任一项所述的方法的机构。
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