DE102007043649B4 - Verfahren zur Erhöhung der Ortungsgenauigkeit unsynchronisierter Funkteilnehmer - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ortung mindestens eines Senders (T1) mit Hilfe eines weiteren Senders (T2) und mindestens zweier Empfänger (Ej), wobei – die Sender (Ti) jeweils eine Sequenz von N Signalen aussenden, die von den Empfängern (Ej) empfangen werden, – die N Signale auf bestimmten Kanälen (kn) gesendet werden, wobei die Kanäle (kn) einem vorgegebenen Hoppingschema folgend ausgewählt werden, – in jedem Empfänger (Ej) für jeden Kanal (kn) die Phasendifferenz (Δφj(kn)) zwischen den empfangenen Signalen der Sender (Ti) ermittelt wird und – anhand der Phasendifferenzen (Δφj(kn)) die Position des zu ortenden Senders (T1) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden einzelnen Sender (Ti) ein eigenes Hoppingsschema vorgesehen ist, welches N Einträge umfasst, wobei – die Hoppingschemata symmetrisch um ihren Mittelpunkt sind; – die Signale zu bestimmten Sendezeitpunkten (tn) gesendet werden und die Sendezeitpunkte (tn) innerhalb eines Hoppingschemas einen konstanten zeitlichen Abstand voneinander aufweisen und...

Description

• Zur Ortung eines mit einem Sender ausgestatteten Objekts werden üblicherweise TDOA-Verfahren (time difference of arrival) angewendet. Bei diesen sendet das zu ortende Objekt ein Signal aus, welches von mehreren ortsfesten Empfängern empfangen wird. Über die Differenzen der Eintreffzeitpunkte lässt sich über Triangulationsverfahren die Position des Objekts relativ zu den Empfängern bestimmen.
• Eine wesentliche Voraussetzung für das Verfahren ist, dass die Sender und/oder Empfänger zeitlich synchronisiert sind. Ist dies nicht der Fall, treten entsprechende Fehler bei der Positionsbestimmung auf. Maßnahmen zur Synchronisation sind zwar aus dem Stand der Technik bekannt, jedoch mit erheblichem finanziellem und materiellem Aufwand verbunden. So werden bspw. beim Global Positioning System (GPS) die Satelliten mit hochgenauen Atomuhren ausgestattet. Darüber hinaus können die Satelliten zur Synchronisation notwendige Synchronisationsdaten untereinander austauschen.
• In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 040 497 A1 wird ein Verfahren zur laufzeitbasierten Ortung (TDOA-Verfahren) eines unsynchronisierten Funkteilnehmers beschrieben. Dieses Verfahren verwendet mindestens zwei Sender und mindestens zwei Empfänger, um einen Positionsschätzwert für einen der Sender zu liefern. Dabei müssen die Empfänger und mindestens ein Sender (Referenzsender) einen bekannten Standort aufweisen, während die übrigen Sender zu orten sind. Die Zahl der Empfänger bestimmt, in wie vielen Dimensionen die Ortung durchgeführt werden kann. Aufgrund des Referenzsenders wird eine Synchronisation der Teilnehmer des Systems überflüssig.
• Ein ähnliches Verfahren wird in der US 2002/18640 A1 beschrieben. Dort wird basierend auf dem Bluetooth-Protokoll die Position eines Funksenders bestimmt, indem die Phase des vom Funksender ausgesendeten Signals in mehreren Empfangsstationen mit der Phase des Signals eines Referenzsenders verglichen wird.
• Wie sich gezeigt hat, lässt sich die Ortungsgenauigkeit über die Auswertung einer Signalphase erhöhen. Bei der Phasenauswertung wird ausgenutzt, dass, wenn ein Sender Signale an verschiedenen Frequenzstützpunkten sendet, sich aus der Messung der Phasenlagen dieser Signale am Empfänger auf die Entfernung zum Sender schließen lässt. Grundvoraussetzung hierfür ist jedoch, dass die Phasenbeziehung beim Aussenden bekannt oder konstant ist und dass Sender und Empfänger zeitlich synchronisiert sind. Für die empfangenen Phasenlagen φ_n an den Frequenzstützpunkten f_n ergibt sich dann mit einer Signallaufzeit τ_'R: φ_n = 2π·f_n·τ_'R
• Die gesuchte Entfernung R lässt sich dann mit Hilfe der Beziehung R = c·τ_'R mit der Signalausbreitungsgeschwindigkeit c bestimmen. Hierbei ist zu beachten, dass die Phase nur im Bereich zwischen 0 und 2π eindeutig ist. Je nachdem, wie weit die Frequenzstützpunkte f_n auseinander liegen, ergibt sich ein mehr oder weniger breiter Eindeutigkeitsbereich der Messung. Absolut eindeutig misst man theoretisch dann, wenn die Frequenzstützpunkte einen unendlich kleinen Abstand haben.
• Trotz des Nachteils der Mehrdeutigkeit birgt die Phasenauswertung den Vorteil einer potentiell deutlich höheren Genauigkeit bei der Ortung: Die gesamte eingefasste Bandbreite zwischen der tiefsten und der höchsten zur Messung herangezogenen Frequenz verhält sich in etwa umgekehrt proportional zum mittleren Fehler durch Mehrwegeausbreitung. Zur Wiederherstellung der Eindeutigkeit lässt sich überdies entweder eine eindeutige aber ungenaue Zeitmessung bzw. Zeitkorrelation verwenden, solange diese genauer ist als der Eindeutigkeitsbereich der Phasenauswertung, oder aber man orientiert sich am Ergebnis einer TDOA-Messung.
• In der DE 10 2006 040 497 A1 senden alle Sender Signale an verschiedenen Frequenzstützpunkten aus, wobei der Kommunikationsstandard IEEE 802.15.4 für die zur Ortung verwendeten Signale eingesetzt wird. Das bedingt relativ schmalbandige Signale (ca. 2 MHz, 3 dB-Bandbreite) im 2,45 GHz ISM-Band. Benutzt man alle im Protokoll definierten 16 Kanäle, ergibt sich eine gesamte eingeschlossene Bandbreite von 80 MHz und ein Eindeutigkeitsbereich d_ein = c/(2·f_d) von 30 m (Lichtgeschwindigkeit c, Kanalabstand f_d). Da die 16 Kanäle jedoch niemals zeitgleich sondern nur sequentiell benutzt werden können, ergeben sich mehrere Probleme:
• – Da alle Sender unsynchronisiert sind und damit unterschiedliche Zeit- und Frequenzoffsets aufweisen, werden die Signale zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit unterschiedlichen Frequenzfehlern ausgesendet. Aufgrund beider Umstände sind die Phasen der von den Empfängern empfangenen Signale gegenüber der oben dargestellten idealisierten Betrachtung verschoben.
• – Da auch alle Empfänger unsynchronisiert sind und ebenfalls unterschiedliche Zeit- und Frequenzoffsets aufweisen, werden die Eintreffzeitpunkte der Signale in unterschiedlichen Zeitachsen gemessen. Das trifft auch auf die Phasenlagen zu, da die Uhren der Empfänger zum Heruntermischen der Empfangssignale benutzt werden müssen.
• – Durch eine Bewegung eines zu ortenden Senders entstehen zusätzliche Fehler, da die einzelnen Frequenzen zeitlich sequentiell verwendet werden. Eine Bewegung während einer Messung führt nicht zu einem linearen Anstieg der Phase mit der Frequenz sondern zu einem Anstieg höherer Ordnung (quadratisch oder höher). Dadurch wird meist eine falsche Entfernung gemessen.
• Die Vorteile der Phasenauswertung können daher nicht genutzt werden.
• Es ist jedoch eine Reihe von Möglichkeiten denkbar, um die Sender und Empfänger derart zu synchronisieren, dass die Phasenauswertung anwendbar ist:
• – Synchronisation der Sender: Danach operieren die Sender in derselben Zeit- und Frequenzachse und die Empfänger können die Differenzphasen auch dann bestimmen, wenn sie selber unsynchronisiert sind (z. B. GPS).
• – Synchronisation der Empfänger: Danach verwenden die Empfänger dieselbe Frequenz- und Phasenlage zum Heruntermischen der Empfangssignale und können die Differenzphasen der unsynchronisierten Sender bestimmen (z. B. Ortungssystem von Abatec oder das LPR-B von Symeo). Die Masse der Ortungslösungen verwendet synchronisierte Empfänger.
• – Gleichzeitige Belegung mehrerer Frequenzstützpunkte: Dies ist bspw. mit dem Kommunikationsverfahren OFDM möglich, bei dem ein recht breites Empfangssignal aus vielen Einzelträgern besteht. Da der gesamte Frequenzbereich zeitgleich belegt wird, haben die einzelnen Träger einen Phasenbezug zueinander.
• Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, das die Erhöhung der Ortungsgenauigkeit unsynchronisierter Funkteilnehmer ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
• Das vorgeschlagene Ortungsverfahren geht davon aus, dass eine Erhöhung der Ortungsgenauigkeit in einem System unsynchronisierter Funkteilnehmer beispielsweise eines ZigBee- oder eines Bluetooth-Netzwerkes basierend auf der Verwendung einer Phasenauswertung möglich ist. Insbesondere ist eine derartige Erhöhung der Genauigkeit auch dann möglich, wenn die Frequenzstützpunkte zum Aussenden eines Signals nicht zeitgleich sondern sequentiell belegt werden. Dazu ist zum einen das TDOA-Messprinzip aus der DE 10 2006 040 497 A1 notwendige Voraussetzung, wobei ein ortsbekannter Sender als Referenzsender benutzt wird, zu dem die Zeit- und Phasendifferenzen der anderen Sender bestimmt werden. Weiterhin zwingen driftende Uhren in den Empfängern und eine mögliche Bewegung der zu ortenden Sender zu weiteren Maßnahmen. Insbesondere liefert die Phasenauswertung dann sehr gute Ergebnisse, wenn die Frequenzstützpunkte nicht in beliebiger oder chaotischer Reihenfolge angesprungen werden sondern nach einem bestimmten, symmetrischen Hoppingschema.
• Das Hoppingschema gibt die Reihenfolge der für das Aussenden der Signale zu verwendenden Frequenzstützpunkte bzw. Kanäle an. Ein Kanal k_n wird durch eine Mittenfrequenz f(k_n) sowie eine Breite beschrieben und wird zum Aussenden eines Signal in Form einer elektromagnetischen Welle benutzt. Ein Hoppingschema zur Anwendung in einem WLAN-System wird bspw. in der US 6 275 518 B1 beschrieben. Im Regelfall ist für jeden Kommunikationsstandard eine Reihe solcher Kanäle festgelegt, die meist blockweise zusammengehören, wobei die Mittenfrequenzen der Kanäle eines Blocks einen konstanten Abstand f_d haben. Die Kanaldefinition in IEEE 802.15.4 (PHY-Schicht von ZigBee) beispielsweise umfasst einen Block von 16 Kanälen, deren Mittenfrequenzen bei einem Kanalabstand f_d = 5 MHz zwischen 2405 MHz und 2480 MHz liegen.
• Erfindungsgemäß sendet ein zu ortendes Objekt eine Sequenz von N Signalen S_n aus. Die über den Kanal k_n zu übertragenden Signale bestehen aus einem Trägersignal, dessen Frequenz durch den Kanal k_n vorgegeben wird, und einem hierauf aufmodulierten Datenstrom. Dabei werden für aufeinanderfolgende Signale S_n und S_n+1 Sendekanäle k_n und k_n+1 gemäß einem vorherbestimmten Hoppingschema ausgewählt. Das Hoppingschema wird nach einem speziellen Bildungsgesetz aufgestellt, welches sich insbesondere durch seine Symmetrie auszeichnet.
• Anhand der folgenden Definitionen lässt sich das Bildungsgesetz aufstellen:
• – Sei I die Anzahl der Sender, wobei I ganzzahlig und größer oder gleich 2 ist.
• – Sei N die Anzahl der Hops (d. h. N bestimmt die Länge des Hoppingschemas), wobei N ganzzahlig, gerade und größer oder gleich 4 ist.
• – Der in Hop n vom Sender Ti zu benutzende Kanal sei
  
  für alle i = 0, ... I – 1 und n = 0, ... N – 1.
• – Der Sendezeitpunkt für Hop n des Senders Ti sei
  
  für alle i = 0, ... I – 1 und n = 0, ... N – 1.
• – Die Differenz zwischen der Phase des Datenstroms und der Phase des Trägersignals in Kanal k_n des Senders Ti sei ϕ^Ti(k_n) für alle i = 0, ... I – 1 und n = 0, ... N – 1.
• Basierend hierauf wird das Hoppingschema nach folgenden Regeln erstellt:
• a) Die Hoppingschemata sind für alle Sender Ti symmetrisch um ihren Mittelpunkt:
  
• b) Zwei oder mehr Sender dürfen nie zeitgleich denselben Kanal k_n benutzen: k Ti / n ≠ k Tj / n ∀ i, j = 0, ... I – 1 ∧ i ≠ j ∧ n = 0, ... N – 1
• Für den Fall, dass zwei oder mehr Sender unterschiedliche, orthogonale Codes verwenden (z. B. DSSS, Spreizcode), um ihre Datenströme spektral zu spreizen (vgl. CDMA), kann Regel b) entfallen und mehrere Sender können auch zeitgleich einen Kanal belegen, um die spektrale Breite zu minimieren. Hierbei wäre jedoch mit Nachteilen zu rechnen (near-far-problem, unzureichende Kreuzkorrelationseigenschaften der Codes).
• c) Die Mengen aller im Hoppingschema benutzten Kanäle k_n müssen für alle Sender Ti identisch sein, d. h. alle Sender müssen im Laufe des Hoppings dieselben Kanäle k_n benutzen, kein Sender darf einen oder mehrere Kanäle k_n gegenüber den anderen Sendern auslassen: {k Ti / n|n = 0, ... N – 1} = {k Tj / n|n = 0, ... N – 1} ∀ i, j = 0, ... I – 1
• Diese Forderung darf verletzt werden, falls einzelne Sender mit schlechterer Genauigkeit geortet werden sollen. Dann genügt auch eine Teilmenge der Kanäle k_n, die der ortsfeste Sender verwendet. Die Anzahl der übereinstimmenden Kanäle k_n darf jedoch nie kleiner als 2 sein.
• d) Die Menge aller im Hoppingschema verwendeten Kanäle k_n bildet eine lineare Frequenzrampe mit konstantem Frequenzabstand f_d zwischen den Kanälen k_n (evtl. nach einer Umsortierung und der Entfernung mehrfach angesprungener Kanäle): f(k_n) = f₀ + n·f_d ∀ n = 0, ... N – 1
• f₀ ist hierbei die niedrigste zu verwendende Frequenz, z. B. f₀ = 2405 MHz bei IEEE 802.15.4.
• Diese Regel ist evtl. nicht zwingend. Es kann auch ein Kanal ausgelassen werden, ohne die Theorie zu verletzen. Jedoch erschwert dies die anschließende Auswertung in nicht unerheblichem Maße.
• e) Die Sendezeitpunkte eines Senders Ti müssen über alle Hops eines Hoppingschemas einen konstanten Abstand aufweisen:
  
• Dieser für einen Sender konstante Abstand kann von Sender zu Sender verschieden sein. Die Sendezeitpunkte müssen keine weiteren Anforderungen erfüllen, also auch nicht die nach einer Synchronisation zwischen den Sendern.
• f) Die Beziehung zwischen der Phase des Datenstroms und der Phase des Trägersignals eines jeden Kanals (k_n) muss konstant sein für einen Sender Ti:
  
• Diese Forderung kann in den Sendern mit geeigneten Vorrichtungen zur Signalerzeugung (z. B. Integer-PLL) erfüllt werden.
• Die Regeln a), e) und f) sind zwingend notwendig und dementsprechend im erfindungsgemäßen Ortungsverfahren vorgesehen. Die Regeln b), c) und d) können unter Umständen außer Acht gelassen werden und sind Gegenstände der Unteransprüche.
• Es ist denkbar, ein aus dem beschriebenen Bildungsgesetz hervorgehendes Hoppingschema durch das Anfügen zusätzlicher Kanäle vor, inmitten oder nach dem Hoppingschema zu erweitern, die jedoch nicht zur Messung herangezogen werden. Ein derartiges Hoppingschema ist ebenfalls dem Schutzumfang der Erfindung zuzuzählen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
• Dabei zeigt:
• 1 in schematischer Darstellung eine Anordnung mehrerer Funkteilnehmer zur Ortung eines der dargestellten Teilnehmer,
• 2 eine tabellarische Übersicht über Beispiele für erfindungsgemäße Hoppingschemata.
• Die 1 zeigt ein System zur Ortung eines Senders T1 mittels einer Anordnung aus einem weiteren Sender T2 sowie zwei Empfängern E1 und E2, wobei die Systemkomponenten T1, T2, E1 und E2 urisynchronisiert sind. Die Positionen der Empfänger E1 und E2 sowie des Senders T2 sind bekannt. Die dargestellte Anordnung ermöglicht eine eindimensionale Ortung des Senders T1, indem der Abstand d_T1,T2 des Senders T1 zum ortsfesten und -bekannten Sender T2 wie im Folgenden beschrieben bestimmt wird.
• Die Sender T1 und T2 senden jeweils eine Sequenz aus N Signalen, wobei die Signale auf Kanälen k_n (n = 0, 1, ... N – 1) übermittelt werden. Typischerweise wird der zum Senden benutzte Kanal k_n dem erfindungsgemäßen Hoppingschema folgend variiert. Im Vorgriff auf die 2 sei angenommen, dass für das Ausführungsbeispiel das dortige Beispiel Nr. 2 Anwendung findet. Dementsprechend würde der Sender T1 nacheinander auf den Kanälen 0, 4, 1, 5, 2, ... senden, während der Sender T2 eine Kanalreihenfolge 4, 0, 5, 1, 6, ... verwenden würde.
• Die Signale werden durch die Empfänger E1 und E2 empfangen, wobei die Laufzeit des Signals vom Sender Ti (i = 1, 2) zum Empfänger Ej (j = 1, 2) mit τ_ij bezeichnet wird. Im Empfänger Ej wird für jeden Kanal k_n eine Phasenlage dφ_ij(k_n) des vom Sender Ti eintreffenden Signals bestimmt. Hierzu wird die absolute Phasenlage φ_ij(k_n) des vom Sender Ti im Kanal k_n gesendeten und am Empfänger Ej empfangenen Signals mit der Phasenlage φ syn / j eines im Empfänger Ej gespeicherten synthetischen Signals verglichen: dφ_ij(k_n) = φ_ij(k_n) – φ syn / j (1)
• Aufgrund der Symmetrie des Hoppingschemas wird jeder Kanal k_n von einem Sender mindestens zweimal verwendet. Es werden daher in einem Empfänger Ej die Phasenlagen dφ_ij(k_n) derjenigen Signale arithmetisch gemittelt, die von einem der Sender Ti in demselben Kanal k_n gesendet wurden. Genauso wird mit den weiter unten beschriebenen Eintreffzeitpunkten verfahren. Diese Mittelung ist entscheidend für das Ergebnis und nutzt die vorteilhaften Symmetrieeigenschaften des Hoppingschemas aus.
• Aus den Phasenlagen der Signale der Sender T1 und T2 am Empfänger Ej wird wiederum für jeden Kanal k_n eine Phasendifferenz Δφ_j(k_n) = dφ_1j(k_n) – dφ_2j(k_n) bestimmt. Unter idealen Voraussetzungen könnte angenommen werden, dass die Sender T1 und T2 gleichphasig senden, so dass Δφ_j(k_n) die tatsächliche Phasendifferenz zwischen den am Empfänger Ej empfangenen Signalen wiedergeben würde und somit ein Maß für den räumlichen Abstand zwischen T1 und T2 wäre. Da dem jedoch insbesondere bei unsynchronisierten Sendern im Regelfall nicht so ist, muss in der Phasendifferenz noch ein Beitrag dφ 0 / j berücksichtigt werden: Δφ_j(k_n) = dφ_1j(k_n) – dφ_2j(k_n) + dφ 0 / j (2)
• Dieser Beitrag dφ 0 / j lässt sich jedoch vorteilhafterweise durch einfache Subtraktion der an den beiden Empfängern gemessenen Phasendifferenzen eliminieren: Δφ^tot(k_n) = Δφ₁(k_n) – Δφ₂(k_n) = dφ₁₁(k_n) – dφ₂₁(k_n) – dφ₁₂(k_n) + dφ₂₂(k_n) (3)
• In Δφ^tot(k_n) sind alle Fehler aufgrund von Frequenzoffsets der Teilnehmer und/oder einer linearen Bewegungskomponente eines Senders eliminiert, was maßgeblich auf die Konstruktion des Hoppingschemas zurückzuführen ist. Insbesondere ergibt sich: Δφ^tot(k_n) = –4π·f(k_n)·τ₀ + φ₀ (4)
• Hierbei ist f(k_n) die Mittenfrequenz des Kanals k_n und τ₀ die Laufzeitdifferenz der Signale von T1 bzw. T2 zu einem der Empfänger Ej, was im Falle elektromagnetischer Wellen der Lichtlaufzeit zwischen den Sendern T1 und T2 entspricht. φ₀ schließlich ist ein konstanter Term.
• Das überbestimmte Gleichungssystem (4) lässt sich numerisch lösen, wobei jedoch die Mehrdeutigkeit der Phaseninformation zu beachten ist. Da die Mittenfrequenzen f(k_n) der Kanäle des erfindungsgemäßen Hoppingschemas äquidistant gewählt wurden und sich daher eine lineare Frequenzrampe ergibt, ergeben auch die Phasendifferenzen eine lineare Rampe (ggf. nach einer Unwrap-Operation, bei der die Phase derart um Vielfache von 2π erweitert wird, dass sich eine lineare Rampe ergibt). Die Steigung der Rampe ist proportional zur Laufzeitdifferenz τ₀. Die Konstante φ₀ bedeutet eine Verschiebung der Phasenrampe, sie wirkt sich jedoch nicht auf deren Steigung aus. Ebenfalls unter Ausnutzung der äquidistanten Mittenfrequenzen f(k_n) wird im Rahmen einer weiteren Lösungsmöglichkeit eine inverse diskrete Fouriertransformation auf die komplex erweiterte Phase exp(iΔφ^tot(k_n)) angewendet. Im resultierenden Betragsspektrum befindet sich die gesuchte Laufzeitdifferenz τ₀ an der Stelle des absoluten Maximums. Diese Betrachtungen der Lösungsmöglichkeiten sind nur uneingeschränkt gültig, wenn keine konstruktiven oder destruktiven Mehrwegeausbreitungen existieren, welche das Ergebnis mehr oder minder verfälschen können.
• Das Ergebnis dieser Bestimmung der Laufzeitdifferenz τ₀ ist nicht im gesamten Messbereich eindeutig. Es wird vielmehr ein mehrdeutiges Ergebnis erzielt, was auf die Mehrdeutigkeit der einzelnen Phasenmessungen zurückzuführen ist. Zur Wahl des richtigen Eindeutigkeitsbereiches werden die über die oben beschriebene Phasenauswertung ermittelten Laufzeitdifferenzen τ₀ mit einer über ein TDOA-Verfahren ermittelten Laufzeitdifferenz τ TDOA / 0 verglichen.
• Bei dem TDOA-Verfahren werden die Eintreffzeitpunkte der Signale der Sender Ti an den Empfängern Ej ausgewertet, um daraus auf die Laufzeit des Signals zwischen den Sendern T1 und T2 schließen zu können, woraus der Abstand d_T1,T2 ableitbar ist. Insbesondere wird im Empfänger Ej wiederum für jeden Kanal k_n der zeitliche Abstand dτ_ij(k_n) des empfangenen Signals zu dem gespeicherten synthetischen Signal bestimmt.
• Durch einfache mathematische Operationen, die äquivalent zu den Gleichungen (1) bis (3) des oben beschriebenen Verfahrens der Phasenauswertung sind, ergibt sich für jeden Kanal k_n der gesuchte Laufzeitdifferenzwert Δτ^tot(k_n): Δτ^tot(k_n) = dτ₁₁(k_n) – dτ₂₁(k_n) – dτ₁₂(k_n) + dτ₂₂(k_n) (5)
• Die Laufzeitdifferenzwerte werden schließlich über alle Kanäle k_n gemittelt, um die gesuchte Laufzeitdifferenz τ TDOA / 0 zu bestimmen.
• Die Auswahl der korrekten Laufzeitdifferenz τ₀ erfolgt in der Weise, dass dasjenige τ₀ als das richtige definiert wird, welches dem gemittelten τ TDOA / 0 am nächsten kommt.
• Die gesuchte Position des Senders T1 berechnet sich aus der bekannten Position des Senders T2 und dem Abstand d_T1,T2, welcher gemäß d_T1,T2 = τ₀·c von der Laufzeit τ₀ und der Lichtgeschwindigkeit c abhängt.
• Das Hinzufügen weiterer Empfänger würde eine Erweiterung auf zwei- oder dreidimensionale Ortung ermöglichen, indem entsprechend aufgenommene Daten mit Hilfe üblicher Verfahren wie der Trilateration ausgewertet würden. Eine Ortung mehrerer Sender ließe sich durch mehrfaches Durchlaufen des beschriebenen Verfahrens realisieren.
• Die 2 zeigt exemplarisch eine Auswahl von Hoppingschemata, die mit dem erfindungsgemäßen Bildungsgesetz erstellt wurden. Dabei sind die Beispiele 1 bis 9 jeweils für 2 Sender T1 und T2 dargestellt, während im Beispiel 10 16 Sender vorgesehen sind. Die Hoppingschemata lassen sich generell um zusätzliche Sender erweitern. Die gestrichelten Linien in den einzelnen Schemata deuten die Symmetrieachsen an.
• Beispiel 1 zeigt die Schemata für zwei Sender T1 und T2 mit N = 32. Die Kanäle 1 bis 15 werden entsprechend der Regeln a) bis d) des Bildungsgesetzes angeordnet. Dies ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, diese Kanäle anzuordnen (siehe Beispiel 5).
• Beispiel 2 zeigt Schemata für N = 16 wobei die Kanäle 0, 1, 2, ... 7 verwendet werden.
• In Beispiel 3 ist ebenfalls N = 16 zu Grunde gelegt, allerdings werden die Kanäle 0, 2, 4... 14 verwendet. Dies zeigt, dass der Kanalabstand beliebig sein kann, aber über das gesamte Hoppingschema konstant bleiben muss.
• In Beispiel 4 gilt N = 4. Aufgrund der Anforderungen a) und c) des Bildungsgesetzes kann es kein Hoppingschema mit einer Länge kleiner 4 geben.
• Beispiel 5 zeigt wieder N = 32, jedoch mit einer anderen Reihenfolge der Kanäle als in Beispiel 1. Es gibt zahlreiche weitere Möglichkeiten der Anordnung der Kanäle, weswegen die hier gezeigten beispielhaften Anordnungen nicht als abschließend zu verstehen sind.
• Das Beispiel 6 demonstriert für N = 16 die Kanäle 0 bis 7 in chaotischer Anordnung. In den Beispielen 1 bis 5 wurden die Kanäle für den Sender T1 in einem gleichförmigen Muster angesprungen. In Beispiel 6 dagegen wurde die Kanalreihenfolge für T1 durch einen Zufallsgenerator bestimmt, ohne jedoch die Regeln a) bis d) des Bildungsgesetzes zu verletzen.
• In Beispiel 7 werden bei N = 16 die Kanäle 0 bis 3 von jedem Sender jeweils viermal benutzt und nicht nur zweimal. Dies erzeugt aufgrund der Mittelung eine zusätzliche Verbesserung der Positionsschätzung.
• Beispiel 8 zeigt die Kanäle 0 bis 15 für N = 32. In den vorhergehenden Beispielen wurden immer zwei benachbarte Hops punktsymmetrisch gebildet, indem die zu benutzenden Kanäle für Sender T1 und Sender T2 vertauscht wurden. Beispiel 8 zeigt eine alternative Anordnung.
• Beispiel 9 entspricht dem Beispiel 8, jedoch bildet die Kanalreihenfolge von Sender T2 eine Rampe mit entgegengesetzter Richtung zur Kanalreihenfolge von Sender T1. Solche entgegengesetzt laufenden Rampen sind nur mit einer geraden Kanalzahl möglich, da es sonst zwei Zeitpunkte gibt, an denen beide Sender denselben Kanal nutzen, wodurch Regel b) verletzt wird.
• Beispiel 10 zeigt schließlich Kanäle 0 bis 15 mit N = 32 für 16 Sender. Zu jedem Zeitpunkt sind alle Kanäle belegt. Ist einer der 16 Sender ortsfest, können die anderen 15 Sender mit diesem Hoppingschema zeitgleich geortet werden. Wenn Regel b) nicht verletzt werden darf, kann es nie mehr Sender als Kanäle in einem Hoppingschema geben. Die Mindestzahl von Sendern ist 2, da es immer mindestens einen Sender mit bekannter Position geben muss.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ortung mindestens eines Senders (T1) mit Hilfe eines weiteren Senders (T2) und mindestens zweier Empfänger (Ej), wobei – die Sender (Ti) jeweils eine Sequenz von N Signalen aussenden, die von den Empfängern (Ej) empfangen werden, – die N Signale auf bestimmten Kanälen (k_n) gesendet werden, wobei die Kanäle (k_n) einem vorgegebenen Hoppingschema folgend ausgewählt werden, – in jedem Empfänger (Ej) für jeden Kanal (k_n) die Phasendifferenz (Δφ_j(k_n)) zwischen den empfangenen Signalen der Sender (Ti) ermittelt wird und – anhand der Phasendifferenzen (Δφ_j(k_n)) die Position des zu ortenden Senders (T1) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden einzelnen Sender (Ti) ein eigenes Hoppingsschema vorgesehen ist, welches N Einträge umfasst, wobei – die Hoppingschemata symmetrisch um ihren Mittelpunkt sind; – die Signale zu bestimmten Sendezeitpunkten (t_n) gesendet werden und die Sendezeitpunkte (t_n) innerhalb eines Hoppingschemas einen konstanten zeitlichen Abstand voneinander aufweisen und – die Signale aus einem Trägersignal, dessen Frequenz durch den Kanal (k_n) vorgegeben wird, und einem hierauf aufmodulierten Datenstrom bestehen, wobei für einen Sender (Ti) die Differenz (ϕ(k_n)) zwischen der Phase des Datenstroms und der Phase des Trägersignals eines jeden Kanals (k_n) konstant ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nie zwei oder mehr Sender (Ti) zum selben Zeitpunkt (t_n) den selben Kanal (k_n) benutzen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoppingschemata aller Sender (Ti) dieselben Kanäle (k_n) enthalten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit allen in einem der Hoppingschemata benutzten Kanälen (k_n) eine lineare Frequenzrampe bilden lässt, wobei die zwei benachbarten Kanälen (k_n) entsprechenden Mittenfrequenzen einen konstanten Frequenzabstand aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Empfänger (E1, E2) und des weiteren Senders (T2) bekannt sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass N ganzzahlig, gerade und größer oder gleich 4 ist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Positionsbestimmung des zu ortenden Senders (T1) – an jedem Empfänger (Ej) für jeden Kanal (k_n) und für jedes von einem der Sender (Ti) empfangene Signal eine Phasenlage (dφ_ij(k_n)) ermittelt wird, – für jeden Empfänger (Ej) für jeden Kanal (k_n) die Phasendifferenz (Δφ_j(k_n) = dφ_1j(k_n) – dφ_2j(k_n)) der Phasenlagen berechnet wird, – aus der Differenz der in den Empfängern (Ej) ermittelten Phasendifferenzen (Δφ_j(k_n)) für jeden Kanal (k_n) ein totaler Phasendifferenzwert Δφ^tot(k_n) berechnet wird gemäß Δφ^tot(k_n) = Δφ₁(k_n) – Δφ₂(k_n) und – über die Lösung eines überbestimmten Gleichungssystems Δφ^tot(k_n) = –4π·f(k_n)·τ₀ + φ₀ mit der Mittenfrequenz f(k_n) des Kanals (k_n) und einer Konstanten φ₀ eine Laufzeitdifferenz (τ₀) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem – an jedem Empfänger (E_j) für jeden Kanal (k_n) und für jedes von einem der Sender (T_i) empfangene Signal ein Eintreffzeitpunkt (τ_ij(k_n)) ermittelt wird, – für jeden Empfänger (E_j) für jeden Kanal (k_n) aus den Eintreffzeitpunkten (τ_ij(k_n)) eine Laufzeitdifferenz (Δτ_j(k_n) = τ_1j(k_n) – τ_2j(k_n)) berechnet wird, – aus den Laufzeitdifferenzen (Δτ_j(k_n)) gemäß Δτ^tot(k_n) = Δτ₁(k_n) – Δτ₂(k_n) für jeden Kanal (k_n) ein Laufzeitdifferenzwert (Δτ^tot(k_n)) berechnet wird und – aus den Laufzeitdifferenzwerten (Δτ^tot(k_n)) durch Mittelung über alle benutzten Kanäle (k_n) ein gemittelter Laufzeitdifferenzwert

   

   bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem diejenige Lösung (τ₀) des überbestimmten Gleichungssystems Δφ^tot(k_n) = –4π·f(k_n)·τ₀ + φ₀ ausgewählt wird, die dem Bemittelten Laufzeitdifferenzwert

   

   am nächsten liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Abstand d_T1,T2 des zu ortenden Senders (T1) vom weiteren Sender (T1) über die Gleichung d_T1,T2 = τ₀·c mit der Lichtgeschwindigkeit c bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Empfänger (Ej) die Phasenlagen (dφ_ij(k_n)) derjenigen Signale arithmetisch gemittelt werden, die von einem der Sender (Ti) in demselben Kanal (k_n) gesendet wurden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Empfänger (Ej) die Eintreffzeitpunkte (τ_ij(k_n)) derjenigen Signale arithmetisch gemittelt werden, die von einem der Sender (Ti) in demselben Kanal (k_n) gesendet wurden.

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