DE102007046366A1

DE102007046366A1 - Konzept zur Positionsmessung durch Phasenvergleich eines modulierten Signals

Info

Publication number: DE102007046366A1
Application number: DE102007046366A
Authority: DE
Inventors: Walter Englert; Tilman Dipl.-Phys. Bucher
Original assignee: Cairos Technologies AG
Current assignee: Cairos Technologies AG
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender, der ein Sendesignal aus einem Trägersignal und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal senden kann, wobei das Sendesignal von wenigstens drei Antennen empfangbar ist, mit einer Einrichtung zum Erhalten von Phaseninformationen des von den wenigstens drei Antennen empfangenen Modulationssignals, für jede Antenne, und einer Einrichtung zum Bestimmen der Position des Funksenders basierend auf den Phaseninformationen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konzept zur Positionsmessung durch Phasenvergleich mehrerer Repliken eines modulierten Signals, wie es beispielsweise zur Bestimmung einer Position von Spielern oder Spielgeräten auf einem Spielfeld eingesetzt werden kann.
Seit geraumer Zeit besteht bei unterschiedlichen Interessengruppen das Anliegen, bewegte Objekte bzw. Personen in ihrem Bewegungsablauf studieren bzw. diesen nachvollziehen zu können, was die exakte Angabe der Position des Objekts örtlich und zeitlich voraussetzt. Von besonderem Interesse sind hierbei unter anderem Spielbälle insbesondere in kommerzialisierten Sportarten, wie z.B. die im dreidimensionalen Raum hoch beschleunigten Fußbälle ebenso wie Tennis- oder Golfbälle. Die Fragestellung, wer das bespielte Objekt zuletzt berührt hat, wie es getroffen wurde und in welche Richtung es weiterbeschleunigt wurde, kann dabei abhängig von der Spielart für den Ausgang des Spiels entscheidend sein.
Eine Vielzahl von Aufgaben setzt eine Kenntnis von Position und Orientierung von Objekten voraus. So ist es beispielsweise im Bereich des Sports oftmals interessant, eine Kenntnis über eine Position und/oder Orientierung eines Spielers auf einem Spielfeld zu bekommen. Solche Informationen können benutzt werden, um Statistiken über den Spielverlauf zu erstellen, oder sie können bei entsprechender Genauigkeit dazu benutzt werden, einem Schiedsrichter Entscheidungshilfen in kritischen Situationen, wie beispielsweise Abseitsentscheidungen oder Torentscheidungen beim Fußball, zu geben.
Derzeitige Positionsmessverfahren basieren zumeist auf optischen 2-D- oder 3-D-Auswertesystemen. Solche Lokalisationsverfahren ziehen hohe Investitions- und Wartungskosten, Empfindlichkeit gegenüber Umweltbedingungen und einen großen Aufwand zur Anpassung der Auswertealgorithmen nach sich. Die Anforderungen an Systeme zur Positionsmessung von Objekten werden von diesen Verfahren in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Robustheit, Taktzeit und Objektunabhängigkeit für eine Vielzahl von Aufgaben nicht erfüllt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Konzept zur Positionsmessung von Objekten zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, ein System gemäß Patentanspruch 8, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 und ein Computer-Programm gemäß Patenanspruch 12 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine genaue und aufwandsarme Positionsbestimmung eines Objekts bzw. eines Spielgeräts mit einem an dem Objekt angebrachten Funksender dadurch erreicht werden kann, indem ein Messareal durch eine Mehrzahl von Empfangsantennen definiert wird, in deren Empfangsbereich sich das Objekt bzw. der an dem Objekt angebrachte Funksender befindet. Der Funksender sendet dabei ein für das Objekt charakteristisches, auf einen Träger aufmoduliertes Modulationssignal. Dabei ist das Modulationssignal ein periodisches bzw. harmonisches Signal. Die verschiedenen Empfangsantennen, deren Antennenpositionen bzw. -koordinaten bekannt sind, empfangen die von dem an dem Objekt angebrachten Funksender ausgesendeten Funksignale und führen sie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Position des Objekts zu. Erfindungsgemäß werden dort aus Phasenunterschieden zwischen den verschiedenen Empfangssignalen bzw. Modulationssignalen Laufzeiten, Laufzeitdifferenzen und Intensitäten bezüglich der einzelnen Empfangsantennen bestimmt. Aus diesen Informationen kann beispielsweise ein Rechner die Position bzw. den Ort des Objekts mit dem Funksender bestimmen.
Durch die unterschiedlichen Laufzeiten des Funksignals von dem zu lokalisierenden Objekt zu den jeweiligen Empfangsantennen ergibt sich eine Phasendifferenz zwischen den einzelnen von den Antennen empfangenen Signalen. Diese Phasendifferenzen können in Laufzeitdifferenzen und somit schließlich in Entfernungsdifferenzen des Objektes zu den einzelnen Antennen umgerechnet werden. Bei drei Empfangsantennen ergeben sich zwei Phasendifferenzen, aus denen mittels eines Gleichungssystems die Position des Objektes in einem zweidimensionalen Raum angegeben werden kann. Werden mehr als drei Empfangsantennen verwendet, so kann die Position des zu lokalisierenden Objektes auch im dreidimensionalen Raum berechnet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung dazu eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender, der ein Sendesignal aus einem Trägersignal und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal senden kann, wobei das Sendesignal von wenigstens drei Antennen empfangbar ist, mit einer Einrichtung zum Erhalten von Phaseninformationen des von dem wenigstens drei Antennen empfangenen Modulationssignals für jede Antenne, und einer Einrichtung zum Bestimmen der Position des Funksenders basierend auf den Phaseninformationen.
Um eine Mehrzahl von Objekten unterscheiden zu können, sendet der Funksender an dem Objekt ein Modulationssignal mit einem Trägersignal mit einer Trägerfrequenz f_c. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Trägersignal durch das Modulationssignal beispielsweise frequenzmoduliert (FM) oder amplitudenmoduliert (AM) sein. Eine Frequenz f_mod des Modulationssignals wird dabei vorteilhaft so gewählt, dass die entsprechende Wellenlänge λ_mod des Modulationssignals in etwa die Größenordnung eines zu überprüfenden räumlichen Bereichs hat. Ist der zu überprüfende Bereich beispielsweise ein Spielfeld, insbesondere ein Fußballfeld, so kann mit einer Wellenlänge λ_mod, die in etwa der Länge des zu überwachenden Bereichs, also der Länge oder Diagonale des Fußballfelds, entspricht, jede Position auf dem Spielfeld auf eine Phase bzw. einen Phasenunterschied zwischen von den Empfangsantennen empfangenen Repliken des Modulationssignals von 0 bis 2π bzw. 0° bis 360° abgebildet werden.
Um hinreichend genaue Messwertresultate bzw. Positionsangeben zu ermöglichen, sind die Empfangsantennen gemäß Ausführungsbeispielen jeweils mit gleichlangen Kabeln, oder mit Kabeln mit zumindest berechenbarer Länge mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt. Durch eine gleiche Kabellänge soll verhindert werden, dass zusätzliche Signallaufzeiten durch unterschiedlich lange Kabel das Ergebnis zur Positionsangabe negativ beeinflussen.
Eine Phasenmessung bzw. eine Phasendifferenzmessung eines von einer Empfangsantenne empfangenen Modulationssignals lässt sich technisch sehr genau realisieren. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise f_mod = 2 MHz und einer Messrate von beispielsweise 2.000 Positionen pro Sekunde, kann zur Positionsbestimmung beispielsweise über 1.000 Phasenmessungen gemittelt werden.
Aus einem niederfrequenten Modulationssignal mit einer dem Ortsbestimmungsbereich entsprechenden Wellenlänge λ_mod resultiert auch eine entsprechend geringe Bandbreite. Um existierende Systeme in einem bestimmten Frequenzband, wie beispielsweise ein WLAN-System im 2,4-GHz-Frequenzband, nicht zu stören, ist eine möglichst geringe Bandbreite des Modulationssignals vorteilhaft.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht somit, darin, dass über eine Betrachtung von Phasenunterschieden von empfangenen Funksignalen eine einfache und genaue Positionsbestimmung eines mit einem Funksender ausgestatteten Objektes möglich ist.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Positionsbestimmung aufwandsarm realisiert werden kann. Es sind keine komplizierten Auswertealgorithmen notwendig, sowie keine aufwändigen Maßnahmen zur Synchronisation von Funksendern und Empfangseinheiten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Spieler und einem Fußball mit jeweils einem Funksender, um eine Bestimmung der jeweiligen Positionen zu ermöglichen;
2 ein mit einem Modulationssignal moduliertes Trägersignal gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 Funksender gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 einen Funksender in Reichweite von zwei Empfangsantennen;
7 eine Darstellung zweier zueinander phasenverschobener Modulationssignale;
8 eine schematische Darstellung eines Fußballfeldes mit Empfangsantennen in Eckbereichen des Fußballfeldes als Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 eine schematische Darstellung von verschiedenen auf einen Träger aufmodulierte Modulationssignale.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleich oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
1 zeigt einen Fußballspieler 100 mit einem Funksender 102, welcher für den Fußballspieler 100 charakteristische Funksignale 104-1 aussendet. 1 zeigt ferner einen Fußball 110, in dem ebenfalls ein Funksender angebracht ist, um für den Ball 110 charakteristische Funksignale 104-2 auszusenden.
Ein an dem Spieler 100 oder an bzw. in dem Ball 110 angebrachter Funksender 102 ist ausgebildet, um Funksignale 104 mit einem Trägersignal mit einer Trägerfrequenz f_c auszusenden, wobei das Trägersignal durch ein den Spieler 100 bzw. den Ball 110 charakterisierendes Modulationssignal moduliert ist. Der Funksender 102 sendet also ein für einen Spieler 100 oder Ball 110 charakteristisches aufmoduliertes Signal über eine Trägerfrequenz f_c. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der Modulation des Trägersignals durch das Modulationssignal beispielsweise um eine Amplitudenmodulation handeln, sowie es beispielhaft in 2 gezeigt ist.
2 zeigt ein durch ein Modulationssignal 200 moduliertes Trägersignal 210, wobei das Modulationssignal 200 ein periodisches bzw. harmonisches Signal ist und eine Wellenlänge λ_mod aufweist.
Die Wellenlänge λ_mod bzw. eine daraus resultierende Frequenz f_mod des Modulationssignals 200 wird gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung derart gewählt, dass die Wellenlänge λ_mod des Modulationssignals in etwa eine Größenordnung eines Positionsbestimmungsbereichs aufweist, in dem die Position des Objekts, an dem der Funksender 102 angebracht ist, bestimmt werden soll. Ist der Positionsbestimmungsbereich beispielsweise ein Spielfeld, insbesondere ein Fußballfeld, so kann mit einer Wellenlänge λ_mod, die in etwa einer Abmessung, wie z.B. einer Diagonale des Positionsbestimmungsbereichs, also des Fußballfeldes, entspricht, jede Position auf dem Spielfeld auf eine Phase bzw. einen Phasenunterschied zwischen von den Empfangsantennen empfangenen Repliken des Modulationssignals von 0 bis 2π bzw. 0° bis 360° abgebildet werden, wie es im Nachfolgenden noch näher erläutert wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Funksenders 102. Der Funksender 102 weist eine Einrichtung 300 zum Kombinieren des Modulationssignals 200 und des Trägersignals 210 zu einem Sendesignal 104 auf.
Dabei kann, wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, die Einrichtung 300 ausgebildet sein, um das Modulationssignal 200 und das Trägersignal 210 gemäß einer Amplitudenmodulation zu dem Sendesignal 104 zu kombinieren. Dazu kann die Einrichtung 300 ein Mischer sein, um das Modulationssignal 200 mit der Modulationsfrequenz f_mod und das Trägersignal 210 mit der Trägerfrequenz f_c zu einem Sendesignal 104 mit einer Frequenz f_c ± f_mod zu kombinieren.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Einrichtung 300 ausgebildet sein, um das Modulationssignal 200 und das Trägersignal 210 gemäß einer Winkelmodulation, wie z.B. einer Frequenzmodulation oder Phasenmodulation, zu dem Sendesignal 104 zu kombinieren. Das heißt, die Einrichtung 300 wirkt als Frequenzmodulator.
4 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender 110, der ein Sendesignal 104 aus einem Trägersignal 210 und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal 200 senden kann, wobei das Sendesignal 104 von wenigstens drei Antennen empfangbar ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Schritt S1 werden Phaseninformationen aus dem von den wenigstens drei Antennen empfangenen Sendesignal 104 für das Modulationssignals 200 für jede Antenne erhalten.
In einem zweiten Schritt S2 wird, basierend auf den Phaseninformationen aus Schritt S1, die Position des Funksenders 102 an dem zu lokalisierenden Objekts bestimmt.
Das in 4 dargestellte Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung soll im Nachfolgenden anhand der in 5 gezeigten Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender näher erläutert werden.
5 zeigt eine Vorrichtung 500 zum Bestimmen einer Position eines Objekts mit einem Funksender 102, der ein Sendesignal 104 aus einem Trägersignal 210 und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal 200 senden kann, wobei das Sendesignal 104 von wenigstens drei Antennen empfangbar ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 500 weist eine Einrichtung 510 zum Erhalten von Phaseninformationen des von den wenigstens drei Anten nen empfangenen Modulationssignals 200 für jede Antenne auf. Die Einrichtung 510 zum Erhalten von den Phaseninformationen ist eingangsseitig mit einer Mehrzahl von N Antennen, insbesondere Empfangsantennen 520-1 bis 520-N gekoppelt.
Dabei beträgt die Anzahl N der Antennen 520-1 bis 520-N wenigstens drei. Ausgangsseitig ist die Einrichtung 510 mit einer Einrichtung 530 zum Bestimmen der Position des Funksenders 102 basierend auf den Phaseninformationen gekoppelt.
Die Antennen 520-1 bis 520-N, deren Positionen bzw. Koordinaten bekannt sind, empfangen zeitverschobene Repliken, des Sendesignals 104 des Senders 102 und führen sie beispielsweise über Lichtwellenleiter oder Koaxialkabel einem in 5 nicht explizit dargestellten Empfänger zur Aufbereitung bzw. Regeneration des Modulationssignals 200 zu. Der Empfänger kann sich beispielsweise in der Einrichtung 510 zum Erhalten der Phaseninformationen befinden.
Der Empfänger zum Empfangen des von dem Sender 102 gesendeten Sendesignals 104 weist dazu beispielsweise einen Mischer auf, um das aus Trägersignal 210 und Modulationssignal 200 bestehende Sendesignal 104 mit einem Signal entsprechend dem Trägersignal zu mischen, um pro Empfangszweig jeweils ein Replik des Modulationssignals 200 zu erhalten. Gemäß Ausführungsbeispielen liegt die Frequenz f_c des Trägersignals 210 in einem Frequenzbereich von 2,2 GHz bis 2,6 GHz. Vorzugsweise liegt die Trägerfrequenz f_c bei 2,4 GHz.
Für eine Positionsbestimmung im dreidimensionalen Raum mittels Auswertung von Phasendifferenzen, sind im Allgemeinen N=4 Empfangsantennen notwendig. Mittels vier von den Empfangsantennen empfangenen Repliken des Sendesignals 104 mit jeweils unterschiedlichen Phasenlagen und unterschiedlichen Laufzeiten können (N-1) = 3 unterschiedliche relative Phasenlagen Δφ₁–Δφ₃ bzw. Laufzeitdifferenzen Δτ₁–Δτ₃ bezogen auf eines der vier Empfangssignale und damit die drei Ortskoordinaten (x₀, Y₀, z₀) des zu lokalisierenden Senders 102 im dreidimensionalen Raum ermittelt werden. Für eine zweidimensionale Positionsbestimmung mittels Phasenunterschieden genügen im Allgemeinen drei Antennen.
Die Bestimmung der Phasenunterschiede Δφ_n (n=1,...,N-1) der von den Antennen 520-1–520-N empfangenen Repliken des durch den Empfänger von dem Trägersignal 210 getrennten Modulationssignals 200 übernimmt gemäß Ausführungsbeispielen die Einrichtung 510 zum Erhalten der Phaseninformationen Δφ_n (n=1,...,N-1) durch Bilden einer Differenz einer ersten Phaseninformation eines ersten Modulationssignals einer ersten Antenne und einer zweiten Phaseninformation eines zweiten Informationssignals einer zweiten Antenne.
Um den Sender 102 möglichst einfach zu halten, wird das Trägersignal 210 von dem modulierenden Signal 200 mittels Amplituden- oder Frequenzmodulation moduliert. Dabei ist das Modulationssignal 200 ein periodisches bzw. harmonisches Signal mit einer für ein Objekt, an dem der Sender 102 angebracht ist, charakteristischen Modulationsfrequenz f_mod. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Frequenz f_mod des Modulationssignals derart eingestellt, dass eine Wellenlänge λ_mod des Modulationssignals 200 eine Größenordnung eines Positionsbestimmungsbereichs, in dem die Position des Objekts mit dem Funksender 102 bestimmt werden soll, aufweist. Ist der Positionsbestimmungsbereich beispielsweise ein Fußballfeld, welches für Gewöhnlich eine Abmessung von 105 m × 68 m (m=Meter) aufweist, so ergibt sich eine vorteilhafte Wellenlänge λ_mod des Modulationssignals von λ_mod = 125 m, was der Länge einer Diagonalen des Fußballfeldes entspricht. Sind vier Antennen 500-1 bis 500-4 beispielsweise in den Eckbereichen des Fußballfeldes, z.B. in den Eckfahnen implementiert, so ergibt sich für jede Position eines Fußballs oder Spielers mit Sender 102 eine relative Phasenlage bzw. Phasendifferenz Δφ_n (n=1,...,N-1) zwischen jeweils zwei Empfangssignalen von 0 bis 2π bzw. 0° bis 360°. Bei einer Wellenlänge λ_mod = 125 m ergibt sich mit f = c/λ eine Modulationsfrequenz f_mod von ca. 2,4 MHz. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist das Modulationssignal 200 eine Modulationssignalfrequenz f_mod in einem Bereich von 1 MHz bis 3 MHz auf.
Für den Anwendungsbereich „Positionsbestimmung auf einem Fußballfeld" ergäben sich bei Modulationsfrequenzen größer als 2,4 MHz für bestimmte Positionen auf dem Fußballfeld Mehrdeutigkeiten bzgl. der Position. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es bei Wellenlängen λ_mod kleiner als beispielsweise die Diagonale des Fußballfelds bei hinreichend weit von einer Antenne entfernten Funksendern 102 zu einem Überlauf der Empfangsphase bzgl. der Sendephase des Modulationssignals 200 kommt. Das bedeutet, dass bei einer Entfernung d_max des Senders 102 von einer Antenne 520-n, die größer als die Wellenlänge λ_mod ist, die Empfangsphase an von 360° auf 0° „umspringt" und somit eine wesentlich kürzere Entfernung des Senders 102 von der Antenne 520-n geschätzt wird. Bei einer Verwendung von hinreichend vielen Antennen, insbesondere bei der Verwendung redundanter Antennen, d.h. mehr Antennen als zur Positionsbestimmung unbedingt notwendig sind, können diese Mehrdeutigkeiten jedoch aufgelöst werden. Somit sind auch Frequenzen f_mod des Modulationssignals 200 denkbar, bei denen die Wellenlänge λ_mod des Modulationssignals 200 kleiner wird als der Positionsbestimmungsbereich.
Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, können über die Empfangsantennen 500-1 bis 500-N Funksignale des zu lokalisierenden Senders 102 empfangen werden. Durch unterschiedliche Entfernungen bzw. Abstände d_n (n= 1,...,N) der einzelnen Antennen 520-1 bis 520-N zu dem Sender 102 weisen die verschiedenen Empfangssignale r₁(t) bis r_N(t) unterschiedliche Laufzeiten τ₁ bis τ_N und damit unterschied liche Phasenlagen zueinander auf. Dieser Zusammenhang ist schematisch in 6 und 7 gezeigt.
6 zeigt einen Sender 102 mit einem ersten Abstand d₁ zu einer ersten Antenne 520-1 und mit einem zweiten Abstand d₂ zu einer zweiten Antenne 520-2.
Aufgrund der größeren Entfernung des Funksenders 102 zu der zweiten Antenne 520-2, braucht ein von dem Sender 102 ausgesendetes Funksignal 104 eine längere Laufzeit zu der zweiten Antenne 520-2 als zu der ersten Antenne 520-1. Demnach weisen die, über die beiden Antennen 520-1, 520-2 empfangenen, Repliken des Sendesignals bzw. des von dem Trägersignal 210 getrennten Modulationssignals 200 unterschiedliche Phasenlagen zueinander auf, wie es schematisch in 7 gezeigt ist.
7 zeigt ein über die erste Antenne 520-1 empfangenes Modulationssignal 200-1 und ein über die zweite Antenne 520-2 empfangenes Modulationssignal 200-2. Durch die größere Laufzeit des Sendesignals vom Sender 102 zur zweiten Antenne 520-2 ist das zweite Modulationssignal 200-2 gegenüber dem ersten Modulationssignal 200-1 um eine Phasendifferenz Δφ verschoben. Die Phasendifferenz Δφ ergibt sich aus Δφ = 2πf_mod(τ2-τ1).
Eine Phasenmessung bzw. eine Phasendifferenzmessung lässt sich technisch sehr genau realisieren. Bei einer Modulationsfrequenz f_mod von beispielsweise 2 MHz und einer Messrate von beispielsweise 2.000 Positionen pro Sekunde kann z. B. über 1.000 Phasenmessungen gemittelt werden, um einen Phasenwert bzw. einen Phasendifferenzwert zu erhalten. Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung 510 zum Erhalten der Phaseninformation also ausgebildet, um eine Genauigkeit der Phaseninformation durch eine Mittelung einer Mehrzahl von Phaseninformationen zu erhöhen. Ist die Phasendifferenz Δφ derart ermittelt worden, so kann die Differenz Δd zwischen den beiden Entfernungen d₁ und d₂ gemäß Δd = Δφ/(2πf_mod)c bestimmt werden, wobei c für die Lichtgeschwindigkeit steht.
Nach entsprechender Phasen- bzw. Phasendifferenzmessung liefert die Einrichtung 510 zum Erhalten der Phaseninformationen Phasendifferenzen Δφ₁ bis Δφ_N-1 zu der Einrichtung 530 zum Bestimmen Position des Funksenders 102 basierend auf den Phaseninformationen Δφ₁ bis Δφ_N-1.
Zur Bestimmung der Positionen von Spielern oder des Spielballs bei einem Ballspiel auf einem Spielfeld wird im Allgemeinen eine zweidimensionale Positionsbestimmung ausreichend sein. Für eine zweidimensionale Positionsbestimmung mittels Phasendifferenzen werden wenigstens drei Empfangsantennen benötigt. Befindet sich der zu lokalisierende Spieler oder Ball an den zu bestimmenden Koordinaten (x₀, y₀), die erste Antenne 520-1 an den Koordinaten (x₁, y₁), die zweite Antenne 520-2 an den Koordinaten (x₂, y₂) und die dritte Antenne 520-3 an den Koordinaten (x₃, y₃), so lässt sich die Position (x₀, y₀) mittels des folgenden Gleichungssystems bestimmen (x0 – x1)2 + (y0 – y1)2 = d1 2 (x0 – x2)2 + (y0 – y2)2 = d2 2 (x0 – x3)2 + (y0 – y3)2 = d2 2.
Dabei bezeichnet d₁ die Entfernung des Spielers bzw. des an dem Spieler angebrachten Senders 102 zu der ersten Antenne 520-1, d₂ bezeichnet die Entfernung des Spielers zu der zweiten Antenne 520-2 und d₃ bezeichnet die Entfernung des Spielers zu der dritten Antenne 520-3. Bezeichnet man ferner (d₂ – d₁) mit Δd₁₂ und (d₃ – d₁) als Δd₁₃, so kann obiges Gleichungssystem umgeformt werden zu (x0 – x1)2 + (y0 – y1)2 = d1 2 (x0 – x2)2 + (y0 – y2)2 = (d1 + Δd12)2 (x0 – x3)2 + (y0 – y3)2 = (d1 + Δd13)2.
Obiges Gleichungssystem weist nun lediglich drei Unbekannte nämlich x₀, y₀ und d₁ auf, die mittels der drei Gleichungen bestimmt werden können. Die Werte für Δd₁₂ und Δd₁₃ können, wie oben bereits beschrieben wurde, anhand der Phasendifferenzen der von den drei Antennen empfangenen Modulationssignalrepliken mittels Δd = Δφ/(2πf_mod)c bestimmt werden.
Soll zusätzlich zu den Spielerpositionen auf einem Spielfeld beispielsweise auch eine Flugkurve eines Balls 110 dreidimensional bestimmt werden, so sind vier Antennen notwendig. Dazu zeigt 8 ein Fußballfeld 800 als Positionsbestimmungsbereich mit vier Antennen 520-n (n=1,2,3,4), die jeweils in einem Eckbereich des Fußballfelds 800 angebracht sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen können die Antennen auch jeweils an unterschiedlichen Torpfosten zweier unterschiedlicher Tore angebracht sein. Andere, beliebige Positionen für die Antennen innerhalb Fußballstadions sind natürlich genauso denkbar.
Auf dem Fußballfeld 800 befindet sich ein Ball 110, ein erster Spieler 100-1 und ein zweiter Spieler 100-2. Der Ball 110, der erste Spieler 100-1 und der zweite Spieler 100-2 weisen jeweils einen Funksender 102-1, 102-2 und 102-3 auf, wobei die Funksender ausgebildet sind, um jeweils ein für den Ball 110, für den ersten Spieler 100-1 und für den zweiten Spieler 100-2 charakteristisches Sendesignal zu senden. Dabei setzen sich die charakteristischen Sendesignale 104-1, 104-2, 104-3 jeweils aus einem Trägersignal 210 mit der Trägerfrequenz f_c und charakteristischen Modulationssignalen 200-1, 200-2, 200-3 mit Modulationsfrequenzen f_mod,1, f_mod,2, f_mod,3 zusammen. Ein schematisch dargestelltes Spektrum für das in 8 dargestellte Szenario ist in 9 gezeigt.
9 zeigt ein Trägersignal 210 mit einer Frequenz f_c, auf das Modulationssignale 200-1, 200-2, 200-3 mit unter schiedlichen Modulationsfrequenzen f_mod,1, f_mod,2, f_mod,3 aufmoduliert sind. Dabei entspricht die Modulationsfrequenz f_mod,1 beispielsweise dem Modulationssignal des Balls 110, die Modulationsfrequenz f_mod,2 dem Spieler 100-1 und das Modulationssignal mit der Frequenz f_mod,3 dem Spieler 100-2. Das in 9 gezeigte schematische Spektrum ergibt sich im Falle einer Amplitudenmodulation.
Die unterschiedlichen, dem Ball 110 und den Spielern 100-1, 100-2 zuordenbaren Modulationssignale 200-1, 200-2, 200-3 können in der Vorrichtung 500 mit geeigneten Empfängern, beispielsweise Amplituden-Demodulatoren oder Frequenz-Demodulatoren, und geeigneten Filtern für die unterschiedlichen Frequenzen f_c±f_mod,1 f_c±f_mod,2, f_c±f_mod,3 separiert werden. Dazu sind die Antennen 520-1 bis 520-4 mit Kabeln 810-1 bis 810-4 mit der Vorrichtung 500 gekoppelt. Die Kabel 810-1 bis 810-4 sind vorzugsweise gleich lang, oder weisen zumindest eine berechenbare Länge auf. Die gleiche Länge der Kabel 810-n von den Antennen 520-n (n=1,...,4) zu der Vorrichtung 500 ist vorteilhaft, um durch Signallaufzeiten durch die Kabel 810-1 bis 810-4 keine zusätzlichen unterschiedlichen Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Empfangszweigen zu erhalten.
Aufgrund der von den beweglichen Objekten 110, 100-1, 100-2 gesendeten und von den Antennen 520-n (n=1,...,4) empfangenen Signalen, können deren Positionen dem Fußballfeld 800 berechnet werden, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde. In dem in 8 gezeigten Szenario ist es durch die vier Antennen 520-n (n=1,...,4) sogar möglich, die Positionen dreidimensional zu bestimmen. Das heißt, auch dreidimensionale Flugbahnen des Balls 110 können beispielsweise bestimmt werden.
Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, werden die Frequenzen f_mod,1 f_mod,2, f_mod,3 der Modulationssignale 200-1, 200-2, 200-3 dabei vorteilhaft so gewählt, dass die entsprechenden Wellenlängen λ_mod,1 λ_mod,2, λ_mod,3 der Modulations signale in etwa die Größenordnung des zu überprüfenden Bereichs haben. Ist der zu überprüfende Bereich, wie im vorliegenden Fall, ein Fußballfeld und sind die Antennen 520-n in den Eckbereichen des Fußballfelds angebracht, so ergeben sich vorteilhafte Modulationsfrequenzen f_mod,x in einem Bereich kleiner 2,4 MHz. Dadurch kann mit einer Wellenlänge, die in etwa die Länge des zu überwachenden Bereichs, also des Fußballfelds 800 hat, jede Position auf dem Spielfeld auf eine Phase bzw. einen Phasenunterschied Δφ_n (n=1,...,N-1) zwischen von den N Empfangsantennen empfangenen Repliken der Modulationssignale von 0 bis 2π bzw. 0° bis 360° abgebildet werden. Bei einer wesentlich höheren Frequenz des aufmodulierten Signals wäre eine Zuordnung einer Position auf dem Spielfeld zu einer gemessenen Phase bzw. Phasendifferenz mehrdeutig. Durch eine hinreichend hohe Anzahl von Antennen kann aber auch diese Mehrdeutigkeit aufgelöst werden.
Des Weiteren resultiert aus einem niederfrequenten Modulationssignal 200 auch eine entsprechend geringe Bandbreite. Um existierende Systeme in einem bestimmten Frequenzband, wie beispielsweise ein WLAN-System im 2,4-GHz-Frequenzband, nicht zu stören, ist eine möglichst geringe Bandbreite des Modulationssignals vorteilhaft.
Bei der Überwachung eines Spielfelds 800 ist eine extrem hohe Genauigkeit der Positionsbestimmung, wie beispielsweise bei einer Torentscheidung, nicht so wichtig. Lässt sich beispielsweise eine Phase bzw. eine Phasendifferenz auf 1° genau bestimmen, so ergibt sich bei einer Wellenlänge λ_mod = 125 m eine Auflösung von Δd = 125m/360° = 0,35 m/°. Eine Auflösung dieser Größenordnung ist für die Analyse eines Spielverlaufs und von Bewegungen von Spielern auf dem Spielfeld absolut ausreichend. Gemäß Ausführungsbeispielen beträgt eine Genauigkeit der Phaseninformationen bzw. eine Phasendifferenz einen Wert kleiner als 1°.
Konkrete Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liegen, wie bereits angedeutet, in der Verfolgung von Spielern und Spielbällen in einem Ballspiel, um beispielsweise Aussagen über einen Spielverlauf treffen zu können.
Natürlich sich auch andere Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts denkbar, wo ein Auffinden von Objekten, insbesondere beweglichen Objekten, in einem vorbestimmten Bereich notwendig oder vorteilhaft ist.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtungen oder die erläuterte Vorgehensweise beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, so lange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung auch auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts (100; 110) mit einem Funksender (102), der ein Sendesignal (104) aus einem Trägersignal (210) und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal (200) senden kann, wobei das Sendesignal von wenigstes drei Antennen (520) empfangbar ist, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (510) zum Erhalten von Phaseninformationen (Δφ) des von den wenigstens drei Antennen (520) empfangenen Modulationssignals (200), für jede Antenne; und einer Einrichtung (530) zum Bestimmen der Position des Funksenders (102) basierend auf den Phaseninformationen (Δφ).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Frequenz (f_c) des Trägersignals (210) in einem Frequenzbereich von 2,2 GHz bis 2,6 GHz liegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Frequenz (f_mod) des Modulationssignals (200) derart eingestellt ist, dass eine Wellenlänge (λ_mod) des Modulationssignals (200) eine Größenordnung eines Positionsbestimmungsbereichs aufweist, indem die Position des Objekts (100; 110) bestimmt werden soll.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Frequenz (f_mod) des Modulationssignals (200) in einem Bereich von 1 MHz bis 3 MHz liegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (510) zum Erhalten der Phaseninformation ausgebildet ist, um eine Genauigkeit der Phaseninformation durch eine Mittelung einer Mehrzahl von Phaseninformationen zu erhöhen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der eine Genauigkeit der Phaseninformationen einen Wert kleiner als 1° beträgt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (510) zum Erhalten der Phaseninformationen ausgebildet ist, um eine relative Phasenlage (Δφ) durch Bilden einer Differenz in einer ersten Phaseninformation eines ersten Modulationssignals einer ersten Antenne und einer zweiten Phaseninformation eines zweiten Informationssignals einer zweiten Antenne zu erzeugen.
System, mit wenigsten drei Antennen (520); und einer Vorrichtung (500), die mit den wenigstens drei Antennen (520) koppelbar ist, um eine Position eines Objekts (100; 110) mit einem Funksender (102) zu bestimmen, wobei der Funksender ein Sendesignal (104) aus einem Trägersignal (210) und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal (200) senden kann, mit einer Einrichtung (510) zum Erhalten von Phaseninformationen des von den wenigstens drei Antennen empfangenen Modulationssignals, für jede Antenne, und einer Einrichtung (530) zum Bestimmen der Position des Funksenders basierend auf den Phaseninformationen.
System gemäß Anspruch 8, wobei die wenigstens drei Antennen (520) jeweils in einem Bereich um Eckpunkte eines Fußballfeldes angebracht sind.
System gemäß Anspruch 8, wobei die wenigstens drei Antennen (520) jeweils an unterschiedlichen Torpfosten zweier unterschiedlicher Tore angebracht sind.
Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts (100; 110) mit einem Funksender (102), der ein Sendesignal (104) aus einem Trägersignal (210) und einem für das Objekt charakteristischen Modulationssignal (200) senden kann, wobei das Sendesignal von wenigstens drei Antennen (520) empfangbar ist, mit folgenden Schritten: Erhalten von Phaseninformationen des von den wenigstens drei Antennen (520) empfangenen Modulationssignals (200), für jede Antenne; und Bestimmen der Position des Funksenders (102) basierend auf den Phaseninformationen.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 11, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.