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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der sich ändernden
Position eines mobilen Senders in einem dreidimensionalen Raum nach dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Aus
der
EP 1 556 713 B1 ist
ein Verfahren zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung der Position von
wenigstens einem mobilen Objekt sowie zugehörige Sender
und Empfänger bekannt, bei dem ein an dem Objekt angebrachter
Sender und mehrere Empfänger eines stationären
Empfänger- und Signalverarbeitungsnetzwerks vorgesehen
sind, wobei die von dem Sender emittierten Signale elektromagnetische, in
einem Frequenzbandbereich im Zeitmultiplexverfahren ausgesandte
Wellen sind und den Empfängern das Sendemuster des Senders vorbekannt
ist. Aus den Empfangssignalen werden unter Berücksichtigung
der Sendesignale Laufzeiten (so genannte TOA-Werte (time of arrival))
zwischen dem Sender und jeweils den Empfängern bestimmt,
wobei dies durch Auswertung der Amplitude von Korrelationskurven über
der Zeit durchgeführt wird. Aus beispielsweise zwölf
TOA-Werten von zwölf Empfängern wurden durch Bezug
auf einen der Empfänger elf Laufzeitdifferenzen, so genannte
TDOA-Werte (TDOA – time difference of arrival) gebildet,
aus denen durch hyperbolische Triangulation, die in einem Kalman-Filter
implementiert ist, die jeweilige Position des Senders berechnet
wird, wobei dann auch Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bekannt
sind. Dieses Verfahren bzw. diese bekannte Vorrichtung wurde beispielsweise
zur Echtzeitverfolgung eines Balls und/oder von Spielern auf einem
Spielfeld, z. B. ein Fußballfeld angewandt.
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Wie
ausgeführt wurde, wurde der TOA-Wert aus dem Betragsverlauf
der Korrelation zwischen Sende- und Empfangssignal über
der Zeit durch Bestimmen des Maximums der Kurve gewonnen. Eine solche
Korrelationskurve wird jedoch durch Mehrwegeausbreitung aufgrund
von Reflexionen des Sendesignals deutlich verformt, so dass die
Zuverlässigkeit der TOA-Werte unter Umständen
merklich sinkt, so dass eine präzise Zuordnung zur LOS-Komponente (LOS – line
of sight – Sichtlinie) der Signalausbreitung undeutlicher
werden kann.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen
der sich ändernden Position eines mobilen Senders in einem dreidimensionalen
Raum zu schaffen, bei denen die Genauigkeit der Berechnung von Positionen
verbessert wird und insbesondere Effekte durch die Mehrwegesignalausbreitung
verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des
Oberbegriffs gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch,
dass bei der Auswertung der Empfangssignale zusätzlich
zur Korrelationskurve als Betrag über der Zeit Korrelationskurven
als Verläufe in der komplexen Ebene erstellt werden und
dass aus diesen Verläufen in der komplexen Ebene unter
Verwendung von Informationen aus den Betragsverläufen Phasen-Werte
bestimmt werden und anschließend die Position des mobilen
Senders unter Berücksichtigung der TOA-Werte und der Phasen-Werte
berechnet werden, können insbesondere Bewegungstrajektorien,
d. h. Bewegungsverläufe der Sender von Effekten der Mehrwegesignalausbreitung
größtenteils befreit werden, so dass die Positionsberechnung insgesamt
verbessert wird. Im Positionsergebnis wird die absolute Position
eher durch die TOA-Werte gegeben, während die Phaseninformation
dafür sorgt, dass Relativbewegungen sehr sauber dargestellt werden.
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Vorzugsweise
werden, wenn der Sender oder die Sender nicht mit den Empfängern
synchronisiert sind, Phasendifferenzwerte jeweils zwischen zwei
Empfängern berechnet und zur Auswertung herangezogen. Im
Falle, dass der oder die Sender mit den Empfängern bzw.
dem Empfängernetzwerk synchronisiert sind, können
direkt die Phasen-Werte verwendet werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform werden die TOA-Werte
durch Bestimmung des Wendepunktes des Betrages der Korrelationskurve
erhalten, die Wahl dieses Punktes verbessert die Genauigkeit, da
der Wendepunkt auf der LOS-Kurve liegt, die die zu messende Distanz
darstellt und ist daher zur Festlegung des TOA-Wertes besser als
das Maximum geeignet.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass ein Empfänger als Referenzempfänger
dient und Phasendifferenzwerte in Bezug auf den Referenzempfänger
berechnet werden.
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Vorteilhaft
ist, dass die Sendesignale auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert
sind, wobei das erfindungsgemäße System nicht
auf die im Ausführungsbeispiel angegebenen Frequenzen,
Bandbreiten und Modulationsarten beschränkt ist. Beispielsweise
kann das System neben dem 2,245 GHz-Band ebenso für das
5 GHz ISM Band und andere Frequenzbänder ausgelegt werden.
Als Modulationsarten zur Erzeugung von Codesequenzen können
unter anderen QPSK, BPSK, 8PSK, BOC (Binary Offset Carrier) oder
dgl. verwendet werden.
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Die
Auswerteeinrichtung umfasst vorzugsweise ein Kalman-Filter, das
die dreidimensionale Position und die dreidimensionale Geschwindigkeit des
jeweiligen beweglichen Senders liefert. Falls gewünscht
wird auch die dreidimensionale Beschleunigung bestimmt.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die Auswerteeinrichtung
in jedem Empfänger eine Auswerteeinheit und einen oder
mehrere zentrale Rechner, es kann jedoch die Auswertung auch in
einer anderen Aufteilung, z. B. nur in den Empfängern oder
nur in zentralen Einheiten durchgeführt werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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2 eine
Darstellung von Korrelationskurven als Betrag über der
Zeit,
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3 eine
idealen Korrelationskurve in der komplexen Ebene,
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4 eine
3D-Darstellung einer idealen komplexen Korrelation,
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5 eine
Darstellung des Verlaufs einer durch Mehrwegeausbreitung verformten
Korrelation in der komplexen Ebene,
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6 eine
Darstellung des Betragverlaufs der Korrelation über der
Zeit entsprechend 5, und
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7 eine
Darstellung von Phasendifferenzmesswerten eines still stehenden
Senders von mehreren Empfängern.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt,
die dazu dient, einen beweglichen Gegenstand kontinuierlich zu verfolgen.
Das bewegliche Objekt kann ein oder mehrere Bälle und/oder ein
oder mehrere Sender an Spielern sein, die sich auf einem Spielfeld 1 bewegen.
Dabei ist an jedem Gegenstand ein Sender 2 angebracht,
der sich mit dem Ball oder Spieler bewegt. Um das Spielfeld herum
sind im Aus führungsbeispiel vier Empfänger 3 feststehend
angebracht, die zeitlich untereinander synchronisiert sind, im Ausführungsbeispiel
mit einer gemeinsamen Taktquelle verbunden sind, und die mit einem
oder mehreren zentralen Rechnern 4 über feste
Leitungen, Funk oder sonstige Übertragungsmittel verbunden
sind. Selbstverständlich können mehr Empfänger
vorgesehen werden, um eine besonders genaue Verfolgung der Position
eines Objekts zu erzielen.
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Der
Sender 2 bzw. die Sender 2 – es wird
jedoch in der folgenden Beschreibung immer nur von einem Sender
geredet – sendet im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein auf einer gewählten Trägerfrequenz von 2445
MHz mit einer Modulationsbandbreite von etwa 77 MHz moduliertes
Signal, das beispielsweise entsprechend der QPSK-Methode (quadrature
Phase shift keying) moduliert ist und als eine Folge von Signalbursts
von dem Sender 2 abgestrahlt wird. Die Empfänger 3 empfangen
die ausgesandten Signalbursts, verarbeiten die Empfangssignale durch ”Heruntermischen” von
2445 MHz ins Basisband und kontinuierliches Abtasten. Dabei wird die
Trägerfrequenz entfernt, die Phaseninformation bleibt erhalten.
Die digitalisierten Werte werden zur weiteren Verarbeitung an den
Rechner 4 gesendet. Der Rechner 4 bildet gegebenenfalls
mit einem Teil der Empfänger 3 eine Auswerteeinrichtung.
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In
den Empfängern 3 bzw. dem Rechner 4 werden
Korrelationskurven erstellt, wie sie in den 2 bis 4 für
einen idealen Zustand und in den 2, 5 und 6 für
einen realen Zustand mit Mehrwegausbreitung dargestellt sind.
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Aus
der 2, die den Betragsverlauf einer idealen Korrelation 5 und
einer durch Mehrwegausbreitung ver formten Korrelation 6 über
der Zeit zeigt, wird ein TOA-Wert bestimmt, der jeweils von einem Empfänger 3 generiert
wird. Der TOA-Wert kann unter Verwendung der maximalen Amplitude 7 oder
des Wendepunkts 8 bestimmt werden. Wie jedoch anhand von 2,
Kurve 6 zu erkennen ist, wird der ideale Korrelationsverlauf 5 zum
Teil deutlich durch Mehrwegeausbreitung verformt, wodurch eine präzise
Zuordnung eines ”richtigen Maximums” nur schlecht
möglich ist.
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Zur
idealen TOA-Wert-Gewinnung aus seiner Korrelationskurve wäre
es im Prinzip wünschenswert, wenn der ”Korrelationspeak” eine
infinitesimal kleine zeitliche Ausdehnung hätte. Dies ist
aber bei der Realisierung nicht der Fall, sondern die zeitliche Ausdehnung
hängt von der genutzten Modulationsbandbreite ab, und zwar
umgekehrt proportional zur Symbolrate. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel führt
die Bandbreite von 77 MHz bei einer idealen Korrelation zu einer
zeitlichen Aufweitung von ca. 50 ns bei 30% der Amplitude des Korrelationspeaks. Bildlich
ausgedrückt ist dadurch die Kurve weniger scharf und der
TOA-Wert kann weniger eindeutig abgelesen werden. Lange Reflexionsumwege
führen zu mehreren zeitlich klar trennbaren Korrelationspeaks und
können klar unterschieden werden. Jedoch führen
kurze Reflexionsumwege zu mehreren Korrelationspeaks bzw. -maxima,
die allerdings in der Gesamtkurvenform miteinander verschmelzen
(siehe 2). Dadurch wird das Ablesen des TOA-Werts schwieriger
und fehlerbehafteter.
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Wie
schon in Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben wurde,
wurden für die Bestimmung der Bewegungstrajektorien Laufzeitdifferenzen
bzw. TDOA-Werte aus den TOA-Werten gebildet, was aber zu effektbehafteten
Ergebnissen aufgrund der Mehrwegeaus breitung führen kann.
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Daher
wird erfindungsgemäß aus den komplex modulierten
Signalbursts eine komplexe Korrelationskurve bestimmt, die in 3 und 4 für
die ideale Korrelation dargestellt ist. Wie in diesen Figuren zu
erkennen ist, gibt es auch hier einen Korrelationspeak und es wird
deutlich, dass dieser Korrelationspeak eine Winkelausrichtung in
der komplexen Ebene aufweist. Genau dieser Winkel ergibt eine zusätzliche
Information, die gemäß der Erfindung zusätzlich
als Messwert verarbeitet wird. Die positive Eigenschaft, die genutzt
wird, ist die Tatsache, dass das Resultat für den Winkel
weit weniger durch Mehrwegeausbreitung beeinflusst wird. Letztendlich
entspricht der Signalbandbreite, die das Winkelergebnis in seiner
Präzision bestimmt, die gewählte Trägerfrequenz
und nicht, wie oben zum TOA-Wert erläutert, die Modulationsbandbreite.
Die Beeinflussbarkeit des Phasenwertes durch Mehrwegeausbreitung
ist somit in der Abschätzung beim aktuellen Ausführungsbeispiel
ca. um den Faktor 32 geringer, nämlich 2445 MHz/77 MHz
= 31,75. Der räumliche Eindeutigkeitsbereich eines Phasenergebnisses
entspricht einer Wellenlänge, d. h. im vorliegenden 12,3
cm entsprechend der Mittenfrequenz von 2445 MHz.
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In
den 5 und 6 sind die Verläufe
in der komplexen Ebene (5) und des Betrages in Abhängigkeit
von der Zeit (6) einer real gemessenen Korrelationskurve
dargestellt. In 6 ist zu sehen, dass das Maximum 9 der
Korrelationskurve aus zwei überlappenden, idealen Korrelationen
aufgebaut ist, wobei dies auf ein Ausbreitungsverhalten mit zwei
Pfaden hinweist, beispielsweise Ausbreitung entsprechend der Sichtlinie
(LOS) und mit Bodenreflexion.
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In 6 ist
neben dem Maximum 9 der Wendepunkt 10 markiert.
Das Maximum 9 würde ein falsches TOA- und damit
Distanzmessergebnis liefern, da es durch den Einfluss des Reflexionspfads
deutlich in der Zeit verschoben wurde. Der Wendepunkt ist zur Festlegung
des TOA-Wertes besser geeignet, da er auf der Sichtkurve (LOS-Kurve)
liegt, die die zu messende Distanz darstellt.
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In 5 ist
nun der Verlauf der durch Mehrwegausbreitung verformten Korrelation
in der komplexen Ebene dargestellt, wobei der Phasenwinkel 11 aus
dem Maximum und der Phasenwinkel 12 aus dem Wendepunkt
des Betragsverlaufs nach 6 dargestellt ist. Diese Werte
werden dadurch erhalten, dass die zeitliche Information aus dem
Betragsverlauf auf den Verlauf der verformten Korrelation in 5 durch ”Entlangfahren” auf
der Kurve übertragen wird. Der Phasenwinkel ist jeweils
zwischen den Linien 11, 12 und der Abszisse definiert.
Die Betragskurve über der Zeit und die komplexe Korrelation
sind grundsätzlich äquivalente Darstellungen,
die ausgehend von den genau gleichen Abtast- bzw. erhaltenen Ergebniswerten
der Korrelation gezeichnet werden können. Somit ist auch
der Zeitbezug zwischen Betragsdarstellung und komplexer Darstellung
eindeutig und übertragbar.
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In 5 wurden
als charakteristische Punkte auf der Korrelationsbetragskurve das
Maximum und der Wendepunkt gewählt. Es ist im konkreten Ausführungsbeispiel
bei der Bestimmung der Phase im Prinzip jeder beliebige charakteristische
Punkt wählbar, da Messwertdifferenzen gebildet werden. Bedingung
ist nur, dass die beiden Phasenmesswerte, aus denen eine Differenz
gebildet wird, einem gleich definierten Kriterium entsprechen.
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Die
so aus den Kurven nach 5 für jeden Empfänger
gefundenen Phasenwerte werden in dem Rechner 4 weiter verarbeitet,
indem jeweils Phasendifferenzen zwischen zwei Empfängerstandorten
gebildet werden. Die Empfänger 3 sind, wie ausgeführt, dank
Vernetzung zu einer gemeinsamen Taktquelle, beispielsweise einem
Takt- und Triggergenerator phasenstarr miteinander verbunden. Der
absolute Phasenwert an einem Empfänger 3 ist ohne
Aussagekraft, da der Sender 2 nicht zu dem Empfängernetzwerk
synchronisiert ist. Die Phasendifferenzen besitzen jedoch die gewünschte
Aussagekraft. Bewegt sich z. B. ein Sender 2 zwischen den
Sendebursts nicht, ist die erhaltene Phasendifferenz zwischen zwei
Empfängern 3 beim ersten Burst die gleiche wie
beim zweiten Burst. Beim Positionsergebnis kann dann die Information
z. B. so benutzt werden, dass die Position sich nicht verändert
haben kann.
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Liegt
allerdings eine Bewegung des Senders 2 vor, verändern
sich die Phasendifferenzen entsprechend der Bewegungsrichtung des
Senders 2 und entsprechend der geometrischen Anordnung
der Empfängerantennen. Werden Phasen oder Phasendifferenzwerte
verarbeitet, so kann die Relativbewegung zwischen zwei Bursts mit
im Ausführungsbeispiel um bis zu Faktor 32 vermindertem
Einfluss durch Mehrwegeausbreitung im Vergleich zur reinen TOA-Wert-Verarbeitung
dargestellt werden. Für die dreidimensionale Abbildung
im Raum ist es vorteilhaft, wenn, wie im gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel,
eine Mehrzahl von Empfängern vorgesehen, wobei ihre Verteilung
im Raum, aber auch die Anbringung der Sender am beweglichen Objekt
die dreidimensionale Genauigkeit beeinflusst.
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In 7 sind
beispielhaft Phasendifferenzmesswerte eines still stehenden Senders 2 von
mehreren Empfängern, bei der 7 von zwölf
Empfängern 3 dargestellt. Die einzelnen Kurven
zeigen die gemessenen Phasendifferenzen zwischen jeweils zwei Empfängern.
Dazu wurden die Differenzen immer zum Empfänger mit der
Nr. 5 (Rx05) gebildet, der absolut starr und feststehend montiert
ist. Zu erkennen sind in der 7 vier Kurven 13, 14, 15, 16,
die Schwingungen aufweisen. Diese gehören zu den Empfängern
Rx01 bis Rx04, bei denen es sich um Empfänger handelt,
die so befestigt sind, dass sie sich noch leicht bewegen können.
Weiterhin sind sieben Kurven 17 bis 23 ohne Schwankungen
zu erkennen, die dazu gehörigen Empfänger sind
ebenfalls absolut starr angebracht. Die Phasenmesswerte wurden nicht
in Grad oder Radiant, sondern in Pikosekunden gezeichnet, da eine
solche Umrechnung eine Verbesserung des Vergleichs mit TOA-Werten
gestattet. Dies kann über eine einfache Umrechung mit Hilfe
der Trägerfrequenz und der Lichtgeschwindigkeit geschehen.
Hierbei entsprechen 409 psec einer Wellenlänge von 12,3
cm oder 360° in der Phase. Durch das geringe Rauschen auf
den Phasendifferenzkurven ergibt sich eine Positionsauflösungsfähigkeit
des Systems für Relativbewegungen im Bereich weniger Millimeter.
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Bei
der Bewegung des Senders 2, im Ausführungsbeispiel
auf dem Spielfeld 1 darf sich dieser zwischen zwei Bursts
im Prinzip nicht weiter als ± eine halbe Wellenlänge
bewegen, um die Eindeutigkeit der Phasenmessung nicht zu verletzen.
Dies ist z. B. bei einem Sender 2, der in einem Fussball
befestigt ist, bei den bekannten auftretenden Geschwindigkeiten
von bis zu 150 km/h und einer Burstrate von 2000 pro Sekunde gegeben,
d. h. bei 150 km/h und 2000 Bursts bewegt sich der Ball zwischen
2 Bursts sogar nur um etwa 2 cm. Im Ausführungsbeispiel
ist die Burstrate bei einem Sender 2, der an einem Spieler
befestigt ist, typischerweise 200 pro Sekunde. Hier kann der Eindeutigkeitsbereich
verletzt werden, falls der Sender 2 am Ende von Extremitäten
befestigt ist, die sehr schnell pendeln können. Allerdings
ist es möglich, Prädikationsverfahren für
die Bewegungsgeschwindigkeit anzuwenden, wobei das Eindeutigkeitsfenster
der Phasenmessung entsprechend der gerade anliegenden Bewegungsgeschwindigkeit
entsprechend verschoben wird.
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In
dem Rechner werden alle TOA- bzw. TDOA- und Phasen- oder Phasendifferenzwerte
verwendet, um die Positionen zu bestimmen. Üblicherweise
wird zur Auswertung ein Kalman-Filter verwendet, wobei jedoch auch
andere Verfahren und Verarbeitungseinrichtungen verwendet werden
können, wie algebraische Algorithmen, z. B. der Bancroft-Algorithmus
oder wie neuronale Netze oder Partikelfilter. Aus dem Ergebnis des
Kalman-Filters werden drei Koordinaten für die Position
(X, Y, Z), drei Vektorkomponenten der Geschwindigkeit VX,
VY, VZ und drei
Vektorkomponenten für die Beschleunigung AX, AY, AZ geliefert.
Dabei werden TOA-Werte mit ihrem absoluten und eindeutigen Charakter
mit der Position in Verbindung gebracht, während die Fortentwicklung der
Phasen mit der Geschwindigkeit in Beziehung gesetzt wird. Gleichzeitig
wirken Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen über
die Ableitungsbeziehungen und statistischen Mechanismen des Kalmanfilters
aufeinander zurück.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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