DE102009031955B4

DE102009031955B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit

Info

Publication number: DE102009031955B4
Application number: DE102009031955.7A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. habil. Finger Adolf; Yun Lu
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: DE102009031955A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit, bei welchem die räumlichen Position der zu ortenden Einheit aus einer Laufzeiteigenschaft von Ultraschall-Signalen zwischen der zu ortenden Einheit und einer Mehrzahl von Referenzpunkten mit festen und vorab bestimmten Koordinaten berechnet wird, wobei dem Ultraschall-Trägersignal eine PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz aufgeprägt wird, mit folgenden Schritten: Generieren einer PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz in einem Sender; Mischen der PN-Code-Sequenz mit einem Ultraschall-Trägersignal in dem Sender; periodisches Ausstrahlen der Ultraschall-PN-Code-Sequenz; Empfangen eines Signal-Rausch-Gemischs an einem Empfänger und Auswerten einer Laufzeiteigenschaft des empfangenen Signals zum Ermitteln der Raumkoordinaten der zu ortenden Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass die PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz mit einer RZ(Return-to-Zero)-Signalform generiert wird, bei der das Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode des Codeimpulses kleiner Eins ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit, bei welchem die räumlichen Position der zu ortenden Einheit aus einer Laufzeiteigenschaft von Ultraschall-Signalen zwischen der zu ortenden Einheit und einer Mehrzahl von Referenzpunkten mit festen und vorab bestimmten Koordinaten berechnet wird, und betrifft insbesondere ein Verfahren, bei welchem dem Ultraschall-Trägersignal eine PN(Pseudozufallsrauschen)Code-Sequenz aufgeprägt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit aus Laufzeiteigenschaften von Ultraschall-Signalen zwischen der zu ortenden Einheit und einer Mehrzahl von Referenzpunkten mit festen und vorab bestimmten Koordinaten.
Satellitennavigationssysteme wie z. B. GPS sind allgemein bekannt und weit verbreitet. Ihre Anwendung in urbanen Bereichen, insbesondere in Gebäuden ist jedoch beschränkt. GPS ist nicht geeignet für eine Ortung mit hoher Genauigkeit, insbesondere im Millimeterbereich. Wegen der relativ geringen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in Luft ist es theoretisch möglich, mit Ultraschall-Ortungssystemen im Innenbereich hohe Genauigkeiten zu erzielen.
Systeme zur Positionsbestimmung mithilfe von Ultraschallsignalen sind aus diversen Schriften bekannt, beispielsweise von M. Addlesee, R. Curwen, S. Hodges, J. Newman, P. Steggles, A. Ward und A. Hopper, ”Implementing a Sentient Computing System”, Computer, Bd. 34, Nr. 8, S. 50–56, Aug. 2001; C. Randell und H. Muller ”Low Cost Indoor Positioning System”, Proc. UbiComp: Ubiquitous Computing, S. 42–48, Sept. 2001; N. B. Priyantha, A. Chakraborty und H. Balakrishnan ”The Cricket Location-Support System”, Proc. Sixth Int'l Conf. Mobile Computing and Netzworking (MobiCom), Aug. 2000 sowie aus den Patentdokumenten EP 0152905 A2 , DE 103 24 651 A1 , US 6141293 , US 7352652 B2 , DE 103 10 857 A1 und DE 39 04 914 A1 . Über eine Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen zwischen Sender und Empfänger werden Abstände zwischen Referenzpunkten und einem oder mehreren zu ortenden Punkten berechnet, und aus diesen Abständen wird dann über Trilateration oder Multilateration die Position. des/der zu ortenden Punkte(s) bestimmt. Sämtliche vorstehend erwähnte Systeme basieren auf schmalbandigen Ultraschall-Signalen und sind mit konventionellen Ultraschall-Transducern als Sender bzw. Empfänger ausgestattet, d. h. mit schmalbandigen Transducern, deren Bandbreite kleiner als 5 kHz ist. Nachteilig bei solchen Systemen ist eine schlechte Echo-Separation, schwierige simultane Arbeitsweise, niedrige Messgenauigkeit, Störanfälligkeit und ein kleiner Versorgungsbereich. Auch weisen schmalbandige Systeme typischerweise geringe Datenraten auf, die es unmöglich machen, in den kurzzeitigen Entfernungsmesssignalen eindeutige Kennungen zu kodieren.
Ein breitbandiges Ultraschall-Ortungssystem ist aus ”Indoor Location Systems”, M. Hazas, PhD-Dissertation, University of Cambridge, 2002 bekannt. Bei diesem werden PN-Codes (Pseudozufallsrauschen – Pseudo Noise), insbesondere Gold-Codes, als Ultraschall-Entfernungsmesssignale genutzt. Hier werden Genauigkeiten von ungefähr 20 mm berichtet.
Weiter Veröffentlichungen zum gleichen Gegenstand finden sich in HAZAS, M. HOPPER, A.: Broadband Ultrasonic Location System for Improved Indoor Positioning. In: IEEE Trans. On Mobile Computing, Vol. 5 Nr. 5 Mai 2006, S. 536–547 und HAZAS, M., WARD, A.: A Novel Broadband Ultrasonic Location System. In Proc. Of Ubi-Comp 2002: Fouth International Conference an Ubiquitous Computing, Lecture Notes in Computer Science Vol. 2498, S. 264–280, Göteborg, schweden Sept. 2002, Springer-Verlag.
PN-Codes stellen Spreizcodes dar, die auch im Mobilfunk zur Datenübertragung per Codemultiplex genutzt werden. Dabei wird ein Datenbit in eine dem Sender zugewiesene Bitfolge, nämlich den Spreizcode übersetzt. Zur Übertragung des Bitwerts 0 wird der Spreizcode selbst, für den Bitwert 1 der inverse Spreizcode übertragen. Die Signale unterschiedlicher Sender, die auf der gleichen Frequenz ausstrahlen, unterscheiden sich im Spreizcode. Die Bits des Spreizcodes nennt man Chips. Der Empfänger filtert das Signal eines bestimmten Senders aus dem Signalgemisch heraus, indem er die Korrelation zwischen dem ihm bekannten Codemuster des Senders und dem Signalgemisch berechnet. Um eine gegenseitige Beeinflussung der Signale der unterschiedlichen Sender zu verringern, werden Codemuster ausgewählt, die unabhängig voneinander sind. Solche Codemuster werden als orthogonal bezeichnet. Die Chips weisen eine Verteilung auf, die von einem Rauschsignal nicht zu unterscheiden ist, daher die Bezeichnung Pseudozufallsrauschen.
Die Messgenauigkeit solcher breitbandigen Ultraschall-Ortungssysteme, die PN-Codes nutzen, hängt nicht mehr von der Impulsdauer der Ultraschall-Entfernungsmesssignale sondern von der Breite des Peaks der Autokorrelationsfunktion (AKF) der Signale ab. Aufgrund der Orthogonalität der Entfernungsmesssignale ist eine simultane Arbeitsweise möglich. Daher kann ein solches System im Vergleich zu schmalbandigen Systemen relativ große Aktualisierungsraten erreichen.
Ein Nachteil solcher auf PN-Codes basierenden breitbandigen Ultraschall-Ortungssysteme ist die schlechte Bandbreite-Ausnutzung. Eine optimale Signal-Bandbreite wäre bei einem Spektrum mit steilen Flanken und flachem Dach gegeben. Codes, die mit Rechteck-Impulsen als Chip-Impuls arbeiten, weisen ein relativ weit verbreitetes Spektrum auf, haben also keine steilen Flanken an den Rändern. Das impliziert eine schlechte Ausnutzung der Kanalkapazität.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch ungünstige Einflüsse einer ungeraden Autokorrelationsfunktion (AKF) und einer ungeraden Kreuzkorrelationsfunktion (KKF). Die günstigen Korrelationseigenschaften von PN-Codes sind für die Codemultiplex-Übertragung nur nutzbar, wenn die verschiedenen beteiligten Signale synchronisiert sind, d. h. wenn zwischen zwei Code-Signalen keine zeitliche Verschiebung besteht. Sind die Signale nicht synchronisiert, so kann sich die Situation ergeben, dass ein erstes Signal gegenüber einem zweiten Signal um tv verschoben und zeitlich benachbarte Daten des ersten Signals verschiedene Vorzeichen haben. Dies kann zu ungünstigen Eigenschaften der Kreuzkorrelationsfunktion mit starken Nebenkeulen und hohen Kreuzkorrelationswerten führen.
Generell hängt die Effizienz eines Ultraschall-Ortungssystems stark von den Spreizspektrum-Codes ab, mit welchen die Ausstrahlungen im Ultraschallfrequenzbereich kodiert werden. Die Codes sollten sehr niedrige Kreuzkorrelationswerte liefern, um Mehrfachzugriffsinterferenzen (MAI – Multiple Access Interference) zu unterdrücken, und sehr geringe Autokorrelationsnebenkeulen, um Intersymbol-Interferenz (ISI) zu reduzieren. Die Form der Autokorrelationsfunktion eines Zufallscodes bestimmt die Unterdrückung von Intersymbol-Interferenz (ISI) im Falle frequenzselektiver Kanäle. Da die zeitlichen Abstände der Kanalechos im Allgemeinen keine ganzzahligen Vielfachen der Bitdauer T sind, ergeben sich Probleme im Falle von Vorzeichenwechseln der Daten.
Ein bedeutsamer Nachteil von Ortungssystemen, die PN-Codes nutzen, besteht darin, dass diese wenig stabil gegenüber kurzzeitigen Störungen sind. Kurzzeitige Störungen weisen relativ große Bandbreiten auf. Die Entfernungsmesssignale (PN-Codes) addieren sich im Übertragungskanal mit kurzzeitigen Störungen, danach passiert das Signalgemisch am Empfänger den Korrelator. Am Ausgang des Korrelators ergeben sich die Entfernungsmessinformationen in Form der AKF-Signale und zusätzlich dieselbe PN-Sequenz aufgrund der Korrelation zwischen kurzzeitigen Störungen und Referenz-PN-Codes. Bezogen auf das Nutzsignal stellt die neu entstandene PN-Sequenz eine breitbandige Störung dar. Im ungünstigen Fall führt dies nicht nur zu einer Messschwankung sondern gar zu einer Messverfälschung.
Aus POGRIBNY, W. et al.: Compression of Location Signals Based an Chirp-Signals and Noise-Like Codes. In: Acta Acustiva united with Acustica, Vol. 88 (2002), S. 678–681 ist eine Verfahren nach dem Oberbegriff der vorliegenden Anmeldung bekannt. Offenbart ist, dass mit Hilfe der Chirps eine Binärkodierung erfolgt. Diese Chirp-Signale werden als Träger für Pseudorauschcodes genutzt. Das Ziel dieses Verfahrens besteht in einer Verbesserung der Signalkompression. Eine Verbesserung der Auflösung derartiger Ortungssysteme wird durch diesen Stand der Technik nicht erreicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes breitbandiges Ultraschallortungssystem mit hoher Auflösung im Submillimeterbereich und guter Stabilität aufzuzeigen, das insbesondere weniger störanfällig gegenüber kurzzeitigen Störungen ist und bei welchem die Kanalkapazität besser ausgenutzt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ultraschall-Ortung vorgeschlagen, bei welchem dem Ultraschall-Trägersignal eine PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz aufgeprägt wird und das folgende Schritte beinhaltet: Generieren einer PN-Code-Sequenz in einem Sender; Mischen der PN-Code-Sequenz mit einem Ultraschall-Trägersignal in dem Sender; periodisches Ausstrahlen der Ultraschall-PN-Code-Sequenz; Empfangen eines Signal-Rausch-Gemischs an einem Empfänger und Auswerten einer Laufzeiteigenschaft des empfangenen Signals zum Ermitteln der Raumkoordinaten der zu ortenden Einheit. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die PN-Code-Sequenz mit einer RZ(return-to-Zero)-Signalform generiert wird, bei der das Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode des Codeimpulses kleiner Eins ist.
In einer Ausgestaltung wird als Ultraschall-Trägersignal eine Folge von Signalchirps genutzt.
In einer anderen Ausgestaltung wird als Chirpdauer des Ultraschall-Trägersignals ein ganzzahliges Vielfaches der Bitdauer der PN-Code-Sequenz gewählt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Chirpdauer des Ultraschall-Trägersignals gleich der Bitdauer der PN-Code-Sequenz. Damit ist es möglich eine hohe Messgenauigkeit bis in den Submillimeterbereich hinein und mit guter Flexibilität zu erreichen.
In einer Ausführung des Verfahrens wird als PN-Codes ein Gold-Codes oder LS(Loosly Synchronized)-Codes genutzt.
Die Raumkoordinaten der zu ortenden Einheit können aus der Laufzeit des Signals zwischen Sender und Empfänger oder der Ankunftszeit des Signals am Empfänger oder der Ankunfts zeitdifferenz zwischen Signalen von mehreren Sendern am Empfänger ermittelt werden. In letzterem Falle ist keine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Kanalschätzung mit den PN-Chirp-Codes als Informationssymbolen realisiert. Das Übertragungssignal kann daraufhin entsprechend den Eigenschaften des Übertragungskanals (der Strecke Sender-Empfänger) erstellt werden, und somit kann der zur Verfügung stehende Frequenzbereich gut ausgenutzt werden. Diese Adaptivität, die auf ständiger Kanalschätzung basiert, kann durch Variationen der Chirp-Amplitude und/oder der Chirpdauer realisiert werden. Die Chirp-Amplitude und die Chirp-Dauer können unabhängig voneinander skaliert werden, und dabei kann die Bandbreite konstant bleiben. Außerdem kann der Einfluss von vorhandenen Störsignalen durch Erhöhung der Signalenergie verkleinert werden. Diese Erhöhung kann entweder durch Erhöhung der Signalamplitude oder der Signallänge erfolgen.
Außerdem kann die Anpassung des gesendeten Signalcodes an Kanaleigenschaften durch Änderung des Tastverhältnisses des PN-Codes über eine Änderung der Impulsperiode erfolgen.
Eine erste Ausführungsform einer Ortungsanordnung umfasst mehrere Sender, die jeweils an einem Referenzpunkt der Mehrzahl von zueinander beabstandeten ortsfesten Referenzpunkten angeordnet sind. Nach einer Vorsynchronisation zwischen Sendern und Empfänger, die beispielsweise über Funk erfolgen kann, strahlen die Sender dann nach einem Trigger-Signal periodisch jeweils zueinander orthogonale Ultraschall-Codes aus. Anders ausgedrückt werden Ultraschall-Codes verwendet, deren Kreuzkorrelation in parallel arbeitenden Systemen keine ausgeprägten Maxima zeigen. Der Empfänger ist bei dieser Ausführungsform an der zu ortenden Einheit angeordnet.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist an der zu ortenden Einheit kein Empfänger sondern der Sender angeordnet. In diesem Falle befinden sich mehrere, mindestens drei, Empfänger an einem Referenzpunkt der Mehrzahl von zueinander beabstandeten ortsfesten Referenzpunkten.
Die Ortungsanordnung kann auch mehrere sich unabhängig voneinander bewegende zu ortende Einheiten aufweisen, an denen jeweils ein Sender angeordnet ist. Die Sender der mehreren zu ortenden Einheiten strahlen dann PN-Code-Sequenzen aus, die jeweils codeorthogonal zueinander sind und die über Funk synchronisiert werden können. Alle Sender können gleichzeitig aktiv sein.
Als Sendeelemente und/oder Empfangselemente werden in der erfindungsgemäßen Ortungsanordnung breitbandige Ultraschall-Transducer eingesetzt. Bevorzugt werden dafür Piezofolie-Transducer, beispielsweise PVDF-Transducer, genutzt. Mit diesen werden die Anforderungen an sowohl Bandbreite als auch Strahlkegel erfüllt.
Der eine oder die mehreren Empfänger umfassen jeweils Code-Korrelatoren, welche die Kreuzkorrelationsfunktion aus dem empfangenen Signalgemisch mit einem bekannten gesendeten Signalcode ermitteln. Die daraus ableitbare Laufzeitinformation kann dann im Empfänger selbst ausgewertet werden oder kann über Funk oder drahtgebunden oder über ein anderes geeignetes Medium an eine zentrale Auswertungseinheit übertragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Empfänger außerdem eine Kanalschätzungseinheit, welche die PN-Chirp-Codes als Informationssymbole für eine Kanalschätzung nutzt. Die so ermittelten Kanalinformationen können dann direkt oder gegebenenfalls über die zentrale Auswertungseinheit an die Sender übermittelt werden, so dass die Sender in Abhängigkeit von den ermittelten Kanalinformationen die zu sendenden Signalcodes anpassen können.
In einer speziellen Ausführungsform kann ein Empfänger als Empfangskopf ausgebildet sein, der mehrere in räumlichem Abstand zueinander fixiert angeordnete Empfangselemente umfasst. Dadurch stehen in Ortungssystem relativ mehr Referenzinformationen zur Verfügung, so dass eine höhere Messgenauigkeit und eine bessere Störresistenz erzielt werden kann. Außerdem wird es möglich, die Winkelausrichtung der zu ortenden Einheit in einer Raumebene zu bestimmen.
Weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich werden, die mit Bezug auf die Zeichnungen gegeben wird. In den Zeichnungen zeigt
1 eine Systemarchitektur eines Ultraschall-Ortungssystems, in dem die Erfindung angewandt werden kann;
2 ein Konzept zur Skalierung des Tastverhältnisses von PN-Codes;
3 einen PN-Code mit RZ-Signalform, der in der Erfindung genutzt werden kann;
4 eine PN-Chirp-Codekombination, die in der Erfindung genutzt werden kann;
5 ein lineares Chirp-Signal;
6 ein Spektrum eines linearen Chirp-Signals;
7 Kombinationsmöglichkeiten für PN-Codes und Chirp-Codes;
8 einen Vergleich der AKF eines Chirp-Signals in unterschiedlichen Frequenzbereichen;
9 eine LS-Chirp-Codekombination sowie deren Sendeleistung im Vergleich zu einem reinen LS-Code;
10 ein Chirp-Signal unter Einfluss einer kurzzeitigen (breitbandigen) Störung;
11 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Sender des erfindungsgemäßen Ultraschall-Ortungssystems;
12 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Empfängers für das erfindungsgemäße Ultraschall-Ortungssystem; und
13 eine Ausführungsform eines Empfangskopfes für das erfindungsgemäße Ultraschall-Ortungssystem, der mehrere Empfänger umfasst;
14 einen Piezofolie-Transducer, der in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall-Ortungssystems angewandt werden kann; und
15 einen Vergleich der erreichbaren Ortungsgenauigkeit für verschiedene Codegestaltungen.
1 stellt eine Systemarchitektur eines Ultraschall-Ortungssystems dar, in dem die Erfindung angewandt werden kann. In einem Raum mit den Koordinaten [X, Y, Z]) sind, z. B. an der Decke, vier Referenzpunkte (R1 bis R4) angeordnet, deren Koordinaten bekannt sind. Außerdem sind in dem Raum zwei sich bewegende Einheiten gezeigt (als Dreiecke dargestellt), deren jeweilige aktuelle Position geortet werden soll. Die Bewegung der Einheiten ist durch eine Wellenlinie angedeutet. Zur Ermittlung der Position einer zu ortenden Einheit wird die Laufzeit von Ultraschall-Signalcodes zwischen den Referenzpunkten und der/den zu ortenden Einheit(en) gemessen. Aus der Laufzeit berechnet dann eine zentrale Auswertungseinheit, die in der Figur nicht dargestellt ist, die aktuellen Koordinaten der zu ortenden Einheit(en), z. B. über das mathematische Verfahren der Trilateration, wie es aus der Landesvermessung bekannt ist.
Die sich bewegende Einheit könnte beispielsweise ein Roboterarm eines Industrieroboters sein. Die sich bewegende Einheit könnte auch in Gestalt eines Tasters zum Ausmessen einer Oberfläche ausgebildet sein. Als weitere Anwendung ist eine 3D-Maus denkbar. Weiterhin könnte die sich bewegende Einheit ein medizinisches Instrument darstellen, das z. B. in der Neurochirurgie Anwendung findet. Zahlreiche weitere Anwendungen sind denkbar, und die Erfindung ist nicht auf die hier beispielshalber angegebenen Anwendungen beschränkt.
Das System wird zunächst über drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen synchronisiert. Nach einem Trigger-Signal strahlen die Sender periodisch Ultraschall-Entfernungsmesssignale aus, die im Folgenden noch genauer erläutert werden. Diese werden dann am Empfänger durch Korrelation detektiert und ausgewertet.
Die Sender für die Ultraschall-Signalcodes können an den festen Raumpunkten, den Referenzpunkten R1 bis R4 angebracht sein, und die Empfänger können an der/den zu ortenden Einheit(en) angebracht sein. In diesem Fall erfolgt die Übertragung der Entfernungsinformationen an die zentrale Auswertungseinheit vorzugsweise drahtlos.
Alternativ können die Sender an der/den zu ortenden Einheit(en) angebracht sein. In diesem Fall sind die Empfänger für die Ultraschall-Entfernungsmesssignale an den festen Raumpunkten R1 bis R4 mit bekannten Koordinaten angeordnet. Die Sender an der/den zu ortenden Einheit(en) strahlen in diesem Fall periodisch orthogonale Ultraschallcodes aus und werden über Funk synchronisiert.
Eine Ausführungsform eines Senders und eines Empfängers, die für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden können, werden später noch mit Bezug auf die 11 und 12 beschrieben.
Der Kern der Erfindung liegt in der Gestaltung innovativer Entfernungsmesssignale, die wesentlich besser als die bisher zur Entfernungsmessung verwendeten Codes sind. Damit garantiert das neue System eine hohe Messgenauigkeit, gute Stabilität und eine große Flexibilität. Zum einen wird vorgeschlagen, das Tastverhältnis γ der genutzten PN-Codes so zu modifizieren, dass die PN-Codes eine RZ(return-to-Zero)-Signalform aufweisen, also γ, nämlich das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Impulsperiode des Codeimpulses, kleiner Eins ist. Dabei wird erfindungsgemäß die Impulsperiode skaliert.
Dies ist in 2 veranschaulicht. Anders ausgedrückt werden zwischen jeweils zwei Chips Intervalle eingefügt wodurch die Wahrscheinlichkeit für Störungen durch ISI, MAI reduziert wird.
Ein Ausgangssignal am Korrelator des Empfängers bei t = T setzt sich zusammen aus dem gewünschten Signal und ISI (Intersymbolinterferenz) und MAI (Mehrfachzugriffsinterferenz und so genanntem weißem Rauschen. Durch Skalierung des Tastverhältnisses der genutzten PN-Sequenzen können beliebige Sequenzen mit beliebiger Länge in Abhängigkeit von den Anforderungen, z. B. den Kanaleigenschaften, konstruiert werden, und damit können eine bessere Genauigkeit und bessere Aktualisierungsraten erzielt werden. Anders ausgedrückt können durch Änderung des Tastverhältnisses des Gold-Codes die Systemgenauigkeit und die Aktualisierungsrate in Abhängigkeit von den Anforderungen geändert werden. In der Praxis sind die Genauigkeitsanforderungen nicht bei allen Anwendungen und nicht zu jedem Zeitpunkt gleich. Beispielsweise kann durch für einen langsam arbeitenden Roboter die Aktualisierungsrate reduziert werden, mit erhöhter Genauigkeit, oder kann für einen schnell arbeitenden Roboter erhöht werden, bei normaler Genauigkeit.
In 4(a) ist eine Gold-Code-Sequenz mit Tastverhältnis 1 dargestellt, wie sie gemäß dem Stand der Technik bereits für Ultraschallortung vorgeschlagen wurde. Dieselbe Gold-Code-Sequenz, aber mit einer RZ-Signalform mit einem Tastverhältnis von 0,1, ist in 3(b) bzw. in 3(c) in vergrößertem Maßstab dargestellt.
Nachteilig an solchen PN-Codes mit flexiblem Tastverhältnis ist allerdings die schlechte Energieeffizienz aufgrund der Intervalle zwischen den Chips und die relativ schlechte Spektrum-Effizienz aufgrund der schmalen Bandbreite, da die Signalenergie in der nutzbaren Bandbreite konzentriert werden muss.
Zur Behebung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zusätzlich oder alternativ zu einem flexiblen Tastverhältnis das Ultraschall-Trägersignal für die PN-Codes derart zu gestalten, dass sich dieses aus Chirp-Impulsen zusammensetzt. Im Vergleich zum Rechteckimpuls weisen die Chirp-Impulse viele Vorteile und Flexibilitäten auf. Ein Chirp-Signal ist ein frequenzmoduliertes Signal, bei dem das Produkt aus Bandbreite und Impulsdauer groß ist (BT >> 1). Eine Impulskompressionstechnik kann vorteilhaft dazu verwendet werden, die Empfindlichkeit von Impuls-Echo-Systemen zu erhöhen. Dazu werden Schallwandler (Transducer) mit langen, frequenzmodulierten Signalzügen angeregt, und die empfangenen Echosignale werden mit Hilfe so genannter Kompressionsfilter zu kurzen Impulsen komprimiert, wobei sich eine Erhöhung der Empfangsamplitude einstellt. Chirp-Impulse stellen frequenzmodulierte Impulse mit konstanter Amplitude der Dauer T dar, innerhalb derer die Frequenz zwischen einer unteren und einer oberen Frequenz monoton steigt oder fällt. Die Differenz zwischen beiden entspricht in sehr guter Näherung der Bandbreite. Die Frequenzänderung muss nicht zwingend linear verlaufen, im Prinzip ist jede beliebige monoton steigende oder fallende Änderung zulässig. Hier können die Chirp-Signale als das Trägersignal der PN-Codes angesehen werden, weil die Entfernungsmesssignale nicht zusätzlich aufgemischt werden.
In 5 ist ein so genanntes Up-Chirp-Signal dargestellt, bei dem die Frequenz im Zeitverlauf zunimmt. Bei einem nicht dargestellten Down-Chirp-Signal hingegen nimmt die Frequenz im Zeitverlauf ab.
4 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Kombination aus PN-Code und Chirp-Impuls. In 4(a) ist als Beispiel für einen PN-Code ein Gold-Code dargestellt, der bereits aus dem Stand der Technik für Ultraschallortung bekannt ist. Die Bitdauer, fachlich hier auch als Chip bezeichnet, beträgt in diesem Beispiel 1/3 ms. 4(b) zeigt einen entsprechenden PN-Chirp-Code, wobei hier ein Chirp-Signal mit dem Gold-Code kombiniert wurde, dessen Impulsdauer, also Chirp-Dauer, gleich der Bit-Dauer (Chip-Dauer) des Gold-Codes ist, im gezeigten Beispiel 1/3 ms. Die Kombination zwischen PN-Code und Chirp-Signal erfolgt durch Multiplikation. Beim Übergang des PN-Codes von +1 zu –1 dreht somit die Phase des Chirps um 180°. 4(c) stellt einen Ausschnitt aus 4(b) in vergrößertem Maßstab dar.

In einem Ausführungsbeispiel eines Ortungssystems wurden solche Gold-Codes als PN-Codes verwendet. Hierfür benötigt das System mindestens vier Gold-Codes. Die möglichen Kombinationen sind in 7 dargestellt und in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: kombinierte Codes gemäß der Erfindung

Code 1	Gold 1 – Up-Chirp
Code 2	Gold 1 – Down-Chirp
Code 3	Gold 2 – Up-Chirp
Code 4	Gold 2 – Down-Chirp
Code 5	Gold 3 – Up-Chirp
Code 6	Gold 3 – Down-Chirp
Code 7	Gold 4 – Up-Chirp
Code 8	Gold 4 – Down-Chirp

Die Freiheit in der Generierung des Übertragungsimpulses (Chirp-Impulse) führt unter anderem zu folgenden Vorteilen: Das Übertragungssignal kann entsprechend den jeweiligen Eigenschaften des Übertragungskanals, also der Strecke zwischen Sender und Empfänger, erstellt werden und so den zur Verfügung stehenden Frequenzbereich gut ausnützen. Das Spektrum des Chirp-Impulses ist nahezu perfekt steil ansteigend an den Rändern und dazwischen flach, wie in 6 beispielshalber für ein lineares Chirp-Signal mit einem Frequenzumfang von 25 kHz–55 kHz verdeutlicht ist. So kann das zur Verfügung stehende Rechteck aus Bandbreite B und Leistung P fast vollständig ausgefüllt werden. Das bedeutet eine möglichst optimale Nutzung der Kanalkapazität durch die Chirp-Impulse.
Am Empfänger wird das Chirp-Signal über einen Chirp-Korrelator komprimiert, die Phasenverschiebung wird quadriert und die Gruppenlaufzeit ist linear abhängig von der Frequenz. Wegen BT >> 1 kann das komprimierte Chirp-Signal in sehr guter Näherung beschrieben werden durch y(t) = U₀√BT·si(πBt)·cos(ω₀·t).
Durch diese Eigenschaft des Chirp-Signals lassen sich PN-Chirp-Signale konstruieren, mit welchen die Nachteile von auf Rechteckimpulsen basierenden PN-Signalen aufgehoben werden. Die komprimierten Chirp-Impulse ähneln einer Amplitudenmodulation mit der Trägerfrequenz ω₀ und der si-Funktion als Einhüllenden. Diese Eigenschaft eröffnet die Möglichkeit, durch geeignete Wahl des Frequenzbereichs die Systemgenauigkeit zu verbessern. Im durchsimulierten Fall betrug die Signalbandbreite 30 kHz.
Die Verwendung verschiedener Übertragungssignale, deren Kreuzkorrelation keine ausgeprägten Maxima zeigen, eignet sich zur Kodierung verschiedener Signale, die zum Beispiel in parallel arbeitenden Systemen eingesetzt werden können.
Der Störsignaleinfluss kann prinzipiell durch Erhöhung der Signalenergie verkleinert werden, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR; Signal to Noise Ratio) vergrößert wird. Diese Erhöhung kann entweder durch Erhöhung der Signalamplitude oder der Signallänge erfolgen. Die Amplitude und die Chirp-Dauer können unabhängig voneinander skaliert werden und daneben kann die Bandbreite konstant bleiben, was einen Vorteil gegenüber einem Rechteck-Impuls darstellt. Die Amplitude des Übertragungssignals ist durch die Eigenschaften des verwendeten Transducers (Schallwandlers) begrenzt. Die Freiheit der Wahl des Übertragungssignals erlaubt eine Erhöhung des SNR durch die Variation der Signallänge, ohne dass dabei die Messgenauigkeit zu stark beeinträchtigt wird.
8 stellt einen Vergleich der Autokorrelationsfunktion (AKF) eines Chirp-Signals in unterschiedlichen Frequenzbereichen dar. Durch geeignete Auswahl des Frequenzbereichs kann die Nebenschwingung in der Hauptkeule der Si-Form des komprimierten Chirp-Signals reduziert werden. Dadurch erreicht man eine relative höhere Messgenauigkeit als bei vergleichbaren PN-Codes mit gleicher Bandbreite. Diese Eigenschaft des Chirp-Signals stellt für die Entfernungsmessung einen besonderen Vorteil gegenüber Rechteck-Impulsen dar; einerseits wird Bandbreite eingespart und andererseits eine höhere Messgenauigkeit erreicht.
Durch Kombination der Chirp-Signale mit PN-Codes entstehen am Ausgang des PN-Chirp-Korrelators automatisch RZ(Return to Zero)-Sequenzen, ohne dass die Energie-Effizienz sinkt. Dies ist der Fall, weil die Chirp-Energie, die auf die Chirp-Dauer verteilt wird, durch Impuls-Kompression wieder gesammelt wird. Daher werden die ungünstigen Einflüsse der ungeraden AKF und ungeraden KKF, wie im einleitenden Teil ausgeführt, vermindert.
Die kombinierten PN-Chirp-Codes bieten viele Vorteile:
Durch Nutzung des Chirp-Impulses kann die Energie des Impulses im Zeit- und im Frequenzbereich unabhängig von einander verteilt werden. Dadurch kann das System mit großer Flexibilität und Stabilität arbeiten. Aufgrund eines Impulsgewinns durch Kompression können Ortungssysteme mit PN-Chirp-Codes mit sehr geringer Leistung arbeiten.
Die Auflösung der Entfernungsmessung mit PN-Chirp-Codes ist besser als mit PN-Codes allein. Aufgrund der Skalierbarkeit des Chirp-Signals entsteht ein besserer Wert des AKF-Peaks als der mit vergleichbaren PN-Codes. Das sichert eine höhere Messgenauigkeit. Darüber hinaus spart das System Bandbreite.
Bei Verwendung von geeigneten PN-Codes ergibt sich eine gute Echoseparation. Als PN-Codes sind hier Gold-Codes, LS(Loosely Synchronous)-Codes usw. auszuwählen, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Diese Codes weisen gute AKF- bzw. KKF-Eigenschaften, insbesondere bei LS-Codes, auf. Alle Entfernungsmesssignale werden am Empfänger komprimiert und korreliert. Daher hat das System prinzipiell kein Problem, die Echos zu unterscheiden. Die Entfernungsmesssignale (PN-Chirp-Codes) werden am Empfänger chipweise komprimiert, wodurch automatisch RZ-Impuls-Züge entstehen.
Auch in Kombination mit LS-Codes ergibt sich durch Chirp-Impulse eine große Flexibilität. Bekanntermaßen weisen LS-Codes ein interferenzfreies Fenster (IFW) auf, das durch Einfügen von Schutzintervallen oder Null-Lücken in die Sequenz erreicht wird. Daher stellen LS-Codes an sich Sequenzen mit einer schlechten Energie-Effizienz dar. Um die Breite des IFW zu skalieren, würde man zusätzliche Null-Intervalle in die Sequenz einfügen, was zu einer noch schlechteren Energieeffizienz führt. Durch die Kombination von LS-Codes mit Chirp-Signalen werden diese Nachteile kompensiert. Die Breite des IFW kann mit guter Energieeffizienz geändert werden. Theoretisch können bei einem LS-Code mit flexibler IFW-Breite alle Signale und deren Echos in dem IFW untergebracht werden. Das bedeutet, dass sich das Anwendungsspektrum von LS-Codes vergrößert und flexibler wird. 9(a) stellt die Breite des interferenzfreien Fensters (IFW = 1 ms) eines LS-Codes mit Tastverhältnis γ = 1 dar. 9(b) zeigt die Breite des interferenzfreien Fensters (IFW = 10 ms) eines LS-Chirp-Codes mit Tastverhältnis γ = 0,1. 9(c) stellt die Breite des interferenzfreien Fensters (IFW = 10 ms) eines LS-Codes mit Tastverhältnis γ = 0,1 dar. In 9(d) ist die für denselben Versorgungsbereich erforderliche Sendeleistung für einen LS-Code und einen LS-Chirp-Code, normiert auf 1, verglichen. Nachteilig können die geringen Aktualisierungsraten sein, wenn mit einem kleinen Tastverhältnis gearbeitet wird.
Alle Sender können parallel arbeiten. Aufgrund der guten KKF-Eigenschaften aller Entfernungsmesssignale ist es prinzipiell möglich, dass alle Sender des Systems gleichzeitig aktiv sind. Somit kann das System im simultanen Modus arbeiten. Dadurch erhöht sich die erzielbare Genauigkeit insbesondere für bewegte Objekte. Aufgrund der Orthogonalität zwischen Up- und Down-Chirp zeigen PN-Chirp-Codes noch bessere KKF-Eigenschaft als PN-Codes. Wenn das System die vier Codes 1, 2, 3, 4 aus Tabelle 1 verwendet, wird die Anzahl der KKF-Nebenkeulen der Codes zur Hälfte unterdrückt.
Der System-Gewinn ist mit PN-Chirp-Codes größer als mit PN-Codes allein. Den erfindungsgemäßen Entfernungsmesssignalen (PN-Chirp-Codes) sind eigentlich zwei System-Gewinne zuzuordnen, einer ergibt sich aus den Chirp-Signalen, durch Kompression der Chirp-Impulse, der andere ergibt sich aus den PN-Codes, durch Korrelation der PN-Codes. Damit verbessert sich einerseits der Auflösung des Systems wesentlich, andererseits erhöht sich die Stabilität des Systems.
Die Störfestigkeit des Ortungssystems, das die erfindungsgemäßen Codes anwendet, ist deutlich besser, insbesondere gegenüber breitbandigen Störungen. Die PN-Chirp-Codes weisen eine bessere Störfestigkeit gegenüber sowohl schmalbandigen als auch breitbandigen Störungen auf als PN-Codes allein. In dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Ortungssystem werden breitbandige Entfernungsmesssignale (PN-Chirp-Codes) eingesetzt, daher kann das System unter schmalbandigen Störungen (meistens ISI(Intersymbolinterferenz)-Störungen) besser bestehen. Besser als PN-Codes, die bei breitbandigen (kurzzeitigen) Störungen problematisch sind, weisen PN-Chirp-Codes eine größere Störsicherheit gegenüber breitbandigen Störungen auf. Wenn bei der Signalübertragung Störungen auftreten, insbesondere Kurzzeitstörungen, dann wirken die Chirp-Signale durch ihre korrelativen Eigenschaften störunterdrückend. Der Sender sendet Chirp-Impulse aus, denen sich auf dem Übertragungsweg breitbandige Störimpulse überlagern können.
In 10a ist beispielshalber ein Up-Chirp-Signal in Luft gezeigt, dem eine kurzzeitige Störung überlagert ist. Das Signalgemisch aus Chirp- und Störimpulsen passiert am Empfängereingang einen PN-Chirp-Korrelator (hier Gold-Chirp-Korrelator, siehe auch 12), der die Chirp-Impulse zuerst in Si-förmige Impulse komprimiert, wie in 10b veranschaulicht ist. Alle nicht in Form von Chirp-Impulsen vorliegenden Signalanteile werden dabei zeitlich gedehnt, und ihre Störenergie wird über einen größeren Zeitraum, also über mehrere benachbarte Bits verteilt, was im Fachgebiet auch als Spreizgewinn bezeichnet wird. Dabei wird die Wahrscheinlichkeit kleiner, dass ein einzelnes Bit zerstört wird. Darüber hinaus treten die Frequenzanteile der zeitlich ausgedehnten Störenergie hintereinander auf, d. h. zu jedem Zeitpunkt machen die Störfrequenzanteile auf komprimierte Bits nur Bruchteile der gesamten Stör-Bandbreite aus, siehe 10c. Eine vorherige breitbandige Störung ist nun in eine schmalbandige Störung umgewandelt worden. Im Gegensatz dazu ergibt sich bei alleinigen PN-Sequenzen keine solche Umwandlung. Dies ist ein wichtiger Vorteil der Verwendung von PN-Chirp-Codes gegenüber PN-Codes allein.
Die Messrate kann ohne großen Aufwand an Umgebungsbedingungen angepasst werden. Chirp-Signale können beliebig überlagert bzw. zeitlich skaliert werden. Deshalb kann die Messrate des Systems ohne großen Aufwand je nach Kanalzustand geändert werden, um eine bessere Positionsbestimmung und Navigation zu realisieren.
Die Kanalkapazität wird gut ausgenutzt. Aufgrund der flexiblen Skalierbarkeit des Chirp-Signals ist das System in der Lage, die Kanalkapazität voll auszunutzen, was bei alleinigen PN-Codes schwierig ist.
Wegen des großen Zeit-Bandbreite-Produktes (BT >> 1) des Chirp-Signals sind die PN-Chirp-Codes energieeffizienter als PN-Codes. Mit PN-Chirp-Codes kann das System trotz kleiner Sendeamplitude prinzipiell einen großen System-Gewinn erreichen. Somit ist das System sehr energieeffizient.
11 zeigt einen beispielhaften Schaltungsaufbau eines Senders für die erfindungsgemäßen PN-Chirp-Codes, mit dem das angestrebte hohe Auflösungsvermögen und die hohe Genauigkeit des Ortungssystems erzielt werden können. In dem Kombinator 104 wird eine der in 7 und Tabelle 1 dargestellten Kombinationen aus Gold-Code (vom Gold-Code-Generator 102) und Chirp-Signal (vom Chirp-Generator 103) realisiert. Der PN-Chirp-Code wird periodisch gemäß einem von einem Taktgeber 101 gelieferten Takt erzeugt. Die Synchronisation mehrerer Sender der Ortungsanordnung und/oder des Senders mit dem Empfänger, je nach Implementierung, erfolgt gegebenenfalls von einer zentralen Stelle aus über ein Funksignal 105. Der generierte PN-Chirp-Code wird über einen D/A-Wandler 106, einen Verstärker 107 und einen Transformer 108 auf einen Transducer geführt, der den Code periodisch ausstrahlt. Eine bevorzugte Ausbildungsform eines Transducers wird später noch mit Bezug auf 14 beschrieben.
In 12 ist ein beispielhafter Schaltungsaufbau eines Empfängers dargestellt, der zum Empfang der erfindungsgemäßen PN-Chirp-Codes genutzt werden kann und mit dem das angestrebte hohe Auflösungsvermögen und die hohe Genauigkeit des Ortungssystems erzielt werden können. Das an einem Transducer 111 empfangene Signalgemisch aus verschiedenen Gold-Chirp-Kombinationen, Störimpulsen und Rauschen wird bei 112 verstärkt, durch ein Bandpassfilter 113 geführt und in einem A/D-Wandler 114 in ein digitales Signal umgesetzt. Dieses wird auf jeweils einen ersten Eingang von vier unterschiedlichen Gold-Chirp-Korrelatoren 119-1...n geführt. Im gezeigten Fall ist n = 4. An die zweiten Eingänge der Gold-Chirp-Korrelatoren 119-1, ... 119-4 wird jeweils als Referenzcode ein unterschiedlicher Gold-Chirp-Code der in Tabelle 1 angegebenen und bekanntermaßen von dem Sender/den Sendern ausgestrahlten erfindungsgemäßen Codes angelegt, die jeweils codeorthogonal zueinander sind. Diese Referenz-Codes werden in einem jeweiligen Kombinator 118-1, ... 118-4 generiert, welcher die von jeweiligen Gold-Code-Generatoren 115-1, ... 115-4 und von einem Chirp-Generator stammenden Eingangssignale kombiniert. Die Taktung der Kombinatoren sowie der Korrelatoren wird über einen gemeinsamen Taktgeber 117 des Empfängers gewährleistet. Die Gold-Chirp-Korrelatoren 119-1...n berechnen jeweils eine Kreuzkorrelationsfunktion für den in dem Empfänger generierten und den über den Transducer empfangenen Code, wobei der Peak der KKF für eine Laufzeiteigenschaft des Codes kennzeichnend ist.
Am Ausgang des Korrelators ergeben sich durch Chirp-Kompression automatisch RZ(Return to Zero)-Sequenzen. Die Gold-Chirp-Korrelatoren sind zum einen mit einer Detektionseinheit 120, zum anderen mit einer Kanalschätzeinheit gekoppelt. In der Detektionseinheit 120 kann empfängerintern die Auswertung, d. h. Positionsberechnung erfolgen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Entfernungsinformationen auch drahtgebunden oder per Funk an eine zentrale Auswertungseinheit (nicht dargestellt) übertragen werden, in welcher dann die Positionsberechnung erfolgt. Die Kanalschätzeinheit wird über Funk 112 mit den Sendern des Ortungssystems synchronisiert und gibt ein Signal sowohl an die Detektionseinheit 120 als auch an die jeweiligen Kombinatoren 118-1...n aus.
Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine einfache Kanalschätzung. Die Flexibilität des Systems basiert auf der Adaptivität des Systems. Hier spielt die Kanalschätzung eine große Rolle. Wegen des rechteckförmigen Leistungsdichtespektrums eignen sich Chirp-Impulse besonders gut als Testsignale zur Bestimmung der Kanaleigenschaften. Überträgt man einen einzelnen Chirp-Impuls, dann wird der Nachrichtenkanal im gesamten Frequenzbereich mit der gleichen Intensität angeregt. Die Impulsantwort des Kanals kann im Empfänger asynchron aufgezeichnet und direkt zur Kompensation der Mehrwegeverzerrungen verwendet werden. Ein besonderer Vorteil der Kanalschätzung mit Chirp-Impulsen besteht darin, dass im vorgeschlagenen Übertragungssystem bereits die Informationssymbole mittels Chirps übertragen werden. Zur Erzeugung und zur Demodulation des Testsignals zur Kanalschätzung sind deshalb keine speziellen Schaltungen notwendig.
Das Übertragungssignal, d. h. der genutzte PN-Chirp-Code, wird entsprechend den Eigenschaften des Übertragungskanals (Strecke Sender-Empfänger) konstruiert. Somit kann der zur Verfügung stehende Frequenzbereich gut ausgenutzt werden. Diese Adaptivität, die auf ständiger Kanalschätzung basiert, wird durch Variationen der Chirp-Amplitude und/oder der Chirp-Dauer realisiert.
Als Ultraschall-Transducer im Sender und im Empfänger zum Aussenden bzw. Empfangen der PN-Chirp-Codes wird erfindungsgemäß ein Piezofolie-Transducer wie in 14 dargestellt, bevorzugt.
Die Schmalband-Wandler, die häufig in herkömmlichen Ortungssystemen verwendet werden, basieren auf piezoelektrischer Keramik als aktive Elemente. Solche Wandler sind kostengünstig, klein, robust und weisen eine hohe Empfindlichkeit auf. Sie haben jedoch eine hohe Resonanz, und in den meisten Fällen ist ihre nutzbare Bandbreite kleiner als 5 kHz. Elektrostatische Wandler, auf der anderen Seite, besitzen eine hohe Empfindlichkeit und eine extrem weite Bandbreite. Sie sind jedoch nicht sehr robust und teuer, so dass ihr Einsatz in großem Maßstab unerschwinglich erscheint.
Bestimmte synthetische Polymerfolien weisen piezoelektrische Eigenschaften auf, bekannt sind hier Piezopolymerfolien, die auch als Piezofilme bezeichnet werden. Diese Piezofolien, vor allem Polyvinylidenfluorid (PVDF) werden häufig als Ultraschall-Wandler in Hydrophon-Anwendungen und darüber hinaus im medizinischen Bereich bei mehr als 200 kHz verwendet. Piezofolie-Transducer sind klein, preisgünstig und robuster als elektrostatische Wandler und verfügen über eine große Bandbreite. Ihre Empfindlichkeit ist jedoch gering. Dies bedeutet, dass solche Sender mit hohen Spannungen getrieben werden müssen. Als Empfänger sind sie besonders empfindlich gegenüber Rauschen.
Ein Piezofolie-Ultraschall-Transducer für Ortungsmessungen über Luft wurde bereits beschrieben und besteht aus einem kleinen, rechteckigen Stück Piezofolie 4, das entlang zweier Kanten 5 bogenförmig eingespannt wird, wie in 14 dargestellt ist. Eine Veränderung des Radius r des Halbzylinders kann wegen l = π·r auf eine Änderung der Länge der Piezofolie zurückgeführt werden. Aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der Folie sind die Änderungen von l in etwa proportional zur Spannung über der Dicke der Folie. Somit können die gespannten Piezofolien auf zwei Arten arbeiten: (1) als Sender, wenn an die Piezofolie eine Spannung angelegt wird; oder (2) als Empfänger, wenn über die Luft akustischen Wellen auf die Piezofolie einwirken.
Ein solcher Piezofolie-Transducer wird für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Breitband-Ultraschall-Ortungssystems bevorzugt.
In 13 ist eine Ausbildungsform eines Empfangskopfes für die erfindungsgemäße Ultraschall-Ortungsanordnung dargestellt, der mehrere Empfänger umfasst. Ein solcher Empfangskopf wird vorgeschlagen, um eine höhere Messgenauigkeit und leichtere System-Korrektur zu erreichen. Darüber hinaus ist damit eine Bestimmung der Winkelausrichtung des zu ortenden Objekts in der Ebene möglich.
Das Konzept besteht aus vier Empfängern auf dem gleichen Empfangskopf. Alle Abstände (d1, d2, d3 und d4) vom einzelnen Empfänger zum Punkt A, der geortet werden soll, sind bekannt. Ein solches System mit mehreren Empfängern ermöglicht prinzipiell eine Winkelmessung. Das bietet dem System relativ mehr Referenz-Informationen, auf denen die bessere Korrektur für Positionierung und Navigation basieren kann, wodurch eine höhere Messgenauigkeit als mit nur einem Empfänger möglich ist.
In 15 schließlich ist ein Vergleich der erreichbaren Ortungsgenauigkeit für verschiedene Codegestaltungen gezeigt. Die über Simulation ermittelten Graphen stellen den Prozentsatz der Positionsbestimmungen mit einer höheren Genauigkeit als der auf der Ordinate abgetragenen Auflösung in Millimeter dar.
Für die Simulation wurde ein System mit drei Teilsystemen angenommen: (1) das Teilsystem Sender kombiniert Gold-Code und Chirp-Impuls, die Kombination wird durch Sender ausgestrahlt; (2) im Teilsystem Kanal wird die Impulsantwort für die spezielle Senderkonfiguration mit dem vom Sender ausgestrahlten Signal gefaltet und es wird weißes Gausssches Rauschen addiert; (3) im Teilsystem Empfänger (PN-Chirp-Korrelator) wird die Kreuzkorrelation des Empfangssignals mit den bekannten gesendeten Signalen berechnet, die Entfernung jedes Senders ermittelt und über Multilateration werden die 3D-Koordinaten des Empfängers berechnet. Die Signale (Gold-Codes und Gold-Chirp-Codes wurden im Frequenzbereich von 25–55 kHz mit unterschiedlichen Tastverhältnissen gewählt. Die Samplingfrequenz betrug 500 kHz. Für den Raum wurde eine Größe von 5 × 5 × 4 Metern und ein Reflexionskoeffizient der Wände, Decke und des Fußbodens von 0,4 angenommen, was für eine Büroumgebung typisch ist. Die Sender wurden an der Decke platziert. Es wurden omnidirektionale Sender und Empfänger angenommen.
Die mit ”+” gekennzeichnete Kurve repräsentiert die Verwendung eines reinen Gold-Codes mit Tastverhältnis 1 als Entfernungsmesssignal, was dem weiter oben zitierten Stand der Technik entspricht. In der Figur ist deutlich zu erkennen, dass Gold-Codes unterschiedlicher Länge mit einem Tastverhältnis kleiner Eins bessere Ergebnisse liefern als der bekannte Gold-Code und dass der Gold-Chirp-Code mit Tastverhältnis kleiner Eins allen anderen Codes überlegen ist. Mit diesem werden zu 95% Ortungsgenauigkeiten von unter einem Millimeter erreicht.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit, bei welchem die räumlichen Position der zu ortenden Einheit aus einer Laufzeiteigenschaft von Ultraschall-Signalen zwischen der zu ortenden Einheit und einer Mehrzahl von Referenzpunkten mit festen und vorab bestimmten Koordinaten berechnet wird, wobei dem Ultraschall-Trägersignal eine PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz aufgeprägt wird, mit folgenden Schritten: Generieren einer PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz in einem Sender; Mischen der PN-Code-Sequenz mit einem Ultraschall-Trägersignal in dem Sender; periodisches Ausstrahlen der Ultraschall-PN-Code-Sequenz; Empfangen eines Signal-Rausch-Gemischs an einem Empfänger und Auswerten einer Laufzeiteigenschaft des empfangenen Signals zum Ermitteln der Raumkoordinaten der zu ortenden Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass die PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz mit einer RZ(Return-to-Zero)-Signalform generiert wird, bei der das Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode des Codeimpulses kleiner Eins ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschall-Trägersignal eine Folge von Signalchirps genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Chirpdauer des Ultraschall-Trägersignals ein ganzzahliges Vielfaches der Bitdauer der PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Chirpdauer des Ultraschall-Trägersignals gleich der Bitdauer der PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als PN-Code ein Gold-Code oder ein LS(Loosly Synchronized)-Code genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeiteigenschaft die Laufzeit des Signals zwischen Sender und Empfänger oder die Ankunftszeit des Signals am Empfänger oder die Ankunftszeitdifferenz zwischen Signalen von mehreren Sendern am Empfänger ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeiteigenschaft aus dem Peak der Kreuzkorrelationsfunktion des empfangenen Signalgemischs mit einem bekannten gesendeten Signalcode ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren außerdem den Schritt umfasst, am Empfänger Eigenschaften des Übertragungskanals zu bestimmen, indem die Ultraschall-PN-Chirp-Codes als Informationssymbole für eine Kanalschätzung genutzt werden, und in Abhängigkeit von den bestimmten Eigenschaften die Form der gesendeten Signalcodes anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des gesendeten Signalcodes durch Anpassung der Chirpamplitude und/oder der Chirpdauer erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des gesendeten Signalcodes durch Anpassung des Tastverhältnisses des PN-Codes durch Variation der Impulsperiode erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender einer von mindestens drei Sendern ist, die jeweils an einem Referenzpunkt der Mehrzahl von zueinander beabstandeten ortsfesten Referenzpunkten angeordnet sind, wobei der Schritt des periodischen Ausstrahlens einer Ultraschall-PN-Code-Sequenz das Empfangen eines Synchronisationssignals an jedem der Sender und das zeitlich parallele Ausstrahlen der Ultraschall-PN-Code-Sequenz durch die Sender in Ansprechen auf das Synchronisationssignals umfasst, wobei die mindestens drei Sender PN-Code-Sequenzen ausstrahlen, die jeweils codeorthogonal zueinander sind, und dass der Empfänger an der zu ortenden Einheit angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender an der zu ortenden Einheit angeordnet ist und der Empfänger einer von mindestens drei Empfängern ist, die jeweils an einem Referenzpunkt der Mehrzahl von zueinander beabstandeten ortsfesten Referenzpunkten angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender einer von mehreren Sendern ist, die jeweils an einer mobilen zu ortenden Einheit angeordnet sind, wobei die Sender PN-Code-Sequenzen ausstrahlen, die jeweils codeorthogonal zueinander sind und die über Funk synchronisiert werden.
Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit aus Laufzeiteigenschaften von Ultraschall-Signalen zwischen der zu ortenden Einheit und einer Mehrzahl von Referenzpunkten mit festen und vorab bestimmten Koordinaten, umfassend: eine Mehrzahl von Sendern, wobei jeder Sender an einem der Mehrzahl von Referenzpunkten angeordnet ist, zum Generieren und periodischen Ausstrahlen einer Ultraschall-PN-Code-Sequenz, die aus einem Ultraschall-Trägersignal besteht, dem eine PN-Code-Sequenz aufgeprägt ist, mindestens einen Empfänger, der an der zu ortenden Einheit angeordnet ist, zum Empfangen der von den mehreren Sendern ausgestrahlten Code-Sequenzen, und eine Einheit zum Auswerten von Laufzeiteigenschaften der empfangenen Signale zum Ermitteln der Raumkoordinaten der zu ortenden Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender dafür ausgelegt sind, eine PN-Code-Sequenz auszustrahlen, wobei die von den mehreren Sendern ausgestrahlten PN-Code-Sequenzen jeweils codeorthogonal zueinander sind, und dass die ausgestrahlte PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz eine RZ(Return-to-Zero)-Signalform aufweist, bei der das Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode des Codeimpulses kleiner Eins ist.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender ferner dafür ausgelegt sind, ein Synchronisationssignal zu empfangen und in Ansprechen auf das Synchronisationssignal zeitgleich eine PN-Code-Sequenz auszustrahlen.
Anordnung zur Bestimmung der räumlichen Position einer zu ortenden Einheit aus Laufzeiteigenschaften von Ultraschall-Signalen zwischen der zu ortenden Einheit und einer Mehrzahl von Referenzpunkten mit festen und vorab bestimmten Koordinaten, umfassend: mindestens einen Sender, der an der zu ortenden Einheit angeordnet ist, zum Generieren und periodischen Ausstrahlen einer Ultraschall-PN-Code-Sequenz, die aus einem Ultraschall-Trägersignal besteht, dem eine PN-Code-Sequenz aufgeprägt ist, eine Mehrzahl von Empfängern zum Empfangen der von dem Sender ausgestrahlten Code-Sequenz, wobei jeder Empfänger an einem der Mehrzahl von Referenzpunkten angeordnet ist, und eine Einheit zum Auswerten von Laufzeiteigenschaften der empfangenen Signale zum Ermitteln der Raumkoordinaten der zu ortenden Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender dafür ausgelegt ist, eine PN-Code-Sequenz auszustrahlen, wobei die ausgestrahlte PN(Pseudozufallsrauschen)-Code-Sequenz eine RZ(return-to-Zero)-Signalform aufweist, bei der das Tastverhältnis von Impulsdauer zu Impulsperiode des Codeimpulses kleiner Eins ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender ferner dafür ausgelegt ist, ein Synchronisationssignal zu empfangen und in Ansprechen auf das Synchronisationssignal die PN-Code-Sequenz auszustrahlen.
Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen weiteren Sender umfasst, der an einer zweiten zu ortenden Einheit angeordnet ist, wobei die Sender dafür ausgelegt sind, PN-Code-Sequenzen auszustrahlen, die jeweils codeorthogonal zueinander sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschall-Trägersignal der PN-Code-Sequenz eine Folge von Signalchirps genutzt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Sender als PN-Codes Gold-Codes oder LS-Codes nutzen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Sender als Sendeelemente Piezofolie-Transducer umfassen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Empfänger als Empfangselemente Piezofolie-Transducer umfassen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Empfänger Code-Korrelatoren umfassen, welche die Kreuzkorrelationsfunktion aus dem empfangenen Signalgemisch mit einem bekannten gesendeten Signalcode ermitteln.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Empfänger eine Kanalschätzungseinheit umfassen, welche die gesendeten Ultraschall-PN-Chirp-Codes als Informationssymbole für eine Kanalschätzung nutzt und die ermittelten Kanaleigenschaften an die Sender übermittelt, und dass die Sender dazu ausgelegt sind, Kanaleigenschaften zu empfangen und in Abhängigkeit von diesen die Form der gesendeten Signalcodes anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung des gesendeten Signalcodes durch Anpassung der Chirpamplitude und/oder der Chirpdauer und/oder des Tastverhältnisses des PN-Codes durch Variation der Impulsperiode erfolgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfänger mehrere in räumlichem Abstand zueinander fixiert angeordnete Empfangselemente umfasst.