DE102010023340B4

DE102010023340B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102010023340B4
Application number: DE201010023340
Authority: DE
Inventors: Alejandro Ramirez; Dr. Schwingenschlögl Christian; Guillaume Stern
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: WO2011154351A1; DE102010023340A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstandsmessung zwischen einer ersten und einer zweiten Station (S1; S2). Dabei ist ein Empfang eines von der zweiten Station (S2) mit einer bekannten oder auch mit einer zu bestimmenden Kanalbandbreite gesendeten zweiten Signals (SG2) in der ersten Station (S1), eine Bildung von Abtastwerten des zweiten Signals (SG2) mit einer einstellbaren Abtastfrequenz, eine Bestimmung einer Signallaufzeit zwischen dem zweiten Signal und einem zeitlich vorausgehendem ersten Signal (SG1) und eine Bestimmung des Abstands zum Sender aufen. Auf die Abtastwerte und/oder auf das zweite Signal wird dabei ein Rauschsignal (NSE) addiert, dessen Wert für die Rauschvarianz aus der Kanalbrandbreite und der Abtastfrequenz bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Verwendung zur Abstandsmessung einer Station auf Basis einer Signallaufzeitbestimmung.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Abstandsmessung und, darauf aufbauend, zur Ortsbestimmung einer Station, beispielsweise einer mobilen Einheit bekannt, welche für eine Verwendung in geschlossenen Räumen geeignet sind. Für eine Positionsbestimmung mittels der Signallaufzeit, in der Fachwelt auch als »Time of Flight«, ToF, bekannt, sind unter anderem die folgenden drei Verfahren bekannt.
Unter Anwendung eines Ankunftszeitverfahrens (»Time of Arrival«, ToA) wird von einer Sendestation ein Signal zu einer synchronisierten Empfangsstation gesendet. Die Signallaufzeit ist dabei proportional zum Abstand der beiden Stationen und wird im Wesentlichen durch die Lichtgeschwindigkeit bestimmt.
Ein weiteres bekanntes Zeitunterschiedsverfahren wertet einen Zeitunterschied in der Signallaufzeit aus. Dieses Verfahren ist in der Fachwelt auch unter dem Begriff »Time Difference of Arrival«, TDoA, bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird ein Zeitunterschied in der Signallaufzeit zwischen einer sendenden Station und mehreren empfangenden Stationen bestimmt.
Ein weiteres bekanntes Verfahren, »Roundtrip Time of Flight«, RToF, sieht eine Beantwortung eines an einer zweiten Station empfangenen Signals durch ein an die vormals sendende erste Station rückgesendetes Antwortsignal vor. Die erste Station misst die Zeitdifferenz, die in ähnlicher Weise mit einem Abstand der beiden Stationen korreliert wird, wobei zusätzlich eine interne Verarbeitungsverzögerung der antwortenden zweiten Station berücksichtigt wird. Das RToF-Verfahren benötigt für gewöhnlich keine Synchronisation der beteiligten Stationen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass keine explizite Messung oder Zusammenarbeit der zweiten Station erforderlich ist.
Die vorgenannten Verfahren werden häufig für eine Positionsbestimmung verwendet, wobei in drahtloser Weise ein Abstand zwischen einer Mehrzahl von Stationen bestimmt wird und unter Verwendung der Abstände zwischen den Stationen sowie in Kenntnis der Position feststehender Stationen die Position der mobilen Station bestimmt wird.
Eine Bestimmung des Abstands auf Basis einer Signallaufzeit erfolgt durch Multiplikation der bestimmten Signallaufzeit mit einem Wert in Höhe der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Aufgrund dieses hohen Multiplikators wird eine extreme Genauigkeit zur Bestimmung der Signallaufzeit gefordert. Beispielsweise verursacht ein Fehler von lediglich einer Mikrosekunde in der Bestimmung der Signallaufzeit oder des Signallaufzeitunterschieds einen Fehler von 300 m in der Berechnung des Abstands.
Aufgrund dieser erhöhten Genauigkeitserfordernisse wurden für Signallaufzeitverfahren zahlreiche Vorschläge zur Erhöhung der Genauigkeit gemacht. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, die Genauigkeit der Zeitgeber in den beteiligten Stationen zu erhöhen und zu diesem Zweck Bauteile mit engen Toleranzen einzusetzen, welche das Signal-Rauschverhältnis von verarbeiteten Signalen für die Bestimmung der Signallaufzeit verbessern.
Vorrichtungen zur Abstandsmessung sind beispielsweise aus der DE 10 2008 032 749 A1 und der DE 10 2006 045 350 A1 bekannt. Bei diesen empfängt eine in einer ersten Station vorgesehene Empfangseinrichtung ein von einer zweiten Station gesendetes zweites Signal. Eine Zeiterfassungseinrichtung erfasst eine Signallaufzeit des zweiten Signals. Eine Auswerteeinheit bestimmt eine Laufzeit zwischen dem Beginn des zweiten Signals und dem Ende eines zeitlich vorausgehenden ersten Signals. Eine Recheneinheit bestimmt dann den Abstand zur zweiten Station auf Basis einer Mehrzahl von erfassten Signallaufzeiten.
Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel zur Abstandsmessung anzugeben, welche zu einer Verbesserung einer Genauigkeit der Abstandsmessung führen, ohne hierzu Bauelemente mit engeren Toleranzen zu benötigen.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung vorgesehen, welche eine Empfangseinrichtung zum Empfang eines von einer zweiten Station mit einer bekannten Kanalbandbreite gesendeten zweiten Signals, eine Zeiterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Signallaufzeit, eine Additionseinheit zur Addition eines Rauschsignals sowie eine Recheneinrichtung zum Bestimmung des Abstands des Empfängers vom Sender auf Basis einer Mehrzahl von erfassten Signallaufzeiten umfasst. Es versteht sich von selbst, dass die Kanalbandbreite nicht von vorneherein bekannt sein muss, sondern alternativ in einem vorausgehenden Schritt bestimmt werden kann.
Die Zeiterfassungseinrichtung umfasst eine Abtasteinrichtung mit einer einstellbaren Abtastfrequenz zur Bildung von Abtastwerten der empfangenen Signale und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Signallaufzeit zwischen dem zweiten Signal und einem zeitlich vorausgehendem ersten Signal. Unter einer einstellbaren Abtastfrequenz ist insbesondere auch zu verstehen, dass die Abtastfrequenz gemäß einer Kanaleigenschaft bestimmt wird und auf einen so bestimmten Wert eingestellt wird, der dann beim Betrieb einer entsprechenden Vorrichtung im Übrigen so beibehalten wird.
In der Additionseinheit ist eine Addition eines Rauschsignals mit einem aus der Kanalbrandbreite und der Abtastfrequenz bestimmten Wert einer Rauschvarianz vorgesehen. Die Addition der Rauschsignale erfolgt dabei entweder auf die Abtastwerte und/oder auf die empfangenen Signale.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Abstandsmessung zwischen einer ersten und einer zweiten Station vorgesehen, gemäß dem folgende Schritte ausgeführt werden:

– Empfang eines von der zweiten Station (S2) mit einer bekannten Kanalbandbreite gesendeten zweiten Signals (SG2) in der ersten Station (S1),
– Bildung von Abtastwerten des zweiten Signals (SG2) mit einer einstellbaren Abtastfrequenz,
– Bestimmung einer Signallaufzeit zwischen dem zweiten Signal und einem zeitlich vorausgehendem ersten Signal (SG1),
– Bestimmung des Abstands zum Sender auf Basis einer Mehrzahl von erfassten Signallaufzeiten,

Es versteht sich von selbst, dass die zeitliche Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte nicht durch die anspruchsgemäße Formulierung der Reihenfolge festgelegt ist. So erfolgt die Addition des Rauschsignals zeitlich auf den Empfang des zweiten Signals, falls das erfindungsgemäße Verfahren so realisiert wird, dass das Rauschen direkt auf das zweite Signal addiert wird, während die Addition des Rauschsignals zeitlich auf die Bildung von Abtastwerten folgt, falls das erfindungsgemäße Verfahren so realisiert wird, dass das Rauschen auf die Abtastwerte des zweiten Signals addiert wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird zum Erfassen der Signallaufzeit als zeitlich vorausgehendes erstes Signal ein Signal verwendet, welches zuvor von einer dritten Station gesendet wurde, die neben der ersten und zweiten Station zur Positionsbestimmung herangezogen wird und deren Position vorzugsweise bekannt ist. Diese erste Ausgestaltung basiert also auf einem Zeitunterschiedsverfahren.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird als zeitlich vorausgehendes erstes Signal ein Signal verwendet, welches zuvor von der ersten Station gesendet wurde. Diese erste Ausgestaltung basiert also auf einem RToF-Verfahren, bei dem eine Beantwortung eines an der zweiten Station empfangenen Signals durch ein an die vormals sendende erste Station rückgesendetes Antwortsignal vorgesehen ist. Die erste Station misst dabei die Zeitdifferenz zwischen der Sendung des ersten Signals und dem Empfang des zweiten Signals, wobei zusätzlich eine interne Verarbeitungsverzögerung der zweiten Station berücksichtigt wird.
In den beiden Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahren wird also auf Basis einer Mehrzahl erfasster Signallaufzeiten von einer Mehrzahl bzw. Folge von zwischen zwei Stationen ausgetauschten Signalpaaren (Hin- und Rücksignale) nach dem »Roundtrip Time of Flight«-Verfahren oder auch auf Basis einer Mehrzahl bzw. Folge von jeweils einfachen Hinsignalen nach dem Zeitunterschiedsverfahren ein Abstand zwischen den Stationen erfasst. Das Verfahren wird für dieselben Stationen mehrfach wiederholt.
Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestaltungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1: Eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung zur Durchführung einer Abstandsmessung;
2: ein zeitliches Ablaufdiagramm zur Durchführung einer Abstandsmessung;
3A: eine schematische Ausschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmessung;
3B: eine schematische Ausschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsmessung;
4: ein Zusammenhang zwischen einem durch eine messende Station bestimmten Abstand und einem tatsächlichen Abstand; und;
5: ein Zusammenhang zwischen einem Fehler einer Abstandsmessung und einer Rauschvarianz.
1 zeigt eine beispielhafte Anordnung bestehend aus einer ersten Station S1 und einer zweiten Station S2, welche jeweils über eine Antenne ANT verfügen. Eine Signallaufzeit zwischen den beiden Stationen S1, S2 wird mit Hilfe eines ausgetauschten Signalpaars, bestehend aus einem Hinsignal SG1 und einem Rücksignal SG2, ermittelt. Aus der Gesamtsignallaufzeit der beiden Signale SG1, SG2 wird sodann ein Abstand D zwischen der ersten Station S1 und der zweiten Station S2 ermittelt.
Eine solche Abstandsmessung kann insbesondere durch Stationen S1, S2 erfolgen, welche nicht dediziert für eine Abstandsmessung vorgesehen sind, beispielsweise Netzknoten in einem drahtlosen Kommunikationsnetz. In einem bekannten Verfahren zum Bestimmen des Abstands zwischen zwei drahtlos über ein auf dem Standard IEEE 802.11 basierendes WLAN-Netz (WLAN = Wireless Local Area Network) verbundenen Stationen bzw. Netzknoten wird von einer intrinsischen Eigenschaft des Standards IEEE 802.11 Gebrauch gemacht, dass nämlich jedes Datenpaket vom Empfänger unmittelbar durch ein Bestätigungssignal bestätigt wird (ACK = Acknowledgement). Hierbei wird die Zeitdauer zweier Hin- und Rückübertragungen zwischen zwei Stationen gemessen und aus einer Gesamtlaufzeit von Hin- und Rücksignal zwischen den Stationen ein Abstand D zwischen der initiierenden Station S1, beispielsweise eine gemäß einem drahtlosen Kommunikationsprotokoll arbeitende Basisstation, und der empfangenden Station S2, beispielsweise eine mobile Einheit, z. B. PDA (Personal Digital Assistant), bestimmt.
Gemäß alternativen Ausführungsformen kann auch eine Verwendung anderer Kommunikationsprotokolle zur drahtlosen Kommunikation wie z. B. ZigBee, Bluetooth, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), GSM (Global System for Mobile Communications), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) usw. vorgesehen sein.
Auf diese Weise kann ohne zusätzliche gerätetechnische Ausstattung, lediglich unter Nutzung der schon vorhandenen und zur gewöhnlichen Nachrichtenübermittelung genutzten gerätetechnischen Ausrüstung, der Abstand der Stationen S1, S2 ermittelt werden.
Die weitere Figurenbeschreibung erfolgt unter weiterer Bezugnahme auf die Funktionseinheiten von jeweils vorausgehenden Figuren. Identische Bezugszeichen in verschiedenen Figuren repräsentieren hierbei identische Funktionseinheiten.
2 zeigt ein zeitliches Ablaufdiagramm für ausgetauschten Signale SG1, SG2. Vertikale Linien sind dabei als Zeitstrahl zu verstehen, wobei die Zeit von oben nach unten fortschreitet.
Zu einem ersten Zeitpunkt T1 wird von der ersten Station S1 das erste Signal SG1 gesendet. Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 trifft das erste Signal SG1 an der zweiten Station S2 ein. Zu einem dritten Zeitpunkt T3 sendet die zweite Station S2 ein Rücksignal SG2 an die erste Station S1. Das Rücksignal SG2 trifft zu einem vierten Zeitpunkt T4 an der ersten Station S1 ein.
Eine Zeitdifferenz zwischen dem dritten Zeitpunkt T3 und dem zweiten Zeitpunkt T2 entspricht einer zur Prozessierung des eintreffenden ersten Signals SG1 benötigten Zeitspanne in der zweiten Station S2. Diese Prozessierungszeit, also eine Differenz zwischen dem dritten Zeitpunkt T3 und dem zweiten Zeitpunkt T2 wird für eine Abstandsmessung berücksichtigt.
Eine Bestimmung der Signallaufzeit des ersten Signals SG1 von der ersten zur zweiten Station S1, S2 ist äquivalent zu einer Bestimmung der Signallaufzeit des zweiten Signals SG2 von der zweiten zur ersten Station S2, S1. Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel spielt es daher keine Rolle, in welcher der beiden Stationen S1, S2 eine Messung erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher für alle eingangs erwähnten Verfahren, also sowohl für das Ankunftszeitverfahrens (»Time of Arrival«, ToA), für das »Time Difference of Arrival«, TDoA, als auch für das »Roundtrip Time of Flight«, RToF, anwendbar.
3A zeigt ausschnittsweise eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung. Dabei nimmt eine Empfangseinrichtung RCV das von der – nicht dargestellten – Antenne ANT gelieferte Signal entgegen, welches am Ausgang der Empfangseinrichtung RCV einer Additionseinheit ADD zugeführt wird.
In der Additionseinheit ADD wird das am Ausgang der Empfangseinrichtung RCV abgegriffene Signal mit einem Rauschsignal NSE addiert bzw. gemischt. Als Rauschsignal wird vorzugsweise ein gaußsches Rauschen bzw. ein weißes gaußsches Rauschen mit einer normalverteilten Signalamplitude eingesetzt.
Das gemischte Signal am Ausgang der Additionseinheit ADD wird daraufhin auf den Eingang eines optionalen Tiefpassfilters LPF übergeben.
Der Ausgang des Tiefpassfilters LPF ist mit einer Abtasteinrichtung SMP verbunden, bei der das am Ausgang gelieferte Signal des Tiefpassfilters LPF durch die Abtasteinrichtung SMP mit einer einstellbaren Abtastfrequenz abgetastet wird.
Die am Ausgang der Abtasteinrichtung SMP zur Verfügung stehenden Abtastwerte werden optional einer Schwellwerteinrichtung THR zugeführt, an deren Ausgang ein Signal zur Verfügung steht, welches an eine – nicht dargestellte – Auswerteeinheit übergeben wird. In der Auswerteeinheit wird daraufhin eine Signallaufzeit zwischen einem erste Signal und einem in der Folge der Signale folgendem Signal bestimmt.
3B zeigt ausschnittsweise eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung.
Dabei nimmt eine Empfangseinrichtung RCV das von der – nicht dargestellten – Antenne ANT gelieferte Signal entgegen, welches am Ausgang der Empfangseinrichtung RCV nunmehr dem Tiefpassfilter LPF zugeführt wird.
Der Ausgang des Tiefpassfilters LPF ist mit einer Abtasteinrichtung SMP verbunden, bei der das am Ausgang gelieferte Signal des Tiefpassfilters LPF durch die Abtasteinrichtung SMP mit einer einstellbaren Abtastfrequenz abgetastet wird.
Im Unterschied zu der in 3 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird in der Additionseinheit ADD nicht das am Ausgang der Empfangseinrichtung RCV abgegriffene Signal mit einem Rauschsignal NSE addiert bzw. gemischt. Eine Mischung mit einem Rauschsignal NSE findet in dieser Ausführungsform mit dem am Ausgang der Abtasteinrichtung SMP bereitgestellten Abtastsignals statt.
Die am Ausgang der Additionseinheit ADD zur Verfügung stehenden mit dem Rauschsignal gemischten Abtastwerte werden einer optionalen Schwellwerteinrichtung THR zugeführt, an deren Ausgang ein Signal zur Verfügung steht, welches an eine – nicht dargestellte – Auswerteeinheit übergeben wird. In der Auswerteeinheit wird daraufhin eine Signallaufzeit zwischen einem erste Signal und einem in der Folge der Signale folgendem Signal bestimmt.
Im Folgenden wird eine Signallaufzeitmessung betrachtet, bei der eine Signalauswertung auf Basis einer Abtastfrequenz (Clock Frequency) von 10 MHz erfolgt.
Die Periodendauer dieser Abtastung, also die Dauer eines »Clock Cycle« beträgt 100 ns. In einem idealen Fall, d. h. unter Nicht-Betrachtung jeglicher Rauschquelle, wird jede Station, deren Abstand zu messen ist und die sich in einem Bereich zwischen 0 und 30 m von der messenden Station befindet, nach einer Periodenlänge von 100 ns detektiert.
Eine Periodenlänge von 100 ns entspricht durch Multiplikation mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit einer Entfernung von 30 m. Durch die Wahl einer Abtastfrequenz von 10 MHz kann also im Bereich zwischen 0 und 30 m kein Abstandsunterschied zwischen der messenden und der zu messenden Station erkannt werden. In ähnlicher Weise wird eine zu messende Station, welche im Abstand zwischen 30 m und 60 m von der messenden Station entfernt ist (entsprechend einer Periodenlänge zwischen 100 ns und 200 ns) nach zwei Periodenlängen detektiert. Auf diese Weise kann kein Unterschied zwischen einer zu messenden Station in einer Entfernung von 30 m und einer zu messenden Station in einer Entfernung von 60 m festgestellt werden.
In 4 ist ein Zusammenhang zwischen einer durch eine messende Station bestimmten bzw. gemessenen Abstands auf der Ordinate über einen tatsächlichen Abstand auf der Abszisse aufgetragen.
Der Zusammenhang gemäß 4 entsteht dabei durch Wahl der folgenden Parameter. Eine Abtastfrequenz wird auf 10 MHz eingestellt und eine Kanalbandbreite beträgt 16,7 MHz. Die gewählte Kanalbandbreite entspricht dabei den WLAN-Spezifikationen (Wireless Local Area Network) in der Norm IEEE 802.11. Ein punktiert dargestellter Zusammenhang gemäß Kurve 0 entspricht einer Rauschvarianz von 0, ein strichliert dargestellter Zusammenhang gemäß Kurve 1 stellt sich bei einer Rauschvarianz mit einem Wert von σ² = 0,3 ein. Ein mit einer durchgezogenen Linie dargestellter Zusammenhang gemäß Kurve 2 stellt sich bei einer Rauschvarianz mit einem Wert von σ² = 4 ein. Ein mit einer strichpunktierten Linie dargestellter Zusammenhang gemäß Kurve 3 stellt sich bei einer Rauschvarianz mit einem Wert von σ² = 30 ein.
Der vormals festgestellte Zusammenhang mit einer sehr groben Abstandsbestimmung aufgrund der gewählten Abtastfrequenz von 10 MHz entspricht dabei der in 4 dargestellten treppenförmigen Kurve 0, in der Zeichnung punktiert dargestellt.
Eine erste Stufe in der Funktion des gemessenen Abstands verläuft parallel zur Abszisse im Bereich zwischen 0 und 30 m mit einem Ordinatenwert von 15 m. In diesem gesamten Bereich wird der zu messende Abstand auf 15 m gemessen, da zwischen 0 und 30 m kein Abstandsunterschied erkannt werden kann.
Eine zweite Stufe in der Funktion des gemessenen Abstands verläuft in entsprechender Weise parallel zur Abszisse im Bereich zwischen 30 und 60 m mit einem Ordinatenwert von 45 m. In diesem gesamten Bereich zwischen 30 und 60 m wird der zu messende Abstand auf 45 m gemessen, da zwischen 30 und 60 m kein Abstandsunterschied erkannt werden kann.
Wird nun mittels einer Additionseinheit ein Rauschsignal auf die von der Antenne empfangenen Signale oder auf die Abtastwerte addiert, ändert sich die Funktion des durch die messende Station bestimmten Abstands. Unter Annahme, dass das addierte Rauschsignal zufällig verteilt ist, beeinflusst dieses Rauschsignal die spezielle Periodendauer, in welcher das Signal detektiert wird.
In Rückgriff auf das vorhergehende Beispiel, bei dem eine Abwesenheit jeglichen Rauschens unterstellt wurde, wird eine 29 m entfernte zu messende Station immer in der ersten Periodenlänge detektiert, welche als ein gemessener Abstand von 15 m ausgewertet wird.
Wird nun jedoch ein Rauschsignal mit einer Varianz von σ² = 0,3 addiert, wird aufgrund der nun zufälligen Verteilung die zu messende Station manchmal in der ersten Periodenlänge und manchmal in der zweiten Periodenlänge erfasst.
Durch ein Mitteln mehrerer Messungen, welche zufälliges Rauschen enthalten, wird die gemessene Signallaufzeit sehr nahe an der tatsächlichen Signallaufzeit liegen. Wie anhand der 4 entnommen werden kann, existiert für einen speziellen Satz an Parametern, insbesondere der Kanalbandbreite und der Abtastfrequenz, eine optimale Rauschvarianz.
Bei einer Rauschvarianz um einen Wert von 0 entspricht die Funktion des gemessenen Abstands einer Treppenfunktion. Bei einer steigenden Varianz, vgl. Kurve 1 mit einer Varianz von σ² = 0,3 nimmt die Funktion einen weicheren Verlauf ein, bis sie mit einer Varianz von σ² = 4 gemäß Kurve 2 in eine lineare Funktion übergeht.
Die lineare Funktion gemäß der Kurve 2 in 4 bedeutet jedoch einen linearen Zusammenhang zwischen den gemessenen und dem tatsächlichen Abstand und damit eine optimale Genauigkeit des gemessenen Abstands.
Wird die in 2 gewählte Varianz weiter erhöht, flacht mit einer Rauschvarianz mit einem Wert von σ² = 30 die lineare Kurve in Richtung der Kurve 3 ab. Eine weitere Erhöhung der Rauschvarianz führt also zu einer zunehmend ungenauerem Bestimmung.
Es muss betont werden, dass ein gemäß der Erfindung bewusst überlagertes Rauschen paradoxerweise zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit führt.
Es muss betont werden, dass eine so bestimmte optimale Rauschvarianz um einen Wert von σ² = 4 bei der gewählten Kanalbandbreite und der gewählten Abtastfrequenz das normalerweise vorhandene Rauschen in realen Systemen um einen Faktor von 100 übersteigt. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Maßnahme einer Rauschaddition in keinster Weise zu den intuitiv von meinem Fachmann gewählten Mitteln gehören würde, zumal sämtliche Veröffentlichungen in diesem Bereich auf eine Minimierung des Rauschens abstellen. Maßnahmen zur Reduzierung von Rauschen stellen eine routinemäßige Übung des Fachmanns im Bereich der Signalverarbeitung dar.
Die Erfindung zeigt jedoch, dass für Belange der Abstandsmessung eine bewusste Addition von Rauschen ein akkurateres Ergebnis bei einer Abstandsmessung ergibt.
Es muss weiterhin betont werden, dass eine Erhöhung bzw. Addition von Rauschen in einem Kommunikationssystem grundsätzlich eine Übermittlung von Daten behindert und eine erreichbare Datenrate in einem solchen Kommunikationssystem verringern würde. Nichtsdestoweniger wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme einer Rauschaddition die Genauigkeit einer Ortsbestimmung um einen Faktor von bis zu 100 gesteigert.
Um die negativen Effekte einer Rauschaddition auf eine Datenübertragung nicht übergreifen zu lassen, wird erfindungsgemäß eine Addition des Rauschsignals durch eine Additionseinheit vorgenommen. Auf diese Weise wird das Rauschen innerhalb der Vorrichtung zur Abstandsmessung generiert und zeitigt dabei keine negativen Effekte oder Störungen auf andere verwendete Frequenzbänder.
In 5 ist ein logarithmisch aufgetragener Fehler in der Abstandsmessung mit einer Dimension »Meter« über einer logarithmisch aufgetragenen Rauschvarianz dargestellt.
Für alle in 5 dargestellten Zusammenhänge 10, 20, 100 beträgt die Kanalbandbreite 16,7 MHz, der Schwellwert der Schwellwerteinrichtung 0,5.
Für eine erste Funktion 10 ist eine Abtastfrequenz in Höhe von 10 MHz eingestellt, für eine zweite Funktion 20 eine Abtastfrequenz in Höhe von 20 MHz und für eine dritte Funktion 100 eine Abtastfrequenz von 100 MHz eingestellt.
Aus der zweiten Funktion 20 mit einer Abtastfrequenz von 20 MHz zeigt sich ein ausgeprägtes Minimum im Bereich einer Rauschvarianz mit einem Wert von σ² = 2. Für eine Abtastfrequenz von 10 MHz, vgl. Funktion 10, zeigt sich ein Minimum für einen Rauschvarianz mit einem Wert von σ² = 5. Für eine Abtastfrequenz im Bereich von 100 MHz, vgl. dritte Funktion 100, ergibt sich ein flacherer Minimumbereich bei einer Rauschvarianz mit einem Wert von σ² zwischen 0,2 und 1.

Claims

Vorrichtung zur Abstandsmessung, umfassend – eine in einer ersten Station (S1) vorgesehene Empfangseinrichtung (RCV) zum Empfang eines von einer zweiten Station (S2) mit einer bekannten Kanalbandbreite gesendeten zweiten Signals (SG2), – eine Zeiterfassungseinrichtung zum Erfassen einer Signallaufzeit des zweiten Signals (SG2), umfassend, – eine Abtasteinrichtung (SMP) mit einer einstellbaren Abtastfrequenz zur Bildung von Abtastwerten des zweiten Signals (SG2), – eine Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Signallaufzeit zwischen dem zweiten Signal (SG2) und einem zeitlich vorausgehenden ersten Signal (SG1), – eine Additionseinheit (ADD) zur Addition eines Rauschsignals (NSE) mit einem aus der Kanalbandbreite und der Abtastfrequenz bestimmten Wert einer Rauschvarianz auf die Abtastwerte und/oder auf das zweite Signal (SG2), – eine Recheneinrichtung zur Bestimmung des Abstands (D) zur zweiten Station (S2) auf Basis einer Mehrzahl von erfassten Signallaufzeiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, eine Schwellwerteinrichtung (THR) zur Auswertung von Abtastwerten oberhalb eines einstellbaren Schwellwerts,
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch, einen der Abtasteinrichtung vorgeschalteten Tiefpassfilter (LPF).
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung der Vorrichtung als gemäß einem drahtlosen Kommunikationsprotokoll arbeitender Basisstation.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung von weißem gaußschen Rauschen als Rauschsignal (NSE).
Verfahren zur Abstandsmessung zwischen einer ersten und einer zweiten Station (S1; S2) mit folgenden Schritten: – Empfang eines von der zweiten Station (S2) mit einer bekannten Kanalbandbreite gesendeten zweiten Signals (SG2) in der ersten Station (S1), – Bildung von Abtastwerten des zweiten Signals (SG2) mit einer einstellbaren Abtastfrequenz, – Bestimmung einer Signallaufzeit zwischen dem zweiten Signal und einem zeitlich vorausgehenden ersten Signal (SG1), – Bestimmung des Abstands zum Sender auf Basis einer Mehrzahl von erfassten Signallaufzeiten, wobei auf die Abtastwerte und/oder auf das zweite Signal ein Rauschsignal (NSE) addiert wird, dessen Wert für die Rauschvarianz aus der Kanalbrandbreite und der Abtastfrequenz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich vorausgehende erste Signal (SG1) von einer dritten Station gesendet wurde.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitlich vorausgehende erste Signal (SG1) von der ersten Station (S1) gesendet wurde.
Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 in einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestalteten Basisstation.