DE102017209002A1

DE102017209002A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems

Info

Publication number: DE102017209002A1
Application number: DE102017209002.2A
Authority: DE
Inventors: Juri Sidorenko; Norbert Scherer-Negenborn; Michael Arens
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2018-11-29
Also published as: EP3631490A1; WO2018219873A1

Abstract

Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- Senden eines Signals mit einem Sender von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen innerhalb eines Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems;
- Empfangen des Signals mit zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems;
- Ermitteln eines Satzes von Messwerten aus dem empfangen Signal für jede der zumindest zwei Empfängerstationen für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen; und
- Auswerten der Sätze von Messwerten der zumindest zwei Empfängerstationen, um die relativen Positionen der zumindest zwei Empfängerstationen zu ermitteln.

Description

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Selbstkalibrierung der relativen Positionen von Empfängerstationen für Systeme zur funkbasierten Positionsbestimmung mittels Laufzeitmessung.
Die funkbasierte Positionsbestimmung eines Objekts, relativ zu einer Gruppe aktiver oder passiver Sensoren, kann mittels unterschiedlicher Messprinzipien realisiert werden. Daraus abgeleitet ergeben sich verschiedene Rechenverfahren mit spezifischen Problemstellungen. Dabei ist es in erster Linie notwendig zu unterscheiden, welche der Teilnehmer aktiv oder passiv sind. Zudem ist es in vielen Anwendungen nicht gewollt, dass alle Teilnehmer senden. In diesen heterogenen Systemen müssten die relativen Positionsdaten einzelner Teilnehmer (Empfängerstationen) bekannt sein um die unbekannte Position anderer Teilnehmer (Transponder) zu bestimmen.
Systeme, wie das in der WO 2011/006998 A1 beschriebene, nutzen die Round Trip Time of Flight (RTI, RTioF, dt. Rundreisezeit (Paketumlaufzeit)). Dabei wird von einer stationären Basisstation ein Signal ausgesendet, welches vom bewegten Objekt zurück reflektiert wird. Die Laufzeit ergibt sich bei jeder Basisstation durch einen direkten Vergleich zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal. Dabei entfällt die Notwendigkeit einer zeitlichen Synchronisation zwischen den Empfängerstationen.
Abweichend dazu sendet beim in der EP 1 334 372 B1 beschriebenen LPM-System (LPM = Local Position Measurement, dt. lokale Positionsmessung) das zu lokalisierenden Objekt (Messtransponder) ein Signal aus, das von den stationären Empfängerstationen empfangen wird. Da dabei die Sender und Empfänger zeitlich nicht synchronisiert sind, wird eine weitere stationäre Senderstation (Referenztransponder (RT)) benötigt.
In der US 2014/368387 A1 wird ein Verfahren zur Kalibrierung von Transpondern und Empfängerstationen beschrieben. Hierbei werden nicht die Signallaufzeiten sondern die unterschiedlichen Ankunftszeiten zwischen Empfängerstationen bestimmt (TDOA, Time Difference Of Arrival). Zur Synchronisation wird mindestens dieselbe Anzahl an Transpondern benötigt wie Empfängerstationen vorhanden sind, wobei die Anzahl der Transponder mindestens zwei sein muss. Anderenfalls muss die Position des RT bekannt sein.
Zum jetzigen Zeitpunkt erfolgt die Einmessung der Empfängerstationen des LPM-Systems der EP 1 334 372 B1 durch externe Systeme. Die gängigste Variante ist die Nutzung von laserbasierten Distanzmessverfahren (LRF (Laser Range Finder)). Dafür wird ein hoher Zeitaufwand benötigt, der mit der Anzahl der verwendeten Empfängerstationen linear ansteigt. Zudem ergibt sich ein systeminhärenter Fehler dadurch, dass das Empfangsteil (Antenne) der Basisstation unter einer Schutzhülle liegt und nicht genau anvisiert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zu schaffen, welches ein schnelleres und/oder genaueres Einmessen der Positionen der Empfängerstationen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Senden eines Signals mit einem Sender von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen innerhalb eines Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems;
- Empfangen des Signals mit zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems;
- Ermitteln eines Satzes von Messwerten aus dem empfangen Signal für jede der zumindest zwei Empfängerstationen für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen; und
- Auswerten der Sätze von Messwerten der zumindest zwei Empfängerstationen, um die relativen Positionen der zumindest zwei Empfängerstationen zu ermitteln.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Verfahren zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Bewegen eines Senders in einem Messvolumen des Positionsbestimmungssystems, wobei der Sender während der Bewegung ein Signal aussendet;
- Empfangen des Signals während der Bewegung des Senders mit zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems, wobei die zumindest zwei Empfängerstationen unterschiedliche Positionen in dem Messvolumen aufweisen;
- Ermitteln eines Satzes von Messwerten aus dem während der Bewegung des Senders empfangen Signals für jede der zumindest zwei Empfängerstationen; und
- Auswerten der Sätze von Messwerten der zumindest zwei Empfängerstationen, um die relativen Positionen der zumindest zwei Empfängerstationen zu ermitteln.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um Sätze von Messwerten auszuwerten, um relative Positionen von zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems zu ermitteln, wobei jeder Satz der Sätze von Messwerten von einer der zumindest zwei Empfängerstationen durch Empfangen und Analysieren eines Signals ermittelt wurde, das von einem Sender von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen innerhalb eines Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems gesendet wurde.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Verfahren einen Schritt des Bewegens des Senders in dem Erfassungsvolumen (oder Messvolumen) des Positionsbestimmungssystems aufweisen, um das Signal von der Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen zu senden.
Beispielsweise kann der Sender zumindest entlang einer Strecke bewegt werden, die 0,5 Mal so lang ist, wie ein durchschnittlicher Abstand der zumindest zwei Empfängerstationen zueinander.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Empfängerstationen unterschiedliche Positionen innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Empfängerstationen zeitsynchronisiert sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Verfahren ferner einen Schritt des Sendens eines Referenzsignals mit einem weiteren Sender, einen Schritt des Empfangens des Referenzsignals mit den zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems, und einen Schritt des Ermittelns einer Referenzzeit aus dem empfangen Referenzsignal für jede der zumindest zwei Empfängerstationen aufweisen. Beispielsweise kann der weitere Sender eine feste Position innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems aufweisen. Der weitere Sender kann z.B. eine weitere Basisstation sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann der Satz von Messwerten ein Satz von Laufzeitmesswerten des von dem Sender gesendeten Signals für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen sein.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Auswerten der Sätze von Messwerten einen Schritt des Lösens eines Gleichungssystems umfassen, wobei das Gleichungssystem die Messwerte als mathematische Funktionen der Positionen der zumindest zwei Empfängerstationen und der Positionen des Senders beschreibt.
Beispielsweise kann das Lösen des Gleichungssystems einen Schritt des Transformierens des Gleichungssystems umfassen, so dass eine Variable pro Messung entfällt. Die Variable kann zum Beispiel der Zeitliche Offset zwischen den Signalen des Senders und des Referenzsenders (=Referenztransponder (RT)) sein.
Ferner kann das Lösen des Gleichungssystems beispielsweise einen Schritt des Lösens des Gleichungssystems durch einen Algorithmus zur Minimierung der Fehlerquadrate umfassen. Der Optimierungsalgorithmus kann mehrfach auf eine Teilmenge der Messwerte angewendet werden.
Ferner kann das Lösen des Gleichungssystems beispielsweise einen Schritt des Erzeugens von Startwerten für den Optimierungsalgorithmus umfassen, wobei die Startwerte durch Analyse eines Empfangssignalverlaufs und/oder einer Empfangssignalstärke für jede der zumindest zwei Empfängerstationen in Bezug auf zumindest eine andere der zumindest zwei Empfängerstationen erzeugt werden.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Auswerten der Sätze von Messwerten einen Schritt des Filterns der Messwerte zur Rauschunterdrückung umfassen.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Ermitteln des Satzes von Messerwerten einen Schritt des Kombinierens des empfangenen Signals mit einem lokalen Referenzsignal für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen aufweisen, um einen Satz von Laufzeitmesswerten zu erhalten.
Bei Ausführungsbeispielen kann das Signal ein Chirp-Signal sein.
Bei Ausführungsbeispielen können die zumindest zwei Empfängerstationen ihre Messungen z.B. über WLAN an eine zentrale Steuereinheit (z.B. Rechner) des Positionsbestimmungssystems übermitteln.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
2 ein schematisches Blockschaltbild eines Systems mit einem Sender und zumindest zwei Empfängerstationen, gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung untereinander austauschbar ist.
1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 102 des Sendens eines Signals mit einem Sender (z.B. Messsender (= Messtransponder)) von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen innerhalb eines Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems. Ferner umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 104 des Empfangens des Signals mit zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems. Ferner umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 106 des Ermittelns eines Satzes von Messwerten aus dem empfangen Signal für jede der zumindest zwei Empfängerstationen für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen. Ferner umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 108 des Auswertens der Sätze von Messwerten der zumindest zwei Empfängerstationen, um die relativen Positionen der zumindest zwei Empfängerstationen zu ermitteln.
Das in 1 beschriebene Verfahren wird nachfolgend anhand des in 2 gezeigten Systems 120 mit einem Sender 122 und zumindest zwei Empfängerstationen 124_1 bis 124_n näher erläutert.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Systems 120 mit einem Sender 122 und zumindest zwei Empfängerstationen 124_1 bis 124_n, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das System kann dabei bis zu n Empfängerstationen 124_1 bis 124_n umfassen, wobei n eine natürliche Zahl größer gleich zwei ist, n ≥ 2. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das System 120 zu Veranschaulichungszwecken n = 3 Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3).
Die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können dabei verteilt angeordnet sein. Die Empfangsreichweiten der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können dabei ein Erfassungsbereich bzw. Erfassungsvolumen (oder Messvolumen) definieren, innerhalb dessen das Positionsbestimmungssystems 120 die Position des Senders 122 erfassen kann. Die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können also unterschiedliche Positionen 125_1 bis 125_n innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems 120 bzw. des zu erfassenden Messvolumens des Positionsbestimmungssystems 120 aufweisen.
Die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können beispielsweise WLAN Access Points (WLAN = wireless local area network, dt. drahtloses lokales Netzwerk) enthalten.
Der Sender 122 kann ein aktiver Sender, wie z.B. ein Messender oder Messtransponder sein.
Wie bereits in Bezug auf 1 beschrieben wurde, kann der Sender 122 ein Signal von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen aussenden. Hierzu kann der Sender 122 innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems 120 bewegt werden. Der Sender kann dabei zumindest entlang einer Strecke bewegt werden, die beispielsweise 0,5 Mal (oder 0,3 Mal, oder 0,2 Mal oder 0,1 Mal) so lang ist, wie ein durchschnittlicher Abstand zwischen den Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3).
Beispielsweise kann der Sender 122 innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems 120 so bewegt werden, dass der Sender 122 zu einem ersten Zeitpunkt das Signal von einer ersten Position 128_1 aussendet und zu einem zweiten Zeitpunkt das Signal von einer zweiten Position aussendet (und von weiteren Zeitpunkten das Signal von weiteren Positionen aussendet). Das Signal, das von dem Sender 122 zu dem ersten Zeitpunkt (oder von der ersten Position 128_1) ausgesendet wird, ist in 2 mit dem Bezugszeichen 126_1 gekennzeichnet, während das Signal, das von dem Sender 122 zu dem zweiten Zeitpunkt (oder von der zweiten Position 128_2) ausgesendet wird, mit dem Bezugszeichen 126_2 gekennzeichnet ist.
Die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können dabei jeweils für jede Position der Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen von denen der Sender 122 das Signal aussendet ein Messwert erhalten, so dass jede Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) ein Satz von Messwerten erhält.
Durch Auswerten der Sätze von Messwerten der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können die relativen Positionen 125_1 bis 125_n der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) ermittelt werden.
Beispielsweise können die Messwerte Laufzeitmesswerte sein, so dass jeder Basisstation 124_1 bis 124_n (n = 3) ein Satz von Laufzeitmesswerten für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen, an denen der Sender 122 das Signal gesendet hat, vorliegt. Bedingt durch die Bewegung des Senders 122 innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems 120 ändern sich die Laufzeiten des von dem Sender 122 gesendeten Signals und den jeweiligen Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3), welche von den gemessen werden Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können.
Zum Ermitteln der Laufzeitmesswerte können die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) jeweils das empfangene Signal mit einem Referenzsignal kombinieren. Beispielsweise kann das von dem Sender 122 gesendete Signal (und damit auch das von der jeweiligen Basisstation empfangene Signal) ein Chirp-Signal sein. Ferner kann auch das Referenzsignal ein Chirp-Signal sein. Bei der Kombination (z.B. Mischung) der beiden Chirp-Signale kann eine Schwebung entstehen, die auf die Signallaufzeit hindeutet.
Die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können zeitsynchronisiert sein. Zur Zeitsynchronisation der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) kann beispielsweise ein weiterer Sender 130 verwendet werden, der ein Referenzsignal 132 aussendet. In diesem Fall können die Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) das Referenzsignal 132 empfangen und aus dem empfangenen Referenzsignal 132 jeweils eine Referenzzeit zur zeitlichen Synchronisation ermitteln.
Der weitere Sender 130 kann eine feste Position innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems 120 aufweisen. Der weitere Sender 130 kann beispielsweise ein Chirp-Signal als Referenzsignal 132 aussenden.
Die relativen Positionen der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) können mit den vorliegenden Sätzen von Messwerten ermittelt werden, beispielsweise durch eine der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) selbst oder durch eine zentrale Steuereinheit des Positionsbestimmungssystems 120.
Im Detail können die Sätze von Messwerten der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) ausgewertet werden, in dem ein Gleichungssystem aufgestellt und gelöst wird, das die Messwerte als mathematische Funktionen der Positionen der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) und der Positionen des Senders 122 beschreibt. Zum Lösen des Gleichungssystems kann das Gleichungssystem transformiert werden, so dass eine Variable pro Messung entfällt. Die Variable kann beispielsweise der Zeitliche Offset zwischen den Signalen des Senders 122 und des Referenzsenders 130 sein.
Beispielsweise kann zur Lösung des Gleichungssystems ein Algorithmus zur Minimierung der Fehlerquadrate verwendet werden. Der Optimierungsalgorithmus kann dabei mehrfach auf eine Teilmenge der Messwerte angewendet werden. Ferner kann zur Lösung des Gleichungssystems Startwerte für den Optimierungsalgorithmus erzeugt werden, wobei die Startwerte durch Analyse eines Empfangssignalverlaufs und/oder einer Empfangssignalstärke für jede der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) in Bezug auf zumindest eine andere der Empfängerstationen 124_1 bis 124_n (n = 3) erzeugt werden können.
Bei Ausführungsbeispielen können die relativen Basisstationspositionen aus den Messwerten der Empfängerstationen bestimmt werden während ein (aktiver) Messtransponder im Messvolumen bewegt wird. Hierbei handelt es sich um eine Selbstkalibrierung (=Ermitteln von relativen Positionen von Basisstationen), da die Messwerte aus denen das Ergebnis des Verfahrens berechnet wird, nämlich die unbekannten Positionen der Empfängerstationen und des Referenztransponders, vom System selbst stammen.
Da das Verhältnis zwischen den unbekannten Variablen und der Anzahl an Gleichungen größer als Eins sein sollte, um die unbekannten Variablen zu bestimmen, kann der Messtransponder eine gewisse Zeit im Messvolumen bewegt werden. Mit einer Messwiederholung von 1 kHz ist diese Minimalzeit in Abhängigkeit der Anzahl der Empfängerstationen (z.B. n>4) gegeben durch 3*n/(n-4)*1ms. Diese Zeit wird nach wenigen Millisekunden erreicht. Ausschlaggebend für die Genauigkeit des Ergebnisses ist jedoch nicht die Anzahl der Messungen, sondern die möglichst große Bewegung des Messtransponders im Messvolumen. Dieser sollte mindestens einmal entsprechend eines möglichst großen Kreises im Messvolumen bewegt werden. Dabei ist die benötigte Bahn des Messtransponders nicht auf einen Kreis festgelegt.
Die Beschreibung der Messtransponderpositionen als mathematische Funktionen der Basisstationspositionen und der Basisstationsmesswerte reduziert die Anzahl von unbekannten Variablen auf eine konstante Größe, die nicht mehr von der Anzahl der Messungen abhängt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann das Verfahren folgende Schritte umfassen. Das Verfahren kann einen ersten Schritt des Transformierens des Gleichungssystems umfassen, wodurch eine unbekannte Variable pro Messung entfällt. Das Verfahren kann optional einen zweiten Schritt des Filterns der Messwerte der Empfängerstationen zur Rauschunterdrückung umfassen. Das Verfahren kann einen optionalen dritten Schritt des Erzeugens von Startwerten für den Optimierungsprozess durch Analyse des Signalverlaufs und/oder der Signalstärke für jede Basisstation in Relation zu den anderen Empfängerstationen umfassen. Das Verfahren kann einen vierten Schritt des Lösens des Gleichungssystems durch einen nicht-linearen Optimierungsalgorithmus umfassen, nachdem ausreichend Messungen gemacht wurden. Das Verfahren kann einen optionalen fünften Schritt des mehrfachen Wiederholens des Optimierungsprozesses auf einer Teilmenge der Messwerte zur Reduzierung des Zeitaufwands für die Optimierung und zur Vermeidung der Konvergenz in lokalen Minima umfassen. Das Verfahren kann einen optionalen sechsten Schritt des kontinuierlichen Berechnens eines optimalen Pfads zur Verringerung des Restfehlers umfassen, nach der ersten der ersten Lösung des Gleichungssystems und der Bestimmung des verbleibenden Restfehlers. Das Verfahren kann einen optionalen siebten Schritt des Nutzens von IMU-Daten des Messtransponders zur Verbesserung der Startwertschätzung und/oder zur Verbesserung des Optimierungsprozesses umfassen.
Die Positionsbestimmung der passiven Empfänger sowie auch der aktiven Referenzstation mittels Positionsänderung eines oder mehrerer Messtransponder im Messvolumen, bringen gegenüber der Einmessung mit externen Systemen folgende Vorteile. Erstens, eine Verkürzung der benötigten Zeit zur Einmessung. Zweitens, keine Abhängigkeit der benötigten Zeit zur Einmessung von der Anzahl der verwendeten Empfängerstationen. Drittens, keine Erforderlichkeit zusätzlicher Systeme zur Einmessung. Viertens, die Bereitstellung einer autonomen Einmessung. Fünftens, die Genauigkeit der Einmessung erfolgt mit der Systemgenauigkeit, wodurch kein Verlust an Genauigkeit und auch keine Überbestimmung erfolgt. Sechstens, die Vermeidung von Fehlern durch ungenaue Anvisierung bzw. der Unkenntnis der genauen Position der Antenne der Empfängerstationen bei laserbasierten Einmessverfahren.
Ausführungsbeispiele schaffen gegenüber herkömmlichen Systemen eine Zeitersparnis und einen Verzicht auf zusätzliche (Einmess-)Systeme, die vor allem bei mobilen Messungen hohe Kosten verursachen.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein System, bei dem die Empfängerstationen passiv und die Transponder aktiv sind. Ausführungsbeispiele ermöglichen es, die für die Positionsbestimmung der (aktiven) Transponder benötigten Informationen über die Position der (passiven) Empfängerstationen in einem Selbstkalibrierungsprozess zu bestimmen. Hierbei kann die Selbstkalibrierung schon mit einem Objekt durchgeführt werden.
Ausführungsbeispiele schaffen ein System, das basierend auf den Messwerten der Empfängerstationen des LPM-Systems eine Selbstkalibrierung durchführt.
Ausführungsbeispiele können in jeglicher mobilen Anwendung des LPM-Systems, bei der die Installationszeit eine wesentliche Rolle spielt, wie z.B. Messen, Entertainment-Shows und Sportevents, eingesetzt werden.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nichtvorübergehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/006998 A1 [0003]
EP 1334372 B1 [0004, 0006]
US 2014368387 A1 [0005]

Claims

Verfahren (100) zum Ermitteln von relativen Positionen (125_1:125_n) von Empfängerstationen (124_1:124_n) eines Positionsbestimmungssystems (120), mit folgenden Schritten: Senden (102) eines Signals (126_1,126_2) mit einem Sender (122) von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen (128_1,128_2) innerhalb eines Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems (120); Empfangen (104) des Signals (126_1,126_2) mit zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) des Positionsbestimmungssystems (120); Ermitteln (106) eines Satzes von Messwerten aus dem empfangen Signal für jede der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen; und Auswerten (108) der Sätze von Messwerten der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n), um die relativen Positionen (125_1:125_n) der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) zu ermitteln.
Verfahren (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Verfahren (100) einen Schritt des Bewegens des Senders (122) in dem Messvolumen des Positionsbestimmungssystems (120) aufweist, um das Signal (126_1,126_2) von der Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen (128_1,128_2) zu senden.
Verfahren (100) nach Anspruch 2, wobei der Sender (122) zumindest entlang einer Strecke bewegt wird, die 0,5 Mal so lang ist, wie ein durchschnittlicher Abstand der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) zueinander.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) unterschiedliche Positionen (125_1:125_n) innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems (120) aufweisen.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) zeitsynchronisiert sind.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) ferner folgenden Schritt aufweist: Senden eines Referenzsignals (132) mit einem weiteren Sender (130); Empfangen des Referenzsignals (132) mit den zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) des Positionsbestimmungssystems (120); und Ermitteln einer Referenzzeit aus dem empfangen Referenzsignal für jede der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n).
Verfahren (100) nach Anspruch 6, wobei der weitere Sender (130) eine feste Position innerhalb des Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems (120) aufweist.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Satz von Messwerten ein Satz von Laufzeitmesswerten des von dem Sender (122) gesendeten Signals (126_1,126_2) für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen (128_1,128_2) ist.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Auswerten (108) der Sätze von Messwerten einen Schritt des Lösens eines Gleichungssystems umfasst, wobei das Gleichungssystem die Messwerte als mathematische Funktionen der Positionen (125_1:125_n) der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) und der Positionen des Senders (122) beschreibt.
Verfahren (100) nach Anspruch 9, wobei das Lösen des Gleichungssystems einen Schritt des Transformierens des Gleichungssystems umfasst, so dass eine Variable pro Messung entfällt.
Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei die Variable der zeitliche Offset zwischen den Signalen des Senders und des Referenzsenders ist.
Verfahren (100) einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Lösen des Gleichungssystems einen Schritt des Lösens des Gleichungssystems durch einen Algorithmus zur Minimierung der Fehlerquadrate umfasst.
Verfahren (100) nach Anspruch einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Optimierungsalgorithmus mehrfach auf eine Teilmenge der Messwerte angewendet wird.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Lösen des Gleichungssystems einen Schritt des Erzeugens von Startwerten für den Optimierungsalgorithmus umfasst, wobei die Startwerte durch Analyse eines Empfangssignalverlaufs und/oder einer Empfangssignalstärke für jede der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) in Bezug auf zumindest eine andere der zumindest zwei Empfängerstationen (124_1:124_n) erzeugt werden.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Auswerten (108) der Sätze von Messwerten einen Schritt des Filterns der Messwerte zur Rauschunterdrückung umfasst.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (106) des Satzes von Messerwerten Kombinieren des empfangenen Signals mit einem lokalen Referenzsignal für die Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen aufweist, um einen Satz von Laufzeitmesswerten zu erhalten.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Signal (126_1,126_2) ein Chirp-Signal ist.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Referenzsignal (132) ein Chirp-Signal ist.
Verfahren (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sender (122) ein Messsender oder Messtransponder ist.
Verfahren zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems, wobei das Verfahren aufweist: Bewegen eines Senders in einem Messvolumen des Positionsbestimmungssystems, wobei der Sender während der Bewegung ein Signal aussendet; Empfangen des Signals während der Bewegung des Senders mit zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems, wobei die zumindest zwei Empfängerstationen unterschiedliche Positionen in dem Messvolumen aufweisen; Ermitteln eines Satzes von Messwerten aus dem während der Bewegung des Senders empfangen Signals für jede der zumindest zwei Empfängerstationen; und Auswerten der Sätze von Messwerten der zumindest zwei Empfängerstationen, um die relativen Positionen der zumindest zwei Empfängerstationen zu ermitteln.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Vorrichtung zum Ermitteln von relativen Positionen von Empfängerstationen eines Positionsbestimmungssystems, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um Sätze von Messwerten auszuwerten, um relative Positionen von zumindest zwei Empfängerstationen des Positionsbestimmungssystems zu ermitteln, wobei jeder Satz der Sätze von Messwerten von einer der zumindest zwei Empfängerstationen durch Empfangen und Analysieren eines Signals ermittelt wurde, das von einem Sender von einer Mehrzahl von unterschiedlichen Positionen innerhalb eines Erfassungsvolumens des Positionsbestimmungssystems gesendet wurde.