DE102018206677A1

DE102018206677A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lokalisierung eines Objekts

Info

Publication number: DE102018206677A1
Application number: DE102018206677.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Schmidhammer; Christian Gentner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-10-31

Abstract

Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts, bei welchem ein elektromagnetisches Signal von einem Sender ausgesendet wird und von einem Empfänger empfangen wird. Dabei wird anhand der Veränderung der Signalstärke des empfangenen Signals die Position des zu lokalisierenden Objekts ermittelt. Hierbei wird neben dem Signal, welches entlang der Sichtlinie vom Sender zum Empfänger gelangt, auch die Veränderung der Signalstärke von Mehrpfadkomponenten des Signals berücksichtigt bei der Lokalisierung des Objekts.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Lokalisierung eines Objekts mittels einem elektromagnetischen Signal und insbesondere mittels einer Drahtlosfunkverbindung.
Mit dem Aufkommen smarter Umgebungen, wie beispielsweise moderner Fertigungseinrichtungen oder Smart Homes, besteht ein wachsendes Bedürfnis nach lokalisationsabhängigen Anwendungen. Somit erlangt die drahtlose Lokalisation mittels einem Funksignal und das dadurch ermöglichte Nachverfolgen von Objekten oder Personen in einem Bereich großes Interesse. Dabei können bekannte radiofrequenz(RF)-basierte Lokalisationssysteme klassifiziert werden, in aktive und passive Systeme, in Abhängigkeiten von den zu überwachenden Objekten, wie beispielsweise Personen oder Gegenstände, wobei bei der aktiven Lokalisation die einzelnen Objekte aktiv ein Signal aussenden und/oder empfangen. Somit wird in aktiven Systemen die Position des zu lokalisierenden Objekts ermittelt anhand einem Informationsaustausch zwischen dem zu lokalisierenden Objekt und den verfügbaren Netzwerkknoten wie beispielsweise Sender und Empfänger, welche insbesondere bidirektional Daten empfangen und senden können.
In passiven Systemen wird die Position des Objekts ermittelt durch ein Sensornetzwerk, wobei es nicht erforderlich ist, dass das zu lokalisierende Objekt aktiv ein Signal aussendet. Bei dem Sensornetzwerk handelt es sich beispielsweise um eine Vielzahl von Netzwerkknoten. Die Möglichkeit zur Ermittlung der Position des zu lokalisierenden Objekts ergibt sich aus der physikalischen Tatsache, dass durch das Objekt das empfangene Funksignal im Netzwerk abgeschwächt wird, so dass die empfangene Signalstärke (Received Signal Strenght - RSS) der einzelnen Verbindungen des Datennetzwerks zwischen jeweils zwei Netzwerkknoten reduziert werden. Durch ein solches Drahtloskommunikationsnetzwerk mit K Netzwerkknoten, welche als Transceiver ausgebildet sind, wird ein Netzwerk von $M = \frac{K (K - 1)}{2}$
bidirektional Verbindungen entlang der Sichtlinien (line-of-sight - LoS) zwischen jeweils zwei der Netzwerkknoten erzeugt. Für jede dieser Verbindungen ist die RSS hauptsächlich beeinflusst durch die Übertragungsleistung, den abstandsabhängigen Leistungsverlust, den sogenannten Fading-Verlust, welcher durch die Entstehung von Mehrpfadpropagation entsteht, so wie der Abschirmverlust, welcher beispielsweise verursacht wird durch Hindernisse innerhalb der Verbindung entlang der LoS.
Dabei werden in die Kantenlokalisierungsverfahren, wie beispielsweise J. Wilson and N. Patwari, „Radio tomographic imaging with wireless networks," IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 9, no. 5, pp. 621-632, May 2010., lediglich die Verbindungen des Drahtlosnetzwerks entlang den Sichtlinien zwischen den einzelnen Netzwerkknoten berücksichtigt. Weiterhin werden Mehrpfadkomponenten als Störung interpretiert, welche beispielsweise durch digitale Signalverarbeitung herausgefiltert werden.
Wie in der vorstehend bezeichneten Referenz dargelegt, ist die Genauigkeit eines solchen Systems zur Lokalisierung eines Objekts im Wesentlichen abhängig von der Dichte der verfügbaren Netzwerkknoten, so dass durch eine Erhöhung der Anzahl an verfügbaren Netzwerkknoten eine verbesserte Lokalisierungsgenauigkeit erreicht werden kann. Dies kann intuitiv verstanden werden, dadurch zusätzliche LoS-Verbindungen zwischen den einzelnen Netzwerkknoten entstehen, die eine verbesserte Abdeckung in dem überwachten Gebiet erzielen.
Gleichzeitig steigen jedoch mit steigender Anzahl der verfügbaren Netzwerkknoten auch die Kosten für ein solches System, sowie der Aufwand zur Implementierung eines solchen Systems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts zur schaffen, bei dem die Anzahl der erforderlichen Netzwerkknoten reduziert werden kann bzw. bei gleichbleibender Anzahl an Netzwerkknoten eine verbesserte Lokalisierungsgenauigkeit erreicht wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren des Anspruch 1, sowie ein System nach Anspruch 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts wird ein elektromagnetisches Signal von mindestens einem Sender ausgesendet. Sodann wird das elektromagnetische Signal von einem Empfänger empfangen. Bei dem elektromagnetischen Signal handelt es sich insbesondere um eine Drahtlosfunkverbindung, wie beispielsweise WLAN, WiFi, Bluetooth, Ultra Wide Band (UWB), 3G, 4G, 5G oder ein Drahtlosdatenkommunikationsstandard einer weiteren Generation. Bei dem Sender und/oder dem Empfänger handelt es sich beispielsweise um einen Netzwerkknoten. Sodann wird anhand der Veränderung der Signalstärke RSS des empfangenen Signals die Position des zu lokalisierenden Objekts ermittelt. Dabei werden neben dem Signal entlang der Sichtline (Line-of-Sight - LoS) auch Veränderungen der Signalstärke von Mehrpfadkomponenten des Signals berücksichtigt bei der Lokalisierung. Somit wird nicht nur die Veränderung der Signalstärke des Signals entlang der direkten Verbindung zwischen Sender und Empfänger, also entlang der LoS, herangezogen zur Lokalisierung des Objekts, wie es bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Darüber hinaus werden auch die Veränderungen der Signalstärke von Mehrpfadkomponenten des Signals berücksichtigt bei der Lokalisierung des Objekts. Dadurch, dass Mehrpfadkomponenten des Signals berücksichtigt werden, ist es möglich ohne Hinzufügung weiterer Netzwerkknoten bzw. weiterer Sender und Empfänger eine verbesserte Abdeckung des zu überwachenden Bereichs zu erzielen. Dies ist möglich, da nicht mehr nur die unmittelbare Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger die Erfassung eines Objekts ermöglicht, sondern auch die Mehrpfadkomponenten, welche auf komplexeren Pfaden vom Sender zum Empfänger gelangen, herangezogen werden.
Vorzugsweise entstehen die Mehrpfadkomponenten des Signals durch Reflexion, Beugung, Brechung oder Streuung des elektromagnetischen Signals. Insbesondere erfolgt die Reflexion, Beugung, Brechung oder Streuung an Elementen des zu überwachenden Bereichs, deren Position bekannt ist, so dass für die Lokalisierung des Objekts Karteninformation über den zu überwachenden Bereich bekannt sind. Bei den Elementen handelt es sich beispielsweise um Raumwände, Fensterelemente, Boden- oder Deckenelemente, Säulen oder andere insbesondere stationäre Gebäudeelemente.
Vorzugsweise werden in einem Initialisierungsschritt virtuelle Sender ermittelt, wobei für jede berücksichtigte Mehrpfadkomponente jeweils ein virtueller Sender vorgesehen ist. Dabei wird aus der Veränderung der Signalstärke des Signals entlang der Sichtlinie zwischen dem jeweiligen virtuellen Sender und dem Empfänger die Position des zu lokalisierenden Objekts ermittelt. Durch die virtuellen Sender wird somit eine einfachere Berücksichtigung der Mehrpfadkomponenten gewährleistet. Durch die virtuellen Sender wird dabei der Signalverlauf der berücksichtigten Mehrpfadkomponente abgebildet.
Vorzugweise beträgt der Abstand (in [m]) zwischen den virtuellen Sendern und dem Empfänger der Signallaufzeit (in [s]), der durch den virtuellen Sender berücksichtigen Mehrpfadkomponente (multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit [m/s]). Die Verzögerung des Signals, beispielsweise durch Reflexion, Beugung, Brechung oder Streuung bzw. die Signallaufzeit wird dabei derart berücksichtigt, dass der Abstand zwischen virtuellem Sender und dem Empfänger gerade dieser Signallaufzeit entspricht. Hierbei wird für die Korrelierung zwischen Signallaufzeit und Abstand die Signallaufzeit mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Signals, insbesondere der Lichtgeschwindigkeit, multipliziert, um so den Abstand zwischen dem virtuellen Sender und dem Empfänger zu ermitteln.
Vorzugsweise liegen Karteinformationen über den zu überwachenden Bereich vor. Anhand dieser Karteninformationen sind die Positionen möglicher Reflexionsflächen, Streuzentren, Beugungskörper oder dergleichen bekannt und können somit berücksichtigt werden bei der Ermittlung des realen Laufweg des elektromagnetischen Signals vom Sender zum Empfänger. Somit kann für eine Mehrpfadkomponente anhand der Karteninformationen der Weg dieser Mehrwegkomponente vom Sender zum Empfänger ermittelt werden.
Vorzugweise ist der Empfangswinkel gesehen vom Empfänger bzw. der Angle of Arrival (AoA) für die Mehrpfadkomponente und das Signal des virtuellen Senders bzw. Sichtlinienverbindung zwischen virtuellem Sender und Empfänger identisch. Die Mehrpfadkomponente und das Signal des virtuellen Senders, der diese Mehrpfadkomponente berücksichtigt, treffen somit aus der gleichen Richtung auf den Empfänger.
Vorzugsweise werden Mehrpfadkomponenten verursacht durch Reflektionen an einer Reflexionsfläche wie beispielsweise einer Wand berücksichtigt durch einen entsprechenden virtuellen Sender, wobei die Position des virtuellen Senders bestimmt wird durch die Spiegelung des Senders an der Reflexionsfläche. Hierbei ist insbesondere die Position der Reflexionsfläche bekannt beispielsweise aus den bekannten Karteninformationen des zu überwachenden Bereichs. Durch diese geometrische Umsetzung ist sichergestellt, dass die Laufzeit für den reflektierten Pfad zwischen realem Sender und Empfänger sowie die Laufzeit von dem entsprechenden virtuellen Sender zum Empfänger identisch sind. Ebenso ist der Empfangswinkel gesehen vom Empfänger ebenfalls identisch.
Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Sendern und Empfängern vorgesehen, insbesondere eine Vielzahl an Netzwerkknoten.
Vorzugsweise ist die Anzahl M der zu Lokalisierung des Objekts zur Verfügung stehenden Verbindungen zwischen Sender bzw. virtuellem Sender und Empfänger größer als K(K-1)/2. Insbesondere gilt $M = \frac{K_{V T} (K - 1)}{2} + \frac{K (K - 1)}{2},$
wobei K die Anzahl der Sender und K_VT die Anzahl der virtuellen Sender ergibt. Somit wird durch Berücksichtigung der virtuellen Sender eine größere Anzahl von Verbindungen herangezogen zur Lokalisierung des Objekts. Gleichzeitig ist es jedoch hierzu nicht erforderlich, weitere reale/physische Sender zu implementieren, so dass die Komplexität des Systems klein bleibt. Somit kann aufgrund der Berücksichtigung von Mehrpfadkomponenten eine erhöhte Lokalisierungsgenauigkeit erreicht werden, da wie vorstehend beschrieben eine Lokalisierungsgenauigkeit wesentlich von der Anzahl der zur Verfügung stehenden Verbindungen abhängt.
Vorzugsweise sind Sender und Empfänger bzw. Netzwerkknoten ausgebildet, um bidirektional zu übertragen.
Zur Implementierung des vorstehenden Verfahrens wird zunächst in einem Initialisierungsschritt die Signallaufzeit der einzelnen Mehrpfadkomponenten ermittelt. Hierzu wird insbesondere die Verzögerung zwischen zwei Netzwerkknoten jeweils wechselseitig bestimmt, wobei hierzu die betrachteten Netzwerkknoten jeweils einmal als Sender und einmal als Empfänger dienen. Dabei können die Signallaufzeiten bzw. Signalverzögerungen mittels bekannten Verfahren bestimmt werden. Bei solchen bekannten Verfahren handelt es sich beispielsweise um MUSIC (multiple signal classification - R. Schmidt, „Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 34, no. 3, pp. 276-280, Mar. 1986.), ESPRIT (R. Roy and T. Kailath, „ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques," IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Process., vol. 37, no. 7, pp. 984-995, July 1989.), SAGE (space-alternating generalized expectation-maximization - B. H. Fleury, M. Tschudin, R. Heddergott, D. Dahlhaus, and K. I. Pedersen, „Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments using the SAGE Algorithm," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 17, no. 3, pp. 434-450, Mar. 1999.) oder KEST (Kalman enhanced super resolution tracking - T. Jost, W.Wang, U.-C. Fiebig, and F. Pérez-Fontán, „Detection and Tracking of Mobile Propagation Channel Paths," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 10, pp. 4875- 4883, Oct. 2012.). Aus den so bestimmten Signalverzögerungen und den bekannten Orten der realen / physischen Netzwerkknoten ist sodann die Position der jeweiligen virtuellen Sender ermittelbar. Nach Abschluss dieser Initialisierung ist es möglich durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Bestimmung des RSS des empfangenen Signals, die Position eines Objekts zu bestimmt, wobei auch die Mehrpfadkomponenten berücksichtigt werden durch Vorsehen der virtuellen Sender.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Lokalisierung eines Objekts mit mindestens einem Sender und einem Empfänger, wobei insbesondere Sender und Empfänger als bidirektionale Transceiver ausgebildet sind, wobei Sender und Empfänger mit einer Auswertevorrichtung verbunden sind. Die Auswertevorrichtung ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens wie vorstehend beschrieben. Insbesondere sind eine Vielzahl von Sendern und Empfängern bzw. eine Vielzahl von Netzwerkknoten vorgesehen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 Ein System zur Lokalisierung eines Objekts nach dem Stand der Technik,
2 Ein System zur Lokalisierung eines Objekts gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit lediglich einem Transmitter und einem Receiver
4 Die in der 2 dargestellt System mit virtuellen Sendern und
5 Erläuterung bzgl. des Signallaufwegs einer Mehrpfadkomponente.

1 zeigt den Stand der Technik, bei dem lediglich die Signalausbreitung entlang der Sichtlinie zwischen jeweils zwei Netzwerkknoten berücksichtigt wird. 1 zeigt dabei ein System zur Lokalisierung eines Objekts in einem schematisch dargestellten Raum 10 mit vier Netzwerkknoten 12, welche als Transceiver bzw. bidirektionalen Netzwerkknoten ausgebildet sind. Zwischen den einzelnen Netzwerkknoten bestehen Funkverbindungen 14 entlang der jeweiligen Sichtverbindungen LoS. Wird eine dieser Sichtverbindungen beispielsweise durch ein Objekt oder eine Person unterbrochen, so kann durch das System aus dem Stand der Technik die Position des Objekts bzw. der Person ermittelt werden. Jedoch ist es für das System des Stands der Technik nicht möglich, in den Bereichen des Raums 10, in denen keine Sichtlinienverbindungen zwischen den Netzwerkknoten 12 vorhanden sind, ein Objekt zu detektieren. So könnte beispielsweise das Objekt 16, welches sich außerhalb des durch die Netzwerkknoten 12 abgedeckten Bereichs befindet, nicht detektiert werden.
In den nachfolgenden Figuren werden gleiche oder ähnliche Bauteile mit den identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
2 zeigt die identische Anordnung und Anzahl an Netzwerkknoten 12, wie in der 1 gezeigt. Jedoch werden hier neben den Sichtlinienverbindungen 14 auch Mehrpfadkomponenten 18 zur Lokalisierung eines Objekts 16 herangezogen. Dabei beschränkt sich die 2 auf Mehrpfadkomponenten, welche entstehen durch einfache Reflektion des durch einen Netzwerkknoten 12 ausgesandten elektromagnetischen Signals an einer Seitenwand des Raums 10. Selbstverständlich können Mehrfachreflektionen berücksichtig werden oder auch Mehrpfadkomponenten, welche beispielsweise durch Beugung, Brechung oder Streuung erzeugt werden. Durch Berücksichtigung der Mehrpfadkomponenten stehen eine Vielzahl von weiteren Verbindungen zwischen den jeweiligen Netzwerkknoten 12 zur Lokalisierung zur Verfügung, so dass eine deutlich erhöhte Genauigkeit bei der Lokalisierung eines Objekts 16 erreicht werden kann. Insbesondere kann durch das System der 2 gemäß der vorliegenden Erfindung das Objekt 16, gezeigt am selben Ort wie 1, lokalisiert werden. Durch die Hinzunahme weiterer Mehrpfadkomponenten steigt die Lokalisierungsgenauigkeit weiter.
Um Mehrpfadkomponenten für die passive Lokalisation heranzuziehen, ist es erforderlich, ein Modell heranzuziehen, welches die Parameter der jeweiligen Mehrpfadkomponenten in Abhängigkeit mit der Transceiver-Position wiedergibt. Mehrpfadkomponenten sind dabei solche Wege, welche ein Signal ausgehend von einem Sender nehmen, um zu einem Empfänger zu gelangen. Üblicherweise wird ein übertragendes Signal, beispielsweise durch Reflektion oder Streuung, Beugung, Brechung und dergleichen, nicht auf einem einzigen Weg, beispielsweise entlang der Sichtverbindung, zwischen dem Sender und Empfänger, übertragen, sondern über eine Vielzahl von Wegen/Pfade, welche sodann am Empfänger empfangen werden. Dies kann zur konstruktiven oder destruktiven Indifferenz führen, sowie zu einem Phasen-Shift des zu übertragenden Signals. Generell ist die Kanalimpulsantwort (Channel Impulse Response - CIR) die Summation einer unbeschränkten Anzahl von Pfaden, auf denen das Signal vom Sender zum Empfänger gelangen kann. Reale Empfänger sind jedoch nur in der Lage, solche Signale weiter zu verarbeiten, die einen gewissen Schwellenwert überschreiten. Somit können die zeitabhängigen Kanalimpulsantworten h(K,τ) geschrieben werden zu $h (k, τ) = \sum_{i = 0}^{N (k)} α_{i} (k) \cdot δ (τ - τ_{i} (k))$
mit k als einer diskreten Zeit, der Verzögerung τ und N(k) der Anzahl der berücksichtigten Mehrpfadkomponenten, wobei i = 0 der Verbindung entlang der Sichtlinie, also der line-of-sight, entspricht. α_i(k) ist dabei eine komplexe Amplitude des i-ten Pfads, wobei τ_i(K) die entsprechende Verzögerung darstellt. δ(k) beschreibt die Dirac-Verteilung. Weiterhin muss Rauschen berücksichtig werden. Um eine ausreichende Information über die Kanalimpulsantwort durch Messung zu erlangen, sind bekannte Mehrpfadschätzalgorithmen erforderlich. Diese Algorithmen passen eine gemessene bandlimitierte Kanalimpulsantwort an diskrete Zeitschritte τ_k und eine gesampelte Signalverzögerung an das gegebene Modell an. Beispiele für solche Algorithmen sind MUSIC (multiple signal classification - R. Schmidt, „Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 34, no. 3, pp. 276-280, Mar. 1986.) ESPRIT (R. Roy and T. Kailath, „ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques," IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Process., vol. 37, no. 7, pp. 984-995, July 1989.), SAGE (space-alternating generalized expectation-maximization - B. H. Fleury, M. Tschudin, R. Heddergott, D. Dahlhaus, and K. I. Pedersen, „Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments using the SAGE Algorithm," IEEE J. Sei. Areas Commun., vol. 17, no. 3, pp. 434-450, Mar. 1999.) oder KAST (Kalman enhances super resolution tracking - T. Jost, W.Wang, U.-C. Fiebig, and F. Pérez-Fontán, „Detection and Tracking of Mobile Propagation Channel Paths," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 10, pp. 4875- 4883, Oct. 2012.).
Somit kann die Signalverzögerung ermittelt werden, welche sodann dem Abstand (Signalverzögerung multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit bzw. Signalausbreitungsgeschwindigkeit) des entsprechenden virtuellen Senders entspricht.
3 zeigt eine vereinfachte Darstellung mit einem Sender 20 und einem Empfänger 22. Das ausgesendete Signal wird dabei über eine Sichtlinienverbindung bzw. line-of-sight LoS 24 vom Sender 20 an den Empfänger 22 übertragen. Zusätzlich jedoch wird das vom Sender 20 ausgesendete Signal an den Wänden des Raums 10 reflektiert. Nach der Reflektion gelangt das reflektierte Signal wiederum zum Empfänger 22 als Mehrpfadkomponente. Um diese Reflektionen bei der Lokalisation eines Objekts zu berücksichtigen, können virtuelle Sender VT1 - VT4 konstruiert werden an Positionen, die sich ergeben durch Spiegelungen des physischen Senders 20 an den Seitenwänden des Raums 10. Hierbei liegen insbesondere Karteinformationen über den Raum 10 vor, so dass die Positionen der Seitenwände des Raums 10, welche als Reflexionsfläche dienen, bekannt sind. Spiegelung der physischen Sender an den Seitenwänden ist in der 3 angedeutet durch die Pfeile 26. Hierdurch ergibt sich, dass der Abstand zwischen den virtuellen Transmittern VT1 - VT4 und dem Empfänger 22 identisch ist zu der geometrischen Länge der reflektierten Wege jeweils vom physischen/realen Sender zum Empfänger, so dass auch die Signalverzögerung durch die Reflektion der jeweiligen Mehrpfadkomponente multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit identisch sind. Gesehen vom Empfänger 22 haben die reflektierte Komponente und die Komponente ausgehend von dem jeweiligen virtuellen Sender denselben Empfangswinkel bzw. Angle of Arrival (AoA). Somit können die reflektierten Pfade, auf denen das Signal vom Sender 20 zum Empfänger 22 gelangt, beschrieben werden durch direkte Pfade entlang der Sichtlinie zwischen den einzelnen virtuellen Sendern VT₁-VT₄ und dem Empfänger. Hierbei sind inhärent die virtuellen Sender VT1-VT4 zeitsynchronisiert mit dem Sender 20. Sodann kann ein bekanntes Verfahren verwendet werden um ein Objekt, welches sich auf der Sichtlinie zwischen dem Sender und dem Empfänger bzw. auf der Sichtlinie zwischen einem virtuellen Sender und Empfänger herangezogen werden und beispielsweise mittels der Bestimmung des RSS des jeweiligen Signals das Objekt lokalisiert werden.
3 stellt die Beschreibung der Mehrpfadkomponenten durch virtuelle Transmitter für Einfachreflektionen dar. Selbstverständlich kann durch weitere virtuelle Transmitter auch Mehrfachreflektionen oder Mehrpfadkomponenten, welche durch Brechung, Beugung und Streuung erzeugt werden, angewandt werden.
4 zeigt, dass in der 2 dargestellte System, wobei zusätzlich die virtuellen Sender 13, welche sich außerhalb des Raums 10 befinden, dargestellt sind. Hierbei sind jedoch weiterhin lediglich solche virtuellen Sender 13 dargestellt, welche Einfachreflektionen an den Seitenwänden des Raums 10 berücksichtigen. Sind die berücksichtigen Mehrpfadkomponenten durch virtuelle Sender abgebildet, können diese herangezogen werden zur Lokalisierung eines Objekts mit einer erhöhten Genauigkeit bzw. einer verringerten Anforderung an die Anzahl der vorzusehenden Netzwerkknoten 12.
In einem Initialisierungsschritt des Verfahrens wird zuerst die Position aller virtuellen Sender ermittelt, über welche die Mehrpfadkomponenten in dem zu betrachtenden System wiedergeben. Um die Position der virtuellen Sender zu bestimmen, werden mittels einem der davorstehend genannten Algorithmen jeweils zwei Netzwerkknoten, ausgebildet als Transceiver, die Mehrpfadkomponenten ermittelt. Während dieses Initialisierungsschritts wird die Signalverzögerung der einzelnen Mehrpfadkomponenten präzise bestimmt mittels einem Mehrpfadschätzalgorithmus wie vorstehend genannt. Dabei sind die Positionen der realen / physischen Netzwerkknoten 12 innerhalb des Systems bekannt ebenso wie die Position eventuelle Reflexionsflächen, Streuzentren oder andere Elemente, welche zur Erzeugung von Mehrwegkomponenten führen. Somit kann für jede berücksichtigte Mehrpfadkomponente der genaue Verlauf des Signals vom Sender zum Empfänger ermittelt werden.
In 5 ist der reale/tatsächliche Verlauf eines Signals ausgehend von einem ersten Netzwerkknoten 28 zu einem zweiten Netzwerkknoten 30 dargestellt. Hierbei erfolgt eine Reflexion an der Seitenwand des Raums 10. Die Position der Seitenwand ist dabei insbesondere bekannt, so dass der Ort der Reflexion ermittelt werden kann. Hieraus lässt sich der vollständige Verlauf des Signals vom ersten Netzwerkknoten 28 zum zweiten Netzwerkknoten 30 ermitteln. Der reale Verlauf, welcher in der 5 eine Reflexion an einer Seitenwand aufweist, wird nun abgebildet auf den Verlauf entlang einer Sichtlinie zwischen einem virtuellen Sender VT₁ und dem zweiten Netzwerkknoten. Hierdurch lassen sich bekannte Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts, welche lediglich LoS-Verbindungen berücksichtigen, verwenden, um auch die meist zahlreich vorhandenen Mehrpfadkomponenten zur Lokalisierung eines Objekts zu nutzen. Wird nun durch die Mehrwegkomponente ein Objekt erfasst, lässt sich anhand des bekannten realen/tatsächlichen Verlaufs des Signals vom ersten Netzwerkknoten 28 zum zweiten Netzwerkknoten 30 die reale Position des Objekts ermitteln.
Durch die Berücksichtigung der Mehrpfadkomponenten ergibt sich eine Anzahl M an Verbindungen zwischen den einzelnen Netzwerkknoten und virtuellen Sendern zu $M_{VT} = \frac{K_{VT} (K - 1)}{2} + \frac{K (K - 1)}{2}$
wobei K_VT die Anzahl der virtuellen Sender beschreibt und K die Anzahl der realen/physischen Sender beschreibt.
Sobald der Initialisierungsschritt abgeschlossen ist und der Verlauf der einzelnen Mehrpfadkomponenten bestimmt wurde, können bekannte Verfahren (beispielsweise beschrieben in J. Wilson and N. Patwari, „Radio tomographic imaging with wireless networks,“ IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 9, no. 5, pp. 621-632, May 2010.) genutzt werden, um aus der Veränderung des Signals auf die Position eines Objekts im Beobachtungsbereich 10 schließen zu können. Hierbei kann insbesondere die RSS der einzelnen Verbindungen herangezogen werden zur Lokalisierung des Objekts.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Wilson and N. Patwari, „Radio tomographic imaging with wireless networks,“ IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 9, no. 5, pp. 621-632, May 2010 [0004]
R. Schmidt, „Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation,“ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 34, no. 3, pp. 276-280, Mar. 1986 [0019, 0026]
R. Roy and T. Kailath, „ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,“ IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Process., vol. 37, no. 7, pp. 984-995, July 1989 [0019, 0026]
B. H. Fleury, M. Tschudin, R. Heddergott, D. Dahlhaus, and K. I. Pedersen, „Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments using the SAGE Algorithm,“ IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 17, no. 3, pp. 434-450, Mar. 1999 [0019]
T. Jost, W.Wang, U.-C. Fiebig, and F. Pérez-Fontán, „Detection and Tracking of Mobile Propagation Channel Paths,“ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 10, pp. 4875- 4883, Oct. 2012 [0019, 0026]
B. H. Fleury, M. Tschudin, R. Heddergott, D. Dahlhaus, and K. I. Pedersen, „Channel Parameter Estimation in Mobile Radio Environments using the SAGE Algorithm,“ IEEE J. Sei. Areas Commun., vol. 17, no. 3, pp. 434-450, Mar. 1999 [0026]

Claims

Verfahren zur Lokalisierung eines Objekts, bei welchem ein elektromagnetisches Signal von mindestens einem Sender ausgesendet wird und von einem Empfänger empfangen, wobei anhand der Veränderung der Signalstärke des empfangenen Signals die Position des zu lokalisierenden Objekts ermittelt wird, wobei neben dem Signal entlang der Sichtlinie Veränderungen der Signalstärke von Mehrpfadkomponenten des Signals berücksichtigt werden bei der Lokalisierung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Mehrpfadkomponenten des Signals entstehen durch Reflexion, Beugung, Brechung oder Streuung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem in einem Initialisierungsschritt virtuelle Sender ermittelt werden, wobei für jede berücksichtigte Mehrpfadkomponente jeweils ein virtueller Sender vorgesehen ist, wobei aus der Veränderung der Signalstärke des Signals entlang der Sichtlinie zwischen dem jeweiligen virtuellen Sender und dem Empfänger die Position des zu lokalisierenden Objekts ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem der Abstand zwischen virtuellem Sender und Empfänger der Signallaufzeit der durch den virtuellen Sender berücksichtigten Mehrpfadkomponente entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem der Empfangswinkel am Empfänger für die Mehrpfadkomponente und das Signal des virtuellen Senders identisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mehrpfadkomponenten verursacht durch Reflexionen an einer Reflexionsfläche berücksichtigt werden indem der Sender an der Reflexionsfläche gespiegelt wird zur Bestimmung des virtuellen Senders.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welchem die Anzahl M der zur Lokalisierung des Objekts zur Verfügung stehenden Verbindungen zwischen Sender bzw. virtuellen Sendern und Empfänger größer ist als K(K-1)/2 und insbesondere $M = \frac{K_{V T} (K - 1)}{2} + \frac{K (K - 1)}{2}$
beträgt, wobei K die Anzahl der Sender und K_VT die Anzahl der virtuellen Sender angibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei Sender und Empfänger bidirektional übertragen.
System zur Lokalisierung eines Objekts mit mindestens einem Sender und einem Empfänger, wobei insbesondere Sender und Empfänger als bidirektionale Transceiver ausgebildet sind, wobei Sender und Empfänger mit einer Auswertevorrichtung verbunden sind, wobei die Auswertevorrichtung ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.