DE102019129435A1 - Verfahren zur Zeitsynchronisation in einem Messsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem, welches mindestens zwei Anker (A(k)) und mindestens einen Synchronisationssender (S) enthält, welcher eine Folge von Synchronisationssignalen aussendet. Bei der Synchronisation der internen Uhren der Anker wird in der Berechnung der Synchronzeit für mindestens einen der Anker das Messzeit-Intervall (t(k)j- t(k)j-1) zwischen zwei Empfangszeiten von Synchronisationssignalen durch einen Schätzwert ersetzt, welcher auf der Basis korrespondierender Messzeit-Intervalle der anderen Anker bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zeitsynchronisation in einem Messsystem sowie ein entsprechendes Messsystem mit mehreren Komponenten, welche interne Uhren enthalten.
• Messsysteme aus Komponenten mit internen Uhren, welche idealerweise exakt untereinander synchronisiert sein sollten, werden in verschiedenen Anwendungen benötigt. Als stellvertretendes Beispiel wird vorliegend die Lokalisierung von als „Tag“ bezeichneten Markern betrachtet, wobei die Lokalisierung über eine präzise Messung der Laufzeiten elektromagnetischer Funksignale vom Tag zu an bekannten Orten angebrachten „Ankern“ erfolgt.
• In diesem Zusammenhang ist aus der WO 2016/189526 A1 ein Verfahren zur Synchronisation der von mehreren Ankern gemessenen Zeiten bekannt, bei welchem die Anker eine Folge von Synchronisationsimpulsen empfangen. Aus den gemessenen Empfangszeiten der Synchronisationsimpulse werden Modellfunktionen berechnet, welche die Messzeiten verschiedener Anker aufeinander abbilden.
• Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives und robustes Verfahren zur Synchronisation von Uhren in einem Messsystem bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein Messsystem nach Anspruch 8, durch eine Datenverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 10 und durch ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Zeitsynchronisation innerhalb eines Messsystems, wobei das Messsystem die folgenden Komponenten enthält:
1. a) Mindestens zwei Vorrichtungen mit internen Uhren, welche individuelle Messzeiten zur Bestimmung der Empfangszeiten von Signalen liefern. Da diese Vorrichtungen typischerweise während der Dauer des Verfahrens stationär bzw. an einem bekannten Ort angeordnet sind, werden sie nachfolgend wie üblich als „Anker“ bezeichnet. Des Weiteren kann es sich bei den Signalen insbesondere um die nachfolgend definierten „Synchronisationssignale“ handeln.
2. b) (Mindestens) einen als „Synchronisationssender“ bezeichneten Sender zum Aussenden einer Folge von Synchronisationssignalen.
• Das Verfahren ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
• - Aus der individuellen Messzeit eines jeden Ankers wird eine „Synchronzeit“ dieses Ankers berechnet derart, dass die Synchronzeiten aller Anker möglichst synchron laufen.
• - Bei der Berechnung der Synchronzeiten wird das Messzeit-Intervall zwischen zwei gemessenen Empfangszeiten von Synchronisationssignalen für mindestens einen der Anker durch einen Schätzwert ersetzt, wobei in die Berechnung dieses Schätzwertes mindestens ein korrespondierendes Messzeit-Intervall eines anderen Ankers eingeht („korrespondierend“ hinsichtlich der betrachteten Synchronisationssignale).
• Das Verfahren geht von der bekannten Problematik aus, dass die internen Uhren von Ankern verschieden laufen und daher synchronisiert werden müssen, damit man aus ihrer Anzeige zuverlässig auf die (im zugrundeliegenden Bezugssystem herrschende) globale oder „wahre“ Zeit schließen kann. Dies leistet die für jeden Anker aus seiner individuellen Messzeit berechnete „Synchronzeit“, wobei die Synchronzeit eines jeden Ankers idealerweise mit der globalen Zeit übereinstimmen sollte.
• Ein Grund für unterschiedliche Anzeigen der Ankeruhren sind verschiedene Startzeiten oder Offsets. Das heißt, dass nicht alle Ankeruhren gleichzeitig bei Null starten bzw. gestartet wurden. Diese Abweichung lässt sich verhältnismäßig einfach durch Subtraktion einer für jede Ankeruhr bestimmbaren Konstante beheben. Problematischer sind dagegen Drifterscheinungen im Gang der Uhren. Hierbei verändert sich die Laufgeschwindigkeit der Uhren in unbekannter Weise durch klimatische Einflüsse, Alterung, externe Störungen und dergleichen. Für hochpräzise Messungen ist daher eine ständig nachgeführte Synchronisation zwischen den Ankeruhren erforderlich.
• Um dies zu erreichen, wird in dem Messsystem mindestens ein Synchronisationssender eingesetzt, welcher eine Folge von (elektromagnetischen) Synchronisationssignalen aussendet, deren Empfangszeiten von den Ankern mit ihrer individuellen Messzeit bestimmt werden können. In der Regel werden die Synchronisationssignale dabei in gleichen Zeitabständen (bezüglich der Uhr des Synchronisationssenders) ausgesendet, wobei dies für das Verfahren jedoch nachfolgend nicht vorausgesetzt wird. Ebenso wie die Anker ist der Synchronisationssender typischerweise während der Dauer des Verfahrens stationär an einem bekannten Ort angeordnet.
• Ein vom Synchronisationssender ausgesendetes Synchronisationssignal erreicht die Anker zu unterschiedlichen globalen Zeiten in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem Synchronisationssender und dem jeweiligen Anker. Das Zeitintervall zwischen zwei verschiedenen Synchronisationssignalen (für unmittelbar aufeinanderfolgende Synchronisationssignale auch „pulse repetition interval PRI“ genannt) sollte dagegen von allen Ankeruhren idealerweise als gleich groß bestimmt werden (dabei spielt es hier und im Folgende keine Rolle, ob die betrachteten Synchronisationssignale in der Pulsfolge unmittelbar aufeinander folgen oder nicht). In der Praxis weichen allerdings die Messzeit-Intervalle zwischen zwei Empfangszeiten von Synchronisationssignalen, die von verschiedenen Ankern mit ihren individuellen Uhren gemessen werden, aufgrund der Uhren-Drift typischerweise voneinander ab. A priori ist dabei keines der ermittelten Messzeit-Intervalle besser oder vertrauenswürdiger als ein anderes. Des Weiteren ist auch ein vom Synchronisationssender bestimmter Zeitabstand zwischen den Synchronisationssignalen nicht zuverlässiger, da dieser ebenfalls auf Basis einer nicht-idealen Uhr (des Synchronisationssenders) bestimmt wird.
• Bei der Berechnung der einem Anker zugeordneten Synchronzeit wird daher erfindungsgemäß das von diesem Anker bestimmte Messzeit-Intervall durch einen Schätzwert ersetzt, in dessen Berechnung mindestens ein korrespondierendes Messzeit-Intervall eines der anderen Anker eingeht. Beispielsweise können in die Berechnung des Schätzwertes die korrespondierenden Messzeit-Intervalle der räumlich nächstgelegenen Anker eingehen. Vorzugsweise wird der Schätzwert indes auf der Basis der korrespondierenden Messzeit-Intervalle aller Anker berechnet. Ein solcher Schätzwert kommt dabei dem wahren globalen Zeitintervall näher als die individuellen Messzeit-Intervalle der Anker. Daher kann unter Verwendung des Schätzwertes eine beispielsweise in Bezug auf eine Verzögerung in der Datenübertragung robuste, zuverlässige Synchronzeit für den betreffenden Anker berechnet werden. Vorzugsweise findet dieses Vorgehen nicht nur für einen, sondern für alle Anker bei der Berechnung ihrer Synchronzeit statt.
• Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass der Synchronisationssender in einer Folge ein Synchronisationssignal nach dem anderen aussendet, wobei die Messzeit-Intervalle der Anker grundsätzlich zwischen beliebigen zwei Synchronisationssignalen dieser Folge bestimmt werden können. Um eine möglichst präzise Zeitsynchronisation zu erhalten, wird man in der Regel immer bestrebt sein, möglichst kurze Messzeit-Intervalle zu verwenden, d.h. Messzeit-Intervalle zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Synchronisationssignalen der ausgesendeten Folge. In der Praxis zeigt es sich indes, dass ein beachtlicher Prozentsatz an sogenannten „Paketverlusten“ auftritt, bei denen ein ausgesendetes Synchronisationssignal von mindestens einem der Anker nicht (korrekt) empfangen wird. Um das Verfahren hiergegen robust zu gestalten, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Schätzwert für ein Messzeit-Intervall für zwei solche Synchronisationssignale gebildet werden, zwischen denen mindestens ein Paketverlust liegt, also mindestens ein vom Synchronisationssender zwar ausgesandtes, aber vom betreffenden Anker nicht empfangenes Synchronisationssignal.
• Wie erläutert gehen in den Schätzwert für den Zeitabstand zwischen zwei Synchronisationssignalen die von einigen oder allen Ankern bestimmten Messzeit-Intervalle zwischen diesen Signalen ein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht darüber hinaus in den Schätzwert auch das vom Synchronisationssender bestimmte korrespondierende Zeitintervall zwischen den betrachteten Synchronisationssignalen ein. Ähnlich wie die Messzeit-Intervalle der Anker liefert der Synchronisationssender einen weiteren Messwert für das gesuchte wahre Zeitintervall.
• Gemäß einer anderen Weiterbildung des Verfahrens gehen in die Berechnung des Schätzwertes für ein aktuelles Messzeit-Intervall auch Messzeit-Intervalle zwischen früheren Synchronisationssignal-Empfangszeiten ein. Grundsätzlich können diese früheren Synchronisationssignal-Empfangszeiten von beliebigen Ankern stammen, wobei sie typischerweise jedoch von denselben Ankern stammen wie das in die Berechnung eingehende aktuelle Messzeit-Intervall.
• Eine bevorzugte Variante der vorstehenden Ausführungsform besteht darin, dass die von den Ankern ermittelten Messzeit-Intervalle einen Filter durchlaufen (z.B. einen Tiefpass-Filter, etwa nach dem Prinzip des „Exponential Smoothing“, oder einen Tracking-Filter), der beispielsweise an das Rauschverhalten der Messungen angepasst sein kann. In die Berechnung des Schätzwertes für das aktuelle Messzeit-Intervall kann dann der entsprechend gefilterte Wert des von anderen Ankern bestimmten aktuellen Messzeit-Intervalls eingehen, welcher über die Filterung implizit von früheren Messzeit-Intervallen abhängt.
• Die vorstehend erläuterte Filterung kann zusätzlich oder alternativ auch auf die berechnete Synchronzeit angewendet werden. Beispielsweise kann der Schätzwert für das aktuelle Messzeit-Intervall sich aus einem Mittelwert der von einigen oder allen Ankern gemessenen korrespondierenden Messzeit-Intervalle und aus früheren Synchronzeit-Intervallen zusammensetzen.
• Für die Berechnung des Schätzwertes des Zeitintervalls zwischen zwei Synchronisationssignalen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schätzwert basierend auf dem Mittelwert aus den korrespondierenden Messzeit-Intervallen zwischen den Empfangszeiten der betrachteten Synchronisationssignale, wie sie von allen Ankern gemessen wurden, berechnet. Falls wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform auch das vom Synchronisationssender bestimmte Zeitintervall zwischen den Synchronisationssignalen berücksichtigt werden soll, kann dieses ebenfalls in den Mittelwert einfließen. Weiterhin können bei der Mittelwertbildung die Messzeit-Intervalle optional auch verschieden gewichtet werden, beispielsweise um aus anderen Informationsquellen bekannte unterschiedliche Zuverlässigkeiten der Werte zu berücksichtigen. Ferner können z.B. räumlich näher gelegene Anker ein höheres Gewicht bekommen als entfernter gelegene, und durch ein Gewicht von „Null“ können Anker ganz aus der Mittelwertbildung ausgeblendet werden.
• Für praktische Anwendungen ist es in der Regel wichtig, nicht nur für zurückliegende, sondern auch für aktuelle Zeitpunkte die Synchronzeit eines jeden Ankers zu kennen. Das heißt, dass nach dem letzten Empfang eines Synchronisationssignals der Verlauf der Synchronzeiten geeignet zu extrapolieren ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine derartige Extrapolation (Prädiktion) basierend auf dem Schätzwert für das letzte Messzeit-Intervall. Wenn beispielsweise die Synchronisationssignale gemäß der Uhr des Synchronisationssenders in gleichen Abständen ausgesendet werden, sollten idealerweise alle Messzeit-Intervalle der Anker und damit auch der hieraus gebildete Schätzwert immer gleich groß sein. Daher ist es eine plausible Möglichkeit, für die Extrapolation einer Synchronzeit anzunehmen, dass auch das nächste, noch unbekannte Messzeit-Intervall so groß sein wird wie der letzte berechnete Schätzwert. Für eine verbesserte Extrapolation kann weiterhin ein Tracking Filter eingesetzt werden, beispielsweise ein Kalman-Filter. Der Tracking-Filter kann beispielsweise ein Modell basierend auf Rauschverhalten, Geschwindigkeit und Beschleunigung der bearbeiteten Größen nutzen.
• Der erwähnte Tracking-Filter ist auch ein Beispiel für einen geeigneten Filter im Rahmen der oben erläuterten Filterung der von den Ankern ermittelten Messzeit-Intervalle.
• Eine typische Anwendung des Messsystems besteht wie bereits erwähnt in der Lokalisierung von Markierungselementen (Markern), welche nachfolgend wie üblich als „Tag“ bezeichnet werden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthält das Messsystem dementsprechend mindestens ein Tag, welches ein Lokalisierungssignal (zu einem beliebigen Lokalisierungszeitpunkt) aussendet, wobei die Anker die Empfangszeiten des Lokalisierungssignals messen. Aus den Empfangszeiten kann dann auf mögliche räumliche Lagen des Tags relativ zu den Ankern geschlossen werden. Bei einer hinreichenden Anzahl an Ankern an bekannten räumlichen Positionen kann so das Tag an einem Punkt lokalisiert werden.
• Bei einer optionalen Realisierung des vorstehend beschriebenen Verfahrens werden zu den gemessenen Empfangszeiten des Lokalisierungssignals die zugehörigen Synchronzeiten der jeweiligen Anker (in der Regel durch Extrapolation) bestimmt, und hieraus wird eine Lokalisierung des Tags berechnet. Voraussetzung hierfür ist, dass die von den Ankern gemessenen Empfangszeiten in entsprechende Synchronzeiten umgerechnet werden können, welche möglichst präzise mit der wahren globalen Zeit synchronisiert sind. Dieses wird durch das erfindungsgemäße Verfahren geleistet.
• Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Messsystem, welches die folgenden Komponenten enthält:
• - Mindestens zwei Anker mit internen Uhren, die individuelle Messzeiten zur Bestimmung der Empfangszeiten von Synchronisationssignalen liefern können.
• - (Mindestens) einen Synchronisationssender zum Aussenden einer Folge von Synchronisationssignalen.
• - Optional ein Tag, welches ein Lokalisationssignal aussenden kann, wobei die Anker die Empfangszeiten des Lokalisierungssignals messen können.
• - Eine Auswertungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Bei der Auswertungseinheit kann es sich insbesondere um ein entsprechend eingerichtetes bzw. programmiertes Computersystem handeln.
• Mit dem Messsystem kann das oben erläuterte Verfahren ausgeführt werden. Hinsichtlich der Vorteile und Weiterbildungen des Messsystems kann daher auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
• Gemäß einer optionalen Weiterbildung des Messsystems umfasst dieses einen Träger für die Aufnahme von
• - Objekten, die drahtlos identifizierbare Marker wie beispielsweise RFID Tags tragen.
• - Einem Lesegerät für die genannten Marker.
• - Einem Tag, mit dessen Hilfe der Träger lokalisiert werden kann.
• Der Träger kann beispielsweise in Form eines Wagens, Korbes oder einer Box zur Aufnahme von Waren ausgebildet sein.
• Mit Hilfe des Lesegerätes können die Marker und damit die zugehörigen Objekte identifiziert werden, die vom Träger aufgenommen wurden. Weiterhin kann der Aufenthaltsort der Objekte mittelbar über den Aufenthaltsort des Trägers festgestellt werden, welcher über das Tag ermittelbar ist. Der Vorteil des Messsystems besteht darin, dass kostengünstige Technologien für die Identifizierung der Objekte zum Einsatz kommen können, während eine aufwändigere Lokalisierung nur einmal (für den Träger) erfolgen muss.
• Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eigenständig auch eine Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise in Form eines Computers, welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
• Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Steuerung der vorstehenden Datenverarbeitungseinrichtung.
• Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt:
• 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Messsystem mit Ankern, einem Synchronisationssender, einem Tag, und einer Auswertungseinheit;
• 2 schematisch gemessene Empfangszeiten von Synchronisationssignalen (vertikale Achse) in Abhängigkeit von der globalen Zeit (horizontale Achse);
• 3 die gemessene Empfangszeiten von Synchronisationssignalen und hieraus abgeleitete Größen gemäß den 2 und 3 in tabellarischer Form;
• 4 einen Träger mit Objekten, die RFID Tags tragen, mit einem Lesegerät für die RFID Tags, und mit einem lokalisierbaren Tag.
• In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Messsystem im Rahmen einer typischen Anwendung dargestellt. Das Messsystem enthält die folgenden Komponenten:
• - Mehrere Anker A⁽¹⁾, A⁽²⁾, ... A⁽ⁿ⁾, welche an bekannten Positionen im Raum stationär angeordnet sind und welche interne Uhren enthalten, mit denen die Empfangszeiten t^(k) von (Funk-) Signalen gemessen werden können (k = 1; 2; ... n).
• - Einen Synchronisationssender S, welcher ebenfalls stationär an einer bekannten Position angeordnet ist und welcher eine Folge von pulsförmigen Funksignalen aussendet, den „Synchronisationssignalen“. Typischerweise werden die Synchronisationssignale dabei in gleichen Zeitabständen bezüglich der internen Uhrzeit t⁽⁰⁾ des Synchronisationssenders S emittiert, beispielsweise alle 150 ms.
• - Ein Tag X, welches typischerweise an einem interessierenden Objekt (Mensch, Tier, Fahrzeug, Ware etc.) angebracht ist und sich mit dem Objekt innerhalb des Überwachungsbereiches bewegen kann. Das Tag kann dabei zu im Prinzip beliebigen Zeitpunkten t_x ein Lokalisierungs(funk)signal aussenden, dessen Empfangszeiten t^(k) _x von den Ankern gemessen werden.
• - Eine Auswertungseinheit C, beispielsweise in Form eines Computers, mit welcher die Berechnungen zur Lokalisierung des Tags X durchgeführt werden können. Die Auswertungseinheit erhält hierzu von den Ankern die gemessenen Empfangszeiten {t^(k) ₁, t^(k) ₂, ... t^(k) _j-1, t^(k) _j, ...} der Synchronisationssignale und die Empfangszeiten t^(k) _x der Lokalisierungssignale übermittelt. Dies kann beispielsweise wie dargestellt über eine drahtgebundene Verbindung oder aber auch drahtlos (WLAN etc.) erfolgen.
• Die internen Uhren der Anker A⁽¹⁾, A⁽²⁾, ... A⁽ⁿ⁾ und des Senders S sind vorzugsweise alle untereinander baugleich bzw. so ausgelegt, dass sie theoretisch gleich schnell laufen sollten.
• Typischerweise ist bei der technischen Realisierung des Messsystems jedes vom Synchronisationssender S und/oder vom Tag X ausgesendete Signal ein Paket, welches eine Identifikationsnummer für das Signal (in einer Folge von Signalen) und optional einen Identifikator für den Sender (S oder X) enthält. Pakete, die außerhalb der Sendereihenfolge oder gedoppelt auftreten, können dann anhand der Identifikationsnummern innerhalb eines kurzes Zeitfensters identifiziert werden. Mehrfach empfangene Pakete (Duplikate) können entfernt und die Pakete entsprechend ihrer Identifikationsnummern sortiert werden.
• Wenn die internen Uhren der Anker synchronisiert sind, also alle dieselbe „wahre“, globale Zeit des zugrundeliegenden Bezugssystems anzeigen bzw. in diese umgerechnet werden können, kann aus den Empfangszeiten t⁽¹⁾ _x, t⁽²⁾ _x, ... t⁽ⁿ⁾ _x eines Lokalisierungssignals die räumliche Position des Tags X zum Sendezeitpunkt t_x ermittelt werden. Ein hierbei anwendbares Verfahren ist unter dem Stichwort „Time Difference Of Arrival“ (TDOA) bekannt.
• Im Diagramm von 2 sind schematisch die Beziehungen zwischen globalen und gemessenen Zeiten für das Messsystem von 1 dargestellt.
• Die horizontale Achse repräsentiert dabei die „wahre“, globale Zeit t, wie sie im Bezugssystem des Messsystems von 1 abläuft. Auf der vertikalen Achse sind dagegen die von den Uhren des Synchronisationssenders bzw. der Anker A⁽¹⁾, ... A⁽ⁿ⁾ gemessenen Messzeiten t⁽⁰⁾ bzw. t⁽¹⁾, ... t⁽ⁿ⁾ aufgetragen.
• Im unteren Bereich des Diagrammes sind zunächst die Verhältnisse für den Synchronisationssender S dargestellt, dessen interne Uhr die Zeit t⁽⁰⁾ liefert. Dabei sendet der Synchronisationssender zu seinen internen Zeiten t⁽⁰⁾ ₁, t⁽⁰⁾ ₂, ... t⁽⁰⁾ _j-1, t⁽⁰⁾ _j, ... jeweils ein Synchronisationssignal aus. Typischerweise ist das Intervall $${\text{s}}^{\left(0\right)}{}_{\text{r}}={\text{t}}^{\left(0\right)}{}_{\text{r}}-{\text{t}}^{\left(0\right)}{}_{\text{r}-1}$$

  

  zwischen zwei Aussendezeitpunkten dabei auf der internen Uhr des Synchronisationssenders immer gleich groß (1≤ r ≤ j), beispielsweise $${\text{s}}^{\left(0\right)}{}_1=\dots ={\text{s}}^{\left(0\right)}{}_{\text{j}}=150\text{ ms}\text{.}$$

  
• Durch eine strichpunktierte Gerade wird im Diagramm eine ideale Uhr t⁽⁰⁾ _ideal für den Synchronisationssender S repräsentiert, bei welcher die abgelesene Zeit t⁽⁰⁾ _ideal immer der globalen Zeit t entspricht. In der Praxis wird die Uhr des Synchronisationssenders jedoch einen hiervon abweichenden Verlauf haben, welcher im Diagramm durch eine durchgezogene Linie t⁽⁰⁾ repräsentiert ist. Über diese Linie kann man im Diagramm (theoretisch) die globalen Zeiten t_r finden, die zu den Synchronisationszeitpunkten t⁽⁰⁾ _r gehören.
• Ein zum Startzeitpunkt t⁽⁰⁾ ₀ = 0 emittiertes erstes Synchronisationssignal erreicht den am nächsten beim Synchronisationssender S befindlichen Anker (A⁽¹⁾ in 1) nach einer Laufzeit T_S1, welche von der räumlichen Entfernung Δ_s1 zwischen Synchronisationssender S und Anker A⁽¹⁾ sowie dem Wert der Lichtgeschwindigkeit c auf dieser Strecke abhängt. Diese Laufzeit kann somit aus den bekannten Positionsdaten von Anker und Synchronisationssender berechnet bzw. abgeschätzt werden als $${\text{T}}_{\text{S1}}={\mathrm{\Delta }}_{\text{S}1}/\text{c}\text{.}$$

  
• Wäre der Anker A⁽¹⁾ mit der Uhr des Synchronisationssenders bzw. der globalen Zeit synchronisiert, so müsste er als Empfangszeit t⁽¹⁾ ₀ des ersten Synchronisationssignals genau die genannte Laufzeit anzeigen, t⁽¹⁾ ₀ = T_S1. Im Folgenden wird angenommen, dass die Messzeiten t^(k) aller Anker bereits so eingestellt bzw. korrigiert sind, dass sie diese Bedingung $${\text{t}}^{\left(\text{k}\right)}={\text{T}}_{\text{Sk}}={\mathrm{\Delta }}_{\text{Sk}}/\text{c}$$

  

  erfüllen (k = 1; 2; ... n) und diesbezüglich keinen Offset zum globalen Zeitpunkt Null (mehr) haben.
• Nach dem ersten Anker erreicht das erste Synchronisationssignal sukzessive die anderen Anker A⁽²⁾, ... A⁽ⁿ⁾ entsprechend ihren jeweiligen Entfernungen, wobei hierfür die zugehörigen Empfangszeiten t⁽²⁾ ₀, ... t⁽ⁿ⁾ ₀ von den internen Uhren der Anker gemessen werden. Aufgrund der oben erläuterten Annahme sollen diese Messzeiten alle gemäß Gleichung (4) mit der Entfernung Δ_Sk des jeweiligen Ankers A^(k) zum Synchronisationssender zusammenhängen.
• 2 zeigt weiterhin die von den Ankern A⁽¹⁾, ... A⁽ⁿ⁾ gemessenen Empfangszeiten für nachfolgende Synchronisationssignale. So empfängt beispielsweise der erste Anker A⁽¹⁾ das (j-1)-te Synchronisationssignal zum gemessenen Zeitpunkt t⁽¹⁾ _j-1, der n-te Anker A⁽ⁿ⁾ zum gemessenen Zeitpunkt t⁽ⁿ⁾ _j-1. Das darauffolgende, zum globalen Zeitpunkt t_j ausgesandte j-te Synchronisationssignal empfängt der erste Anker A⁽¹⁾ zum gemessenen Zeitpunkt t⁽¹⁾ _j, und der n-te Anker A⁽ⁿ⁾ zum gemessenen Zeitpunkt t⁽ⁿ⁾ _j etc.
• Aus den gemessenen Empfangszeiten t⁽ⁿ⁾ _r-1 und t⁽ⁿ⁾ _r zweier Synchronisationssignale lassen sich für jeden Anker A^(k) die zugehörigen Messzeit-Intervalle („pulse repetition intervals PRI“) $${\text{s}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}={\text{t}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}-{\text{t}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r-1}}$$

  

  berechnen.
• Im Idealfall wären diese Intervalle für alle Anker gleich groß, s^(k) _r = s^(k) _r, und überdies übereinstimmend mit dem zugehörigen Zeitintervall s⁽⁰⁾ _r des Synchronisationssenders, welches seinerseits idealerweise dem globalen Zeitintervall (t_r - t_r-1) entspräche.
• In der Praxis zeigt sich jedoch, dass aufgrund der verschiedenen Driften der Ankeruhren mehr oder weniger voneinander abweichende Messzeit-Intervalle s^(k) _r ≠ s^(m) _r bestimmt werden, welche zudem nicht mit dem Zeitintervall s⁽⁰⁾ _r des Synchronisationssenders übereinstimmen.
• Daher besteht ein Bedürfnis, aus den Messzeiten t^(k) der Ankeruhren in geeigneter Weise für jeden Anker A^(k) jeweils eine „Synchronzeit“ τ^(k) zu ermitteln, welche dem Verlauf der wahren, globalen Zeit t möglichst nahe kommt.
• 3 illustriert das diesbezüglich angewendete Verfahren in einer aus 2 abgeleiteten Tabelle.
• In der ersten Zeile dieser Tabelle sind die Indices (Identifikationsnummern) 0, 1, 2, ...r, ... (j-1), j, ... der Synchronisationssignale eingetragen.
• Die zweite Zeile der Tabelle enthält die vom ersten Anker A⁽¹⁾ gelieferten Messzeitpunkte t⁽¹⁾ ₀, t⁽¹⁾ ₁, t⁽¹⁾ ₂, ... t⁽¹⁾ _j-1, t⁽¹⁾ _j, ... der Synchronisationssignale. Dabei wird die Einstellung des Nullzeitpunkts gemäß Gleichung (4) vorausgesetzt, also hier t⁽¹⁾ ₀ = T_s1 = Δ_S1/c.
• In der dritten Zeile der Tabelle sind die aus den Messzeitpunkten gemäß Gleichung (5) berechneten Messzeit-Intervalle s⁽¹⁾ ₁, s⁽¹⁾ ₂, ... s⁽¹⁾ _j eingetragen.
• Die vierte und fünfte Zeile der Tabelle sind analog wie die zweite und dritte aufgebaut mit den Messzeitpunkten t⁽²⁾ _r und Messzeit-Intervallen s⁽²⁾ _r des zweiten Ankers A⁽²⁾. Gleiches gilt für die nachfolgenden Zeilen in Bezug auf die Anker A⁽³⁾, ...A⁽ⁿ⁾.
• Bei den Daten des dritten Ankers A⁽³⁾ (sechste und siebte Zeile) ist exemplarisch der Fall eines Paketverlustes dargestellt. Wenn beispielsweise vom Anker A⁽³⁾ das Synchronisationssignal mit dem Index 1 nicht empfangen wurde, fehlt der diesbezügliche Messzeitpunkt t⁽³⁾ ₁. Wie dargestellt wird dann jedoch einfach ersatzweise das Messzeit-Intervall zwischen den angrenzenden vorhandenen Messzeitpunkten berechnet, also hier s⁽³⁾ _2-0 = t⁽³⁾ ₂ - t⁽³⁾ ₀. Nachfolgende Berechnungen mit diesem größeren Intervall müssen lediglich entsprechend skaliert werden. Allgemein werden also auch mehrfache Messzeit-Intervalle zugelassen, also Synchronisationssignale, die in der Folge der Synchronisationssignale um mehr als einen Index auseinander liegen. Damit sind einzelne Paketverluste ohne besondere Folgen für die Performance des Systems.
• Für den n-ten Anker A⁽ⁿ⁾ sind wie erläutert die Messzeitpunkte t⁽ⁿ⁾ ₀, t⁽ⁿ⁾ ₁, t⁽ⁿ⁾ ₂, ... t⁽ⁿ⁾ _r,... t⁽ⁿ⁾ _j-1, t⁽ⁿ⁾ _j, ... der Synchronisationssignale sowie die hieraus berechneten Messzeit-Intervalle s⁽ⁿ⁾ ₁, s⁽ⁿ⁾ ₂, ... s⁽ⁿ⁾ _r, ... s⁽ⁿ⁾ _j in der Tabelle eingetragen (wobei stellvertretend die Definition des Messzeit-Intervalls s⁽ⁿ⁾ _r eingeblendet ist).
• Darüber hinaus ist noch eine Zeile angefügt, die eine optionale Filterung der Messzeit-Intervalle illustriert. Das heißt, dass auf die Folge der unmittelbar aus den Messungen abgeleiteten Messzeit-Intervalle s⁽ⁿ⁾ ₁, ... s⁽ⁿ⁾ _j ein Filter angewendet wird, um einen Wert s⁽ⁿ⁾ _r durch einen gefilterten Wert fs⁽ⁿ⁾ _r zu ersetzen. Allgemein kann dies beispielsweise ausgedrückt werden mit Hilfe einer Funktion F, die wie folgt von allen (früheren) Messzeit-Intervallen des k-ten Ankers A^(k) abhängt gemäß $${\text{fs}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}=\text{F}\left[{\text{s}}^{\left(\text{k}\right)}{}_1,{\text{s}}^{\left(\text{k}\right)}{}_2,\dots {\text{s}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}-1},{\text{s}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}\right]$$

  
• Der Filter ist vorzugsweise an das Rauschverhalten der Messungen angepasst und kann insbesondere ein Tiefpass-Filter sein, beispielsweise nach dem Prinzip des „Exponential Smoothing“ gemäß der folgenden rekursiven Formel (0 < α < 1): $${\text{fs}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}=\mathrm{\alpha }\cdot {\text{s}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}+\left(1-\mathrm{\alpha }\right)={\text{fs}}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r-1}}$$

  
• Für den n-ten Anker A⁽ⁿ⁾ ist darüber hinaus eine weitere Zeile eingetragen (vorletzte Zeile der Tabelle), welche die zugehörige Synchronzeit τ⁽ⁿ⁾ des Ankers A⁽ⁿ⁾ wiedergibt. Aufgrund der bereits erfolgten Einstellung des Nullzeitpunkts gemäß Gleichung (4) sind die Startzeitpunkte aller Synchronzeiten gleich den Messzeiten, $${\mathrm{\tau }}^{\left(\text{k}\right)}{}_0={\text{t}}^{\left(\text{k}\right)}{}_0$$

  

  (wäre dies nicht der Fall, müsste an dieser Stelle die Einstellung der Nullzeitpunkte erfolgen).
• Eine Abschätzung des weiteren Verlaufes der Synchronzeit τ^(k) eines jeden Ankers A^(k) wird nun unter Rückgriff auf die Messzeit-Intervalle s^(m) _r ALLER Anker A^(m) vorgenommen (1 ≤ m ≤ n).
• Insbesondere kann bei jedem Anker A^(k) das Intervall (τ^(k)r- τ^(k) _r-1) zwischen den Synchronzeiten zweier Synchronisationssignale statt durch das entsprechende Messzeit-Intervall s^(k) _r durch einen Schätzwert ŝ_r für dieses Intervall gebildet werden, der eine Funktion H von allen (früheren) Messzeit-Intervallen sein kann: $${\widehat{\text{s}}}_{\text{r}}=\text{H}\left[{\text{s}}^{\left(1\right)}{}_1,{\text{s}}^{\left(1\right)}{}_2,\dots {\text{s}}^{\left(1\right)}{}_{\text{r}},\dots {\text{s}}^{\left(\text{n}\right)}{}_1,{\text{s}}^{\left(\text{n}\right)}{}_2,\dots {\text{s}}^{\left(\text{n}\right)}{}_{\text{r}}\right]$$

  
• Diese Schätzwerte sind in der letzten Zeile der Tabelle enthalten. Optional kann die Funktion H zusätzlich auch von den vom Synchronisationssender S gelieferten Messzeitpunkten t⁽⁰⁾ _j bzw. den hieraus berechneten Intervallen s⁽⁰⁾ ₁, ... s⁽⁰⁾ _j abhängen.
• Dieser Ansatz kann dahingehend vereinfacht werden, dass die Funktion H nur von den aktuellen r-ten Messzeit- und Synchronisationssender-Intervallen abhängt: $${\widehat{\text{s}}}_{\text{r}}=\text{H}\left[{\text{s}}^{\left(0\right)}{}_{\text{r}},{\text{s}}^{\left(1\right)}{}_{\text{r}},\dots {\text{s}}^{\left(\text{n}\right)}{}_{\text{r}}\right]$$

  
• Ein typisches Beispiel für eine derartige Funktion H ist eine Mittelwertbildung gemäß $$\widehat{S_J}=\frac{{\displaystyle {\sum }_{\nu }^n{s}_j^{\left(\nu \right)}}}{N}$$

  
• In der Formel kann der Summationsindex v dabei von 1 bis zur Anzahl n der Anker laufen, wenn über die Messzeit-Intervalle aller Anker gemittelt werden soll, wobei in diesem Falle die Gesamtzahl der Einzelwerte N = n ist. Wenn zusätzlich auch die Zeitintervalle zwischen zwei Synchronisationssignalen gemäß der Uhr des Synchronisationssenders berücksichtigt werden sollen, müsste der Summationsindex v von Null an laufen und die Gesamtzahl der Einzelwerte wäre N = n+1.
• Ebenso wie oben die Berechnung von gefilterten Werten fs^(k) _r für die Messzeit-Intervalle s^(k) _r beschrieben wurde, kann auch eine Filterung der Schätzwerte ŝ_r, der Messzeit-Intervalle erfolgen, beispielsweise analog zu den Gleichungen (6) oder (7). Für die Berechnung der Synchronzeiten τ^(k) können dann statt der Schätzwerte ŝ_r die gefilterten Schätzwerte fŝ_r verwendet werden.
• Die für den k-ten Anker A^(k) berechnete Synchronzeit zum r-ten Empfangszeitpunkt t^(k) _r hängt nach dem oben Gesagten vom (ggf. gefilterten) Schätzwert ŝ_r des r-ten Messzeit-Intervalls ab. In der Regel wird sie auch von ihren früheren Werten abhängen, so dass sich insgesamt mit einer geeigneten Funktion G die folgende Formel ergibt: $${\mathrm{\tau }}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r}}=\text{G}\left[{\mathrm{\tau }}^{\left(\text{k}\right)}{}_1,{\mathrm{\tau }}^{\left(\text{k}\right)}{}_2,\dots {\mathrm{\tau }}^{\left(\text{k}\right)}{}_{\text{r-1}};{\widehat{\text{s}}}_{\text{r}}\right]$$

  
• Durch die beschriebene Berücksichtigung der Messzeit-Intervalle, wie sie von allen Ankern bestimmten werden, kann mit dem beschriebenen Verfahren eine hohe Genauigkeit der Synchronisation erreicht werden.
• Um für die berechneten Schätzwerte ŝ_j der Messzeit-Intervalle bzw. für die daraus abgeleitete Synchronzeit τ^(k) _j Daten für aktuelle Zeitpunkte zu erhalten, beispielsweise für die Empfangszeit t^(k) _x eines Lokalisierungssignals vom Tag X, ist eine Extrapolation (Prädiktion) erforderlich. Hierfür wird vorzugsweise ein Tracking Filter wie beispielsweise ein Kalman-Filter eingesetzt. Der Tracking-Filter kann insbesondere ein Modell basierend auf z.B. Rauschverhalten, Geschwindigkeit und Beschleunigung dieser Größen nutzen.
• 4 veranschaulicht eine Ausführungsform des Messsystems, bei welcher eine effiziente Kombination der Lokalisierung und der Identifizierung von Objekten wie beispielsweise von Waren in einem Versandlager erfolgt. Das Messsystems umfasst dabei einen Träger T, beispielsweise in Form eines Wagens oder einer Box, für die Aufnahme von
• - Objekten, die drahtlos identifizierbare Marker wie beispielsweise RFID Tags RFID1, RFID2, RFID3, ... tragen;
• - einem Lesegerät R für die genannten Marker;
• - einem Tag X, mit dessen Hilfe der Träger T lokalisiert werden kann.
• Mit Hilfe des Lesegerätes R können die Marker RFID1, RFID2, RFID3, ... und damit die zugehörigen Objekte drahtlos identifiziert werden, die im Träger T enthalten sind. Weiterhin kann der Aufenthaltsort der Objekte mittelbar über den Aufenthaltsort des Trägers T festgestellt werden, welcher wiederum über das Tag X ermittelbar ist. Der Vorteil dieses Messsystems besteht darin, dass kostengünstige Technologien für die Identifizierung der Objekte zum Einsatz kommen können, während eine aufwändigere Lokalisierung nur einmal (für den Träger) erfolgen muss.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• WO 2016/189526 A1 [0003]

Claims (11)

1. Verfahren zur Zeitsynchronisation in einem Messsystem, welches die folgenden Komponenten enthält: - mindestens zwei Anker (A^(k)) mit internen Uhren, die individuelle Messzeiten (t^(k)) zur Bestimmung der Empfangszeiten (t^(k) _j) von Synchronisationssignalen liefern; - einen Synchronisationssender (S) zum Aussenden einer Folge von Synchronisationssignalen; dadurch gekennzeichnet, dass - aus der individuellen Messzeit (t^(k)) eines jeden Ankers (A^(k)) eine Synchronzeit (τ^(k)) des Ankers berechnet wird, sodass die Synchronzeiten aller Anker möglichst synchron laufen, - wobei das Messzeit-Intervall (s^(k) _j) zwischen zwei Synchronisationssignal-Empfangszeiten (t^(k) _j-1, t^(k) _j) für mindestens einen der Anker (A^(k)) durch einen Schätzwert (ŝ_j) ersetzt wird, in dessen Berechnung mindestens ein korrespondierendes Messzeit-Intervall (s⁽¹⁾ _j, s⁽²⁾ _j, ... s⁽ⁿ⁾ _j) eines anderen Ankers eingeht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwert für ein Messzeit-Intervall s⁽³⁾ _2-0) für zwei Synchronisationssignale gebildet wird, zwischen denen mindestens ein vom Synchronisationssender (S) zwar ausgesandtes, aber vom Anker (A⁽³⁾) nicht empfangenes Synchronisationssignal liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Berechnung des Schätzwertes (ŝ_j) auch das vom Synchronisationssender (S) bestimmte korrespondierende Zeitintervall (s⁽⁰⁾ _j) eingeht.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Berechnung des Schätzwertes (ŝ_j) auch Messzeit-Intervalle (s⁽¹⁾ _r, s⁽²⁾ _r, ... s⁽ⁿ⁾ _r) zwischen früheren Synchronisationssignal-Empfangszeiten (t⁽ⁿ⁾ _r-1, t⁽ⁿ⁾ _r) eingehen.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzwert (ŝ_j) aus dem Mittelwert der korrespondierenden Messzeit-Intervalle (s⁽¹⁾ _j, s⁽²⁾ _j, ... s⁽ⁿ⁾ _j) aller Anker und optional des vom Synchronisationssender (S) bestimmten korrespondierenden Zeitintervalls (s⁽⁰⁾ _j) berechnet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronzeit (τ^(k)) eines Ankers basierend auf dem Schätzwert (ŝ_j) für das letzte Messzeit-Intervall extrapoliert wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem mindestens ein Tag (X) enthält, welches ein Lokalisierungssignal aussendet, und dass die Anker (A^(k)) die Empfangszeiten (t^(k) _x) des Lokalisierungssignals messen, wobei vorzugsweise ferner zu den gemessenen Empfangszeiten (t^(k) _x) des Lokalisierungssignals die zugehörigen Synchronzeiten (τ^(k) _x) der jeweiligen Anker (A^(k)) bestimmt werden und hieraus eine Lokalisierung des Tags (X) berechnet wird.
8. Messsystem enthaltend - mindestens zwei Anker (A^(k)) mit internen Uhren, die individuelle Messzeiten (t^(k)) zur Bestimmung der Empfangszeiten (t^(k) _j) von Synchronisationssignalen liefern können; - einen Synchronisationssender (S) zum Aussenden einer Folge von Synchronisationssignalen; - optional ein Tag (X), welches ein Lokalisierungssignal aussenden kann, wobei die Anker (A^(k)) die Empfangszeiten (t^(k) _x) des Lokalisierungssignals messen können; - eine Auswertungseinheit (C), welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Messsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Träger (T) umfasst für die Aufnahme von - Objekten, die drahtlos identifizierbare Marker (RFID1, ...) tragen; - einem Lesegerät (R) für die Marker (RFID1, ...); - einem Tag (X), mit dessen Hilfe der Träger (T) lokalisiert werden kann.
10. Datenverarbeitungseinrichtung (C), welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
11. Computerprogramm zur Steuerung einer Datenverarbeitungseinrichtung (C) gemäß einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7.

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