DE102019211110A1 - DELAY CALIBRATION FOR DECAWAVE UWB - Google Patents
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Abstract
Kalibrierwertberechner zum Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert für ein Positionsbestimmungssystem. Der Kalibrierwertberechner ist ausgelegt, um zumindest einen Kalibrierwert, der eine Verzögerung an oder in einer Station des Positionsbestimmungssystems beschreibt, auf der Basis einer Mehrzahl von Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen zwischen verschiedenen Paaren von Stationen des Positionsbestimmungssystems zu bestimmen.Calibration value calculator for determining at least one calibration value for a position determination system. The calibration value calculator is designed to determine at least one calibration value that describes a delay at or in a station of the position determination system on the basis of a plurality of transit time measurements or distance measurements between different pairs of stations of the position determination system.
Description
Technisches GebietTechnical area
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen Transceiver zur Verwendung in einem Positionierungssystem, einen Rechner zum Bestimmen einer Laufzeit sowie ein entsprechendes System und Verfahren.Embodiments according to the invention relate to a transceiver for use in a positioning system, a computer for determining a transit time, and a corresponding system and method.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Systeme für eine Positionsbestimmung spielen im täglichen Leben eine immer wichtigere Rolle. Die Satellitennavigation hat beispielsweise die Papierkarten zum Teil schon verdrängt und ermöglicht den Einsatz von autonom fahrenden Autos und Flugzeugen. Mit den steigenden Anforderungen an Logistik und Fertigung werden genaue Informationen über die Position von Transportmitteln zwingend erforderlich. Je nach den Betriebsbedingungen für die Positionsbestimmung gibt es unterschiedliche Messprinzipien und -verfahren.Positioning systems are playing an increasingly important role in everyday life. Satellite navigation, for example, has in part already replaced paper maps and enables the use of autonomous cars and aircraft. With the increasing demands on logistics and production, precise information about the position of means of transport is imperative. There are different measuring principles and methods, depending on the operating conditions for determining the position.
Die gebräuchlichsten Messverfahren basieren auf einer Ankunftszeit, das auf Englisch mit TOA / „Time of Arrival“ bezeichnet wird oder auf einer Zeitdifferenz der Ankunft, die auf Englisch mit TDOA /„Time Difference of Arrival“ bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen beiden Verfahren besteht darin, dass TOA die Entfernung zwischen zwei Stationen („Ankern“) durch die Signallaufzeit und TDOA durch die Zeitdifferenz zwischen den Stationen erhält.The most common measurement methods are based on an arrival time, which is referred to in English as TOA / "Time of Arrival" or on a time difference of arrival, which is referred to in English as TDOA / "Time Difference of Arrival". The difference between the two methods is that TOA receives the distance between two stations ("anchors") through the signal propagation time and TDOA through the time difference between the stations.
Eine Zweiwege-Reichweitenmessung ist ein sogenanntes TWR-Verfahren, das auf Englisch mit „Two Way Range“ bezeichnet wird, verwendet die TOA-Technik, um den Abstand zwischen zwei Stationen zu erhalten. Im Gegensatz zu einer Einweg-Reichweitenmessung, wie sie z.B. bei satellitengestützten Anwendungen verwendet wird, erfolgt beim TWR ein Antwortsignal auf das eingehende Signal. Daher ist es nicht notwendig, dass die Sendestationen synchron sind. In Anwendungen, in denen es notwendig ist, nicht nur die Entfernung, sondern auch die Position eines Ziels (Englisch auch als „Tag“ bezeichnet) in Bezug auf die anderen Stationen, die auch als Anker bezeichnet werden, zu erhalten ist ein TWR-Verfahren aufgrund der geringen Aktualisierungszeit weniger geeignet. Eine für die Positionsbestimmung verwendete Triangulation in einem zweidimensionalen Raum (2D) erfordert mindestens drei Entfernungsmessungen.A two-way range measurement is a so-called TWR method, which is referred to in English as "Two Way Range", uses the TOA technique to obtain the distance between two stations. In contrast to a one-way range measurement, such as is used in satellite-based applications, the TWR gives a response signal to the incoming signal. Therefore it is not necessary that the transmitting stations are synchronous. In applications where it is necessary to obtain not only the distance but also the position of a target (also known as "tag") in relation to the other stations, also known as anchors, a TWR method is used less suitable due to the short update time. A triangulation used for position determination in a two-dimensional space (2D) requires at least three distance measurements.
Im Gegensatz zu TOA ist TDOA besser geeignet für Anwendungen mit vielen Tags („Zielen“). In TDOA-Anwendungen reagieren die Stationen nicht. Eine „Multilateration“ ergibt sich aus der Differenz von Zeitstempeln zwischen den Stationen. Geometrisch gesehen entsprechen den TOA-Gleichungen Kreise, wohingegen TDOA-Gleichungen Hyperboloiden in einem zweidimensionalen Raum. Ähnlich wie bei Satellitennavigationssystemen, die auf TOA basieren, ist es notwendig, die Uhren der TDOA-Stationen zu synchronisieren. Die Synchronisierung kann drahtgebunden oder mit Hilfe einer zusätzlichen Station erfolgen. Neben der Messtechnik sind auch die Messvorrichtungen von Bedeutung.In contrast to TOA, TDOA is more suitable for applications with many tags (“targets”). The stations do not respond in TDOA applications. "Multilateration" results from the difference in time stamps between the stations. Geometrically speaking, the TOA equations correspond to circles, whereas TDOA equations correspond to hyperboloids in a two-dimensional space. Similar to satellite navigation systems based on TOA, it is necessary to synchronize the clocks of the TDOA stations. The synchronization can be done by wire or with the help of an additional station. In addition to the measuring technology, the measuring devices are also important.
Eine Positionsbestimmung in einem Innenraum stellt im Allgemeinen eine Herausforderung für RF-basierte Lokalisierungssysteme dar. Reflexionen können zu Störungen des Hauptsignals führen und ein Abschwächen, das auch als „Fading“ bezeichnet wird, bewirken. Im Gegensatz zu Schmalbandsignalen sind Ultrabreitbandsignale, die auch als UWB-Signale bezeichnet werden, weniger störungsanfällig. Ein sogenannter „Decawave“-Transceiver basiert auf der Ultra-Breitband-Technologie (UWB) und entspricht dem Standard IEEE802.15.4-2011. Er unterstützt z.B. sechs Frequenzbänder mit Mittelfrequenzen von 3,5 GHz bis 6,5 GHz und Datenraten bis zu 6,8 Mb/s. Die Bandbreite kann mit den gewählten Mittelfrequenzen von 500 bis 1000 MHz variieren.Determining the position in an interior generally poses a challenge for RF-based localization systems. Reflections can lead to interference in the main signal and cause a weakening, which is also known as “fading”. In contrast to narrowband signals, ultra wideband signals, which are also known as UWB signals, are less susceptible to interference. A so-called “Decawave” transceiver is based on ultra-broadband technology (UWB) and complies with the IEEE802.15.4-2011 standard. It supports e.g. six frequency bands with medium frequencies from 3.5 GHz to 6.5 GHz and data rates up to 6.8 Mb / s. The bandwidth can vary with the selected medium frequencies from 500 to 1000 MHz.
Im Gegensatz zu TOA ist TDOA besser für Anwendungen mit vielen Tags geeignet. In TDOA-Anwendungen antworten die Anker nicht. Eine sogenannte Multilateration ergibt sich aus der Differenz der Zeitstempel zwischen den Ankern. Geometrisch gesehen sind TOA-Gleichungskreise und TDOA-Hyperboloide in einem zweidimensionalen Raum. Ähnlich wie bei Satellitennavigationssystemen, die auf TOA basieren, ist es notwendig, dass die Uhren der TDOA-Anker synchronisiert sind.In contrast to TOA, TDOA is better suited for applications with many tags. In TDOA applications, the anchors do not respond. A so-called multilateration results from the difference in time stamps between the anchors. Geometrically, TOA circles of equations and TDOA hyperboloids are in a two-dimensional space. Similar to satellite navigation systems based on TOA, it is necessary that the clocks of the TDOA anchors are synchronized.
Eine Positionsbestimmung mit „Decawave“-Transceivern basiert auf Zeitstempeln. Diese werden gesetzt, wenn ein Signal gesendet oder empfangen wird. Hierbei ist es erforderlich alle Verzögerungen zu berücksichtigen. Manche dieser Verzögerungen, wie das „Antennen delay“, sind von der Umgebungstemperatur abhängig. Dadurch ist es oft notwendig die Verzögerungen immer wieder neu zu bestimmen. Bekannte Verfahren basieren auf gemessenen Distanzen zwischen den Stationen, um auf die Verzögerung zu schließen. Dadurch sind externe Messapparaturen erforderlich.Positioning with “Decawave” transceivers is based on time stamps. These are set when a signal is sent or received. It is necessary to consider all delays. Some of these delays, such as the “antenna delay”, are dependent on the ambient temperature. As a result, it is often necessary to determine the delays again and again. Known Methods are based on measured distances between the stations to infer the delay. This means that external measuring equipment is required.
Daher ist es wünschenswert, zu einem Konzept zu gelangen, das keine zusätzlichen Messapparaturen für die Bestimmung der Distanzen zwischen den Stationen benötigt und das eine Selbstkalibrierung ermöglicht.It is therefore desirable to arrive at a concept that does not require any additional measuring equipment to determine the distances between the stations and that enables self-calibration.
Dies wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung erreicht.This is achieved through the subject matter of the independent claims of the present application.
Weitere Ausführungsformen nach der Erfindung werden durch den Gegenstand der abhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung definiert.Further embodiments according to the invention are defined by the subject matter of the dependent claims of the present application.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Eine Ausführungsform gemäß dieser Erfindung bezieht sich auf einen Kalibrierwertberechner zum Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um eine Lösung eines ausreichend bestimmten oder überbestimmten Gleichungssystems, beispielsweise gemäß der Gleichung
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um eine Lösung eines ausreichend bestimmten oder überbestimmten Gleichungssystems durchzuführen, wobei Gleichungen des Gleichungssystems jeweils einen Zusammenhang zwischen einem geometrischen Abstand zweier Stationen, z.B.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um neben einer Bestimmung von Stations-individuellen Kalibrierwerten, Positionskoordinaten zumindest einer Station im Rahmen der Lösung des Gleichungssystems mitzubestimmen.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to determine, in addition to determining station-specific calibration values, position coordinates of at least one station in the context of solving the system of equations.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner so ausgelegt, dass ein für die Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen gewähltes Koordinatensystem so ausrichtbar ist, dass der Ursprung des Koordinatensystems mit den Koordinaten einer Station zusammenfallen und eine der Koordinatenachsen auf eine weitere Station ausgerichtet ist.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed such that a coordinate system selected for the transit time measurements or distance measurements can be aligned such that the origin of the coordinate system coincides with the coordinates of a station and one of the coordinate axes is aligned with a further station.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um die Position von weiteren Stationen in einem Koordinatensystem, das durch zumindest drei Anker-Stationen definiert wird, zu bestimmen.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to determine the position of further stations in a coordinate system that is defined by at least three anchor stations.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um auf der Basis von Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen zwischen allen Paaren der Stationen, Kalibrierwerte zu berechnen.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to calculate calibration values on the basis of transit time measurements or distance measurements between all pairs of stations.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu berechnen, basierend auf einem ersten Satz von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, die bei einer ersten Anordnung der Stationen durchgeführt werden und zumindest einem zweiten Satz von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen, die bei einer zweiten Anordnung der Stationen durchgeführt werden. Dabei ist bei der zweiten Anordnung der Stationen zumindest eine Position einer Station gegenüber der ersten Anordnung verändert, wobei eine relative Lage der Stationen zueinander gegenüber der ersten Anordnung verändert ist.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to calculate calibration values based on a first set of time stamp-based runtime measurements or distance measurements that are carried out in a first arrangement of the stations and at least a second set of time stamp-based runtime measurements or distance measurements that are carried out in a second arrangement of the stations. In the second arrangement of the stations, at least one position of a station is changed in relation to the first arrangement, a position of the stations relative to one another being changed in relation to the first arrangement.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu bestimmen, basierend auf Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen mit veränderten Positionen zumindest einer der Stationen.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to determine calibration values based on time stamp-based transit time measurements or distance measurements with changed positions of at least one of the stations.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um in einer ersten Näherung Kalibrierwerte zu bestimmen, basierend auf der Annahme, dass Kalibrierwerte verschiedener Stationen gleich sind.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to determine calibration values in a first approximation based on the assumption that calibration values of different stations are the same.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu bestimmen, unter Verwendung von Zeitstempel-basierten Laufzeitmessungen oder Distanzmessungen und Zeitstempel-basierten Laufzeitdifferenzmessungen oder Distanzdifferenzmessungen.According to one embodiment, the calibration value calculator is designed to determine calibration values using time stamp-based transit time measurements or distance measurements and time stamp-based transit time difference measurements or distance difference measurements.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Kalibrierwerte zu bestimmen, wobei ein Gleichungssystem gemäß folgender Formel berechenbar ist
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um Parameter, wie beispielsweise Positionskoorinaten
Gemäß einer Ausführungsform sind ein oder mehrere Summanden der Zielfunktion einer ersten räumlichen Anordnung der Stationen zugeordnet sind. Dabei sind ein oder mehrere Summanden der Zielfunktion einer zweiten räumlichen Anordnung der Stationen zugeordnet, bei der eine relative räumliche Anordnung der Stationen zueinander im Vergleich zu der ersten räumlichen Anordnung verändert ist, beispielsweise dadurch, dass sich die Position zumindest einer der Stationen relativ zu einer oder mehreren anderen Stationen verändert hat.According to one embodiment, one or more summands of the objective function are assigned to a first spatial arrangement of the stations. One or more summands of the objective function are assigned to a second spatial arrangement of the stations, in which a relative spatial arrangement of the stations to one another is changed in comparison to the first spatial arrangement, for example by the fact that the position of at least one of the stations is relative to one or has changed several other stations.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um zumindest einen Kalibrierwert basierend auf einer Laufzeitmessung / TOA zwischen einer ersten Station
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um den zumindest einen Kalibrierwert unter Berücksichtigung einer Information
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt
- - um eine
Information - - um eine
Information - - um eine
Information - - um eine
Information - - um eine
Information - - um basierend darauf einen der ersten Station zugeordneten Kalibrierwert
A und einen der zweiten Station zugeordneten KalibrierwertB oder eine lineare Kombination, z.B. A+B oder A-B des der ersten Station zugeordneten Kalibrierwerts und des der zweiten Station zugeordneten Kalibrierwerts zu erhalten.
- - for information
- - for information
- - for information
- - for information
- - for information
- based thereon a calibration value assigned to the first station
A. and a calibration value assigned to the second stationB. or to obtain a linear combination, for example A + B or AB, of the calibration value assigned to the first station and the calibration value assigned to the second station.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um den der ersten Station zugeordneten Kalibrierwert
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kalibrierwertberechner ausgelegt um eine Lösung eines zum Beispiel linearen Gleichungssystems, das einen z.B. linearen Zusammenhang zwischen den Kalibrierwerten
Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Gleichung des Gleichungssystems eine Forderung, dass ein durch die Laufzeitdifferenzmessung bestimmter Laufzeitunterschied gleich einem Unterschied zwischen einer durch die Laufzeitmessung TOA zwischen der ersten Station
Gemäß einer Ausführungsform definiert eine Gleichung des Gleichungssystems eine Forderung, dass eine durch eine Laufzeitmessung zwischen der ersten Station und der zweiten Station bestimmte Laufzeit einem vorgegebenen Wert L(A,B), c0 (Lichtgeschwindigkeut) entspricht
Eine Ausführungsform gemäß dieser Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert
Eine Ausführungsform gemäß dieser Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogramm mit einem Programmcode, um beim Ausführen auf einem Computer ein Verfahren zum Bestimmen von zumindest einem Kalibrierwert
FigurenlisteFigure list
Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, sondern es wird in der Regel Wert darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Hardware-Verzögerung bei einer Zweiwege-Reichweitenmessung gemäß einer TOA-Ausführungsform der Erfindung; -
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Hardware-Verzögerung bei einer Zweiwege-Reichweitenmessung gemäß einer TDOA-Ausführungsform der Erfindung; -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfiguration mit drei Stationen mit je einer Hardware-VerzögerungA ,B ,S ; -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer TOA-Messung zwischen den StationenA undS ; -
5 zeigt eine schematische Darstellung einer TOA-Messung zwischen den StationenB undS ; -
6 zeigt eine schematische Darstellung einer InformationK , die einen zeitlichen Abstand zwischen der koordinierten Aussendung des durch die erste Station ausgesendeten Signals und des durch die zweite Station damit koordiniert ausgesendeten Signals beschreibt; -
7 zeigt eine schematische Darstellung einer TOA-Messung zwischen den StationenA undB ; -
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Konfiguration mit drei BasisStationen Bi und drei Transponder Tj; und -
9 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierwertberechners.
-
1 shows a schematic representation of a hardware delay in a two-way range measurement according to a TOA embodiment of the invention; -
2 shows a schematic representation of a hardware delay in a two-way range measurement according to a TDOA embodiment of the invention; -
3 shows a schematic representation of a configuration with three stations, each with a hardware delayA. ,B. ,S. ; -
4th shows a schematic representation of a TOA measurement between the stationsA. andS. ; -
5 shows a schematic representation of a TOA measurement between the stationsB. andS. ; -
6 shows a schematic representation of informationK which describes a time interval between the coordinated transmission of the signal transmitted by the first station and the signal transmitted in coordination therewith by the second station; -
7th shows a schematic representation of a TOA measurement between the stationsA. andB. ; -
8th shows a schematic representation of a configuration with three base stations B i and three transponders T j ; and -
9 shows in a schematic representation an example of a calibration value calculator according to the invention.
Detaillierte Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments
Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Referenzziffern bezeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Zahlen vorkommen.Identical or equivalent elements or elements with identical or equivalent functionality are denoted in the following description by identical or equivalent reference numbers, even if they appear in different numbers.
In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl von Details dargelegt, um eine umfassendere Erklärung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Einem Fachmann wird es jedoch klar sein, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen nicht im Detail, sondern im Blockdiagramm dargestellt, um zu vermeiden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verborgen werden. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.In the following description, numerous details are set forth in order to enable a more complete explanation of the embodiments of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that embodiments of the present invention can be practiced without these specific details. In other instances, known structures and devices are not shown in detail but are shown in block diagrams in order to avoid obscuring the embodiments of the present invention. In addition, features of the various embodiments described herein can be combined with one another, unless expressly stated otherwise.
Dabei können folgende Notationen verwendet werden:
- Zeitstempel an der Referenzstation
- Zeitstempel am Transponder (tag)
- Zeitstempel an der Station S
- Zeitstempel an der Station A
- Zeitstempel an der Station B
- ΔTn,m
- Differenz zwischen zwei Zeitstempeln Tm - Tn
- Cn,m
- Driftfehler der Uhr berechnet aus den Zeitstempeln
- El
- Zeitstempelfehler durch die Signalleistung
- A, B, S
- Hardware-Verzögerung
- K
- Zeitverzögerung
- co
- Lichtgeschwindigkeit
- D
- Anzahl der Dimensionen
- N
- Anzahl der Basisstationen Bi;
- M
- Anzahl der Transponder Tj
- di,j
- Abstandsmessungen zwischen Bi; und Tj
- xj, yj, zj}
- Positionen der Transponder Tj, 1<=j<=M
- ai, bi, ci
- Positionen der Basisstationen Bi, 1<=i<=N
- Oi
- Hardware-Verzögerung (Offset) der Ankerstation
- OT
- Hardware-Verzögerung (Offset) der Transponder
- T
- Anzahl der Transponder
- Time stamp at the reference station
- Time stamp on the transponder (tag)
- Time stamp at station S
- Time stamp at station A
- Time stamp at station B
- ΔT n, m
- Difference between two time stamps Tm - Tn
- C n, m
- Clock drift error calculated from the time stamps
- E l
- Timestamp error due to signal power
- SECTION
- Hardware delay
- K
- Time Delay
- c o
- Speed of Light
- D.
- Number of dimensions
- N
- Number of base stations B i ;
- M.
- Number of transponders T j
- d i, j
- Distance measurements between B i ; and T j
- x j , y j , z j }
- Positions of the transponders T j , 1 <= j <= M
- a i , b i , c i
- Positions of the base stations B i , 1 <= i <= N
- O i
- Hardware delay (offset) of the anchor station
- O T
- Hardware delay (offset) of the transponder
- T
- Number of transponders
Wie schon erwähnt basiert die Positionsbestimmung mit den Decawave-Transceivern auf Zeitstempeln. Diese werden gesetzt, wenn ein Signal gesendet oder empfangen wird. Hierbei ist es erforderlich alle Verzögerungen zu berücksichtigen.
Eine allgemeine Gleichung für die TOA-Positionsschätzung mit Taktdriftkorrektur cn,m und Signalleistungskorrektur
In einem Ausführungsbeispiel kann der Taktdrift und die Signalleistung vernachlässigt werden. Daraus ergibt sich folgende Gleichung:
In
Mit Berücksichtigung von Taktdriftkorrektur cn,m und Signalleistungskorrektur
Auf ähnliche Weise wie bei im o.a. Ausführungsbeispiel ergibt sich im folgenden Beispiel bei Vernachlässigung von Taktdrift und der Signalleistungsfehler folgende vereinfachte Gleichung:
Für eine Schätzung der Antennenverzögerung wird in einem ersten Schritt eine TDOA-Messung für die Station mit der Antennenverzögerung
In einem zweiten Schritt wird eine TOA-Messung zwischen der Station
Die gleiche Überlegung kann für die Stationen
Weil die Verarbeitungszeit nahezu konstant ist kann daher angenommen werden, dass
Die Differenz zwischen den beiden vorhergehenden Gleichung für TOA-Messungen führt dementsprechend zu folgender Gleichung für eine TDOA-Messung:
Anschließend kann eine Gleichung berechnet werden, die sich aus der Differenz von zwei TOA-Messungen und der TDOA-Messung ergibt:
Das entsprechende Ergebnis kann wie folgt ausformuliert werden:
Der Parameter
Mit dem bekannten Parameter
Mit dem bekannten Abstand L(A;B) zwischen der Station
Eine Schätzung der Antennenverzögerung basierend auf TOA und einem sich bewegenden Transponder wird nachfolgend beschrieben. Die verwendeten Bezeichnungen sind in folgender Tabelle zusammengefasst:An estimate of antenna delay based on TOA and a moving transponder is described below. The terms used are summarized in the following table:
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- NN
- Anzahl der Basisstationen BiNumber of base stations Bi
- MM.
- Anzahl der Transponder Tj Number of transponders T j
- di;j d i; j
- Abstandsmessungen zwischen Bi und Tj Distance measurements between Bi and T j
- xj; yj; zj x j ; y j ; z j
- Positionen des Transponders Tj< j <MPositions of the transponder T j <j <M
- ai; bi; ci a i ; b i ; c i
- Positionen der Basisstationen Bi< i <NPositions of the base stations B i <i <N
- DD.
- Anzahl der DimensionenNumber of dimensions
Das Ausführungsbeispiel aus
Das Offset (O) kann ein konstanter Wert sein, der sich jeder Basisstation zuordnen lässt. Nachfolgend ist ein Gleichungssystem für eine TOA-Selbstkalibrierung dargestellt. Dieses Gleichungssystem kann mithilfe linearer und nicht linearer Lösungsverfahren, mit sogenannten Optimierungsalgorithmen nach den unbekannten Positionen und Offsets aufgelöst werden. Neben der Offsetbestimmung werden auch die unbekannten Positionen (x, y, z) der Basisstationen geschätzt. Eine entsprechende Zielfunktion lautet:
Die Anzahl der Distanzmessungen entspricht
Daraus ergibt sich für eine planare Betrachtung
Im dreidimensionalen Fall wäre es
In der Regel ist es nicht möglich mit 4 Basisstationen eine stationäre 2D-Selbstkalibrierung durchzuführen (6 Messungen, 9 Unbekannte). Eine solche Selbstkalibrierung setzt beispielsweise voraus; dass alle Offsets gleich groß sind (6 Messungen, 5 Unbekannte) oder die Position sich von einer Basisstation oder allen Basisstationen ändert.As a rule, it is not possible to carry out a stationary 2D self-calibration with 4 base stations (6 measurements, 9 unknowns). Such a self-calibration assumes, for example; that all offsets are the same (6 measurements, 5 unknowns) or the position of one base station or all base stations changes.
Die Positionsänderung einer Station würde die Anzahl der Unbekannten zwar um die Koordinaten der neuen Position erhöhen, dafür aber mehr Messungen erforderlich machen. Folglich wäre schon mit vier Basisstationen eine Selbstkalibrierung möglich: hier wären beispielsweise bei 13 Unbekannten zwei Positionsänderungen mit 15 Messungen erforderlich.Changing the position of a station would increase the number of unknowns by the coordinates of the new position, but would require more measurements. As a result, self-calibration would already be possible with four base stations: here, for example, with 13 unknowns, two position changes with 15 measurements would be required.
Wenn der eine Transponder an verschiedenen Positionen verwendet wird ergibt sich folgende Zielfunktion:
Der Kalibrierwertberechner kann bei Beispielen in Hardware unter Verwendung von analogen und/oder digitalen Schaltungen, in Software, durch die Ausführung von Befehlen durch einen oder mehrere Univeral- oder Spezial-Prozessoren, oder als eine Kombination von Hardware und Software. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele in der Umgebung eines Computersystems oder eines anderen Verarbeitungssystems implementiert sein. Ein Computersystem kann einen oder mehrere Prozessoren aufweisen, der oder die mit einer Kommunikationsinfrastruktur, wie z.B. einem Bus oder einem Netz verbunden sind. Das Computersystem kann einen Hauptspeicher, wie z.B. einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und einen Sekundärspeicher, wie z.B. ein Festplattenlaufwerk oder ein entfernbares Speicherlaufwerk, aufweisen. Der Sekundärspeicher kann ermöglichen, dass Computerprogramme oder andere maschinenlesbare Befehle in das Computersystem geladen werden. Das Computersystem kann ferner eine Kommunikationsschnittstelle aufweisen, um zu ermöglichen, dass maschinenlesbare Befehle und Daten zwischen dem Computersystem und externen Vorrichtungen ausgetauscht werden. Die Kommunikation kann elektronisch, elektromagnetisch, optisch oder über andere Signale, die durch die Kommunikationsschnittstelle gehandhabt werden können, erfolgen. Die Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos stattfinden.In examples, the calibration value calculator can be in hardware using analog and / or digital circuits, in software, through the execution of instructions by one or more universal or specialty processors, or as a combination of hardware and software. For example, embodiments may be implemented in the environment of a computer system or other processing system. A computer system may have one or more processors connected to a communication infrastructure such as a bus or network. The computer system may include main memory such as random access memory (RAM) and secondary memory such as a hard disk drive or removable storage drive. The secondary memory can enable computer programs or other machine-readable instructions to be loaded into the computer system. The computer system can also have a communication interface to enable machine-readable instructions and data to be exchanged between the computer system and external devices. The communication can take place electronically, electromagnetically, optically or via other signals that can be handled by the communication interface. Communication can be wired or wireless.
Weitere Ausführungsformen werden durch die beigefügten Ansprüche definiert. Jede Ausführungsform, wie durch die Ansprüche definiert, kann durch Details (Merkmale und Funktionalitäten), wie vorangehend beschrieben, ergänzt werden.Further embodiments are defined by the appended claims. Each embodiment, as defined by the claims, can be supplemented by details (features and functionalities) as described above.
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.Although some aspects have been described in connection with a device, it goes without saying that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or features of a corresponding device. Some or all of the method steps can be carried out by a hardware apparatus (or using a hardware Apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important process steps can be performed by such apparatus.
Ein erfindungsgemäß codiertes Signal, wie beispielsweise ein Audiosignal oder ein Videosignal oder ein Transportstromsignal, kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein oder kann auf einem Übertragungsmedium wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem verdrahteten Übertragungsmedium, z.B. dem Internet, übertragen werdenA signal encoded according to the invention, such as an audio signal or a video signal or a transport stream signal, can be stored on a digital storage medium or can be transmitted on a transmission medium such as a wireless transmission medium or a wired transmission medium, e.g. the Internet
Das erfindungsgemäße kodierte Audiosignal kann auf einem digitalen Speichermedium gespeichert sein, oder kann auf einem Übertragungsmedium, wie beispielsweise einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem drahtgebundenen Übertragungsmedium, wie beispielsweise dem Internet, übertragen werden.The encoded audio signal according to the invention can be stored on a digital storage medium or can be transmitted on a transmission medium such as a wireless transmission medium or a wired transmission medium such as the Internet.
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.Depending on the specific implementation requirements, embodiments of the invention can be implemented in hardware or in software. The implementation can be carried out using a digital storage medium, for example a floppy disk, a DVD, a Blu-ray disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or any other magnetic or optical memory, on which electronically readable control signals are stored, which can interact with a programmable computer system in such a way that the respective method is carried out becomes. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
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.Some exemplary embodiments according to the invention thus include a data carrier which has electronically readable control signals which are able to interact with a programmable computer system in such a way that one of the methods described herein is carried out.
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.In general, embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, the program code being effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.The program code can for example also be stored on a machine-readable carrier.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable carrier.
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.In other words, an exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described here when the computer program runs on a computer.
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. nicht-vorübergehend.A further exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for performing one of the methods described herein is recorded. The data carrier, the digital storage medium or the computer-readable medium are typically tangible and / or non-perishable or non-temporary.
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.A further exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals which represents or represents the computer program for performing one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals can, for example, be configured to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
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.Another exemplary embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic component, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.Another exemplary embodiment comprises a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
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.A further exemplary embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver. The transmission can take place electronically or optically, for example. The receiver can be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device. The device or the system can for example comprise a file server for transmitting the computer program to the recipient.
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.In some exemplary embodiments, a programmable logic component (for example a field-programmable gate array, an FPGA) can be used to carry out some or all of the functionalities of the methods described herein. In some exemplary embodiments, a field-programmable gate array can interact with a microprocessor in order to carry out one of the methods described herein. In general, in some exemplary embodiments, the methods are performed by any hardware device. This can be universally applicable hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the method such as an 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.The devices described herein can be implemented, for example, using a hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of a hardware apparatus and a computer.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.The devices described herein, or any components of the devices described herein, can be implemented at least partially in hardware and / or in software (computer program).
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.The methods described herein can be implemented, for example, using a hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of a hardware apparatus and a computer.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.The methods described herein, or any components of the methods described herein, can be carried out at least in part by hardware and / or by software.
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.The above-described embodiments are merely illustrative of the principles of the present invention. It is to be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to other skilled persons. It is therefore intended that the invention be limited only by the scope of protection of the following patent claims and not by the specific details presented herein with reference to the description and explanation of the exemplary embodiments.
Obwohl bestimmte Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen angeführt und/oder in der Beschreibung offenbart sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Merkmale die Offenbarung möglicher Implementierungen einschränken. Tatsächlich können zahlreiche dieser Merkmale auf Weisen kombiniert werden, die nicht spezifisch in den Patentansprüchen angeführt und/oder in der Beschreibung offenbart sind. Although certain combinations of features are recited in the patent claims and / or disclosed in the description, it is not intended that these features restrict the disclosure of possible implementations. In fact, many of these features can be combined in ways that are not specifically set out in the claims and / or disclosed in the description.
Obwohl jeder der unten angeführten abhängigen Patentansprüche möglicherweise nur von einem oder einigen Patentansprüchen direkt abhängt, umfasst die Offenbarung möglicher Implementierungen jeden abhängigen Patentanspruch in Kombination mit allen anderen Patentansprüchen in dem Satz von Patentansprüchen.Although each of the dependent claims below may only depend on one or some claims directly, the disclosure of possible implementations includes each dependent claim in combination with all other claims in the set of claims.
Claims (23)
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