DE112007000562T5

DE112007000562T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Lageverfolgung

Info

Publication number: DE112007000562T5
Application number: DE112007000562T
Authority: DE
Inventors: Ian Marsfield Sharp
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2009-03-05
Also published as: US20090303067A1; AU2007222888A1; WO2007101302A1; CN101427152A; GB2448656A; AU2007222888B2; DE112007000562A5; GB0816349D0; GB2448656B

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation, das die Schritte des Erzeugens einer Vielzahl von Signalabschnitten und des separaten Sendens der Signalabschnitte aufweist, wobei die Signalabschnitte so angeordnet sind, dass sie miteinander kombiniert werden, um ein Lagesignal zu erzeugen, das, wenn es als ein einzelnes Signal gesendet wird, eine relativ breite Bandbreite für das Senden erfordern würde.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lageverfolgung eines Objektes und spezieller, aber nicht ausschließlich, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signals für das Bereitstellen einer Empfangszeitpunktinformation, um das Verfolgen der Lage eines Objektes zu ermöglichen.
Hintergrund der Erfindung
Die Funkortung ist ein Bereich der Technologie, der Funksignale zur Ermittlung des Ortes eines Gerätes verwendet. Der Bereich dieser Technologie ist sehr breit, wobei er von einer kurzen Reichweite (einige Meter) bis zu sehr langen Reichweiten in Verbindung mit der Navigation des Raumflugkörpers variiert. In jüngster Zeit ist das am besten bekannte System das US Global Positioning System (GPS), das eine Genauigkeit in der Größenordnung von einigen Metern (oder besser) irgendwo auf der Erdoberfläche liefert, vorausgesetzt, die Sichtlinienausbreitung existiert bei den dazugehörenden Satelliten. Die Innenlagebestimmung oder Lagebestimmung in einer städtischen Umgebung ist jedoch viel weniger entwickelt, hauptsächlich infolge der schwierigen Funkausbreitungsbedingungen. Im Wesentlichen basieren alle Lagebestimmungssysteme auf Funkbasis bei der praktischen Anwendung auf der Ermittlung des Empfangszeitpunktes (TOA) (oder in bestimmten Fällen der Phase) eines Funksignals. Derartige Systeme müssen wirksam die Zeit schätzen, zu der ein „Impuls" der Funkenergie im Funkempfänger nachgewiesen wird. Die Genauigkeit dieser Ermittlung hängt von vielen Faktoren ab, von denen die wichtigsten die Signalbandbreite, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und das Signal-Störungs(Mehrwege)-Verhältnis einschließen. Da ein Breitbandsystem zur Erzeugung eines schmalen Impulses im Funkempfänger führen kann, ist die Genauigkeit eines Systems der Signalbandbreite im Wesentlichen proportional. Beispielsweise kann eine Bandbreite von (sagen wir) 1 MHz zu einem Impuls mit einer Anstiegszeit von etwa 1 Mikrosekunde führen. Unter guten Bedingungen des Signal-Rausch-Verhältnisses kann ein Empfänger den Empfangszeitpunkt auf typischerweise ein Prozent der Anstiegszeit oder 10 Nanosekunden (gleich etwa 3 Meter) schätzen. Während das Signal-Rausch-Verhältnis abfällt, verringt sich jedoch die Genauigkeit, so dass bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von (sagen wir) 20 dB die Genauigkeit auf etwa 30 Meter verringert wird. Wenn Mehrwege-Signale (wie es immer innen auftritt) vorhanden sind, ist das empfangene Signal außerdem eine komplizierte Mischung von mehreren gestreuten Signalen. Während die gestreuten und reflektierten Signale relativ zum direkten Weg verzögert werden, verringert sich die Genauigkeit der Ermittlung des Empfangszeitpunktes auf die Größenordnung dieser Verzögerungen. Wenn die Signalbandbreite jedoch ausreichend ist, um ein jedes der Signale aufzulösen, dann kann die TOA-Schätzung auf dem Empfang des ersten bedeutenden Signals ohne jegliche Verfälschung durch die anderen gestreuten Signale basieren.
Der Anmelder hat daher erkannt, dass die genaue Lagebestimmung in einer Mehrwegeumgebung Signale mit breiter Bandbreite für TOA-Schätzungen erfordert. Es gibt jedoch Probleme bei der Forderung nach einer breiten Bandbreite. Erstens ist nur eine begrenzte Bandbreite im Funkspektrum vorhanden. Zweitens erfordert die Erzeugung von breiten Bandbreiten komplizierte, stark energieverbrauchende und relativ kostspielige Funkgeräte.
Eine Breitbandtechnologie für das Bereitstellen genauer TOA-Daten wird entwickelt und als Ultra-Breitband (UWB) bezeichnet. Das Ultra-Breitband nimmt eine Bandbreite von etwa 3 bis 10 GHz ein. Derartige Systeme müssen jedoch die ausgestrahlte Hochfrequenzenergie genau begrenzen, um eine Störung mit anderen Funksystemen zu vermeiden, so dass die Reichweite eines Ultra-Breitband-Lagebestimmungssystems typischerweise auf etwa 10 Meter begrenzt ist. Derartige Systeme erfordern eine große Anzahl von Basisstationen, um einen typischen Innenbereich abzudecken, so dass die Installationen kostspielig und logistisch schwierig sein können. Die Installationen erfordern ebenfalls kostspielige Funkgeräte, um das Breitbandsignal zu erzeugen und zu empfangen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Lieferung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation bereit, das die Schritte des Erzeugens einer Vielzahl von Signalabschnitten und das separate Senden der Signalabschnitte aufweist, wobei die Signalabschnitte so angeordnet sind, dass sie miteinander kombiniert werden, um ein Lagesignal zu erzeugen, das, wenn es als ein einzelnes Signal gesendet wird, eine relativ breite Bandbreite für das Senden erfordern würde.
Bei einer Ausführung wird jeder Signalabschnitt über eine relativ schmale Bandbreite gesendet. Das hat den Vorteil, dass nur relativ schmale Bandbreiten für das Senden eines Signals erforderlich sind, dass aber, sobald das Lagebestimmungssignal durch Kombinieren der Signalabschnitte synthetisch erzeugt wird, eine genaue Lage ermittelt werden kann, annäherndd gleichwertig einem System, das das Signal mit relativ breitem Band nutzt. Das Senden von Signalen mit schmaler Bandbreite ermöglicht die Verwendung von relativ billigen Funksendern. Beispielsweise können bei einer Ausführung Einchip-Funkgeräte genutzt werden, die gegenwärtig für andere Anwendungen verfügbar sind. Beispielsweise können Funkgeräte verwendet werden, die in lokalen Netzwerken (LANs) genutzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass, weil das Senden des Signalabschnittes über relativ schmale Bänder erfolgt, die Sendeleistung nicht einschränkend niedrig sein muss (wie beim Ultra-Breitband), und es kann dennoch eine vernünftige Genauigkeit bei viel längeren Reichweiten erhalten werden. Eine relativ geringe Anzahl von Basisstationen kann daher bei einem Lageverfolgungssystem erforderlich sein, das dieses Verfahren anwenden kann.
Bei einer Ausführung liegt die relativ breite Bandbreite zwischen 500 MHz und 20 MHz und kann zwischen 400 MHz und 100 MHz betragen. Bei einer Ausführung liegt die relativ breite Bandbreite zwischen 300 MHz und 100 MHz.
Bei einer Ausführung beträgt die relativ schmale Bandbreite weniger als 100 MHz, kann geringer sein als 20 MHz und geringer als 5 MHz.
Um das Lagesignal zu erhalten, müssen die Signalabschnitte in einer Empfangs- oder Lageverfolgungsvorrichtung kombiniert werden. Die Signalabschnitte werden, wenn sie empfangen werden, nicht in Phase oder Zeit synchronisiert, so dass bei einer Ausführung ein Verfahren zur Zeit- und Phasensynchronisierung der Signalabschnitte erforderlich ist, bevor das „Breitband"lagesignal synthetisch erzeugt werden kann.
In Übereinstimmung mit einer Ausführung wird ein oder mehrere Bezugssignale bereitgestellt und mit den Signalabschnitten gesendet, wobei die Bezugssignale das Herstellen einer Phasenkohärenz der Signalabschnitte erleichtern, so dass das Lagesignal synthetisch erzeugt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführung kann das Herstellen einer Phasenkohärenz und die Erzeugung des Lagesignals ohne Bezugssignale durchgeführt werden.
Forderungen in Verbindung mit dem Funken werden durch Anweisungsbehörden definiert, insbesondere die Federal Communications Commission (FCC) in den Vereinigten Staaten. Bei einer Ausführung werden die Signalabschnitte in den ISN-Bändern von 2,4 GHz und 5,8 GHz erzeugt und gesendet, um sich an die Anweisungsforderungen zu halten. Bei einer Ausführung erfolgt die Signalmodulation für das Senden durch eine Kombination des Direct-Sequence- und Frequenzsprung-Ausbreitungsspektrumverfahrens, die nach den FCC-Richtlinien zulässig ist.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung einer Lageinformation bereit, das die Schritte des Empfangens von Signalabschnitten, die in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt der Erfindung gesendet werden, und des Kombinierens der Signalabschnitte aufweist, um das Lagesignal zu erzeugen.
Bei einer Ausführung schließt der Schritt des Kombinierens der Signalabschnitte den Schritt des Herstellens einer Phasenkohärenz der Signalabschnitte ein, so dass sie kombiniert werden können. Der Schritt des Herstellens einer Phasenkohärenz kann ein oder mehrere Bezugssignale verwenden, die erzeugt werden, wie es vorangehend diskutiert wird. Alternativ kann eine Korrelationsfunktion für jeden Signalabschnitt erzeugt werden, und der Spitzenwert jener Korrelationsfunktion wird dann als eine Schätzung der Phase des Signalabschnittes verwendet.
In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Lageverfolgung bereit, das ein Lagesignal nutzt, das mittels des Verfahrens des zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, um die Lage eines Objektes zu ermitteln, das mit dem Signal in Verbindung steht.
In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für das Liefern eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation bereit, wobei die Vorrichtung einen Generator, der für das Erzeugen einer Vielzahl von Signalabschnitten angeordnet ist, und einen Sender für das separate Senden der Signalabschnitte aufweist, wobei die Signalabschnitte so angeordnet sind, dass sie miteinander kombiniert werden, um ein Lagesignal zu erzeugen, das, wenn es als ein einzelnes Signal gesendet wird, eine relativ breite Bandbreite für das Senden erfordern würde.
In Übereinstimmung mit einem fünften Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für das Verarbeiten eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation bereit, wobei die Vorrichtung einen Empfänger für das Empfangen der von der Vorrichtung des vierten Aspektes der vorliegenden Erfindung gesendeten Signalabschnitte und einen Signalsynthesizer aufweist, der für das Kombinieren der Signalabschnitte zur Herstellung eines Lagesignals ausgebildet ist.
In Übereinstimmung mit einem sechsten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Lageverfolgungsvorrichtung bereit, wobei die Verfolgungsvorrichtung eine Lageermittlungsvorrichtung einschließt, die angeordnet ist, um das von der Vorrichtung des fünften Aspektes der Erfindung gelieferte Signal zu nutzen, um die Lage eines Objektes zu ermitteln, das mit dem Lagesignal in Verbindung steht.
In Übereinstimmung mit einem siebenten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm bereit, das Befehle für das Steuern einer Sendevorrichtung einschließt, um eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu realisieren.
In Übereinstimmung mit einem achten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Medium bereit, das ein Computerprogramm in Übereinstimmung mit dem siebenten Aspekt zur Verfügung stellt.
In Übereinstimmung mit einem neunten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm bereit, das Befehle für das Steuern einer Empfangsvorrichtung einschließt, um eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung zu realisieren.
In Übereinstimmung mit einem zehnten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Medium bereit, das ein Computerprogramm in Übereinstimmung mit dem neunten Aspekt zur Verfügung stellt.
In Übereinstimmung mit einem elften Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm bereit, das Befehle für das Steuern eines Computergerätes liefert, um eine Lageverfolgungsvorrichtung in Übereinstimmung mit dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung zu realisieren.
In Übereinstimmung mit einem zwölften Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Medium bereit, das ein Computerprogramm in Übereinstimmung mit dem elften Aspekt liefert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer Ausführung davon, nur als Beispiel, und mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, die zeigen:
1 eine grafische Darstellung, die ein typisches Beispiel eines gemessenen Impulses für einen Innenausbreitungsweg für ein Lagesignal zeigt (bisheriger Stand der Technik);
2 eine grafische Darstellung, die die Standardabweichung bei einer gemessenen Verzögerung eines Lagesignals in einer Innenumgebung als eine Funktion der Nennauflösung zeigt (bisheriger Stand der Technik);
3 ein Beispiel für ein Spektrum eines Bezugssignals, das in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde;
4 ein Blockdiagramm einer Empfängeranordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Blockdiagramm einer Senderanordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführung
Bevor die bevorzugte Ausführung beschrieben wird, werden die Anforderungen an genaue Empfangszeitpunkt(TOA)-Schätzungen und Signalbandbreiten weiter untersucht.
Wie im Oberbegriff diskutiert wird, wenn die Signalbandbreite ausreichend ist, um jedes der Signale innerhalb einer Mehrwegeumgebung aufzulösen, kann die TOA-Schätzung dann auf dem Empfang des ersten bedeutenden Signals ohne jegliche Verfälschung durch die anderen gestreuten Signale basieren. Im Fall einer inneren keineswegs Sichtlinienumgebung sind die gestreuten Signalverzögerungen typischerweise von 1 Meter oder mehr (gleich etwa 3 Nanosekunden), so dass die erforderliche Bandbreite zur Auflösung der Mehrwege-Signale in der Größenordnung von 300 MHz oder mehr liegt (siehe 1, die ein Beispiel für die Messung bei einem TOA-Impuls mit einer Bandbreite von 3 GHz (oder einer Auflösung von etwa 0,3 Nanosekunden) zeigt). Es ist zu bemerken, dass die Empfangszeit durch das erste bedeutende Signal über dem Grundgeräusch bestimmt wird, und dass die verzögerten Signale nicht die Messung beeinflussen, vorausgesetzt, dass die Verzögerung der anderen gestreuten Signale größer ist als die Impulsanstiegszeit.
In 1 werden die Daten auf eine Spitzenamplitude von Eins normalisiert. Der minimale Signalschwellenwert wird auf 0,04 (gleich einem Signal-Rausch-Verhältnis von 28 dB) eingestellt, aber der tatsächlich benutzte Schwellenwert hängt vom gemessenen Rauschpegel ab. Das Signal-Rausch-Verhältnis dieses Impulses wird mit 36 dB berechnet, basierend auf dem effektiven Rauschpegel. Die gezeigte „Verzögerung" basiert auf dem geometrischen geradlinigen Weg vom Sender zum Empfänger. Basierend auf dem ersten bedeutenden Signal kann beobachtet werden, dass ein kleiner Fehler von einigen Nanosekunden bei der Schätzung des geradlinigen Empfangszeitpunktes zu verzeichnen ist.
Die Ermittlung der Lage aus den TOA-Daten ist relativ einfach, wenn angenommen wird, dass sich das Funksignal in geraden Linien mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Im Allgemeinen ist jedoch der Sendezeitpunkt des Senders beim Empfänger nicht bekannt, so dass in der Praxis Systeme, wie beispielsweise das GPS, Zeitdifferenzdaten zwischen zwei Empfängern benutzen, die zeitlich synchronisiert werden. Diese Verfahrensweise beseitigt wirksam jegliche unbekannten Verzögerungen beim Sender und Empfänger, so dass die Lagegenauigkeit hauptsächlich eher von der Veränderung des TOA als den mittleren Verzögerungsfehlern abhängt. Die Standardabweichung bei der gemessenen Verzögerung in einer Innenumgebung als eine Funktion der Nennauflösung (Reziprokwert der Funkbandbreite, ausgedrückt als ein Abstand bei Verwendung der Ausbreitungsgeschwindigkeit) wird in 2 gezeigt. Wie beobachtet werden kann, ist die Genauigkeit eine lineare Funktion der Nennauflösung. Um einen Reichweitenfehler von 1 Meter zu haben, ist daher beispielsweise eine Nennauflösung von etwa 1,5 Meter (oder eine Bandbreite von 200 MHz) erforderlich. Man beachte ebenfalls, dass sogar bei einer kleinen Nennauflösung (sehr breite Bandbreite) eine begrenzende Genauigkeit von etwa 20 Zentimeter zu verzeichnen ist.
Die Erzeugung von Breitbandimpulsen mit breiten Bandbreiten ist eine Verfahrensweise, um genaue TOA-Daten zu erhalten (wie es vorangehend diskutiert wird). Eine derartige Technologie, die entwickelt wird, wird als Ultra-Breitband (UWB) bezeichnet, die eine Bandbreite von etwa 3 bis 10 GHz einnimmt. Derartige Systeme müssen jedoch die ausgestrahlte Hochfrequenzenergie genau begrenzen, um eine Störung mit anderen Funksystemen zu vermeiden, so dass die Reichweite derartige Ultra-Breitband-Lagebestimmungssysteme typischerweise auf etwa 10 Meter begrenzt ist, aber mit einer Genauigkeit (wie es vorangehend definiert wird) von etwa 20 Zentimeter. Derartige Systeme erfordern eine große Anzahl von Basisstationen, um ein typisches Gebäude abzudecken, so dass die Installationen kostspielig und logistisch schwierig sein können. Als Alternative könnten die ISM-Bänder verwendet werden. Das 2,4 GHz ISM-Band weist eine Bandbreite von 80 MHz auf und das 5,8 GHz Band von 150 MHz (in Australien). Basierend auf 2 beträgt die dazugehörende Reichweitengenauigkeit jeweils 2,25 Meter und 1,3 Meter. Wenn die zwei Bänder kombiniert werden, beträgt die gesamte Bandbreite 230 MHz, die eine geschätzte Reichweitengenauigkeit von 1 Meter aufweist. Außerdem liegt die zulässige Senderleistung bei diesen Bändern bei bis zu 4 Watt, so dass die potentielle Reichweite innen groß ist. Berechnungen zeigen, dass ein typisches derartiges Breitbandsystem mit einem 1 Milliwatt Sender eine Reichweite von mindestens 30 Meter innen bei keiner Sichtlinienausbreitung aufweist, aber bei den höheren Senderleistungen, wie sie vorangehend definiert werden, oder bei weniger einschränkenden Ausbreitungsbedingungen, wie beispielsweise in Großraumbüros, sind viel größere Reichweiten möglich. Daher kann potentiell ein System auf der Basis der ISM-Bänder gleichzeitig sowohl eine Genauigkeit von 1 Meter als auch mindestens eine Reichweite von 30 Meter erreichen.
Während die vorliegende Ausführung auf der Wissenschaft der Signalmodulation und Signalverarbeitungsverfahren basiert, muss jedes praktische System nach den Vorschriften arbeiten, die von den Anweisungsbehörden vorgeschrieben werden. Da die US-Forderungen typischerweise die Vergleichspunkte sind, die in den meisten Ländern verwendet werden, liefern die folgenden Paragraphen einen Überblick über die Forderungen für die 2,4/5,8 ISM-Bänder.
Eine Zusammenfassung der hauptsächlichen FCC-Forderungen ist die folgende:

1. Das Signalprotokoll eines praktischen Systems muss eine Form eines Ausbreitungsspektrums sein, entweder ein Direct-Sequence-Verfahren oder ein Frequenzsprungverfahren. Ein Hybridsystem ist ebenfalls akzeptabel.
2. Frequenzsprungsysteme sollen Sprungkanalträgerfrequenzen aufweisen, die durch ein Minimum von 25 kHz oder die 20 dB Bandbreite des Sprungkanals getrennt sind, was auch immer größer ist. Die maximale 20 dB Bandbreite des Sprungkanals beträgt 1 MHz.
3. Frequenzsprungsysteme sollen mindestens 75 Sprungfrequenzen anwenden. Die mittlere Zeit der Belegung bei einer jeden Frequenz darf nicht größer sein als 0,4 Sekunden innerhalb einer Periode von 30 Sekunden. Jede Frequenz muss im Durchschnitt gleichermaßen benutzt werden.
4. Die maximale Spitzenausgangsleistung eines absichtlichen Strahlers soll nicht 1 Watt übersteigen.
5. Für Direct-Sequence-Systeme soll die minimale 6 dB Bandbreite mindestens 500 kHz betragen.
6. Die Verarbeitungsverstärkung eines Direct-Sequence-Systems soll mindestens 10 dB betragen. Die Verarbeitungsverstärkung verkörpert die Verbesserung beim Signal-Rausch-Verhältnis im Ausgang des Empfängers nach dem Filtrieren auf die Informationsbandbreite.
7. Für Direct-Sequence-Systeme soll die spektrale Dichte der Spitzenleistung, die vom absichtlichen Strahler zur Antenne geleitet wird, nicht größer als 8 dBm in einem 3 kHz Band während eines jeden Zeitintervalls des kontinuierlichen Sendens sein.
8. Bei einer 100 kHz Bandbreite außerhalb des Frequenzbandes, in dem der absichtliche Strahler mit Ausbreitungsspektrum funktioniert, soll die Funkfrequenzleistung, die vom absichtlichen Strahler erzeugt wird, mindestens 20 dB unterhalb der in einer 100 kHz Bandbreite innerhalb des Bandes liegen, das den höchsten Pegel der gewünschten Leistung enthält, basierend auf entweder einer hochfrequenzgeleiteten oder einer ausgestrahlten Messung.

Das grundlegende Konzept hinter den Vorschriften im ISM-Band ist, dass eine bestimmte Form der Ausbreitungsspektrummodulation mit der dazugehörenden Verarbeitungsverstärkung erforderlich ist. Die Verarbeitungsverstärkung wird im Allgemeinen als das Verhältnis des Ausgangs-Signal-Rausch-Verhältnisses zum Eingangs-Signal-Rausch-Verhältnis definiert. Für die Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrummodulation ist die Prozessverstärkung einfach die Länge des pn-Code in den Chips. Für die Frequenzsprung-Ausbreitungsspektrummodulation ist die Prozessverstärkung das Verhältnis der gesamten Hochfrequenzbandbreite zur Bandbreite des Sprungkanals. In dem speziellen Fall, wo die Kanäle aneinanderstoßen, ist die Verarbeitungsverstärkung gleich der Anzahl der Sprungkanäle. Daher muss die Prozessverstärkung für im ISM-Band arbeitende Frequenzsprung-Ausbreitungspektrumsysteme mindestens 75 betragen oder etwa 19 dB. Die FCC-Vorschriften betreffen ebenfalls das Pseudo Random Frequenzsprungverfahren. Eine derartige zufällige Anordnung ist für das Bewirken der Verarbeitungsverstärkung in anderen Systemen, die gleichzeitig das ISM-Band benutzen, nicht wesentlich, aber ist typischerweise für die gleichzeitige mehrfache Benutzung innerhalb eines vorgegebenen Frequenzsprungsystems erforderlich. Auf derartige Systeme bezieht man sich im Allgemeinen als Codemultiplexvielfachzugriffssysteme (CDMA). Die vorgeschlagene Ausführung, die in diesem Dokument beschrieben wird, wendet jedoch diese Art von Vielfachzugriff nicht an, sondern wendet eher einen Zeitmultiplexvielfachzugriff (TDMA) an. Daher senden alle Module bei der vorgeschlagenen Ausführung bei Anwendung der gleichen Modulation mit dem gleichen Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrum-pn-Code und dergleichen Frequenzsprung-Sequence, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
Eine detaillierte Beschreibung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird jetzt vorgelegt. Man beachte, dass, während die Beschreibung auf einer speziellen Realisierung für die 2,4 und 5,8 GHz ISM-Bänder basiert, die Erfindung allgemein ist und daher bei anderen Funksystemen zur Anwendung gebracht werden könnte.
Bei dieser Ausführung unterteilen wir eine durch ein Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrumsignal erzeugte breite Bandbreite in eine Anzahl von Unterbändern viel kleiner als die gesamte Bandbreite. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, dass Funkgeräte mit schmalerem Band leichter zu konstruieren sind, und dass die „digitale" Signalverarbeitung mit viel niedrigeren Taktfrequenzen durchgeführt werden kann. Tatsächlich gibt es schon derartige Funkgeräte, nämlich Doppelbandfunkgeräte (2,4/5,8 GHz) für 802.11 Anwendungen. Daher wird anstelle des Sendens des Breitbandsignals auf einmal das Signal sequentiell gesendet, ein Unterband auf einmal. Diese Aufgabe ist für den Sender einfach, aber die Wiederherstellung des Breitbandsignals im Empfänger ist infolge der Notwendigkeit einer Phasenkohärenz über das gesamte Band schwierig. Wenn die Phasenkohärenz und eine angemessene Zeitausrichtung erreicht werden können, dann kann das wiederhergestellte Signal in einen Korrelator eingegeben werden, um die Korrelationsfunktion im Zeitbereich zu erzeugen (den „Impuls", der für die TOA-Schätzung erforderlich ist). Man beachte, dass jedes Unterband die Charakteristik aufweisen wird, die einem Pseudo Random Code gleicht, und daher, so weit wie die FCC-Vorschriften betroffen sind, kann die Sendung als ein Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrumsignal klassifiziert werden.
Das Hauptproblem bei der Wiederherstellung des Breitbandsignals ist, dass der Empfänger nicht die Phasenkohärenz aufrechterhalten kann, während die Trägerfrequenz für jedes Unterband verändert wird. Während jedes Unterband intern phasenkohärent ist, wird die Phase zwischen den Bändern im Wesentlichen zufällig sein. Daher ist ein bestimmtes Verfahren erforderlich, um die relative Phase des verwendeten Trägers zu ermitteln, um das Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrumsignal zu modulieren. Das Ausbreitungsspektrumsignal selbst kann nicht als ein Phasenbezug verwendet werden, da das Signal typischerweise eine niedrige Amplitude aufweist und im Rauschen untergeht. Daher muss ein bestimmter anderer Phasenbezug verwendet werden.
Bei dieser Ausführung ist der vorgeschlagene Phasenbezug ein separates Frequenzsprungsignal, das gleichzeitig mit jedem Unterband gesendet wird. Eine einfache Realisierung würde ein derartiges Signal verwenden (das bei dieser Ausführung als ein „Pilot"signal bezeichnet wird). Dieses Signal würde mit einer relativ hohen Leistung (sagen wir, in der Größenordnung von 25 Prozent der gesamten) gesendet, aber da das Signal ein schmales Band aufweist, wird die Spektrallinie viel stärker sein als das Ausbreitungsspektrumsignal bei der gleichen Frequenz. Wegen des effektiven schmalen Bandes des Pilotsignals wird das Ausgangs-Signal-Rausch-Verhältnis des Empfängers hoch sein, wodurch der Empfänger die Phase des Hochfrequenzträgers einschätzen kann. Während das Ausbreitungsspektrumsignal durch das gleiche Trägersignal moduliert wird, wird daher die Phase des Ausbreitungsspektrumsignals ebenfalls ermittelt. Da jedes Pilotsignal mit der gleichen Phase (oder wahrscheinlicher einem bekannten Pseudo Random Phasenmuster) gesendet wird, können die Ausbreitungsspektrumsignale des Unterbandes mit einer angenäherten Phasenkohärenz wiederhergestellt werden. Der Nachteil bei dieser Verfahrensweise ist eine geringe Verringerung der Leistung des Ausbreitungsspektrumsignals (eine gewisse Leistung wird dem Pilotsignal zugeteilt) und die Verfälschung des Ausbreitungsspektrumsignals bei der Pilotsignalfrequenz. Eine derartige Verfälschung des Ausbreitungsspektrums ist minimal, wenn das Pilotsignal zuerst genullt wird (im Frequenzbereich – nämlich einem Kammfilter), bevor es beim Korrelator zur Anwendung gebracht wird. Die Verringerung der am Ausbreitungsspektrumsignal angewandten Leistung führt zu einer geringen Verringerung der Prozessverstärkung des Korrelators, typischerweise um etwa 1 bis 2 dB. Während die Nennprozessverstärkung typischerweise hoch sein wird (größer als 30 dB), ist diese Verringerung der Prozessverstärkung von minimaler Bedeutung für die Leistung des gesamten Systems.
Das beschriebene einfache Einpilotsignalsystem kann jedoch nicht praktisch sein. Erstens kann das Signal in einer Mehrwegeumgebung einem Signalschwund bei bestimmten Frequenzen über das Band ausgesetzt werden. Dieser Effekt kann minimiert werden, indem mehr als ein Pilotsignal verwendet wird, so dass die Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Schwundes über das Band in starkem Maß verringert wird. Die FCC-Vorschriften verbieten jedoch die Verwendung von mehreren Pilotsignalen, da diese Signale als Frequenzsprungsignale interpretiert werden, von denen nur eines zu einem Zeitpunkt vorhanden sein kann. Daher kann bei mehreren Pilotsignalen jedes Pilotsignal nur über einen Bruchteil der Zeit gesendet werden, die für das Senden des Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrumsignals zugewiesen wird. Als Folge davon ist das Pilotsignalspektrum nicht länger effektiv eine einzelne Frequenz, sondern wird etwas ausgebreitet. Dieses Ausbreiten verfälscht mehr vom Direct-Sequence-Spektrum, während die Anzahl der Pilotsignale größer wird, wodurch eine praktische Grenze bei der Anzahl der Pilotsignale pro Unterkanal festgelegt wird. Beispielsweise wird in 3 das Spektrum von 6 Pilotsignalen mit einer Bandbreite von etwa 1,2 MHz pro Pilotsignal gezeigt. Man beachte, dass die FCC-Spezifikation fordert, dass die –20 dB Bandbreite des Pilotsignals kleiner ist als 1 MHz, was annähernd für dieses Signal zutrifft. Daher beträgt das verfälschte Gesamtsignal in diesem Fall 7,2 MHz, und daher weist das nicht verfälschte Signal eine Spektralbandbreite von etwa 18 MHz auf. Die Verringerung der Prozessverstärkung beträgt daher 10 log (17/25) oder –1,4 dB. Daher ist die Wirkung auf den Korrelator relativ geringer. Die FCC-Vorschriften legen dar, dass die Gesamtanzahl der Frequenzen des Frequenzsprungverfahrens nicht kleiner als 75 sein muss, so dass ein Minimum von 13 derartigen Unterkanälen in diesem Fall gesendet werden muss, ein jeder mit unterschiedlichen Pilotsignalfrequenzen.
Das Pilotverfahren des Erhaltens einer Phasenkohärenz ist besonders attraktiv, da die erforderliche Signalverarbeitung bei typischen Empfängerstrukturen minimal ist. Um die Breitbandkorrelationfunktion zu erhalten, ist das rechnerisch wirksamste Verfahren über die Verwendung der schnellen Fourier-Transformationen (FFT). Bei diesem Verfahren wird das Spektrum eines jeden Unterbandes berechnet, phasenausgerichtet, und das Breitbandspektrum wird auf diese Weise konstruiert. Durch Multiplizieren dieses wiederhergestellten Spektrums mit einer bekannten Kopie des Breitbandsignalspektrums und Berechnen der inversen FFT kann die Korrelationsfunktion ermittelt werden. Da dieses Verfahren das Spektrum des Signals erfordert, das ermittelt werden soll, ist die Ermittlung der Phase der Pilotsignale eine triviale Verlängerung der Verarbeitung.
Eine alternative Verfahrensweise, die nicht Pilotsignale verwendet, ist ebenfalls möglich, aber mit einer beträchtlichen Zunahme der erforderlichen Signalverarbeitung. Bei diesem Verfahren werden die Unterbandkorrelationsfunktionen alle mittels des gleichen Verfahrens berechnet, wie es vorangehend für das Breitbandsignal beschrieben wird. Aus diesen Korrelationsfunktionen ist die Phase der Spitze der Korrelationsfunktion eine Schätzung der Phase des Hochfrequenzsignals des Unterbandes. Während dieses Verfahren nicht Pilotsignale erfordert, kann die beträchtliche zusätzliche erforderliche Verarbeitung dieses Verfahren weniger attraktiv machen. Daher könnte ein System Pilotsignale einschließen und würde die Wahl der Signalverarbeitung dem Konstrukteur des Emfpängers überlassen. Ein System, das nicht Pilotsignale einschließt, ist eine Option.
Dieser Abschnitt umreißt die Signalverarbeitung, die im Empfänger bei dieser Ausführung erforderlich ist, um den TOA aus den Sendungen vom Sender einzuschätzen. Die Sendersignale werden aus hybriden Direct-Sequence- und Frequenzsprungsignalen bestehen, wie es vorangehend umrissen wird. Die genaue Anzahl der Unterkanäle, Pilotsignale, Kanalbandbreiten und anderen Parameter wird von den Details eines jeden Systems abhängig sein, aber in allen Fällen muss die Charkateristik die FCC-Vorschriften erfüllen. Zusätzlich zu diesen Signalen sind weitere charakteristische Merkmale erforderlich, damit der Empfänger die Sendungen nachweisen und danach die Unterkanaldaten verarbeiten kann, um das vollständige Breitbrandspektrum wiederherzutellen. Eine Beschreibung einer praktischen Durchführung wird in den folgenden Paragraphen vorgelegt.
Die grundlegende Forderung ist, das mobile Anlagen das Signalprotokoll jedesmal dann senden, wenn eine Lagefixierung erforderlich sein wird. Diese Signale werden in Basisstationen empfangen, die den Empfangszeitpunkt ermitteln werden. Es wird angenommen, dass diese Sendungen relativ langsam erfolgen, sagen wir, einige Male höchstens eine Sekunde, wodurch eine Lagefixierung einige Male eine Sekunde erhalten wird. Um die mobile Vorrichtungskonstruktion zu vereinfachen, wird außerdem angenommen, dass diese Sendungen pseudozufällig auftreten, so dass keine Zeitsynchronisierung in der mobilen Anlage erforderlich ist. Diese Konstruktion zeigt eine kleine Wahrscheinlichkeit des Klirrens beim Senden des Signals, aber die einfache Realisierung ohne Zeitsynchronisierung macht dieses Verfahren attraktiv.
Die folgende Beschreibung der Signalverarbeitung ist typisch für eine Realisierung, aber tatsächliche Systeme, die die hauptsächlichen Konzepte der Ausführung anwenden, können im Detail abweichend sein, aber im Konzept insgesamt gleich. Für dieses veranschaulichende Beispiel wird das 5,8 GHz ISM-Band mit einer Bandbreite von 150 MHz benutzt. Dieses Band wird in acht Unterkanäle mit einer Funkbandbreite von annähernd 20 MHz oder einem Grundbandausgang von etwa 10 MHz (phasengleich und Phasenquadratur) unterteilt. Diese Spezifikationen der Unterkanalbandbreite sind für Chip-Funkgeräte typisch, wie sie bei 802.11 a/b/g drahtlosen lokalen Netzwerksystemen verwendet werden. Die angenommene Abtastgeschwindigkeit für sowohl die phasengleichen als auch Phasenquadraturkanäle beträgt 25 Msps. Es wird angenommen, dass das Direct-Sequence-Signal in der Länge 2047 Chips mit einer Chiprate von 100 MChip pro Sekunde aufweist, filtriert, um auf die 150 MHz ISM-Bandbreite eingeschränkt zu werden. Daher beträgt die Periode des pn-Code 20,47 Mikrosekunden, was ein Frame ist. Die Frequenzsprungpilottöne werden sechs an der Zahl pro Frame sein, wobei ein jeder über etwa 3,4 Mikrosekunden sendet.
Ein Blockdiagramm einer möglichen Ausführung des Empfängers wird in 4 gezeigt. Das Chip-Funkgerät 1 gibt phasengleiche 2 und Phasenquadraturgrundbandsignale 3 aus, die durch zwei Analog-Digital-Wandler 4 digitalisiert werden. Die phasengleichen/Phasenquadratur-Ausgänge werden ebenfalls zwei Bandpassfiltern und zwei Detektoren 5 zugeführt, deren Ausgänge summiert werden. Der Ausgang von den Detektoren ist niedrig, ausgenommen, wenn das Präambelpilotsignal vorhanden ist. Wenn dieses Signal einen Grenzpegel übersteigt, wird ein Ausgabeauslösesignal erzeugt, das veranlasst, dass die Ausgaben des Analog-Digital-Wandlers in einem RAM 6 sichergestellt werden. Die RAM-Daten werden später von einem digitalen Signalprozessor (DSP) 7 verarbeitet. Der DSP 7 verarbeitet die erfassten Daten, um den Empfangszeitpunkt zu ermitteln. Das Auslösesignal wird ebenfalls vom DSP 7 verwendet, um die Frequenz des Funkempfängers zu verändern, so dass durch die Unterkanäle abgetastet wird.
Mit Bezugnahme auf 4 wird bei dieser Ausführung die Signalverarbeitung der Basisstation für die Signalerfassung und die Ermittlung der Empfangszeit wie folgt zusammengefasst:

1. Der erste Frame von Daten wird aus einem Pilotsignal mit einer eindeutigen Frequenz bestehen, die dem Empfänger bekannt ist. Die Empfänger-Hardware soll einen Filter aufweisen, der auf diese Frequenz abgestimmt ist. Die kleine Bandbreite des Filters bedeutet, dass das Ausgabe-Signal-Rausch-Verhältnis gleich dem in Verbindung mit dem Korrelator ist, was in späteren Paragraphen beschrieben wird. Der Bandpassfilter kann analog oder digital sein.
2. Der Ausgang vom Filter wird den Datenerfassungsprozess des Unterkanals auslösen. Wegen der komplexen Signalverarbeitung wird die typische Realisierung das Erfassen von Daten vom Empfänger in einem geeigneten RAM für eine spätere Verarbeitung einschließen. Die Daten für sowohl die phasengleichen als auch Phasenquadraturkanäle werden im RAM für die spätere Verarbeitung gespeichert. Die Gesamtanzahl der Abtastwerte pro Frame beträgt etwa 1 K.
3. Nach jeder Unterkanalsendung wird der Sender die Frequenz verändern. Der Empfänger leitet diese Zeit ab, basierend auf dem ursprünglichen Auslösesignal und der bekannten Länge eines Frame. Die Periode, die für die Veränderung der Frequenz zulässig ist, wird typischerweise die gleiche sein wie die, die für das Senden der Unterkanaldaten erforderlich ist, nämlich 20,47 Mikrosekunden in diesem Fall. Während dieser Periode muss der Funkempfängerfrequenzsynthesizer ein phasenstabiles Signal erhalten. Tests zeigen, dass die tatsächliche Funk-Hardware diese Forderung erfüllen kann.
4. Nach dem Senden aller Unterkanäle wird der Empfänger alle Daten erfasst haben, einschließlich der Perioden der Veränderung der Frequenz. Der Empfänger muss jetzt den Beginn eines jeden Abschnittes der Daten entsprechend den Unterkanalsendungen ermitteln. Der Beginn eines jeden Frame von Daten ist annähernd aus dem ursprünglichen Auslösesignal mit einer Genauigkeit von etwa ±2 Mikrosekunden oder (±50 Abtastwerten) beim begrenzenden Signal-Rausch-Verhältnis bekannt. Diese Zeitausrichtung ist ausreichend genau, um eine Korrelation mit einer Verringerung beim Ausgang von höchstens 1 dB bei der maximalen Fehlausrichtung zu gestatten. Der Korrelationsprozess wird ein komplettes Korrelationsdiagramm (oder Korrelogramm) ermitteln, das die Korrelationsamplitude als eine Funktion der Korrelationszeit liefert. Die Nennlage des Spitzenwertes sollte beim Punkt t = 0 liegen, wobei jegliche Zeitversetzung mit dem Fehler bei der anfänglichen Schätzung der Zeit des Beginns des Frame in Beziehung steht. Die Lage des Spitzenwertes kann mit einer Genauigkeit von etwa ±2 Abtastwerten nachgewiesen werden; dieser Fehler hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf die folgende Signalverarbeitung.
5. Nachdem die Bestimmung des ersten Frame von Daten genau erfolgt ist, können die anderen Frames von Daten aus dem bekannten Signalprotokoll und der Frame-Zeitlange abgeleitet werden. Für dieses veranschaulichende Beispiel müssen insgesamt acht Frames von Daten verarbeitet werden. Jeder Frame wird 512 komplexe Datenabtastwerte aufweisen.
6. Das Spektrum eines jeden Frame von Daten wird bei Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) berechnet. Das Spektrum wird die sechs Pilotsignale plus der Unterkanalkomponente des Breitbandsignals enthalten. Die Pilotsignale werden bei bekannten Frequenzen und bekannten pseudozufälligen Phasenversetzungen zu finden sein. Die dazugehörenden Frequenz-Gins bei der FFT werden verwendet, um das komplexe Signal der Pilotsignale zu ermitteln, die danach summiert werden (nach der Phasenrotation durch die bekannte pseudozufällige Phase, die im Sender eingefügt ist). Die Phase dieses kumulierten Signals wird danach als Phasenbezug für den Frame verwendet.
7. Das Spektrum eines jeden Frame wird durch die Pilotphase korrigiert, so dass alle Unterkanalspektren annähernd phasenkohärent sind. Zusätzlich werden die Spektralkomponenten in der Nähe der Pilotfrequenz in jedem Spektrum des Frame genullt. Diese Spektraldaten werden danach verkettet, um eine Schätzung des Breitbandspektrums zu liefern.
8. Das Korrelogramm c(τ) wird danach berechnet, indem die folgende Operation durchgeführt wird: c(τ) = F–1[RX(f)PN(n)*]worin RX(f) das geschätzte Breitbandsignal ist, das vorangehend im Paragraphen (7) berechnet wurde, und wobei PN(f) das (bekannte gesendete) Spektrum des Breitband-Pseudo Random Code ist.
9. Der Empfangszeitpunkt wird typischerweise aus dem Korrelogramm c(τ) eingeschätzt. Beispielsweise kann der TOA durch einen Algorithmus eingeschätzt werden, der die Vorderflanke des Korrelogrammes verarbeitet, wodurch die Einflüsse der Mehrwegestörung minimiert werden. Für dieses veranschaulichende Beispiel mit einer Chipperiode von 10 Nanosekunden weist das Nennkorrelogramm eine steigende Flanke von einem Chip auf. Typischerweise kann der TOA mit einer Genauigkeit von etwa 10 Prozent der Chipperiode oder etwa 1 Nanosekunde eingeschätzt werden.
10. Die TOA-Schätzung wird relativ zu einem lokalen Taktgeber gemessen. Dieser Taktgeber ist in der Frequenz mit anderen Einheiten (Basisstationen) im Netz genau synchronisiert, aber eine Zeitsynchronisierung ist nicht erforderlich. Diese Frequenzsynchronisierung kann durch eine geeignete Verarbeitung der TOA-Schätzung selbst mit einer Genauigkeit von etwa ein Teil pro Billion erhalten werden, und daher ist keine zusätzliche Signalverarbeitung für die Frequenzsynchronisierung im Empfänger erforderlich. Der lokale Taktgeber wird verwendet, um den lokalen Frame und die Steuersignale für die Analog-Digital-Wandler zu erzeugen. Die Abtastwerte vom Analog-Digital-Wandler sind relativ zum lokalen Frame zeitgeprägt, so dass der gemessene TOA ebenfalls relativ zum lokalen Frame-Taktgeber ist. Für die Lageermittlung, basierend auf den TOA-Daten, muss die Phase des lokalen Taktgebers zusätzlich zur Lage ermittelt werden. Die Details dieses Prozesses sind für diese Ausführung nicht bedeutend.

Eine Senderanordnung für diese Ausführung kann ziemlich einfach sein, einschließlich eines digitalen Signalprozessors, eines Digital-Analog-Wandlers und eines Funksenders. Der digitale Signalprozessor ist angeordnet, um die Signalabschnitte für die Sendung zu erzeugen.
Eine Ausführung der Senderanordnung wird jetzt mit Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 ist ein Blockdiagramm einer Senderanordnung in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegeriden Erfindung. Ein Nur-Lese-Speicher (ROM) 10 liefert den zu sendenden Pseudo Random (PN) Code. Nur ein Teil des Code wird zu einem Zeitpunkt in jedem Unterkanal gesendet. Ein digitaler Signalprozessor (DSP) 11 organisiert die zu sendenden Daten und gibt die digitalen Daten an den Digital-Analog-Wandler (D/A) 12 aus. Der DSP 11 steuert ebenfalls den Betrieb eines Funkgerätes 13.
Der Dualkanal D/A 12 erzeugt die phasengleichen (I) und Phasenquadratur (Q)-Analogsignale, die definieren, was das Funkgerät sendet. Das Chip-Funkgerät 13 (mit angebracher Antenne 14) liefert Funktfrequenzsendungen, die durch den Eingang von den D/A-Wandlern 12 moduliert werden. Der DSP 11 definiert die Frequenz der Sendungen, eine für jeden Unterkanal.
Bei der vorangehenden Ausführung werden die Signalabschnitte sequentiell gesendet. Sie müssen jedoch nicht in irgendeiner speziellen Reihenfolge gesendet werden. Sie können beispielsweise außer der Reihenfolge gesendet und im Empfänger wieder zusammengesetzt werden. Andere Ausführungen können daher die Signalabschnitte anders als sequentiell senden.
Bei der vorangehenden Ausführung werden alle Signalabschnitte gesendet. Bei anderen Ausführungen kann es nicht erforderlich sein, alle Signalabschnitte zu senden. Es kann ausreichend sein, nur einige der Signalabschnitte zu senden. Das Abschnittssignal kann unter bestimmten Umständen ohne alle einzelnen Signalabschnitte synthetisch erzeugt werden.
Die vorangehend diskutierten Verfahren und Vorrichtung können Signale erzeugen, die benutzt werden können, um eine Lageinformation bei einer Anzahl von Verfolgungsanwendungen bereitzustellen. Beispielsweise für die Lageverfolgung von Einzelpersonen, die Sender/Empfänger in einer städtischen Umgebung innerhalb eines Gebäudes tragen, oder für die Verfolgung der Lage irgendeines Objektes.
Obgleich die vorangehend beschriebene Ausführung über die 2,4 und 5,8 GHz ISM-Bänder funktioniert, wird erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf den Betrieb innerhalb dieser Bandbreiten begrenzt ist, und dass ein anderer Bandbreitenbetrieb realisiert werden könnte, in Abhängigkeit von den gegenwärtigen Funkvorschriften und innerhalb der speziellen Zuständigkeit.
Die Sender- und Empfängeranordnungen sind nicht auf die speziellen Blockdiagrammanordnungen begrenzt, die in 4 und 5 veranschaulicht werden. Es kann jegliche geeignete Auslegung genutzt werden, die die Funktionalität der Erfindung zur Anwendung bringt.
Eine Realisierung der Ausführung kann durch eine geeignete Software-Programmierung der vorhanden Funksysteme (wie beispielsweise Funkgeräte, die bei drahtlosen lokalen Netzwerken verwendet werden) ohne jegliche zusätzliche Hardware vorgenommen werden. Dieses Konzept macht die Verbesserung der vorhandenen Technologie relativ einfach, während gleichzeitig Reichweiten erhalten werden, die mit den vorhandenen Nur-Datensendesystemen vergleichbar sind, aber mit einer besseren Lagegenauigkeit, wenn man mit den vorhandenen Verfahren vergleicht.
Es wird von den Fachleuten erkannt werden, dass zahlreiche Veränderungen und/oder Abwandlungen bei der Erfindung vorgenommen werden können, wie es in den spezifischen Ausführungen gezeigt wird, ohne dass man vom Wesen oder dem Bereich der Erfindung abweicht, wie er im Allgemeinen beschrieben wird. Die vorliegenden Ausführungen sollen daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und einschränkend betrachtet werden.
ZUSAMMENFASSUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lageverfolgung eines Objektes in einer Mehrwegeumgebung (beispielsweise innerhalb eines Gebäudes) bei Verwendung von Funksignalen. Um eine genaue Empfangszeitpunkt(TOA)-Schätzung in einer Mehrwegeumgebung zu liefern, ist ein Signal mit breiter Bandbreite erforderlich (wobei ein Impuls mit steiler Anstiegszeit bereitgestellt wird). Im Funkspektrum ist jedoch nur eine begrenzte Bandbreite verfügbar. Außerdem erfordern die Installationen für die Lageverfolgung, die Signale mit breiter Bandbreite erzeugen, kostspielige und komplizierte Funkgeräte. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Anzahl von Signalen mit schmaler Bandbreite durch den Sender erzeugt und im Empfänger miteinander kombiniert, um ein effektives Breitband-Lagebestimmungssignal zu liefern. Es müssen nur Signale mit relativ schmaler Bandbreite gesendet werden; folglich kann aber eine genaue Lage dennoch ermittelt werden. Außerdem ermöglicht das Senden von Signalen mit schmaler Bandbreite die Verwendung von relativ billigen Funksendern. FIGUREN

Fig. 1
Normalised Impulse Response	normalisierte Impulsantwort
Amplitude	Amplitude
Time (ns)	Zeit (ns)
Delay	Verzögerung

Fig. 2
Range Error Standard Deviation	Reichweitenfehler-Standardabweichung
Standard Deviation (cm)	Standardabweichung (cm)
Nominal Resolution (cm)	Nennauflösung (cm)

Fig. 3
Spectrum of Pilot Signals	Spektrum der Pilotsignale
Frequency (MHz)	Frequenz (MHz)

Fig. 4
Frequency Control	Frequenzsteuerung
1 – Chip Radio Receiver	Chip-Funkempfänger
2 – In-phase	phasengleich
3 – Quadrature	Phasenquadratur
4 – A/D converters	Analog-Digital-Wandler
5 – Bandpass Filters & Detector	Bandpassfilter und Detektor
6 – RAM	RAM
7 – DSP	DSP (digitaler Signalprozessor)
Trigger	Auslöser
Threshold	Schwellenwert

Fig. 5
10 – PN-code ROM	PN-Code ROM
11 – DSP	DSP (digitaler Signalprozessor)
12 – D/A	Digital-Analog-Wandler
I	phasengleich
Q	Phasenquadratur
14 – Chip Radio	Chip-Funkgerät

Claims

Verfahren zur Bereitstellung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation, das die Schritte des Erzeugens einer Vielzahl von Signalabschnitten und des separaten Sendens der Signalabschnitte aufweist, wobei die Signalabschnitte so angeordnet sind, dass sie miteinander kombiniert werden, um ein Lagesignal zu erzeugen, das, wenn es als ein einzelnes Signal gesendet wird, eine relativ breite Bandbreite für das Senden erfordern würde.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem jeder Signalabschnitt über eine relativ schmale Bandbreite gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das den weiteren Schritt des Erzeugens und Sendens eines Bezugssignals einschließt, wobei das Bezugssignal so angeordnet wird, dass es zur Erleichterung der Kombination der Signalabschnitte zur Herstellung des Lagesignals verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine Vielzahl von Bezugssignalen erzeugt und gesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Signalabschnitte innerhalb des 2,4 GHz und des 5,8 GHz ISM-Bandes übertragen werden (wie es durch die Federal Communications Commission (USA) definiert wird).
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die für das Senden der Signalabschnitte genutzte Signalmodulation eine Kombination des Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrum- und Frequenzsprungverfahrens ist.
Verfahren zur Verarbeitung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation, das die Schritte des Empfangens von Signalabschnitten, die in Übereinstimmung mit einem der Ansprüche 1 bis 6 gesendet werden, und des Kombinierens der Signalabschnitte zur Herstellung des Lagesignals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Kombinierens der Signalabschnitte den Schritt des Herstellens einer Phasenkohärenz der Signalabschnitte einschließt, so dass sie kombiniert werden können.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Herstellens der Phasenkohärenz ein Bezugssignal verwendet, das zusätzlich zu den Signalabschnitten empfangen wird, und das so angeordnet ist, dass es zur Bereitstellung eines Phasenbezugs genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Vielzahl von Bezugssignalen empfangen und verwendet wird, um eine Phasenkohärenz herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt des Herstellens einer Phasenkohärenz der Signalabschnitte die folgenden Schritte aufweist: Berechnen von Korrelationsfunktionen für einen jeden der Signalabschnitte; Ermitteln der Phase der Spitze einer jeden Korrelationsfunktion; und Benutzen der Ermittlung, um die Phase eines jeden Signalabschnittes einzuschätzen.
Verfahren zur Lageverfolgung, das ein Lagesignal nutzt, das mittels des Verfahrens eines der Ansprüche 7 bis 11 erzeugt wird, um die Lage eines Objektes zu ermitteln, das mit dem Signal in Verbindung steht.
Vorrichtung für das Liefern eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation, wobei die Vorrichtung einen Generator, der angeordnet ist, um eine Vielzahl von Signalabschnitten zu erzeugen, und einen Sender für das separate Senden der Signalabschnitte aufweist, wobei die Signalabschnitte so angeordnet sind, dass sie miteinander kombiniert werden, um ein Lagesignal zu erzeugen, das, wenn es als ein einzelnes Signal gesendet wird, eine relativ breite Bandbreite für das Senden erfordern würde.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Sender angeordnet ist, um jeden Signalabschnitt über eine relativ schmale Bandbreite zu senden.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei der der Generator ebenfalls angeordnet ist, um ein Bezugssignal zu erzeugen, und bei der der Sender angeordnet ist, um das Bezugssignal zu senden, wobei das Bezugssignal so angeordnet ist, dass es verwendet wird, um das Kombinieren der Signalabschnitte zu erleichtern.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Generator und der Sender angeordnet sind, um eine Vielzahl von Bezugssignalen zu erzeugen und zu senden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der der Sender angeordnet ist, um die Signalabschnitte innerhalb des 2,4 GHz und 5,8 GHz ISM-Bandes zu senden (wie es durch die Federal Communications Commission (USA) definiert wird).
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Sender angeordnet ist, um die Signalmodulation für das Senden der Signalabschnitte zu nutzen, die eine Kombination des Direct-Sequence-Ausbreitungsspektrum- und Frequenzsprungverfahrens ist.
Vorrichtung zur Verarbeitung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation, wobei die Vorrichtung einen Empfänger für das Empfangen der von der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 gesendeten Signalabschnitte und einen Signalsynthesizer aufweist, der angeordnet ist, um die Signalabschnitte zur Herstellung eines Lagesignals zu kombinieren.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Kombinationsvorrichtung angeordnet ist, um die Phasenkohärenz der Signalabschnitte herzustellen, so dass sie kombiniert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Kombinationsvorrichtung angeordnet ist, um ein Bezugssignal anzuwenden, wobei das Bezugssignal angeordnet wird, damit es für das Erleichtern des Herstellens der Phasenkohärenz der Signalabschnitte verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Kombinationsvorrichtung eine Vielzahl von Bezugssignalen anwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Kombinationsvorrichtung angeordnet ist, um eine Korrelationsfunktion für jeden Signalabschnitt bei Anwendung der schnellen Fourier-Transformationen oder anderer Signalverarbeitungsverfahren zu erhalten, um die Phase der Spitze der Korrelationsfunktion zu ermitteln, und um diese als eine Schätzung der Phase eines jeden Signalabschnittes zu nutzen.
Lageverfolgungsvorrichtung, wobei die Verfolgungsvorrichtung eine Lagebestimmungsvorrichtung einschließt, die angeordnet ist, um das von der Vorrichtung eines der Ansprüche 19 bis 23 gelieferte Signal zu nutzen, um die Lage eines Objektes zu ermitteln, das mit dem Lagesignal in Verbindung steht.
Computerprogramm, das Befehle für das Steuern einer Sendevorrichtung einschließt, um eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 zu realisieren.
Computerprogramm nach Anspruch 25, bei dem die Sendevorrichtung ein Einchip-Funkgerät einschließt.
Computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm nach Anspruch 24 oder Anspruch 25 einschließt.
Computerprogramm, das Befehle für das Steuern einer Empfangsvorrichtung einschließt, um eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23 zu realisieren.
Computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm nach Anspruch 26 bereitstellt.
Computerprogramm, das Befehle für das Steuern eines Computergerätes bereitstellt, um eine Lageverfolgungsvorrichtung nach Anspruch 24 zu realisieren.
Computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm nach Anspruch 30 bereitstellt.
System zur Verarbeitung eines Signals für eine Verwendung bei der Ermittlung der Lageinformation, wobei das System eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23 aufweist.