DE112015005637T5

DE112015005637T5 - Verfahren zum Orten eines Senders unbekannter Position mit synchronisierten Empfängern bekannter Positionen

Info

Publication number: DE112015005637T5
Application number: DE112015005637.8T
Authority: DE
Inventors: Rémi Rollero
Original assignee: Amesys SAS
Current assignee: Amesys SAS
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-11-02
Also published as: WO2016097595A1; GB2548513B; US20170371025A1; FR3030772A1; RU2017125737A3; RU2017125737A; SG11201705056PA; GB201709758D0; IL252989A0; US10345429B2; CN107534842A; GB2548513A; FR3030772B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten eines Signalsenders (5) dessen Position unbekannt ist, durch die Nutzung von Signalempfängern (1, 2, 3), die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, wobei es aufweist: einen Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz, die mit den Signalen erfolgt, die von dem Sender (5) mit unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass: dem Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz ein Schritt der Auswertung (30) der zeitlichen Versätze zwischen den Werten von der gemeinsamen Zeitreferenz, die jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) bekannt ist, vorangeht, und der Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz durch Korrektur (41) der zeitlichen Versätze erfolgt, um die Empfänger (1, 2, 3) auf den selben gemeinsamen Zeitreferenzwert rücksetzen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten eines Signalsenders, dessen Position unbekannt ist, unter Verwendung von Signalempfängern, die miteinander auf eine gemeinsame Referenzzeit synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, und einen Ortungsprozess basierend auf dem Ortungsverfahren, und auch ein System zum Orten eines Signalsenders, dessen Position unbekannt ist, unter Verwendung von Signalempfängern, die miteinander auf eine gemeinsame Referenzzeit synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind.
Hintergrund der Erfindung
Gemäß einem ersten Stand der Technik, wie zum Beispiel in der Patentanmeldung WO 2005/111654 beschrieben, ist ein Verfahren zum Orten eines passiven Radarziels durch mehrere Radars bekannt, die auf eine durch GPS gegebene gemeinsame Referenzzeit synchronisiert sind, basierend auf Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz.
Gemäß einem zweiten Stand der Technik, wie zum Beispiel in der Patentanmeldung WO 2011/011360 beschrieben, ist ein Verfahren zum Orten eines Flugzeugs bei Annäherung an einen Flugplatz durch mehrere Transponder bekannt, die auf das vom sich annähernden Flugzeug gesendete Signal antworten, basierend auf Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz.
Gemäß einem dritten Stand der Technik, wie zum Beispiel in der Patentanmeldung EP 2,642,313 beschrieben, ist ein Ortungsverfahren basierend auf Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz bekannt, wobei die Präzision unter Verwendung eines Algorithmus verbessert ist, der auf einer Autokorrelation des von jedem Empfänger empfangenen Signals beruht, das der Messphase der Signalwegzeitdifferenzen vorangeht, die von verschiedenen Empfängern empfangen werden, und tut dies zum Reduzieren der Informationsmenge, die zwischen den Empfängern und der Berechnungseinheit läuft.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In allen vorgenannten Stand der Techniken ist die Präzision der betreffenden Ortungsverfahren begrenzt, insbesondere wegen der intrinsischen Ungenauigkeit des Werts der gemeinsamen Referenzzeit, die zu jedem Empfänger gesendet wird.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ortungsverfahren anzugeben, das die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise vermeidet.
Insbesondere strebt die Erfindung danach, ein Ortungsverfahren mit besserer Präzision basierend auf Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz anzugeben, der ein zeitliches Rücksetzen vorangeht, das die Differenzen zwischen den von den synchronisierten Empfängern empfangenen Werten und deren gemeinsamer Referenzzeit kompensiert.
In der Tat sind die von den synchronisierten Empfängern empfangenen Werte ihrer gemeinsamen Zeitreferenz nicht strikt identisch und haben eine gewisse Ungenauigkeit. Das zeitliche Rücksetzen auf eine einzelne gemeinsame Zeitreferenz für die synchronisierten Empfänger dient dazu, diese Ungenauigkeit zu beseitigen.
Die von den verschiedenen synchronisierten Empfängern empfangenen gemeinsamen Zeitreferenzwerte werden bevorzugt von einem Geoortungssystem in der Form der absoluten Referenzzeit gesendet. Im Falle von GPS (Global Positioning System), wird diese UTC-Zeit mit einer Ungenauigkeit in der Größenordnung von 100 ns bei 5 Sigma gesendet, was einem potenziellen Fehler von etwa 30 m in der Ortung des unbekannten Senders entspricht. Das durch die Erfindung vorgeschlagene Ortungsverfahren strebt danach, diesen potenziellen Fehler bei der Ortung des unbekannten Senders stark zu reduzieren oder sogar praktisch zu eliminieren.
Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Orten eines Signalsenders vor, dessen Position unbekannt ist, durch die Nutzung von Signalempfängern, die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, wobei es aufweist: einen Schritt der Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz, die mit den Signalen erfolgt, die von dem Sender mit unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass: dem Schritt der Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz ein Schritt der Auswertung der zeitlichen Versätze zwischen den Werten von der gemeinsamen Zeitreferenz, die jeweils von den Empfängern bekannt ist, vorangeht, und der Schritt der Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz durch Korrektur der zeitlichen Versätze erfolgt, um die Empfänger auf einen einzelnen Zeitreferenzwert rückzusetzen, der den Empfängern oder jedem Paar von Empfängern gemeinsam ist.
Der Zeitreferenzwert kann für alle Empfänger gemeinsam sein. Der Zeitreferenzwert kann für jedes Paar von Empfängern gemeinsam sein, wenn die Signale in Bezug aufeinander rückgesetzt werden. Die Referenzwerte zwischen zwei Paaren von Empfängern können zwischen sich ein wenig unterschiedlich sein, aber viel näher, als sie zu Beginn gewesen sind.
Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz wird auch TDOA-Multilateration (für „Time Difference of Arrival Multilateration“) genannt.
Die gemeinsame Zeitreferenz ist bevorzugt der Ursprung der gemeinsamen Zeitbasis oder ansonsten eine Phase am Ursprung der gemeinsamen Zeitbasis oder sogar die gemeinsame Zeitreferenz, mit der die Empfänger untereinander zu synchronisieren sind.
Der Zweck der Kalibrierung ist es, Zeitachsen zwischen diesen rückzusetzen, was ihren Wert am Ursprung bedeutet, ohne ihren Maßstab zu modifizieren, was die Abtastrate der Empfänger bedeutet, die zum Beispiel auf die GPS-Taktfrequenz gesetzt ist.
Die Empfänger werden miteinander synchronisiert; sie werden auf die gemeinsame Zeitreferenz bis zu den Fehlern im Wert dieser gemeinsamen Zeitreferenz gesetzt, deren Korrektur die Erfindung zusätzlich zum Ziel hat. Die Empfänger haben eine gemeinsame Rate zum Erfassen empfangener Signale.
Bevorzugt macht der Schritt der Auswertung: eine Berechnung der Laufzeitdifferenzen zwischen Empfängern der Signale, die von einem anderen Sender bekannter Position mit einer unterschiedlichen Frequenz von jener des Senders unbekannter Position gesendet werden und jeweils von den Empfängern empfangen werden, basierend auf bekannten Positionen der Empfänger und jener des anderen Senders bekannter Position, eine Messung der Laufzeitdifferenzen durch Kreuzkorrelation zwischen den von den Empfängern empfangenen Signalen, und einen Vergleich zwischen den berechneten Laufzeitdifferenzen und den gemessenen Laufzeitdifferenzen, was für jeden Empfänger das zeitliche Rücksetzen ergibt. Als Alternative macht der Schritt der Auswertung: eine Berechnung der Laufzeitdifferenzen zwischen Empfängern der Signale, die von einem anderen Sender bekannter Position mit einer Frequenz gesendet werden, die identisch zu jener des Senders unbekannter Position ist, aber während eines Sendezeitfensters, das sich von jenem des Senders unbekannter Position unterscheidet, und von den Empfängern jeweils empfangen wird, basierend auf bekannten Positionen der Empfänger und von diesem anderen Sender bekannter Position, eine Messung der Laufzeitdifferenzen durch Kreuzkorrelation zwischen den von den Empfängern empfangenen Signalen, und einen Vergleich zwischen den berechneten Laufzeitdifferenzen und den gemessenen Laufzeitdifferenzen, was für jeden Empfänger das zeitliche Rücksetzen ergibt.
Die Nutzung eines Senders bekannter Position ist ein einfaches und effektives Mittel zum Bestimmen der zeitlichen Versätze zwischen den Referenzzeitwerten, die für die synchronisierten Empfänger bekannt sind. Es ist zunächst die Kenntnis dieser zeitlichen Versätze und dann ihre Kompensation, die das zeitliche Rücksetzen der synchronisierten Empfänger erlaubt, und vorteilhaft an allen zwischen diesen synchronisierten Empfängern auf einem einzigen gemeinsamen Zeitreferenzwert, um hierdurch die Präzision der Ortung des unbekannten Senders zu verbessern.
Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung auch ein System zum Orten eines Signalsenders vor, dessen Position bekannt ist, durch die Nutzung von Signalempfängern, die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, wobei es aufweist: Signalempfänger, die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, eine Prozesseinheit, die zur Durchführung eines Schritts der Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz geeignet ist, die mit den Signalen erfolgt, die von dem Sender mit unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit auch so geeignet ist, dass: dem Schritt der Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz ein Schritt der Auswertung der zeitlichen Versätze zwischen den Werten von der gemeinsamen Zeitreferenz, die jeweils von den Empfängern bekannt ist, vorangeht, und der Schritt der Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz durch Korrektur der zeitlichen Versätze erfolgt, um die Empfänger auf einen einzelnen Zeitreferenzwert rückzusetzen, der den Empfängern oder jedem Paar von Empfängern gemeinsam ist.
Gemäß bevorzugten Ausführungen umfasst die Erfindung eines oder mehrere der vorliegenden Merkmale, die separat oder in partieller Kombination zwischen sich oder in vollständiger Kombination zwischen sich verwendet werden können, kombiniert mit einem oder einem anderen der zuvor angegebenen Ziele der Erfindung.
Bevorzugt werden die Signale, die von dem Sender unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern empfangen werden, von den Empfängern gleichzeitig mit den Signalen aufgezeichnet, die von diesem anderen Sender bekannter Position gesendet werden, und jeweils von den Empfängern empfangen werden, wobei die Empfänger ein ausreichend breites Empfangsband zum gleichzeitigen Empfangen von Signalen auf unterschiedlichen Frequenzen haben, entsprechend jeweils der Sendefrequenz des Senders unbekannter Position und der Sendefrequenz des anderen Senders bekannter Position.
Somit enthält ein einzelnes Breitbandsignal, das von jedem Empfänger empfangen wird, sowohl das Nutzsignal zur Durchführung des Multilaterationsschritts als auch das Referenzsignal zum zeitlichen Rücksetzen der Empfänger. Das Breitbandmerkmal des Empfängers erlaubt auch die Ortung von mehreren, sogar vielen, Sendern unbekannter Position, die alle Frequenzen senden, die voneinander unterschiedlich sind. Verschiedene Sender mit bekannter Position könnten auch dazu benutzt werden, die Präzision der Korrektur zu verbessern.
Bevorzugt ist dieser andere Sender bekannter Position in der Mitte der Empfänger angeordnet, bevorzugt nahe dem Schwerpunkt der Empfänger.
Auf diese Weise wird die Auswertung der zeitlichen Versätze sowohl einfacher als auch präziser gemacht.
Die bekannte Position der Empfänger ist fest, zumindest über die gesamte Länge der Verlagerung des Senders unbekannter Position. Die Empfänger sind bevorzugt am Umfang des Raums lokalisiert, in dem sich der Sender unbekannter Position bewegen könnte, bevorzugt mit regelmäßigem Abstand voneinander.
Bevorzugt macht der Schritt der Multilateration eine Kreuzkorrelation zwischen den Signalen, die von den Empfängern auf der Sendefrequenz des Senders unbekannter Position empfangen werden, wobei die Signale zuvor auf die gleiche gemeinsame Zeitreferenz zeitlich rückgesetzt wurden.
Die Kreuzkorrelation erfolgt in einem Gleitzeitfenster, und die Zeitposition, die diese Kreuzkorrelation maximiert, repräsentiert die Laufzeitdifferenz des Signals zuerst zwischen dem Sender unbekannter Position und dem Empfänger entsprechend einen der kreuzkorrelierten Signale und zweitens zwischen dem Sender unbekannter Position und dem Empfänger entsprechend dem anderen kreuzkorrelierten Signal. Die Laufzeitdifferenzen repräsentieren entsprechenden Abstandsdifferenzen, die es dann erlauben, die aktuelle Position des Senders unbekannter Position mit einer einfachen und konventionellen geometrischen Konstruktion zu erhalten.
Bevorzugt zeichnen Empfänger kontinuierlich und ohne Unterbrechung die Zeitspanne auf, die sich erstens zwischen dem Empfang von Signalen, die von dem Sender bekannter Position gesendet werden, die zur Durchführung der Schritte der Auswertung der zeitlichen Versätze verwendet werden, und zweitens dem Empfang der Signale, die von dem Sender unbekannter Position verwendet werden, die zur Durchführung des Multilaterationsschritts verwendet werden, erstreckt.
Auf diese Weise wird die gemeinsame Referenzzeit definitiv dieselbe sein, sowohl für die Signale, die von dem Sender bekannter Position gesendet werden, als auch die Signale, die von dem Sender unbekannter Position gesendet werden, an den Empfängern, die diese Signale empfangen. Weil darüber hinaus die Differenz zwischen dem Moment der Durchführung des zeitlichen Rücksetzens und dem Moment der Durchführung der Multilateration kürzer ist, wird der Messfehler, wegen dieser Zeit zur Ungenauigkeit in der Erfassungsfrequenz, kleiner. Zum Beispiel liegt die Ungenauigkeit in der GPS-Erfassungsfrequenz in der Größenordnung von 10^–12 pro Tag.
Bevorzugt werden die Signale, die von dem Sender unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern empfangen werden, von den Empfängern kontinuierlich empfangen, bevorzugt über eine Zeitspanne von zumindest einer bis mehreren Stunden.
Somit können die Auswertungs- und Multilaterationsschritte dann an mehreren Punkten, sogar an vielen Punkten, durchgeführt werden, was erlaubt, die so erhaltenen Ergebnisse zu verbessern und aufzumitteln. Weil darüber hinaus die Aufzeichnungszeit länger wird, kann die Kreuzkorrelationslänge länger werden und können mehr Messungen mit schwachen Breitbandemissionen zuverlässig durchgeführt werden.
Darüber hinaus können, bei Erkennung eines zu analysierenden Ereignisses, die Aufzeichnungen gestoppt werden und können dann zur Berechnungseinheit rückgeführt werden, die dann in der Lage sein wird, die Messungen über die interessierenden letzten Minuten oder letzten Stunden durchzuführen.
Zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Sender bekannter Position ein gesonderter Sender ist, dessen Sendung ferngesteuert entweder durch Kabel oder Funkverbindung getriggert werden könnte, unter der Steuerung der Berechnungseinheit, wenn sie Daten abfragen will, um in der Lage zu sein, einen Sender unbekannter Position zu orten. Dies ist dann attraktiv, um diesen Sender bekannter Position diskreter zu machen.
Bevorzugt ist die Anzahl der Empfänger zumindest drei, bevorzugt zumindest vier.
Somit ist die Multilateration durch Ankunft-Zeitdifferenz in der Lage, eine einzelne Position für den Sender unbekannter Position zu erlangen, oder sogar die Position, die durch Informationsresektion erhalten wird, weiter zu verbessern.
Bevorzugt ist die gemeinsame Referenzzeit die absolute Zeit, die durch ein Geoortungssystem angegeben wird, bevorzugt UTC-Zeit (UTC für „Universal Time Coordinated“ oder „Coordinated Universal Time“), die durch GPS angegeben wird.
Diese absolute Zeit wird mit einer Präzision in der Größenordnung von 100 ns bei fünf Sigma angegeben, was, für den Großteil von Fällen, einem potenziellen Abstandsfehler von maximal 30 m entspricht. Sobald die verschiedenen Werte der gemeinsamen Zeitreferenz, die von synchronisierten Empfängern bekannt sind, unter sich rückgesetzt sind, kann die Präzision die Größenordnung von einem 1 m werden oder sogar besser.
Bevorzugt werden die Signale in einem Frequenzbereich gesendet, der in deren Gesamtheit durch einen Empfänger oder durch einen Empfänger/Rekorder, logisch abgehängt ist.
Bevorzugt werden die Signale in einem Funkfrequenzbereich gesendet, bevorzugt im HF-Frequenzbereich, der sich von 3 MHz bis 30 MHz erstreckt, und/oder im VHF-Frequenzbereich, der sich von 30 MHz bis 300 MHz erstreckt, und/oder im UHF-Frequenzbereich, der sich von 300 MHz bis 3000 MHz erstreckt.
Da die Funkwellen eine große Reichweite haben und auf Hindernisse weniger empfindlich als andere Wellen sind, wie etwa Lichtwellen, kann immer noch ein weites Territorium überdeckt werden, auch wenn es mit Hindernissen übersät ist.
Bevorzugt wird das Ortungsverfahren gemäß der Erfindung einem Ortungsprozess in einem Gefängnis verwendet, wo Gefangene jeweils mit einem Signalsender unbekannter Position versehen werden, der mit einer anderen Frequenz als jener von anderen Gefangenen arbeitet. Dort ist eine sehr präzise Ortung von zum Beispiel in der Größenordnung von 1 m oder sogar weniger besonders attraktiv.
Bevorzugt wird das Ortungsverfahren gemäß der Erfindung in einem Ortungsprozess in einem Atomkraftwerk verwendet, wo das Personal jeweils mit einem Signalsender unbekannter Position versehen wird, der mit einer anderen Frequenz als jener von anderem Personal arbeitet. Dort ist eine sehr präzise Ortung, von zum Beispiel in der Größenordnung von 1 m oder noch weniger besonders attraktiv.
Bevorzugt wird das Ortungsverfahren gemäß der Erfindung in einem Ortungsprozess in einer Katastrophenzone verwendet, wie zum Beispiel nach einer Lawine oder einem Erdbeben, wo Personen jeweils mit einem Signalsender unbekannter Position versehen werden, der mit einer anderen Frequenz von jener anderer Personen arbeitet. Dort ist eine sehr präzise Ortung von zum Beispiel in der Größenordnung von 1 m oder noch weniger besonders attraktiv.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Leser der vorliegenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die als Beispiel angegeben ist, und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Ortungssystem gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein beispielhaftes Ortungsverfahren gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein beispielhaftes Ortungssystem gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Drei Empfänger 1, 2 und 3 sind in einem Raum, zum Beispiel jeweils nahe Scheiteln eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet. Ein Sender 4 bekannter Position ist in diesem Raum angeordnet, zum Beispiel in der Mitte dieses gleichschenkligen Dreiecks. Auch in diesem Raum angeordnet ist ein Sender 5 unbekannter Position, dessen Position bestimmt werden soll.
Der Sender 4 bekannter Position sendet Signale, die durch Pfeile repräsentiert sind, zu den Empfängern 1 bis 3. Der Sender 5 unbekannter Position sendet Signale, die durch die Pfeile repräsentiert sind, zu den Empfängern 1 bis 3.
Alle Positionen der Empfänger 1 bis 3 sind bekannt, da die Position des Senders 4 bekannt ist. Demzufolge ist es basierend auf diesen bekannten Signalen einfach, die Laufzeitdifferenz für die Signale zu berechnen: Die Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 1 und der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 2; die Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 1 und der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 3; und die Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 2 und der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 3. Hier sind im Falle von 1 diese Laufzeitdifferenzen alle Null.
Zuerst erfolgt eine anfängliche Filterung, die auf die Sendefrequenz des Senders 4 zentriert ist, an den Breitbandsignalen, die von den Empfängern 1 bis 3 empfangen werden.
Dann wird die paarweise Ausführung der Kreuzkorrelation der von den Empfängern empfangenen Signalen – bedeutet die Kreuzkorrelation zwischen dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 1 empfangen wird, und dem Signal, dass vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 2 empfangen wird; die Kreuzkorrelation zwischen dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 1 empfangen wird, und dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 3 empfangen wird; und die Kreuzkorrelation zwischen dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 2 empfangen wird, und dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 3 empfangen wird – sehr häufig Maxima an zeitlichen nicht-Null-Versätzen ergeben, wegen unterschiedlicher gemeinsamer Zeitreferenzwerte, die an den verschiedenen Empfängern 1 bis 3 bekannt sind, wegen der intrinsischen Ungenauigkeit des Werts dieser gemeinsamen Zeitreferenz, die zu jedem der Empfänger 1 bis 3 kommuniziert wird, in der Größenordnung von 100 ns bei 5 Sigma, was im Großteil der Fälle weniger als oder gleich 100 ns bedeutet.
Indem man einen der Empfänger als Referenzempfänger nimmt, zum Beispiel den Empfänger 1, erhält man zwei zeitliche Versätze: einen ersten zeitlichen Versatz T12 entsprechend der Zeitdifferenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 1 und der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 2; und einen zweiten zeitlichen Versatz T13 entsprechend der Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 1 und der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 3.
Der am Empfänger 1 bekannte gemeinsame Zeitreferenzwert wird gespeichert. Der vom Empfänger 2 bekannte gemeinsame Zeitreferenzwert wird um einen Wert T12 korrigiert, um in der Lage zu sein, den vom Empfänger 1 bekannten gemeinsamen Zeitreferenzwert zeitlich rückzusetzen. Der vom Empfänger 3 bekannte gemeinsame Zeitreferenzwert wird um einen Wert T13 korrigiert, um in der Lage zu sein, den vom Empfänger 1 bekannten gemeinsamen Zeitreferenzwert zeitlich rückzusetzen. Als Ergebnis dieses zeitlichen Rücksetzens haben alle Empfänger 1 bis 3 exakt den gemeinsamen Zeitreferenzwert.
Alternativ können die Empfänger paarweise rückgesetzt werden, für jedes Paar von Empfängern, zum Beispiel gemeinsames Rücksetzen der Empfänger 1 und 2 und dann gemeinsames Rücksetzen der Empfänger 1 und 3, und schließlich gemeinsames Rücksetzen der Empfänger 2 und 3.
Dann erfolgt eine zweite Filterung, die auf die Sendefrequenz des Senders 5 zentriert ist, an den Breitbandsignalen, die von den Empfängern 1 bis 3 empfangen werden.
Die Laufzeitdifferenz für die Signale – die Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 5 zum Empfänger 1 und der Laufzeit des Signals vom Sender 5 zum Empfänger 2; die Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 5 zum Empfänger 1 und der Laufzeit des Signals vom Sender 5 zum Empfänger 3; und die Differenz zwischen der Laufzeit des Signals vom Sender 5 zum Empfänger 2 und der Laufzeit des Signals vom Sender 4 zum Empfänger 3 – werden basierend auf den von den Empfängern 1 bis 3 empfangenen Signalen gemessen, die zuvor an den gemessenen Laufzeitdifferenzen gefiltert sind.
Diese Messungen erfolgen auf der Basis der paarweisen Ausführung der Kreuzkorrelation der Signale, die von den Empfängern empfangen werden und um die Sendefrequenz des Senders 5 unbekannter Position herum gefiltert werden. Auf diese Weise erfolgen die Kreuzkorrelationen: zwischen dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 1 empfangen wird, und dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 2 empfangen wird; zwischen dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 1 empfangen wird, und dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 3 empfangen wird; und zwischen dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 2 empfangen wird, und dem Signal, das vom Sender 4 gesendet und vom Empfänger 3 empfangen wird.
Diese Kreuzkorrelationen, die mit Gleitfenstern erfolgen, haben Maxima für einige zeitliche Versatzwerte, die Laufzeitdifferenzen entsprechen, die oben beschrieben sind, die Abstände zwischen dem Sender 5 unbekannter Position einerseits und den Empfängern 1 bis 3 andererseits repräsentieren. Mit einer einfachen und herkömmlichen geometrischen Konstruktion können diese zeitlichen Trennungen auf diese Abstände bezogen werden. Die Kenntnis dieser Abstände ergibt die Position des Senders 5 unbekannter Position relativ zu den verschiedenen Empfängern 1 bis 3, und daher die Position des Senders 5 in dem betreffenden Raum. Die für den Sender 5 erhaltene Position ist sehr präzise, weil sie nicht mehr die intrinsische Ungenauigkeit des Werts der gemeinsamen Zeitreferenz hat, die zwischen den verschiedenen Empfängern 1 bis 3 präzise rückgesetzt wurde.
2 zeigt schematisch ein beispielhaftes Ortungsverfahren gemäß einer Ausführung der Erfindung.
In einer kontinuierlichen Aufzeichnungsphase 10 erfolgt eine kontinuierliche Aufzeichnung der Signale, die sowohl von dem Sender 4 bekannter Position als auch vom Sender 5 unbekannter Position gesendet werden, durch die Empfänger 1 bis 3, die in der Tat Breitbandsignale über verschiedene Stunden empfangen, zum Beispiel über fünf Stunden in zirkulärer Aufzeichnung.
In jedem Moment, zum Beispiel dann, wenn das kontinuierliche Aufzeichnen der Empfänger 1 bis 3 wegen eines bestimmten Ereignisses gestoppt wird, stehen die letzten fünf Stunden der Signale, die von den Empfängern 1 bis 3 aufgezeichnet wurden, zur Verfügung. Diese Signale, die über die jüngsten Stunden aufgezeichnet wurden, werden dann zu einer Prozesseinheit oder einer Analysestation während einer Sendephase 20 gesendet.
Zuerst werden ein Schritt der Auswertung 30, und dann ein Schritt der Multilateration 40 basierend auf diesen Breitbandsignalen ausgeführt, die von den Empfängern 1 bis 3 empfangen werden. In dem Auswertungsschritt 30, werden eine Berechnungsphase 31, eine Messphase 32 und eine Vergleichsphase 33 aufeinanderfolgend ausgeführt. Im Multilaterationsschritt 40 werden eine Korrekturphase 41 und eine Kreuzkorrelationsphase 42 aufeinanderfolgend ausgeführt.
In der Berechnungsphase 31 erfolgt eine Berechnung der Laufzeitdifferenzen zwischen Empfängern der Signale, die von dem Sender 4 bekannter Position mit einer anderen Frequenz als jener des Senders 5 unbekannter Position gesendet werden und die jeweils von den Empfängern 1 bis 3 empfangen werden, basierend auf den bekannten Positionen der Empfänger 1 bis 3 und des Senders 4 bekannter Position, wie in 1 im näheren Detail erläutert.
In der Messphase 32 erfolgt eine Messung der Laufzeitdifferenzen durch Kreuzkorrelation zwischen den von den Empfängern empfangenen Signalen, wie im näheren Detail in 1 erläutert.
In der Vergleichsphase 33 ergibt ein Vergleich zwischen den berechneten Laufzeitdifferenzen und den gemessenen Laufzeitdifferenzen für jeden Empfänger den gewünschten zeitlichen Versatz, wie im näheren Detail in 1 erläutert.
In der Korrekturphase 41 werden die zeitlichen Versätze korrigiert, um die Empfänger 1 bis 3 auf den selben gemeinsamen Zeitreferenzwert rückzusetzen, wie im näheren Detail in 1 erläutert.
Eine Kreuzkorrelationsphase 42, die im näheren Detail in 1 beschrieben ist, ergibt zeitliche Versatzwerte, die Laufzeitdifferenzen entsprechen, die Abstände vom Sender 5 unbekannter Position zu jedem der Empfänger 1 bis 3 repräsentieren.
In einer Positionsbestimmungsphase 50, können die zeitlichen Trennungen mit einer einfachen und herkömmlichen geometrischen Konstruktion auf diese Abstände bezogen werden. Die Kenntnis dieser Abstände ergibt die Position des Senders 5 unbekannter Position relativ zu den verschiedenen Empfängern 1 bis 3 und daher die Position des Senders 5 in dem betreffenden Raum. Die für den Sender 5 erhaltene Position ist sehr präzise, weil sie nicht mehr die intrinsische Ungenauigkeit des Werts der gemeinsamen Zeitreferenz hat, die zwischen den verschiedenen Empfängern 1 bis 3 präzise rückgesetzt worden ist.
Natürlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und gezeigten Beispiele und Ausführungen beschränkt, sondern ist Gegenstand für viele Varianten, die dem Fachkundigen zugänglich sind.

Claims

Verfahren zum Orten eines Signalsenders (5), dessen Position unbekannt ist, durch die Nutzung von Signalempfängern (1, 2, 3), die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, wobei es aufweist: – einen Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz, die mit den Signalen erfolgt, die von dem Sender (5) mit unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass: – dem Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz ein Schritt der Auswertung (30) der zeitlichen Versätze zwischen den Werten von der gemeinsamen Zeitreferenz, die jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) bekannt ist, vorangeht, – der Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz durch Korrektur (41) der zeitlichen Versätze erfolgt, um die Empfänger (1, 2, 3) auf einen einzelnen Zeitreferenzwert rückzusetzen, der den Empfängern oder jedem Paar von Empfängern gemeinsam ist.
Verfahren zum Orten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Auswertung (30) durchführt: – eine Berechnung (31) der Laufzeitdifferenzen zwischen Empfängern (1, 2, 3) der Signale, die von einem anderen Sender (4) bekannter Position mit einer unterschiedlichen Frequenz von jener des Senders (5) unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, basierend auf bekannten Positionen der Empfänger (1, 2, 3) und jener des anderen Senders (4) bekannter Position, – eine Messung (32) der Laufzeitdifferenzen durch Kreuzkorrelation zwischen den von den Empfängern (1, 2, 3) empfangenen Signalen; – einen Vergleich (33) zwischen den berechneten Laufzeitdifferenzen und der gemessenen Laufzeit, was für jeden Empfänger (1, 2, 3) den zeitlichen Versatz gibt.
Verfahren zum Orten nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale, die von dem Sender (5) unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, von den Empfängern (1, 2, 3) gleichzeitig mit den Signalen aufgezeichnet werden, die von diesem anderen Sender (4) bekannter Position gesendet werden, und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, wobei die Empfänger (1, 2, 3) ein ausreichend breites Empfangsband zum gleichzeitigen Empfangen von Signalen auf unterschiedlichen Frequenzen haben, entsprechend jeweils der Sendefrequenz des Senders (5) unbekannter Position und der Sendefrequenz des anderen Senders (4) bekannter Position.
Verfahren zum Orten nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser andere Sender (4) bekannter Position in der Mitte der Empfänger (1, 2, 3) angeordnet ist, bevorzugt nahe dem Schwerpunkt der Empfänger (1, 2, 3).
Verfahren zum Orten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Multilateration (40) eine Kreuzkorrelation (42) zwischen den Signalen, die von den Empfängern (1, 2, 3) auf der Sendefrequenz des Senders (5) unbekannter Position empfangen werden, durchführt, wobei die Signale zuvor auf die gleiche gemeinsame Zeitreferenz zeitlich rückgesetzt wurden.
Verfahren zum Orten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Empfänger (1, 2, 3) kontinuierlich und ohne Unterbrechung die Zeitspanne aufzeichnen, die sich erstens zwischen dem Empfang von Signalen, die von dem Sender (4) bekannter Position gesendet werden, die zur Durchführung der Schritte der Auswertung (30) der zeitlichen Versätze verwendet werden, und zweitens dem Empfang der Signale, die von dem Sender (5) unbekannter Position verwendet werden, die zur Durchführung des Multilaterationsschritts (40) verwendet werden, erstreckt.
Verfahren zum Orten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale, die von dem Sender (5) unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, von den Empfängern (1, 2, 3) kontinuierlich empfangen werden, bevorzugt über eine Zeitspanne von zumindest einer bis mehreren Stunden.
Verfahren zum Orten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Empfänger (1, 2, 3) zumindest drei, bevorzugt zumindest vier beträgt.
Verfahren zum Orten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Zeitdifferenz die absolute Zeit ist, gegeben durch ein Geoortungssystem, bevorzugt durch GPS gegebene UTC-Zeit.
Verfahren zum Orten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale in einem Funkfrequenzbereich abgegeben werden, bevorzugt im HF-Frequenzbereich oder im VHF-Frequenzbereich.
Prozess, um in einem Gefängnis Gefangene zu orten, die jeweils mit einem Signalsender (5) unbekannter Position versehen sind, der mit einer anderen Frequenz als jener von anderen Gefangenen arbeitet, unter Verwendung des Ortungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Prozess, um in einem Atomkraftwerk Personal zu orten, das jeweils mit einem Signalsender (5) unbekannter Position versehen ist, der mit einer anderen Frequenz als jener von anderem Personal arbeitet, unter Verwendung des Ortungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Prozess, um in einer Katastrophenzone, wie zum Beispiel nach einer Lawine oder einem Erdbeben, Personen zu orten, die jeweils mit einem Signalsender (5) unbekannter Position versehen sind, der mit einer anderen Frequenz als jener anderer Personen arbeitet, unter Verwendung des Ortungsverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
System zum Orten eines Signalsenders (5), dessen Position unbekannt ist, durch die Nutzung von Signalempfängern (1, 2, 3), die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, wobei es aufweist: – Signalempfänger (1, 2, 3), die miteinander auf eine gemeinsame Zeitreferenz synchronisiert sind und deren Positionen bekannt sind, – eine Prozesseinheit, die zur Durchführung eines Schritts der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz geeignet ist, die mit den Signalen erfolgt, die von dem Sender (5) mit unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesseinheit auch so geeignet ist, dass: – dem Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz ein Schritt der Auswertung (30) der zeitlichen Versätze zwischen den Werten von der gemeinsamen Zeitreferenz, die jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) bekannt ist, vorangeht, – der Schritt der Multilateration (40) durch Ankunft-Zeitdifferenz durch Korrektur (41) der zeitlichen Versätze erfolgt, um die Empfänger (1, 2, 3) auf einen einzelnen Zeitreferenzwert rückzusetzen, der den Empfängern oder jedem Paar von Empfängern gemeinsam ist.
System zum Orten nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: – einen anderen Sender (4) bekannter Position mit einer anderen Frequenz als von jener des Senders (5) unbekannter Position, und dass der Schritt der Auswertung (30) durchführt: – eine Berechnung (31) der Laufzeitdifferenzen zwischen Empfängern (1, 2, 3) der Signale, die von einem anderen Sender (4) bekannter Position mit einer unterschiedlichen Frequenz von jener des Senders (5) unbekannter Position gesendet und jeweils von den Empfängern (1, 2, 3) empfangen werden, basierend auf bekannten Positionen der Empfänger (1, 2, 3) und jener des anderen Senders (4) bekannter Position, – eine Messung (32) der Laufzeitdifferenzen durch Kreuzkorrelation zwischen von den Empfängern (1, 2, 3) empfangenen Signalen; – einen Vergleich (33) zwischen den berechneten Laufzeitdifferenzen und der gemessenen Laufzeit, was, für jeden Empfänger (1, 2, 3), den zeitlichen Versatz gibt.