EP2307905A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der sich ändernden position eines mobilen senders - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der sich ändernden position eines mobilen senders

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EP2307905A1
EP2307905A1 EP09777169A EP09777169A EP2307905A1 EP 2307905 A1 EP2307905 A1 EP 2307905A1 EP 09777169 A EP09777169 A EP 09777169A EP 09777169 A EP09777169 A EP 09777169A EP 2307905 A1 EP2307905 A1 EP 2307905A1
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EP
European Patent Office
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values
phase
toa
correlation
curves
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09777169A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Eidloth
Norbert Franke
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2307905A1 publication Critical patent/EP2307905A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances
    • A63B24/0021—Tracking a path or terminating locations
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G—PHYSICS
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    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements
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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
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    • A63B2024/0028—Tracking the path of an object, e.g. a ball inside a soccer pitch
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2243/00—Specific ball sports not provided for in A63B2102/00 - A63B2102/38
    • A63B2243/0025—Football

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the changing position of a mobile transmitter in a three-dimensional space according to the preamble of the main claim and an apparatus for performing the method according to the preamble of the dependent claim.
  • EP 1 556 713 B1 discloses a method for continuous real-time tracking of the position of at least one mobile object and associated transmitters and receivers, in which a transmitter attached to the object and several receivers of a stationary receiver and signal processing network are provided the signals emitted by the transmitter are electromagnetic waves transmitted in a frequency division band in time-division multiplexing and the receivers are the transmission pattern of the transmitter is already known. Taking into account the transmission signals, transit times (so-called TOA values (time of arrival)) between the transmitter and the respective receivers are determined from the received signals, this being carried out by evaluating the amplitude of correlation curves over time.
  • TOA values time of arrival
  • TDOA time difference differences
  • the TOA value has been obtained from the variation of the correlation between transmit and receive signal over time by determining the maximum of the curve.
  • a correlation curve is significantly deformed by multipath propagation due to reflections of the transmission signal, so that the reliability of the TOA values may remarkably decrease, so that precise assignment to the LOS (line of sight) component of the signal propagation becomes more obscure can.
  • This object is achieved by the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble.
  • phase values are determined and then the position of the mobile transmitter can be calculated taking into account the TOA values and the phase values, in particular movement trajectories, ie Movement courses of the transmitter of effects of multipath signal propagation are largely exempted, so that the position calculation is improved overall.
  • the absolute position is given by the TOA values, while the phase information ensures that relative movements are displayed very cleanly.
  • phase difference values are respectively calculated between two receivers and used for the evaluation.
  • the phase values can be used directly.
  • the TOA values are obtained by determining the inflection point of the magnitude of the correlation curve, the choice of this point improves the accuracy since the inflection point lies on the LOS curve representing the distance to be measured and is therefore better than the maximum for determining the TOA value suitable .
  • a receiver serves as a reference receiver and phase difference values are calculated with reference to the reference receiver.
  • the transmission signals are modulated onto a carrier frequency, wherein the system according to the invention is not limited to the frequencies, bandwidths and modulation types specified in the exemplary embodiment.
  • the system can also be designed for the 5 GHz ISM band and other frequency bands.
  • modulation types for generating code sequences among others, QPSK, BPSK, 8PSK, BOC (Binary Offset Carrier) or the like can be used.
  • the evaluation device preferably comprises a Kalman filter which supplies the three-dimensional position and the three-dimensional speed of the respective movable transmitter. If desired, the three-dimensional acceleration is also determined.
  • the evaluation device in each receiver comprises an evaluation unit and one or more central computers, but the evaluation can also be carried out in a different distribution, e.g. only in the receivers or only in central units.
  • the method according to the invention describes a possibility ability to determine a phase measurement, more precisely a carrier phase measurement, out of the complex correlation and, together with the known TOA values, perform a much more precise position determination with this additional information.
  • phase measurement a very accurate trajectory of the object to be located can be found, but in its absolute position is indefinite, while the TOA measurement is a relatively noisy, but in their absolute value unique position is determined. If both measured quantities are combined, eg in a Kalman Filter miteinender, whereby the TOA values with greater noise inaccuracy for a long-term average and the phase measured values with a smaller noise uncertainty are entered, we obtain a position result that includes the advantages of the two measured quantities, ie exact position profiles are obtained with the correct absolute position.
  • FIG. 1 is a schematic view of an exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 is an illustration of correlation curves as an amount over time.
  • 4 shows a 3D representation of an ideal complex correlation
  • 5 is an illustration of the course of a multipath propagation deformed correlation in the complex plane
  • FIG. 7 shows a representation of phase difference measured values of a stationary transmitter from a plurality of receivers.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention which serves to continuously track a movable object.
  • the moving object may be one or more balls and / or one or more transmitters of players moving on a playing field 1.
  • a transmitter 2 is attached to each object, which moves with the ball or player.
  • four receivers 3 are fixedly mounted around the playing field, which are synchronized with one another in terms of time, in the exemplary embodiment are connected to a common clock source, and which are connected to one or more central computers 4 via fixed lines.
  • Radio or other means of transmission are connected.
  • more receivers can be provided to achieve a more accurate tracking of the position of an object.
  • a modulated on a selected carrier frequency of 2445 MHz with a modulation bandwidth of about 77 MHz signal for example, according to QRSK method (quadrature phase shift keying) is modulated and emitted as a series of signal bursts from the transmitter 2.
  • QRSK method quadrature phase shift keying
  • the receivers 3 receive the transmitted signal bursts, process the received signals by "down-converting" 2445 MHz to baseband and continuous sampling.
  • the carrier frequency is removed, the phase information is retained.
  • the digitized values are sent to the computer 4 for further processing.
  • the computer 4 optionally forms a part of the receiver 3 an evaluation.
  • FIG. 2 which shows the magnitude profile of an ideal correlation 5 and a multipath propagation-deformed correlation 6 over time
  • a TOA value is determined which is generated by a receiver 3 in each case.
  • the TOA value can be determined using the maximum amplitude 7 or the inflection point 8.
  • curve 6 the ideal correlation curve 5 is in part significantly deformed by multipath propagation, whereby a precise assignment of a "correct maximum" is only possible with difficulty.
  • the "correlation peak” had an infinitesimally small temporal extent.
  • the temporal extent depends on the modulation bandwidth used, and Although inversely proportional to the symbol rate.
  • the bandwidth of 77 MHz leads, with an ideal correlation, to a temporal expansion of approximately 50 ns at 30% of the amplitude of the correlation peak. Expressed in terms of image, this makes the curve less sharp and the TOA value can be read less clearly.
  • Long reflection detours lead to several clearly separable correlation peaks and can be clearly distinguished.
  • short reflection detours lead to multiple correlation peaks, which, however, merge together in the overall waveform (see FIG. 2). This makes reading the TOA value more difficult and error prone.
  • a complex correlation curve is determined from the complex-modulated signal bursts, which is shown in FIG. 3 and FIG. 4 for the ideal correlation.
  • FIG. 3 and FIG. 4 for the ideal correlation.
  • this correlation peak has an angular orientation in the complex plane.
  • Exactly this angle gives additional information, which is additionally processed according to the invention as a measured value.
  • the positive feature that is used is the fact that the result for the angle is much less affected by multipath propagation.
  • the signal bandwidth that corresponds to the angular on determines the selected carrier frequency and not the modulation bandwidth as explained above for the TOA value.
  • the spatial uniqueness range of a phase result corresponds to a wavelength, ie in the present 12.3 cm corresponding to the center frequency of 2445 MHz.
  • the waveforms in the complex plane (FIG. 5) and the magnitude versus time (FIG. 6) of a real measured correlation curve are shown. It can be seen in FIG. 6 that the maximum 9 of the correlation curve is made up of two overlapping, ideal correlations, this indicating a propagation behavior with two paths, for example propagation according to the line of sight (LOS) and with ground reflection.
  • LOS line of sight
  • the inflection point 10 is marked in addition to the maximum 9.
  • the maximum 9 would provide a false TOA and hence distance measurement result, as it was shifted significantly in time by the influence of the reflection path.
  • the inflection point is more suitable for determining the TOA value because it is on the visual curve (LOS curve) that represents the distance to be measured.
  • FIG. 5 the course of the correlation deformed by multipath propagation in the complex plane is shown, wherein the phase angle 11 from the maximum and the phase angle 12 from the inflection point of the absolute value course according to FIG.
  • the phase angle is defined between the lines 11, 12 and the abscissa.
  • the magnitude curve over time and the complex correlation are basically equivalent representations that can be drawn from the exact same sample or result values of the correlation.
  • the time relation between amount representation and complex representation is also clear and transferable.
  • the maximum and the inflection point were selected as characteristic points on the correlation amount curve.
  • any characteristic point can be selected, since measured value differences are formed. The only condition is that the two phase measured values, from which a difference is formed, correspond to an equally defined criterion.
  • phase values thus found for each receiver from the curves according to FIG. 5 are further processed in the computer 4 by forming respective phase differences between two receiver locations.
  • the receivers 3 are, as stated, connected in a phase-locked manner, thanks to networking to a common clock source, for example a clock and trigger generator.
  • the absolute phase value at a receiver 3 is meaningless, since the transmitter 2 is not synchronized to the receiver network.
  • the phase differences have the desired significance. If, for example, a transmitter 2 does not move between the transmission bursts, the phase difference obtained between two receivers 3 in the first burst is the same as in the second burst. In the position result can then the information is used, for example, so that the position can not have changed.
  • phase differences change according to the direction of movement of the transmitter 2 and according to the geometric arrangement of the receiver antennas. If phases or phase difference values are processed, the relative movement between two bursts can be reduced by up to a factor of 32 in the exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows by way of example phase difference measured values of a stationary transmitter 2 of a plurality of receivers, in which FIG. 7 shows twelve receivers 3.
  • the individual curves show the measured phase differences between two receivers. For this, the differences were always formed to the receiver with the No. 5 (RxO5), which is mounted absolutely rigid and fixed. Evident are in Fig. 7, four curves 13, 14, 15, 16, which have vibrations. These belong to the receivers RxOl to Rx04, which are receivers that are fixed in such a way that they can still move easily. Furthermore, seven curves 17 to 23 can be seen without fluctuations, the associated receiver are also mounted absolutely rigid. The phase measurements were drawn not in degrees or radians but in picoseconds since such an allowed to improve the comparison with TOA values.
  • phase difference curves results in a position resolution capability of the system for relative movements in the range of a few millimeters.
  • the transmitter 2 in the exemplary embodiment on the playing field 1, the latter may in principle not move further than ⁇ half a wavelength between two bursts so as not to violate the uniqueness of the phase measurement.
  • This is e.g. at a transmitter 2 mounted in a football, given the known speeds of up to 150 km / h and a burst rate of 2000 per second, i. at 150 km / h and 2000 bursts, the ball only moves by 2 cm between 2 bursts.
  • the burst rate at a transmitter 2 attached to a player is typically 200 per second.
  • the uniqueness range can be violated if the transmitter 2 is attached at the end of extremities, which can commute very fast.
  • it is possible to use prediction methods for the movement speed wherein the uniqueness window of the phase measurement is shifted accordingly in accordance with the currently applied movement speed.
  • TOA and TDOA and phase or phase difference values are used in the calculator to determine the positions.
  • a Kalman filter is used for the evaluation, although other methods and processing equipment are also used. can be used, such as algebraic algorithms, eg the Bancroft algorithm or as neural networks or particle filters.
  • algebraic algorithms eg the Bancroft algorithm or as neural networks or particle filters.
  • TOA values with their absolute and unique character are associated with the position, while the progression of the phases is related to the velocity.
  • velocities and accelerations interact with each other via the derivative relations and statistical mechanisms of the Kalman filter.

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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der sich ändernden Position eines mobilen Senders in einem dreidimensionalen Raum vorgeschlagen, bei denen Sendesignale mit einer vorgegebenen Frequenz vom mobilen Sender gesendet werden, wobei mehrere Empfänger diese Sendesignale empfangen. Eine Auswerteeinrichtung wertet die Empfangssignale zur Erstellung von Kurven der Korrelation zwischen Sende- und Empfangssignalen aus. Aus den Betragsverläufen über der Zeit werden TOA-Werte und aus den Verläufen in der komplexen Ebene werden Phasen-Werte unter Verwendung der Zeitinformation der TOA-Werte bestimmt. Die Position des mobilen Senders wird unter Berücksichtigung der TOA-Werte und der Phasen- oder Phasendifferenzwerte berechnet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der sich ändernden Position eines mobilen Senders
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der sich ändernden Position eines mobilen Senders in einem dreidimensionalen Raum nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Nebenan- spruchs .
Aus der EP 1 556 713 Bl ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung der Position von wenigstens einem mobilen Objekt sowie zugehörige Sender und Empfänger bekannt, bei dem ein an dem Objekt an- gebrachter Sender und mehrere Empfänger eines stationären Empfänger- und Signalverarbeitungsnetzwerks vorgesehen sind, wobei die von dem Sender emittierten Signale elektromagnetische, in einem Frequenzbandbereich im Zeitmultiplexverfahren ausgesandte Wellen sind und den Empfängern das Sendemuster des Senders vorbekannt ist. Aus den Empfangssignalen werden unter Berücksichtigung der Sendesignale Laufzeiten (so genannte TOA-Werte (time of arrival) ) zwischen dem Sender und jeweils den Empfängern bestimmt, wobei dies durch Auswertung der Amplitude von Korrelationskurven über der Zeit durchgeführt wird. Aus beispielsweise zwölf TOA-Werten von zwölf Empfängern wurden durch Bezug auf einen der Empfänger elf Laufzeitdifferenzen, so genannte TDOA-Werte (TDOA - time difference of arrival) gebildet, aus denen durch hyperbolische Triangulation, die in einem Kaiman-Filter implementiert ist, die jeweilige Position des Senders berechnet wird, wobei dann auch Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bekannt sind. Dieses Verfahren bzw. diese bekannte Vorrichtung wurde beispielsweise zur Echtzeitverfolgung eines Balls und/oder von Spielern auf einem Spielfeld, z.B. ein Fußballfeld angewandt.
Wie ausgeführt wurde, wurde der TOA-Wert aus dem Be- tragsverlauf der Korrelation zwischen Sende- und Empfangssignal über der Zeit durch Bestimmen des Maximums der Kurve gewonnen. Eine solche Korrelationskurve wird jedoch durch Mehrwegeausbreitung aufgrund von Reflexionen des Sendesignals deutlich verformt, so dass die Zuverlässigkeit der TOA-Werte unter Umständen merklich sinkt, so dass eine präzise Zuordnung zur LOS-Komponente (LOS - line of sight - Sichtlinie) der Signalausbreitung undeutlicher werden kann.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der sich ändernden Position eines mobilen Senders in einem dreidimensionalen Raum zu schaffen, bei denen die Genauigkeit der Berechnung von Positionen verbessert wird und insbesondere Ef- fekte durch die Mehrwegesignalausbreitung verringert werden . Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Dadurch, dass bei der Auswertung der Empfangssignale zusätzlich zur Korrelationskurve als Betrag über der Zeit Korrelationskurven als Verläufe in der komplexen Ebene erstellt werden und dass aus diesen Verläufen in der komplexen Ebene unter Verwendung von Informa- tionen aus den Betragsverläufen Phasen-Werte bestimmt werden und anschließend die Position des mobilen Senders unter Berücksichtigung der TOA-Werte und der Phasen-Werte berechnet werden, können insbesondere Bewegungstrajektorien, d.h. Bewegungsverläufe der Sender von Effekten der Mehrwegesignalausbreitung größtenteils befreit werden, so dass die Positionsberechnung insgesamt verbessert wird. Im Positionsergebnis wird die absolute Position eher durch die TOA- Werte gegeben, während die Phaseninformation dafür sorgt, dass Relativbewegungen sehr sauber dargestellt werden.
Vorzugsweise werden, wenn der Sender oder die Sender nicht mit den Empfängern synchronisiert sind, Phasen- differenzwerte jeweils zwischen zwei Empfängern berechnet und zur Auswertung herangezogen. Im Falle, dass der oder die Sender mit den Empfängern bzw. dem Empfängernetzwerk synchronisiert sind, können direkt die Phasen-Werte verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform werden die TOA-Werte durch Bestimmung des Wendepunktes des Betrages der Korrelationskurve erhalten, die Wahl dieses Punktes verbessert die Genauigkeit, da der Wendepunkt auf der LOS-Kurve liegt, die die zu messende Distanz darstellt und ist daher zur Festlegung des TOA-Wertes besser als das Maximum geeignet .
Besonders vorteilhaft ist, dass ein Empfänger als Referenzempfänger dient und Phasendifferenzwerte in Be- zug auf den Referenzempfänger berechnet werden.
Vorteilhaft ist, dass die Sendesignale auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert sind, wobei das erfindungsgemäße System nicht auf die im Ausführungsbeispiel angegebenen Frequenzen, Bandbreiten und Modulations- arten beschränkt ist . Beispielsweise kann das System neben dem 2,245 GHz-Band ebenso für das 5 GHz ISM Band und andere Frequenzbänder ausgelegt werden. Als Modulationsarten zur Erzeugung von Codesequenzen kön- nen unter anderen QPSK, BPSK, 8PSK, BOC (Binary Offset Carrier) oder dgl. verwendet werden.
Die Auswerteeinrichtung umfasst vorzugsweise ein Kaiman-Filter, das die dreidimensionale Position und die dreidimensionale Geschwindigkeit des jeweiligen beweglichen Senders liefert. Falls gewünscht wird auch die dreidimensionale Beschleunigung bestimmt.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die Auswerteeinrichtung in jedem Empfänger eine Auswerteeinheit und einen oder mehrere zentrale Rechner, es kann jedoch die Auswertung auch in einer anderen Aufteilung, z.B. nur in den Empfängern oder nur in zentralen Einheiten durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt eine Mög- lichkeit, eine Phasenmessung, genauer eine Trägerphasenmessung, aus der komplexen Korrelation heraus zu bestimmen und mit dieser Zusatzinformation gemeinsam mit den an sich bekannten TOA-Werten eine deutlich genauere Positionsbestimmung vorzunehmen. Mit Hilfe der Phasenmessung kann eine sehr genaue Trajektorie des zu ortenden Objektes gefunden werden, die aber in ihrer Absolutposition unbestimmt ist, während aus der TOA-Messung eine relativ verrauschte, aber in ihrem Absolutwert eindeutige Position bestimmt wird. Werden beide Messgrößen z.B. in einem Kaiman Filter miteinender kombiniert, wobei die TOA-Werte mit größerer Rauschunsicherheit für eine Langzeitmittelung und die Phasenmesswerte mit einer kleineren Rauschunsicher- heit eingegeben werden, so wir ein Positionsergebnis erhalten, das die Vorteile der beiden Messgrößen beinhaltet, d.h. es werden genaue Positionsverläufe mit der richtigen Absolutposition erhalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausfüh- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Darstellung von Korrelationskurven als Betrag über der Zeit,
Fig. 3 eine idealen Korrelationskurve in der komplexen Ebene,
Fig. 4 eine 3D-Darstellung einer idealen komple- xen Korrelation, Fig. 5 eine Darstellung des Verlaufs einer durch Mehrwegeausbreitung verformten Korrelation in der komplexen Ebene,
Fig. 6 eine Darstellung des Betragverlaufs der
Korrelation über der Zeit entsprechend Fig . 5 , und
Fig. 7 eine Darstellung von Phasendifferenzmess- werten eines still stehenden Senders von mehreren Empfängern .
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die dazu dient, einen beweglichen Gegens- tand kontinuierlich zu verfolgen. Das bewegliche Objekt kann ein oder mehrere Bälle und/oder ein oder mehrere Sender an Spielern sein, die sich auf einem Spielfeld 1 bewegen. Dabei ist an jedem Gegenstand ein Sender 2 angebracht, der sich mit dem Ball oder Spieler bewegt. Um das Spielfeld herum sind im Ausführungsbeispiel vier Empfänger 3 feststehend angebracht, die zeitlich untereinander synchronisiert sind, im Ausführungsbeispiel mit einer gemeinsamen Taktquelle verbunden sind, und die mit einem oder mehreren zentralen Rechnern 4 über feste Leitungen,
Funk oder sonstige Übertragungsmittel verbunden sind. Selbstverständlich können mehr Empfänger vorgesehen werden, um eine besonders genaue Verfolgung der Position eines Objekts zu erzielen.
Der Sender 2 bzw. die Sender 2 - es wird jedoch in der folgenden Beschreibung immer nur von einem Sender geredet - sendet im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein auf einer gewählten Trägerfrequenz von 2445 MHz mit einer Modulationsbandbreite von etwa 77 MHz moduliertes Signal, das beispielsweise entsprechend der QPSK-Methode (quadrature phase shift keying) moduliert ist und als eine Folge von Signalbursts von dem Sender 2 abgestrahlt wird. Die Empfänger 3 empfangen die ausgesandten Signalbursts, verarbeiten die Emp- fangssignale durch "Heruntermischen" von 2445 MHz ins Basisband und kontinuierliches Abtasten. Dabei wird die Trägerfrequenz entfernt, die Phaseninformation bleibt erhalten. Die digitalisierten Werte werden zur weiteren Verarbeitung an den Rechner 4 gesendet. Der Rechner 4 bildet gegebenenfalls mit einem Teil der Empfänger 3 eine Auswerteeinrichtung.
In den Empfängern 3 bzw. dem Rechner 4 werden Korrelationskurven erstellt, wie sie in den Fign. 2 bis 4 für einen idealen Zustand und in den Fign. 2, 5 und 6 für einen realen Zustand mit Mehrwegausbreitung dargestellt sind.
Aus der Fig. 2, die den Betragsverlauf einer idealen Korrelation 5 und einer durch Mehrwegausbreitung verformten Korrelation 6 über der Zeit zeigt, wird ein TOA-Wert bestimmt, der jeweils von einem Empfänger 3 generiert wird. Der TOA-Wert kann unter Verwendung der maximalen Amplitude 7 oder des Wendepunkts 8 be- stimmt werden. Wie jedoch anhand von Fig. 2, Kurve 6 zu erkennen ist, wird der ideale Korrelationsverlauf 5 zum Teil deutlich durch Mehrwegeausbreitung verformt, wodurch eine präzise Zuordnung eines "richtigen Maximums" nur schlecht möglich ist.
Zur idealen TOA-Wert-Gewinnung aus seiner Korrelationskurve wäre es im Prinzip wünschenswert, wenn der "Korrelationspeak" eine infinitesimal kleine zeitliche Ausdehnung hätte. Dies ist aber bei der Realisie- rung nicht der Fall, sondern die zeitliche Ausdehnung hängt von der genutzten Modulationsbandbreite ab, und zwar umgekehrt proportional zur Symbolrate. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel führt die Bandbreite von 77 MHz bei einer idealen Korrelation zu einer zeitlichen Aufweitung von ca. 50 ns bei 30% der Amp- litude des Korrelationspeaks . Bildlich ausgedrückt ist dadurch die Kurve weniger scharf und der TOA-Wert kann weniger eindeutig abgelesen werden. Lange Reflexionsumwege führen zu mehreren zeitlich klar trennbaren Korrelationspeaks und können klar unterschieden werden. Jedoch führen kurze Reflexionsumwege zu mehreren Korrelationspeaks bzw. -maxima, die allerdings in der Gesamtkurvenform miteinander verschmelzen (siehe Fig. 2) . Dadurch wird das Ablesen des TOA- Werts schwieriger und fehlerbehafteter.
Wie schon in Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben wurde, wurden für die Bestimmung der Be- wegungstrajektorien Laufzeitdifferenzen bzw. TDOA- Werte aus den TOA-Werten gebildet, was aber zu ef- fektbehafteten Ergebnissen aufgrund der Mehrwegeausbreitung führen kann.
Daher wird erfindungsgemäß aus den komplex modulierten Signalbursts eine komplexe Korrelationskurve be- stimmt, die in Fig. 3 und Fig. 4 für die ideale Korrelation dargestellt ist. Wie in diesen Figuren zu erkennen ist, gibt es auch hier einen Korrelati- onspeak und es wird deutlich, dass dieser Korrelati- onspeak eine Winkelausrichtung in der komplexen Ebene aufweist. Genau dieser Winkel ergibt eine zusätzliche Information, die gemäß der Erfindung zusätzlich als Messwert verarbeitet wird. Die positive Eigenschaft, die genutzt wird, ist die Tatsache, dass das Resultat für den Winkel weit weniger durch Mehrwegeausbreitung beeinflusst wird. Letztendlich entspricht der Signalbandbreite, die das Winkelergebnis in seiner Präzisi- on bestimmt, die gewählte Trägerfrequenz und nicht, wie oben zum TOA-Wert erläutert, die Modulationsbandbreite. Die Beeinflussbarkeit des Phasenwertes durch Mehrwegeausbreitung ist somit in der Abschätzung beim aktuellen Ausführungsbeispiel ca. um den Faktor 32 geringer, nämlich 2445 MHz/77 MHz = 31,75. Der räumliche Eindeutigkeitsbereich eines Phasenergebnisses entspricht einer Wellenlänge, d.h. im vorliegenden 12,3 cm entsprechend der Mittenfrequenz von 2445 MHz.
In den Fign. 5 und 6 sind die Verläufe in der komplexen Ebene (Fig. 5) und des Betrages in Abhängigkeit von der Zeit (Fig. 6) einer real gemessenen Korrelationskurve dargestellt. In Fig. 6 ist zu sehen, dass das Maximum 9 der Korrelationskurve aus zwei überlappenden, idealen Korrelationen aufgebaut ist, wobei dies auf ein Ausbreitungsverhalten mit zwei Pfaden hinweist, beispielsweise Ausbreitung entsprechend der Sichtlinie (LOS) und mit Bodenreflexion.
In Fig. 6 ist neben dem Maximum 9 der Wendepunkt 10 markiert. Das Maximum 9 würde ein falsches TOA- und damit Distanzmessergebnis liefern, da es durch den Einfluss des Reflexionspfads deutlich in der Zeit verschoben wurde. Der Wendepunkt ist zur Festlegung des TOA-Wertes besser geeignet, da er auf der Sicht - kurve (LOS-Kurve) liegt, die die zu messende Distanz darstellt.
In Fig. 5 ist nun der Verlauf der durch Mehrwegausbreitung verformten Korrelation in der komplexen Ebene dargestellt, wobei der Phasenwinkel 11 aus dem Maximum und der Phasenwinkel 12 aus dem Wendepunkt des Betragsverlaufs nach Fig. 6 dargestellt ist. Diese Werte werden dadurch erhalten, dass die zeitliche Information aus dem Betragsverlauf auf den Verlauf der verformten Korrelation in Fig. 5 durch "Entlangfahren" auf der Kurve übertragen wird. Der Phasenwinkel ist jeweils zwischen den Linien 11, 12 und der Abszisse definiert. Die Betragskurve über der Zeit und die komplexe Korrelation sind grundsätzlich äquivalente Darstellungen, die ausgehend von den genau gleichen Abtast- bzw. erhaltenen Ergebniswerten der Korrelation gezeichnet werden können. Somit ist auch der Zeitbezug zwischen Betragsdarstellung und komple- xer Darstellung eindeutig und übertragbar.
In Fig. 5 wurden als charakteristische Punkte auf der Korrelationsbetragskurve das Maximum und der Wendepunkt gewählt. Es ist im konkreten Ausführungsbei- spiel bei der Bestimmung der Phase im Prinzip jeder beliebige charakteristische Punkt wählbar, da Messwertdifferenzen gebildet werden. Bedingung ist nur, dass die beiden Phasenmesswerte, aus denen eine Differenz gebildet wird, einem gleich definierten Krite- rium entsprechen.
Die so aus den Kurven nach Fig. 5 für jeden Empfänger gefundenen Phasenwerte werden in dem Rechner 4 weiter verarbeitet, indem jeweils Phasendifferenzen zwischen zwei Empfängerstandorten gebildet werden. Die Empfänger 3 sind, wie ausgeführt, dank Vernetzung zu einer gemeinsamen Taktquelle, beispielsweise einem Takt- und Triggergenerator phasenstarr miteinander verbunden. Der absolute Phasenwert an einem Empfänger 3 ist ohne Aussagekraft, da der Sender 2 nicht zu dem Empfängernetzwerk synchronisiert ist. Die Phasendifferenzen besitzen jedoch die gewünschte Aussagekraft. Bewegt sich z.B. ein Sender 2 zwischen den Sende- bursts nicht, ist die erhaltene Phasendifferenz zwi- sehen zwei Empfängern 3 beim ersten Burst die gleiche wie beim zweiten Burst. Beim Positionsergebnis kann dann die Information z.B. so benutzt werden, dass die Position sich nicht verändert haben kann.
Liegt allerdings eine Bewegung des Senders 2 vor, verändern sich die Phasendifferenzen entsprechend der Bewegungsrichtung des Senders 2 und entsprechend der geometrischen Anordnung der Empfängerantennen. Werden Phasen oder Phasendifferenzwerte verarbeitet, so kann die Relativbewegung zwischen zwei Bursts mit im Aus- führungsbeispiel um bis zu Faktor 32 vermindertem
Einfluss durch Mehrwegeausbreitung im Vergleich zur reinen TOA-Wert-Verarbeitung dargestellt werden. Für die dreidimensionale Abbildung im Raum ist es vorteilhaft, wenn, wie im gerade beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiel, eine Mehrzahl von Empfängern vorgesehen, wobei ihre Verteilung im Raum, aber auch die Anbringung der Sender am beweglichen Objekt die dreidimensionale Genauigkeit beeinflusst.
In Fig. 7 sind beispielhaft Phasendifferenzmesswerte eines still stehenden Senders 2 von mehreren Empfängern, bei der Fig. 7 von zwölf Empfängern 3 dargestellt. Die einzelnen Kurven zeigen die gemessenen Phasendifferenzen zwischen jeweils zwei Empfängern. Dazu wurden die Differenzen immer zum Empfänger mit der Nr. 5 (RxO5) gebildet, der absolut starr und feststehend montiert ist. Zu erkennen sind in der Fig. 7 vier Kurven 13, 14, 15, 16, die Schwingungen aufweisen. Diese gehören zu den Empfängern RxOl bis Rx04, bei denen es sich um Empfänger handelt, die so befestigt sind, dass sie sich noch leicht bewegen können. Weiterhin sind sieben Kurven 17 bis 23 ohne Schwankungen zu erkennen, die dazu gehörigen Empfänger sind ebenfalls absolut starr angebracht. Die Pha- senmesswerte wurden nicht in Grad oder Radiant, sondern in Pikosekunden gezeichnet, da eine solche Um- rechnung eine Verbesserung des Vergleichs mit TOA- Werten gestattet. Dies kann über eine einfache Umre- chung mit Hilfe der Trägerfrequenz und der Lichtgeschwindigkeit geschehen. Hierbei entsprechen 409 psec einer Wellenlänge von 12,3 cm oder 360° in der Phase. Durch das geringe Rauschen auf den Phasendifferenz- kurven ergibt sich eine Positionsauflösungsfähigkeit des Systems für Relativbewegungen im Bereich weniger Millimeter.
Bei der Bewegung des Senders 2, im Ausführungsbeispiel auf dem Spielfeld 1 darf sich dieser zwischen zwei Bursts im Prinzip nicht weiter als ± eine halbe Wellenlänge bewegen, um die Eindeutigkeit der Phasen- messung nicht zu verletzen. Dies ist z.B. bei einem Sender 2, der in einem Fussball befestigt ist, bei den bekannten auftretenden Geschwindigkeiten von bis zu 150 km/h und einer Burstrate von 2000 pro Sekunde gegeben, d.h. bei 150 km/h und 2000 Bursts bewegt sich der Ball zwischen 2 Bursts sogar nur um etwa 2 cm. Im Ausführungsbeispiel ist die Burstrate bei einem Sender 2, der an einem Spieler befestigt ist, typischerweise 200 pro Sekunde. Hier kann der Eindeutigkeitsbereich verletzt werden, falls der Sender 2 am Ende von Extremitäten befestigt ist, die sehr schnell pendeln können. Allerdings ist es möglich, Prädikationsverfahren für die Bewegungsgeschwindigkeit anzuwenden, wobei das Eindeutigkeitsfenster der Phasenmessung entsprechend der gerade anliegenden Be- wegungsgeschwindigkeit entsprechend verschoben wird.
In dem Rechner werden alle TOA- bzw. TDOA- und Phasen- oder Phasendifferenzwerte verwendet, um die Positionen zu bestimmen. Üblicherweise wird zur Auswer- tung ein Kaiman-Filter verwendet, wobei jedoch auch andere Verfahren und Verarbeitungseinrichtungen ver- wendet werden können, wie algebraische Algorithmen, z.B. der Bancroft-Algorithmus oder wie neuronale Netze oder Partikelfilter. Aus dem Ergebnis des Kaiman- Filters werden drei Koordinaten für die Position (X, Y, Z) , drei Vektorkomponenten der Geschwindigkeit Vx, Vγ, VZ und drei Vektorkomponenten für die Beschleunigung Ax, Aγ, Az geliefert. Dabei werden TOA-Werte mit ihrem absoluten und eindeutigen Charakter mit der Position in Verbindung gebracht, während die Fortent- wicklung der Phasen mit der Geschwindigkeit in Beziehung gesetzt wird. Gleichzeitig wirken Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen über die Ableitungsbeziehungen und statistischen Mechanismen des Kaimanfilters aufeinander zurück.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen der sich ändernden Position eines mobilen Senders in einem dreidimensi- onalen Raum mit folgenden Schritten:
Senden von Sendesignalen mit einer vorgegebenen Frequenz vom mobilen Sender,
Empfangen der Sendesignale von mehreren Empfängern, und Auswerten der Empfangssignale zur Erstellung von
Kurven der Korrelation zwischen Sende- und Emp- fangssignalen, die Betragsverläufe über der Zeit umfassen, Bestimmen von TOA-Werten aus den Betragsverläu- fen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schritt des Auswertens das Erstellen von Korrelationskurven als Verläufe in der komplexen Ebene umfasst und weiterhin folgende Schritte vorgesehen sind:
Bestimmen von Phasen-Werten aus den Verläufen in der komplexen Ebene unter Verwendung der Zeitinformation der TOA-Werte und
Berechnen der Position des mobilen Senders unter Berücksichtigung der TOA-Werte und der Phasen-
Werte .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal auf eine Trägerfrequenz moduliert ist und als Folge von Sende- bursts abgestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige TOA- Wert aus dem Korrelationsmaximum oder vorzugsweise dem Wendepunkt der jeweiligen Korrelati- onskurve des Betrages über der Zeit gewonnen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmen des Phasenwertes ein charakteristischer Punkt, vorzugsweise der Wendepunkt auf der Korrelationsbetragskurve gewählt wird, wobei dieser Punkt für alle Empfänger gleich gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, dass die Phasendifferenz- werte zwischen jeweils zwei Empfängern berechnet werden und zur Bestimmung der Position herangezogen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass die Empfänger zeitlich synchronisiert, vorzugsweise phasenstarr verbunden werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der oder die Sender zum Empfängernetzwerk zeitlich synchronisiert, vorzugsweise phasenstarr verbunden werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Kalman- Filter und/oder einer Berechnungsweise nach
Bancroft oder einem neuronalen Netz oder Prati- kelfilter die dreidimensionale Position, die dreidimensionale Geschwindigkeit und/oder die dreidimensionale Beschleunigung bestimmt werden.
9. Vorrichtung zum Bestimmen der sich ändernden Position eines mobilen Senders in einem dreidimensionalen Raum mit mehreren Empfängern zum Emp- fangen der von dem mobilen Sender abgegebenen Sendesignale, die eine vorgegebene Frequenz aufweisen, einer Auswerteeinrichtung zur Erstellung von Kurven der Korrelation zwischen Sende- und Empfangssignalen, die Betragsverläufe über der
Zeit umfassen, und zum Bestimmen von TOA-Werten aus den Betragsverläufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (4) ausgebildet ist, Korrelationskurven als Verläufe in der komplexen Ebene zu erstellen, Phasenwerte aus den Verläufen in der komplexen Ebene unter Verwendung der Zeitinformation der TOA-Werte für jeden Empfänger (3) zu bestimmen und die Position des mobilen Senders (2) unter Berücksichti- gung der TOA-Werte und der Phasen-Werte zu berechnen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal eine auf eine Trägerfrequenz aufmodulierte Codesequenz ist, die der mobile Sender (2) als Folge von Sende- bursts sendet .
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger untereinander zeitlich synchronisiert sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (3) über eine gemeinsame Taktquelle phasenstarr verbunden sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der oder die Sender zum Empfängernetzwerk zeitlich synchronisiert, vorzugsweise phasenstarr verbunden sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfänger (3) aus den mehreren Empfängern (3) ein Referenzempfänger ist, mit dem jeweils die Phasendifferenz- werte bestimmbar sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung jeweils in jedem Empfänger vorgesehene Auswerteeinheiten und mindestens einen von allen Auswerteeinheiten Informationen empfangenden
Rechner (4) umfasst.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zum Berechnen der dreidimensionalen absoluten Position und der dreidimensionalen Geschwindigkeit und/oder der dreidimensionalen Beschleunigung aus den TOA- Werten und den Phasen-Werten oder den Phasendif - ferenzwerten umfasst.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ein Kaiman-Filter und/oder eine Berechnungsweise Nach Bancroft oder ein neuronales Netz oder Partikel - filter aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal eine Trägerfrequenz von 2445 MHz und eine Modulationsbandbreite von etwa 77 MHz oder eine Trägerfrequenz von 5,8 GHz und eine Modulations- bandbreite von etwa 150 MHz aufweist.
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