Verfahren zur Bestimmung von Entfernungen zwischen mehreren Objekten Method for determining distances between several objects
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Entfernung zwischen zwei Objekten unter Mitwirkung eines dritten Objekts. The invention relates to a method for determining a distance between two objects using a third object.
Aus der EP 2710398 B1 ist es bekannt, passiv den Standort in einem Ankernetz durch Mithören der Kommunikation der Anker zu bestimmen, indem mehrere Entfernungen bestimmt und daraus der Standort bzw. der Abstand zu einem oder mehreren Ankern bestimmt wird. It is known from EP 2710398 B1 to passively determine the location in an anchor network by listening in on the communication of the anchors, in that several distances are determined and the location or the distance to one or more anchors is determined therefrom.
Aus der US 2020/1 18372 A1 ist es bekannt unter Einsatz eines passiven Sniffers in einem Kfz die Entfernung zu einem Schlüssel zu bestimmen, nachdem die Kommunikation durch einen aktiven Knoten des Kfz begonnen wurde. Dabei werden aus einer Vielzahl vorhandener Antennen die am besten geeignetsten auf Basis von RSSI Werten bestimmt. Dabei werden unterschiedlich polarisierte Antennen verwendet und Rundlaufzeiten oder Phasenverschiebungen pro Frequenz, bei der ein Roundtrip vorgenommen wird, gemessen oder Differenzen dazwischen bestimmt. Dazu wird die Veränderung der Phase über einen Rundlauf bei einer ersten Frequenz mit der Veränderung der Phase bei einem zweiten Rundlauf mit einer zweiten Frequenz verglichen und dabei die Änderung von der ersten Frequenz zur zweiten Frequenz berücksichtigt. Eine phasenkohärente Umschaltung zwischen den Frequenzen wird nicht durchgeführt. Auch ist der Phasenunterschied bei der Umschaltung nicht bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Abstandbestimmung zwischen zwei oder mehr, insbesondere mindestens drei, Objekten, wobei ein erstes der Objekte mehrere Signale mit unterschiedlichen Frequenzen, insbesondere nacheinander, insbesondere eine Frequenzhopping, aussendet, wobei auch mindestens ein drittes Objekt Signale versendet und das erste und/oder das zweite der Objekte die Signale des ersten und des mindestens einen dritten Objekt empfängt und das zweite Objekt Signale, insbesondere eine Frequenzhopping, versendet und das dritte und/oder erste der Objekte die Signale des zweiten Objekt empfängt und daraus die Entfernung zwischen dem ersten und dem zweiten Objekten bestimmt wird, insbesondere ohne eine indirekte Bestimmung zu erfordern, wobei insbesondere erstes, zweites und/oder drittes Objekt zeitsynchronisiert sind oder werden und zweites und drittes Objekt insbesondere in fester relativer räumlicher Orientierung angeordnet sind. It is known from US 2020/1 18372 A1 to use a passive sniffer in a motor vehicle to determine the distance to a key after the communication has been started by an active node in the motor vehicle. From a large number of existing antennas, the most suitable ones are determined on the basis of RSSI values. Differently polarized antennas are used and round trip times or phase shifts per frequency at which a round trip is made are measured or differences between them are determined. To do this, the change in phase over one round at a first frequency is compared with the change in phase over a second round at a second frequency, taking into account the change from the first frequency to the second frequency. A phase-coherent switching between the frequencies is not performed. Also, the phase difference when switching is not known. The object of the present invention is to determine the distance between two or more, in particular at least three, objects, with a first of the objects emitting a plurality of signals with different frequencies, in particular one after the other, in particular frequency hopping, with at least a third object also sending signals and the first and /or the second of the objects receives the signals of the first and the at least one third object and the second object sends signals, in particular frequency hopping, and the third and/or first of the objects receives the signals of the second object and from this the distance between the first and the second object is determined, in particular without requiring an indirect determination, in particular the first, second and/or third object being or being time-synchronized and the second and third objects being arranged in particular in a fixed relative spatial orientation.
Insbesondere sind erstes, zweites und/oder das mindestens eine dritte Objekt vor der Durchführung des Verfahrens nicht oder schlechter als nach der Durchführung zeitsynchronisiert. In particular, the first, second and/or the at least one third object are not time-synchronized before the method is carried out, or are time-synchronized to a lesser extent than after it has been carried out.
Das erste Objekt kann insbesondere ein Autorisierungsmittel, wie Keyfob oder Handy darstellen. Das zweite und dritte Objekt sind insbesondere Teil einer Anordnung, zu der mittels des Autorisierungsmittels Zugang angestrebt und/oder gewährt wird. Diese Anordnung kann beispielsweis ein Gebäude, ein Kraftfahrzeug oder eine Barriere, ein Automat oder Computer sein. The first object can in particular represent an authorization means such as a key fob or cell phone. The second and third objects are in particular part of an arrangement to which access is sought and/or granted using the authorization means. This arrangement can be, for example, a building, a motor vehicle or a barrier, a machine or a computer.
Dies wird unter anderem gelöst durch ein Verfahren zur, insbesondere direkten, Abstandbestimmung zwischen zwei Objekten, wobei ein erstes der Objekte mindestens ein Erstobjekt-Signal, insbesondere mehrere Erstobjekt-Signale, mit unterschiedlichen Erstobjekt-Frequenzen sendet, und wobei das zweite Objekt das mindestens eine Erstobjektsignal des ersten Objekts empfängt, wobei das zweite der Objekte mindestens ein Zweitobjekt-Signal, insbesondere mehrere Zweitobjekt-Signale, mit unterschiedlichen Zweitobjekt-Frequenzen sendet, wobei mindestens eine drittes Objekt das mindestens eine Erstobjektsignal
und/oder Zweitobjektsignal empfängt und wobei das mindestens eine dritte Objekt mindestens ein Drittobjekt-Signal, insbesondere mehrere Drittobjekt-Signale, mit unterschiedlichen Drittobjekt-Frequenzen sendet, und wobei das erste und/oder zweite Objekt das mindestens eine Drittobjektsignale des dritten Objekts empfängt, und wobei das erste und/oder das mindestens eine dritte Objekt das mindestens eine Zweitobjektsignal des zweiten Objekts empfängt, und basierend auf dem je mindestens einen Erst-, Zweit, und Drittobjekt-Signal die Entfernung zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten und/oder zwischen dem ersten und dritten Objekt bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Objekt zwischen mindestens zwei Zweitobjekt-Frequenzen phasenkohärent wechselt und/oder so wechselt, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird und dass das mindestens eine dritte Objekt zwischen mindestens zwei Drittobjekt- Frequenzen phasenkohärent wechselt und/oder so wechselt, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird . This is achieved, among other things, by a method for, in particular direct, distance determination between two objects, with a first of the objects sending at least one first-object signal, in particular several first-object signals, with different first-object frequencies, and with the second object sending the at least one Receives the first object signal of the first object, the second of the objects sending at least one second object signal, in particular a plurality of second object signals, with different second object frequencies, with at least a third object transmitting the at least one first object signal and/or receives a second-object signal and wherein the at least one third object transmits at least one third-object signal, in particular several third-object signals, with different third-object frequencies, and wherein the first and/or second object receives the at least one third-object signal of the third object, and wherein the first and/or the at least one third object receives the at least one second object signal of the second object, and based on the respective at least one first, second, and third object signal the distance between the first and the at least one second and/or between is determined between the first and third object, characterized in that the second object changes phase-coherently between at least two second-object frequencies and/or changes in such a way that the phase difference during the frequency change, in particular at the first, second and/or third object, is known and/ or the phase difference when changing frequency, especially the first, second and/or third object, and that the at least one third object changes phase-coherently between at least two third-object frequencies and/or changes in such a way that the phase difference when the frequency changes, in particular at the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference during the frequency change, in particular to the first, second and/or third object, is made known.
Der Phasenunterschied entsteht beim Umschalten zwischen zwei Frequenzen in der Regel, aus technischen Gründen, kann aber auch vermieden werden. Dabei kann das Umschalten zwischen zwei Frequenzen mit kurzer Unterbrechung oder unterbrechungsfrei durchgeführt werden. Zum Zeitpunkt des unterbrechungsfreien Wechsels springt die Phase bzw. während des Wechselns mit Unterbrechung springt die Phase der gedacht in die Unterbrechung fortgedachten Signale vor und nach dem Umschalten. Zu dem Wechselzeitpunkt ohne Unterbrechung oder zu einem gedachten Wechselzeitpunkt in der Unterbrechung, insbesondere in der Mitte der Unterbrechung und/oder am Ende des Signals vor der
Unterbrechung oder am Beginn des Signals nach der Unterbrechung, liegt ein definierter Phasensprung vor. Dieser ist der Phasenunterschied. The phase difference usually occurs when switching between two frequencies, for technical reasons, but it can also be avoided. The switching between two frequencies can be carried out with a short interruption or without interruption. At the time of the uninterrupted change, the phase jumps, or during the change with an interruption, the phase of the signals thought to continue into the interruption before and after the changeover jumps. At the time of change without interruption or at an imaginary time of change in the interruption, in particular in the middle of the interruption and/or at the end of the signal before the interruption or at the beginning of the signal after the interruption, there is a defined phase shift. This is the phase difference.
Durch Signalaustausch zwischen erstem und zweitem Objekt mit Erst- und Zweitobjektsignalen, jeweils insbesondere ein Frequenzhopping aufweisend, können Zeitsynchronisation und/oder Abstand zwischen erstem und zweitem Objekt bestimmt werden und durch Signalaustausch zwischen erstem und drittem Objekt mit Erst- und Drittobjektsignalen, jeweils insbesondere ein Frequenzhopping aufweisend, können Zeitsynchronisation und/oder Abstand zwischen erstem und drittem Objekt bestimmt werden. Dies kann auch in anderen Kombinationen von Objekten durchgeführt werden. Time synchronization and/or distance between the first and second object can be determined by signal exchange between the first and second object with first and second object signals, each having in particular frequency hopping, and by signal exchange between the first and third object with first and third object signals, in particular frequency hopping in each case having, time synchronization and/or distance between the first and third object can be determined. This can also be done in other combinations of objects.
Während des Signalaustauschs zwischen erstem und zweitem Objekt hört das dritte Objekt insbesondere mit. Insbesondere hört mindestens ein oder hören alle gerade passive(s) Objekt(e) den Signalaustauch eines anderen Paares mit. Dadurch kann es, wenn es Zeitpunkt und Phasensprung (der auch null sein kann) des Frequenzwechsels am Sender kennt, auch seine Entfernung und Zeitsynchronisation zum Sender bestimmen und/oder verbessern. Aber auch Ohne Kenntnis des Wechselzeitpunkts kann es bereits allein auf Grund der Information über die Größe des Phasensprungs beim Umschalten (die auch null sein kann) die Entfernung auf Basis der Phasenverschiebung, korrigiert um den Phasensprung beim Umschalten, und die Frequenzänderung bestimmen, beispielsweise mittels During the signal exchange between the first and second object, the third object listens in particular. In particular, at least one or all of the currently passive object(s) hear the signal exchange of another pair. As a result, if it knows the time and phase jump (which can also be zero) of the frequency change at the transmitter, it can also determine and/or improve its distance and time synchronization with the transmitter. But even without knowing the time of the changeover, it can already determine the distance based on the phase shift, corrected for the phase jump when switching over, and the frequency change based solely on the information about the size of the phase jump when switching over (which can also be zero), for example using
Entfernung = dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) / 2Pi / dFrequenz(f 1 ,f2) * c mit c gleich der Lichtgeschwindigkeit dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) gleich der gemessenen Änderung der Phasenverschiebung am Empfänger durch die Frequenzänderung von f1 nach f2, korrigiert um den Phasensprung am Sender beim Umschalten von f1 nach f2 und dFrequenz(f1 ,f2) gleich der Differenz zwischen den Frequenzen f1 und f2 Distance = dphase shift(f 1 ,f2) / 2Pi / dfrequency(f 1 ,f2) * c where c equals the speed of light dphase shift(f 1 ,f2) equals the measured change in phase shift at the receiver due to the frequency change from f1 to f2, corrected about the phase jump at the transmitter when switching from f1 to f2 and dFrequenz(f1 ,f2) equal to the difference between the frequencies f1 and f2
Dabei ist die Änderung der Phasenverschiebung insbesondere bedingt durch die Änderung der Frequenz, bei näherungsweise gleichem Abstand. Die
Phasenverschiebung ist dabei durch die Entfernung bedingt. Die durch die Frequenzänderung bedingte Änderung der Phasenverschiebung oder ist dadurch bedingt, dass bei, insbesondere näherungsweise gleicher Entfernung bei beiden Messungen, unterschiedlich viele Wellenzüge auf die Entfernung passen und dadurch die Phasenverschiebung, die durch die Entfernung bedingt ist, zwischen den Frequenzen unterschiedlich ausfällt. Diese Änderung der Phasenverschiebung auf Grund der Frequenz ist der durch die Frequenzänderung bedingte Phasenwechsel. Beim Messen ergeben sich dabei Probleme, denn die Phasenmessung ist jeweils abhängig von einer Referenz und kann auch beim Umschalten zum Senden der unterschiedlichen Frequenzen ein, häufig Undefinierter, Phasensprung entstehen. Somit wird zum Senden, und insbesondere auch zum Empfangen, bevorzugt phasenkohärent, also mit einem Phasensprung von null, umgeschaltet. Es reicht aber auch aus, den Phasensprung zu ermitteln oder zu kennen. Dann kann man die durch die Frequenzänderung Phasenänderung bestimmen durch die gemessene Phasenänderung korrigiert um den Phasensprung bei der Umschaltung des Senders und den Phasensprung beim Umschalten am Empfänger zur Messung der gemessenen Phasenänderung. In this case, the change in the phase shift is caused in particular by the change in frequency, with approximately the same distance. the The phase shift is caused by the distance. The change in phase shift caused by the frequency change or is caused by the fact that, in particular when the distance is approximately the same for both measurements, a different number of wave trains fit the distance and the phase shift, which is caused by the distance, is different between the frequencies. This change in phase shift due to frequency is the change in phase caused by the change in frequency. Problems arise when measuring, because the phase measurement is always dependent on a reference and a frequently undefined phase jump can also occur when switching over to transmit the different frequencies. Thus, for sending, and in particular also for receiving, switching is preferably phase-coherent, that is to say with a phase jump of zero. However, it is also sufficient to determine or to know the phase shift. Then you can determine the phase change due to the frequency change by correcting the measured phase change by the phase jump when switching the transmitter and the phase jump when switching on the receiver to measure the measured phase change.
Die Informationen über Umschaltzeitpunkt und/oder Phasensprung werden insbesondere bereitgestellt, beispielsweise durch Vorbestimmung oder Übertragung. Grundsätzlich ist es unerheblich, wo die Berechnungen durchgeführt werden, ob beispielsweise in den Objekten, einem Objekt oder einer zentralen Recheneinheit. Die Messungen und Informationen, die für die jeweilig durchzuführenden Berechnungen erforderlich sind, sind dahin bereit zu stellen. The information about the switching time and/or phase jump is provided in particular, for example by predetermination or transmission. In principle, it is irrelevant where the calculations are carried out, whether for example in the objects, in an object or in a central processing unit. The measurements and information required for the calculations to be carried out must be made available there.
Mit besonderem Vorteil wird also die Kenntnis über den Phasensprung beim Wechsel der Frequenz genutzt, um eine einfache Messung bzw. Berechnung zu ermöglichen, beispielswiese zur Korrektur der Messung der Änderung der Phasenverschiebung. Bei einem Phasensprung von null, wird auch diese Kenntnis insbesondere genutzt, indem die Messung der Änderung der Phasenverschiebung direkt verwendet wird, um eine Entfernung zu berechnen, sie wird sozusagen nur um null korrigiert.
Durch diese Verfahren kann in einem einfachen und schnellen Signalaustausch eine hohe Genauigkeit der Zeitsynchronisation und/oder Entfernungsmessung erreicht werden. The knowledge of the phase jump when changing the frequency is used with particular advantage in order to enable a simple measurement or calculation, for example to correct the measurement of the change in the phase shift. In particular, at zero phase shift, this knowledge is also used in that the measurement of the change in phase shift is used directly to calculate a distance, it is just corrected for zero, so to speak. With this method, a high accuracy of the time synchronization and/or distance measurement can be achieved in a simple and fast signal exchange.
Mit Vorteil Verfahren sind oder werden das erste, zweite und/oder mindestens ein drittes Objekt takt- und/oder zeitsynchronisiert. Advantageously, the first, second and/or at least one third object is or will be clock-synchronized and/or time-synchronized.
Besonders bevorzugt wird auf Basis des je mindestens einen Erst-, Zweit- und/oder Drittsignal eine Zeitsynchronisation zwischen erstem und zweiten und/oder zwischen zweitem und mindestens einem Dritten und/oder erstem und mindestens einem dritten Objekt berechnet und/oder verbessert. Time synchronization between the first and second and/or between the second and at least one third and/or the first and at least one third object is particularly preferably calculated and/or improved on the basis of the at least one first, second and/or third signal.
Mit besonderem Vorteil empfängt das zweite Objekt das mindestens eine Drittobjektsignal des dritten Objekts und nutzt es insbesondere zur Zeitsynchronisation und/oder Entfernungsmessung zum dritten Objekt. Bevorzugt wird auf Basis der Erst-, Zweit- und/oder Drittobjektsignale eine Entfernung zwischen zweiten und mindestens einem Dritten Objekt berechnet. The second object particularly advantageously receives the at least one third-object signal from the third object and uses it in particular for time synchronization and/or distance measurement from the third object. A distance between the second and at least one third object is preferably calculated on the basis of the first, second and/or third object signals.
Mit Vorteil sind oder beinhalten Erst-, Zweit- und/oder Drittobjektsignale jeweils mindestens ein Frequenzhopping. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens. First, second and/or third object signals are or contain at least one frequency hopping. This increases the accuracy of the method.
Unter einem Frequenzhopping ist insbesondere das aufeinanderfolgende Senden auf unterschiedlichen Frequenzen zu verstehen. Beidseitig ist ein Frequenzhopping, wenn jeweils zwei Objekte, insbesondere nacheinander, ein Frequenzhopping durchführen. Frequency hopping is to be understood in particular as the successive transmission on different frequencies. There is frequency hopping on both sides if two objects in each case carry out frequency hopping, in particular one after the other.
Insbesondere liegen die Frequenzen, insbesondere des Frequenzhoppings, in einer Spanne von 25 bis 100 MHz, insbesondere Überspannen Sie eine solche Spanne vollständig. Insbesondere liegen die Frequenzen, insbesondere des Frequenzhoppings, im Bereich von 2 bis 6 GHz. Insbesondere liegt zwischen benachbarten aber nicht notwendig aufeinanderfolgenden Frequenzen, insbesondere des Frequenzhoppings, ein Abstand im Bereich von 0,1 bis 1 7 MHz, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 10 MHz.
Bevorzugt sendet das erste Objekt jeweils mindestens ein Erstobjektsignal vor cider nach dem mindestens einen Zweit- und vor oder nach dem mindestens einen Drittsignal, insbesondere jedes dritten Objekts, wobei insbesondere das erste Objekt mit dem zweiten Objekt und das erste Objekt mit dem mindestens einen dritten Objekt, insbesondere jedem dritten Objekt, einen Signalaustausch, insbesondere beidseitiges Frequenzhopping, durchführt, bei dem insbesondere jedes der am Signalaustausch jeweils beteiligten zwei Objekte in einer festgelegten und/oder vorbestimmten Abfolge eine jeweils mindestens ein Signal, jeweils aufweisen unterschiedliche Frequenzen sendet und wobei insbesondere das erste und das mindestens eine dritte Objekt zwischen den unterschiedlichen Frequenzen phasenkohärent wechseln und/oder so wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten Objekt, bekannt gemacht wird. In particular, the frequencies, especially frequency hopping, lie in a range of 25 to 100 MHz, in particular span such a range completely. In particular, the frequencies, especially frequency hopping, are in the range from 2 to 6 GHz. In particular, there is a distance in the range from 0.1 to 17 MHz, in particular in the range from 0.5 to 10 MHz, between adjacent but not necessarily consecutive frequencies, in particular of frequency hopping. The first object preferably sends at least one first object signal before or after the at least one second signal and before or after the at least one third signal, in particular every third object, in particular the first object with the second object and the first object with the at least one third object , in particular every third object, carries out a signal exchange, in particular bilateral frequency hopping, in which in particular each of the two objects involved in the signal exchange sends at least one signal each having different frequencies in a fixed and/or predetermined sequence and in particular the first and the at least one third object changes phase-coherently between the different frequencies and/or changes in such a way that the phase difference when the frequency changes, in particular at the first object, is known and/or the phase difference when the frequency changes, in particular at the first object, is made known.
Dadurch lässt sich die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Verfahrens weiter steigern. This further increases the accuracy and speed of the method.
Mit Vorteil wechselt das mindestens eine erste Objekt zwischen mindestens zwei Erstobjekt-Frequenzen phasenkohärent und/oder so, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem dritten und/oder zweiten Objekt, bekannt gemacht wird. Dadurch lässt sich die Genauigkeit steigern und die Geschwindigkeit des Verfahrens erhöhen. The at least one first object advantageously changes between at least two first-object frequencies in a phase-coherent manner and/or in such a way that the phase difference when the frequency changes, in particular at the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference when the frequency changes, in particular the third and/or second object, is made known. This allows the accuracy to be increased and the speed of the method to be increased.
Dabei wechselt das mindestens eine Drittobjekt zwischen den mindesten zwei Drittobjektfrequenzen insbesondere zum Empfang der Erstobjektsignale, wobei diese Drittobjektfrequenzen dann insbesondere identisch oder zumindest ähnlich sind zu den jeweiligen Erstobjektfrequenzen, und/oder zum Senden mindestens eines, insbesondere mehreren, eigenen Drittobjektsignals/en. The at least one third-object changes between the at least two third-object frequencies, in particular for receiving the first-object signals, in which case these third-object frequencies are then in particular identical or at least similar to the respective first-object frequencies, and/or for transmitting at least one, in particular several, own third-object signals.
Mit besonderem Vorteil empfängt das mindestens eine zweite Objekt die Erstund Drittobjektsignale des ersten und des mindestens einen dritten Objekts und
wird daraus oder darauf basierend die Entfernung zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Objekt bestimmt. The at least one second object particularly advantageously receives the first and third object signals of the first and of the at least one third object and the distance between the first and the at least one second object is determined therefrom or based thereon.
Bevorzugt wird mindestens je eine Entfernung zwischen dem ersten und jedem zweiten und/oder dritten Objekt bestimmt. At least one distance between the first and every second and/or third object is preferably determined.
Bekannt sein kann der Phasenunterschied oder -sprung beim Wechsel zwischen Frequenzen beispielsweise dadurch, dass er vorbestimmt ist oder aus anderen bekannten Größen, beispielsweise der Dauer einer, insbesondere unmittelbar, vorausgehenden Abstrahlung bei einer Frequenz, ableitbar ist. The phase difference or phase jump when changing between frequencies can be known, for example, because it is predetermined or can be derived from other known variables, for example the duration of an, in particular immediately preceding, emission at a frequency.
Mit Vorteil weist das mindestens eine Drittobjekt-Signal unterschiedliche Drittobjekt-Frequenzen auf und/oder wechselt zwischen diesen. The at least one third-object signal advantageously has different third-object frequencies and/or changes between them.
Die Signale, insbesondere Erst- und Drittobjektsignale, sind insbesondere Funksignale. The signals, in particular first and third object signals, are in particular radio signals.
Insbesondere wird die Entfernung basierend auf Frequenzen und Phasen, insbesondere auch Amplituden, der am mindestens einen zweiten Objekt empfangenen Erst- und Drittobjektsignale sowie den Zeitdifferenzen zwischen erstem und drittem und zwischen drittem und zweitem Objekt und insbesondere auch Informationen über die abgestrahlten Erst- und/oder Drittobjektsignale wie Zeitpunkte der Abstrahlung bestimmter Merkmale, beispielsweise Frequenzwechsel und/oder deren Zeitpunkte der Erst- und/oder Drittobjektsignale bestimmt. In particular, the distance is determined based on frequencies and phases, in particular also amplitudes, of the first and third object signals received at the at least one second object as well as the time differences between the first and third and between the third and second object and in particular also information about the radiated first and/or Third-object signals such as times of the emission of certain features, for example frequency changes and/or their times of the first and/or third-object signals are determined.
Optional können darüber hinaus vom mindestens einem dritten Objekt bereitgestellte Informationen, insbesondere Phasenkorrekturinformation, über das mindestens eine empfangene Erstobjekt-Signal und/oder vom ersten Objekt bereitgestellte Informationen, insbesondere Phasenkorrekturinformation, über das mindestens eine Drittobjekt-Signal verwendet werden. Optionally, information provided by at least one third object, in particular phase correction information, about the at least one received first-object signal and/or information provided by the first object, in particular phase correction information, about the at least one third-object signal can also be used.
Insbesondere weist das mindestens eine Erst- und/oder das mindestens eine Drittobjektsignal mindestens ein Merkmal pro Frequenz und/oder pro Signal auf. In particular, the at least one first and/or the at least one third object signal has at least one feature per frequency and/or per signal.
Unter Merkmalen des Signals sind insbesondere Änderungen des Signals zu verstehen, wie Änderung der Amplitude, der Polarisation, der abstrahlenden
Antenne (Wechsel zwischen Antennen), der Frequenz und/oder Phase. Es können aber auch aggregierte Gruppen von Merkmalen verwendet werden, die in manchen Situationen die Robustheit des Verfahrens steigern. So können beispielsweise aufmodulierte Pakete oder Syncworte als Gruppen von Merkmalen verwendet werden. Characteristics of the signal are to be understood in particular as changes in the signal, such as changes in the amplitude, the polarization, the radiating antenna (switching between antennas), the frequency and/or phase. However, aggregated groups of features can also be used, which increase the robustness of the method in some situations. For example, modulated packets or sync words can be used as groups of features.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein System aufweisend mindestens ein erstes, ein zweites, insbesondere eine Mehrzahl größer eins, insbesondere, größer zwei, zweiter Objekte, und mindestens ein drittes Objekt, wobei das erste Objekt zur Abstrahlung von Erstobjekt-Signalen unterschiedlicher Frequenz eingerichtet ist und bevorzugt das mindestens eine dritte Objekt zur Abstrahlung von Drittobjekt-Signalen unterschiedlicher Frequenz eingerichtet sind und alle Objekte zum Empfang von Signalen eingerichtet ist, wobei das mindestens eine zweite und das dritte Objekt eingerichtet sind, eine Takt- und/oder Zeitsynchronisation durchzuführen sind, und wobei das dritte Objekt eingerichtet ist, zwischen mindestens zwei Drittobjekt-Frequenzen, insbesondere der Drittobjekt-Signale, phasenkohärent zu wechseln und/oder so zu wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird und/oder wobei das erste Objekt eingerichtet ist, zwischen mindestens zwei der Erstobjekt-Frequenzen phasenkohärent zu wechseln und/oder so zu wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird und/oder wobei das zweite Objekt eingerichtet ist, zwischen mindestens zwei der Zweitobjekt-Frequenzen phasenkohärent zu wechseln und/oder so zu wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird.
Gelöst wird das System auch durch ein Zugangssystem aufweisend mindestens eine Zugangsbeschränkungsvorrichtung, wobei die Zugangsbeschränkungsvorrichtung eingerichtet ist, den Zugang zu gewähren und/oder zu verweigern, insbesondere mittels eines Zugangsbeschränkungsmittels, weiter aufweisend mindestens ein erstes, ein zweites, insbesondere eine Mehrzahl größer eins, insbesondere größer zwei, zweiter Objekte, und mindestens ein drittes Objekt, wobei das erste Objekt zur Abstrahlung von Erstobjekt-Signalen unterschiedlicher Frequenz eingerichtet ist und insbesondere das dritte Objekt zur Abstrahlung von Drittobjekt-Signalen unterschiedlicher Frequenz eingerichtet ist und alle Objekte zum Empfang von Signalen eingerichtet sind, wobei das mindestens eine zweite und das dritte Objekt eingerichtet sind, eine Takt- und/oder Zeitsynchronisation durchzuführen, und wobei das dritte Objekt eingerichtet ist, zwischen mindestens zwei Drittobjekt-Frequenzen, insbesondere der Drittobjekt-Signale, phasenkohärent zu wechseln und/oder so zu wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird und/oder wobei das erste Objekt eingerichtet ist, zwischen mindestens zwei der Erstobjekt-Frequenzen phasenkohärent zu wechseln und/oder so zu wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird und/oder wobei das zweite Objekt eingerichtet ist, zwischen mindestens zwei der Zweitobjekt-Frequenzen phasenkohärent zu wechseln und/oder so zu wechseln, dass der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere am ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt ist und/oder der Phasenunterschied beim Frequenzwechsel, insbesondere dem ersten, zweiten und/oder dritten Objekt, bekannt gemacht wird und wobei das System mindestens eine Steuerung aufweist, die eingerichtet ist, dass erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen dadurch mindestens eine Entfernung zwischen mindestens einem zweiten Objekt und dem
ersten Objekt zu bestimmten, wobei die Zugangsbeschränkungsvorrichtung eingerichtet ist, den Zugang nicht zu verweigern und/oder den Zugang zu gewähren, falls die mindestens eine bestimmte Entfernung zwischen dem mindestens einen zweiten Objekt zu dem ersten Objekt eine vorbestimmte Entfernung nicht überschreitet und/oder innerhalb eines vorbestimmten Entfernungsbereichs liegt und/oder die bestimmte Position des ersten Objekts innerhalb eines ersten und/oder außerhalb eines zweiten vorbestimmten Bereichs, und/oder den Zugang zu verweigern und/oder den Zugang nicht zu gewähren, wenn die mindestens eine, insbesondere alle, bestimmte Entfernung(en) zwischen dem mindestens einen zweiten Objekt und dem ersten Objekt die vorbestimmte Entfernung überschreitet und/oder außerhalb des vorbestimmten Entfernungsbereichs liegt und/oder die bestimmte Position des ersten Objekts außerhalb eines ersten und/oder innerhalb eines zweiten vorbestimmten Bereichs. The object is also achieved by a system having at least one first, one second, in particular a plurality of second objects greater than one, in particular greater than two, and at least one third object, the first object being set up to emit first-object signals of different frequencies and preferably the at least one third object is set up to emit third-object signals of different frequencies and all objects are set up to receive signals, wherein the at least one second and the third object are set up to perform clock and/or time synchronization, and wherein the third object is set up to switch between at least two third-object frequencies, in particular the third-object signals, in a phase-coherent manner and/or to switch in such a way that the phase difference during the frequency change, in particular at the first, second and/or third object, is known and /or the phase difference when changing frequencies l, in particular the first, second and/or third object, is made known and/or the first object is set up to switch between at least two of the first object frequencies in a phase-coherent manner and/or to switch in such a way that the phase difference when changing the frequency, in particular at the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference during the frequency change, in particular at the first, second and/or third object, is made known and/or the second object is set up between at least two of the second object to change frequencies in a phase-coherent manner and/or to change them in such a way that the phase difference when changing the frequency, in particular at the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference when changing the frequency, in particular at the first, second and/or third object, is known is made. The system is also solved by an access system having at least one access restriction device, wherein the access restriction device is set up to grant and/or deny access, in particular by means of an access restriction means, further comprising at least a first, a second, in particular a plurality greater than one, in particular greater than two, second objects, and at least one third object, the first object being set up to emit first-object signals of different frequencies and in particular the third object being set up to emit third-object signals of different frequencies and all objects being set up to receive signals , wherein the at least one second and the third object are set up to carry out a clock and/or time synchronization, and wherein the third object is set up between at least two third-object frequencies, in particular the third-object signals, pha to change in a semi-coherent manner and/or to change in such a way that the phase difference during the frequency change, in particular at the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference during the frequency change, in particular at the first, second and/or third object, is made known and/or wherein the first object is set up to switch between at least two of the first-object frequencies in a phase-coherent manner and/or to switch in such a way that the phase difference during the frequency change, in particular at the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference when the frequency changes, in particular to the first, second and/or third object, is made known and/or the second object is set up to change between at least two of the second object frequencies in a phase-coherent manner and/or to change in such a way that the phase difference when Frequency change, particularly on the first, second and/or third object, is known and/or the phase difference chied is made known when the frequency is changed, in particular the first, second and/or third object, and the system has at least one controller which is set up to carry out the method according to the invention thereby at least a distance between at least one second object and the first object, wherein the access restriction device is set up not to deny access and/or to grant access if the at least one specific distance between the at least one second object and the first object does not exceed a predetermined distance and/or within a predetermined distance range and/or the determined position of the first object is within a first and/or outside a second predetermined range, and/or to deny access and/or not to grant access if the at least one, in particular all, determined distance (en) between the at least one second object and the first object exceeds the predetermined distance and/or is outside the predetermined distance range and/or the determined position of the first object is outside a first and/or within a second predetermined range.
Unter phasenkohärentem Umschalten oder Wechsel zwischen zwei Frequenzen wird insbesondere verstanden, dass die Phase nach der Umschaltung relativ zur Phasenlage vor der Umschaltung bekannt ist. Dies ist der Fall, wenn die Veränderung der Phase beim Umschalten null ist oder einen vorbekannten Wert beträgt. Wird so gewechselt, dass der Phasenunterschied bekannt ist, ist der Unterschied der Phasenlage vor und nach der Umschaltung bekannt. Dabei kann der Wert auch dadurch vorbekannt sein, dass er aus vorbekannten Größen ableitbar ist, beispielsweise aus der Dauer der, insbesondere unmittelbar, vorausgehenden Abstrahlung bei einer Frequenz. Phase-coherent switching or switching between two frequencies means in particular that the phase after switching is known relative to the phase position before switching. This is the case when the change in phase on switching is zero or a previously known value. If you switch in such a way that the phase difference is known, the difference in the phase position before and after the switch is known. In this case, the value can also be previously known in that it can be derived from previously known quantities, for example from the duration of the, in particular immediately, preceding emission at a frequency.
Dies ist beispielsweise dann gegeben, wenn beim Umschalten immer eine definierte Phasenlage eingestellt wird und die Dauer der Abstrahlungen seit der letzten Umschaltung gemessen wird oder bekannt ist. This is the case, for example, when a defined phase position is always set when switching and the duration of the emissions since the last switching is measured or is known.
Die direkte Ermittlung der Entfernung verbessert die Genauigkeit und/oder Geschwindigkeit gegenüber dem Verfahren aus EP 2710398 B1 deutlich. The direct determination of the distance significantly improves the accuracy and/or speed compared to the method from EP 2710398 B1.
Mit besonderem Vorteil sind oder werden das mindestens eine zweite und das erste und/oder das erste und das mindestens eine dritte Objekt zeit- und/oder taktsynchronisiert, insbesondere auf 10ns oder besser, insbesondere im Bereich
zwischen 10ns und 100ps, zeit- und/oder taktsynchronisiert. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens. With particular advantage, the at least one second and the first and/or the first and the at least one third object are or will be synchronized in terms of time and/or clock, in particular to 10 ns or better, in particular in the range between 10ns and 100ps, time and/or clock synchronized. This increases the accuracy of the method.
Auch kann der Unterschied der Drift zwischen den Zeitgebern des ersten und mindestens einen zweiten oder des mindestens einen zweiten und mindestens einen dritten Objekts bestimmt und zur Korrektur verwendet werden. Dazu sind zahlreiche Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt. The difference in the drift between the clocks of the first and at least one second object or of the at least one second and at least one third object can be determined and used for correction. Numerous methods are known from the prior art for this purpose.
Zwar ist es bekannt, Zeitgeber in zwei Objekten zu synchronisieren, sowohl über kabelgebundene als auch kabellose Verbindungen. So existiert beispielsweise das NTP Protokoll. Auch ist im Rahmen einer Bluetoothverbindung eine Synchronisation vorgesehen, in der jedes Objekt eine freilaufende 28 bit Uhr mit einem Takt von 3,2 kHz aufweist und jedes Objekt sein Offset zu einer Zentralen Uhr ermittelt und diesen regelmäßig korrigiert. Hier wird eine Synchronisation mit einer Genauigkeit von etwa 125 ns erreicht. Auch ist eine verbesserte Zeitsynchronisation bekannt, beispielsweise aus der DE1 1 2014004426T5 oder „Synchronization in Wireless Sensor Networks Using Bluetooth", Casas et al., Third International Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems, 2005., ISBN: 3-902463- 03-1 . Dies kann beispielsweise zur Energieeinsparung genutzt werden, indem ein Objekt nur zu bestimmten Zeitschlitzen empfangsbereit gehalten wird, die dem anderen Objekt bekannt sind, um zu entsprechenden Zeiten zu senden. Die Synchronisation der Uhren ist auch zumindest bei einseitiger relativ starker Störung des Funkkanals noch möglich, wobei bekannte Entfernungsmessungen bei derartigen Störungen unmöglich oder sehr ungenau wird oder sehr viel Zeit benötigt. Doch ist von der Genauigkeit einer Zeitsynchronisation von der Synchronisation auf einen Takt eines empfangenen Signals am Empfänger des Signals zu unterscheiden. Hier findet keine Synchronisation zweier Uhren an zwei Objekten statt, sondern wird das empfangene Objekt so eingestellt, dass es mit dem eingehenden Signal synchronisiert ist. Dabei spielt die Signallaufzeit keine Rolle, da dafür unbeachtlich ist, wann das Signal gesendet wurde und/oder wie lange es zur Übertragung benötigt hat.
Mit besonderem Vorteil sind oder werden das mindestens eine zweite und das dritte Objekt auf 10ns oder besser, insbesondere im Bereich zwischen 10ns und 100ps, zeit- und/oder taktsynchronisiert. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens. It is true that it is known to synchronize timers in two objects, both over wired and wireless connections. For example, the NTP protocol exists. Synchronization is also provided as part of a Bluetooth connection, in which each object has a free-running 28-bit clock with a clock rate of 3.2 kHz and each object determines its offset to a central clock and corrects it regularly. Here synchronization is achieved with an accuracy of about 125 ns. Improved time synchronization is also known, for example from DE1 1 2014004426T5 or "Synchronization in Wireless Sensor Networks Using Bluetooth", Casas et al., Third International Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems, 2005., ISBN: 3-902463-03- 1. This can be used to save energy, for example, by keeping an object ready to receive only at certain time slots that are known to the other object in order to transmit at the appropriate times possible, with known distance measurements being impossible or very imprecise or requiring a lot of time with such interference. However, the accuracy of a time synchronization must be distinguished from the synchronization to a clock of a received signal at the receiver of the signal. Here there is no synchronization of two clocks on two Objects instead, but that is recieved ngene object set to be synchronized with the incoming signal. The signal propagation time is irrelevant, since it is irrelevant when the signal was sent and/or how long it took to transmit. With particular advantage, the at least one second and the third object are or will be time- and/or clock-synchronized to 10 ns or better, in particular in the range between 10 ns and 100 ps. This increases the accuracy of the method.
Mit Vorteil wird für jedes an einem zweiten Objekt empfangene Erst- und Drittobjektsignal ein zu dessen Amplitude proportionalen Wert und ein Phasenwert bestimmt und insbesondere daraus jeweils eine komplexe Zahl bestimmt, die für die Abstandsbestimmung zwischen dem ersten bzw. dritten und dem zweiten Objekt genutzt wird. Insbesondere wird aus einer Mehrzahl der komplexen Zahlen der Erst- und/oder Drittobjektsignale eine Matrix, insbesondere eine Autokorrelationsmatrix, gebildet und mittels dieser und beispielsweise MUSIC, CAPON, Vergleich mit, Abstandsberechnung zu und/oder Projektion auf Abstrahl- und- oder Empfangscharakteristika, der Abstand bestimmt. Insbesondere wird mindestens eine Matrix, insbesondere eine Autokorrelationsmatrix, an einem Zweitobjekt empfangene Erstobjektsignale und/oder mindestens eine Matrix, insbesondere eine Autokorrelationsmatrix, an einem Zweitobjekt empfangene Drittobjektsignale gebildet. Mit Vorteil erfolgt die Abstandsberechnung mittels Eigenwert- oder Eigenvektorenbestimmung der mindestens einen Matrix und/oder Fouriertransformation der komplexen Werte. Analog kann mit am ersten und/oder an einem dritten Objekt empfangenen Signalen verfahren werden. Advantageously, for each first and third object signal received at a second object, a value proportional to its amplitude and a phase value are determined and, in particular, a complex number is determined from this, which is used to determine the distance between the first or third object and the second object. In particular, a matrix, in particular an autocorrelation matrix, is formed from a plurality of the complex numbers of the first and/or third object signals and, by means of this and, for example, MUSIC, CAPON, comparison with, distance calculation to and/or projection on emission and/or reception characteristics, of distance determined. In particular, at least one matrix, in particular an autocorrelation matrix, is formed from first-object signals received at a second object and/or at least one matrix, in particular an autocorrelation matrix, from third-object signals received at a second object. The distance is advantageously calculated by means of determining the eigenvalues or eigenvectors of the at least one matrix and/or Fourier transformation of the complex values. The procedure can be analogous with signals received at the first and/or at a third object.
Der Phasenwert wird insbesondere alternativ dadurch bestimmt, dass bezüglich einer Vielzahl von Paaren der Signale mit benachbarter Frequenz jeweils eine auf einen Frequenzabstand normierte Änderung der Phasenverschiebung berechnet wird, also näherungsweise die Ableitung der Phasenverschiebung an einer der o- der den Frequenzen des Paars berechnet wird und die dadurch gesammelten Werte zur Bestimmung der Phase der komplexen Zahl an der jeweiligen Frequenz (der zugehörig zu dem zur Amplitude proportionalen Wertes) verwendet wird, insbesondere durch näherungsweise Integration über die Frequenz. Dabei muss nicht bei f = 0 Hz mit der Integration begonnen werden, sondern kann und wird bevorzug ein allen komplexen Zahlen gemeinsamer Offset verwendet, insbesondere die niedrigste Frequenz der, insbesondere ausgewählten, Signale.
Insbesondere wird der Phasenwert aus der Signallaufzeit oder Signalrundlaufzeit, insbesondere Pulslaufzeit (ToF), bestimmt. The phase value is determined in particular alternatively by calculating a change in the phase shift normalized to a frequency spacing with respect to a large number of pairs of signals with adjacent frequencies, i.e. approximately the derivation of the phase shift at one of the frequencies or frequencies of the pair is calculated and the values thereby collected are used to determine the phase of the complex number at the respective frequency (corresponding to the value proportional to the amplitude), in particular by approximate integration over the frequency. The integration does not have to start at f=0 Hz, but an offset that is common to all complex numbers can and is preferably used, in particular the lowest frequency of the signals selected in particular. In particular, the phase value is determined from the signal propagation time or signal round trip time, in particular pulse propagation time (ToF).
Insbesondere wird die normierte Phasenverschiebungsänderung (dPhasenver- schiebung (f 1 ,f2)) gewonnen mittels der Formel: dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) = a * RTT(f3) * dFrequenz(f 1 ,f2) oder dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) = b * STT(f3) * dFrequenz(f 1 ,f2) wobei dFrequenz(f1 ,f2) die Differenz zwischen den Frequenzen f1 und f2 ist RTT(f3) die doppelte Signallaufzeit oder die Signalrundlaufzeit (Pulslaufzeit, ToF) zwischen ersten und zweitem Objekt bzw. STT die einfache Signallaufzeit (Pulslaufzeit, ToF) bei einer oder mehreren Frequenzen f3, ähnlich zu f1 und/oder f2 und/oder andersherum ist und wobei a bzw. b eine Konstante ist, insbesondere a gleich Pi und b zwei Pi ist. Specifically, the normalized phase shift change (dphaseshift(f1,f2)) is obtained using the formula: dphaseshift(f1,f2) = a * RTT(f3) * dfrequency(f1,f2) or dphaseshift(f1,f2 ) = b * STT(f3) * dFrequenz(f 1 ,f2) where dFrequenz(f1 ,f2) is the difference between the frequencies f1 and f2 RTT(f3) is twice the signal propagation time or the signal round trip time (pulse propagation time, ToF) between the first and second object or STT is the simple signal propagation time (pulse propagation time, ToF) at one or more frequencies f3, similar to f1 and/or f2 and/or vice versa and where a or b is a constant, in particular a equals Pi and b is two Pi is.
Dabei ist Phasenverschiebung eine Phasenverschiebung bei der Übertragung bei der Frequenz von einem Objekt zum anderen und zurück, die aufgrund der Entfernung auftritt. Sie kann näherungsweise gleichgesetzt werden mit dem Doppelten der Phasenverschiebung, die bei der Übertragung bei der Frequenz von einem Objekt zum anderen aufgrund der Entfernung auftritt. Here phase shift is a phase shift in transmission in frequency from one object to another and back that occurs due to distance. It can be approximated as twice the phase shift that occurs when transmitting at the frequency from one object to another due to distance.
Frequenzen werden insbesondere als ähnlich angesehen, wenn Sie um weniger als 17MHz, insbesondere 10 MHz, insbesondere weniger als 2 MHz, und/oder weniger als 5%, insbesondere weniger als 2%, der niedrigeren Frequenz voneinander abweichen. In particular, frequencies are considered similar if they differ by less than 17MHz, in particular 10MHz, in particular less than 2MHz, and/or less than 5%, in particular less than 2%, of the lower frequency.
Der komplexe Wert Z für eine Frequenz ergibt sich dann insbesondere mittels: The complex value Z for a frequency is then obtained in particular using:
Betrag(Z(f)) = (b* Amplitude(f) + offset) Magnitude(Z(f)) = (b* Amplitude(f) + offset)
Argument(Z(f)) = Summe(dPhasenverschiebung(f(n + 1 ),fn)) über fn von fO bis f(n + 1 ) = f. Argument(Z(f)) = sum(dphaseshift(f(n + 1 ),fn)) over fn from fO to f(n + 1 ) = f.
Es werden also die Änderungen der Phasenverschiebung aufsummiert und zwar von der niedrigsten Frequenz bis zur fraglichen Frequenz, für die die komplexe
Zahl bestimmt werden soll. Dabei ist die niedrigste Frequenz für alle komplexen Zahlen näherungsweise gleich, insbesondere identisch. Zudem sind die Phasenverschiebungsänderungen insbesondere immer für aufeinanderfolgende Frequenzpaare aufzusummieren, bei denen die höhere Frequenz näherungsweise gleich, insbesondere identisch zu der niedrigeren der Frequenzen des nächsten Paares ist, also insbesondere dPhasenverschiebung(f1 ,f0) + dPhasenverschiebung(f2,f1 ) + dPhasenverschie- bung(f3,f2) + .... + dPhasenverschiebung(f,fn) mit f = f(n + 1 ) fO ist dabei für alle komplexen Zahlen eines Vektors und/oder einer Matrix näherungsweise gleich, insbesondere gleich. The changes in the phase shift are thus summed up, from the lowest frequency to the frequency in question, for which the complex number is to be determined. The lowest frequency is approximately the same for all complex numbers, in particular identical. In addition, the phase shift changes must always be added up, especially for consecutive frequency pairs in which the higher frequency is approximately the same, in particular identical, to the lower of the frequencies of the next pair, i.e. in particular dphase shift(f1 ,f0) + dphase shift(f2,f1 ) + dphase shift (f3,f2) + .... + dphase shift(f,fn) with f=f(n+1) f0 is approximately the same for all complex numbers of a vector and/or a matrix, in particular the same.
Dabei sind b und offset Konstanten und ist b insbesondere gleich 1 und offset insbesondere gleich 0. Amplitude(f) ist die bei der Frequenz f gemessene empfangene Amplitude oder ein Mittelwert aus mehreren bei Frequenz f und/oder zu f ähnlichen Frequenzen gemessen Amplituden. Alternativ kann auch die Leistung verwendet werden. In this case, b and offset are constants and if b is in particular equal to 1 and offset is in particular equal to 0. Amplitude(f) is the received amplitude measured at frequency f or an average of several amplitudes measured at frequency f and/or frequencies similar to f. Alternatively, the power can also be used.
Je enger die Schritte der realen Messung, also der verfügbaren fm sind, desto kleiner kann die Schrittweite in der Folge fO bis f gewählt werden und desto genauer ist das Verfahren. The narrower the steps of the real measurement, i.e. the available fm, the smaller the step size in the sequence f0 to f can be chosen and the more accurate the method is.
Wird beispielsweise wir folgt gemessen
For example, is measured as follows
Und ist der Abstand zwischen den benachbarten Frequenzen äquidistant mit dem Abstand 2d, gilt also F1 + 2 *d = F2, F2 + 2 * d = F3 usw. Dann kann man bilden: dPhaseverschiebung(F1 + d, F1 -d) = k1 * 2 + STT(F1 ), allgemein dPhaseverschiebung(Fn +d, Fn - d) = k1 * 2 + STT(Fn), And if the distance between the adjacent frequencies is equidistant with the distance 2d, then F1 + 2 * d = F2, F2 + 2 * d = F3 etc. applies. Then one can calculate: dphase shift(F1 + d, F1 -d) = k1 * 2 + STT(F1 ), generally dphaseshift(Fn +d, Fn - d) = k1 * 2 + STT(Fn),
Dann bildet man beispielsweise Then you form, for example
Betrag(Z(fn + d)) = (k2* Amplitude(Fn) + offset) und Magnitude(Z(fn + d)) = (k2* Amplitude(Fn) + offset) and
Argument(Z(fn +d)) = Summe(dPhaseverschiebung (fs + d,fs - d)) über fs von F1 bis Fn Argument(Z(fn +d)) = sum(dphase shift (fs + d,fs - d)) over fs from F1 to Fn
Sind die Abstände nicht äquidistant wählt man als die Frequenzen fa und fb insbesondere als niedrigste eine Frequenz insbesondere leicht unter der niedrigsten Messfrequenz und dann fortwährend Frequenzen, insbesondere mittig, zwischen den aufsteigenden Messfrequenzen, liegen. If the distances are not equidistant, one selects frequencies fa and fb, in particular as the lowest one, in particular slightly below the lowest measurement frequency, and then continuously frequencies, in particular in the middle, between the ascending measurement frequencies.
Insbesondere wird aus einer Mehrzahl der komplexen Zahlen eine Matrix, insbesondere eine Autokorrelationsmatrix gebildet. Insbesondere erfolgt dies durch Bildung eines Vektors aus den komplexen Zahlen, in dem die komplexen Zahlen in die Spalten oder Zeilen des Vektors geschrieben werden und dessen Autokorrelationsmatrix gebildet wird. Mittels dieser, beispielsweise mittels bekannter Methoden, beispielsweise MUSIC, CAPON, Vergleich mit, Abstandsberechnung zu und/oder Projektion auf Abstrahl- und- oder Empfangscharakteristika, der Abstand bestimmt. Mit Vorteil erfolgt die Abstandsberechnung mittels Eigenwertoder Eigenvektorenbestimmung der mindestens einen Matrix und/oder Fourier- transformation der komplexen Werte.
Derartige Vorgehensweisen sind insbesondere bei Multipath-Signalausbreitung vorteilhaft, um eine zuverlässige Bestimmung zu erreichen. In particular, a matrix, in particular an autocorrelation matrix, is formed from a plurality of the complex numbers. In particular, this is done by forming a vector from the complex numbers, in which the complex numbers are written into the columns or rows of the vector and its autocorrelation matrix is formed. The distance is determined by means of this, for example by means of known methods, for example MUSIC, CAPON, comparison with, distance calculation for and/or projection on emission and/or reception characteristics. Advantageously, the distance is calculated by determining the eigenvalues or eigenvectors of the at least one matrix and/or Fourier transformation of the complex values. Such procedures are particularly advantageous in the case of multipath signal propagation in order to achieve a reliable determination.
In bestimmten Ausgestaltungen kann es vorteilhaft sein, das mindestens eine zweite und das dritte Objekt in fester relativer räumlicher Lage und Orientierung anzuordnen, beispielsweise wenn die Entfernungsmessung zwecks Zugangskontrolle durchgeführt wird. Dies erleichtert die Berechnung und erhöht die Zuverlässigkeit. In certain configurations it can be advantageous to arrange the at least one second and the third object in a fixed relative spatial position and orientation, for example if the distance measurement is carried out for the purpose of access control. This makes calculation easier and increases reliability.
Mit Vorteil werden mit den Erstobjekt- und/oder Drittobjektsignalen Daten übertragen, insbesondere Nutzdaten, insbesondere solche, die für das erfindungsgemäße Verfahren nicht erforderlich sind. Data is advantageously transmitted with the first-object and/or third-object signals, in particular user data, in particular data that is not required for the method according to the invention.
Mit Vorteil sind die Objekte Teile eines Datenübertragungssystems, insbesondere eines Bluetooth, WLAN oder Mobilfunk Datenübertragungssystems. Bevorzugt sind die Erstobjekt und/oder Drittobjektsignale Signale des Datenübertragungssystems und/oder eines Datenübertragungsstandards, beispielsweise Mobilfunkstandard, WLAN oder Bluetooth, die zur Datenübertragung gemäß des Datenübertragungsstandards genutzt werden. The objects are advantageously parts of a data transmission system, in particular a Bluetooth, WLAN or mobile radio data transmission system. The first object and/or third object signals are preferably signals of the data transmission system and/or a data transmission standard, for example mobile radio standard, WLAN or Bluetooth, which are used for data transmission in accordance with the data transmission standard.
Vorteilhafterweise werden die Erstobjekt- und/oder Drittobjektsignale über mehrere Antennenpfade übertragen, insbesondere mit mehreren Antennen, insbesondere nacheinander, am sendenden Objekt gesendet und/oder mit mehreren Antennen am empfangenen Objekt empfangen. The first-object and/or third-object signals are advantageously transmitted via a number of antenna paths, in particular with a number of antennas, in particular one after the other, sent at the transmitting object and/or received with a number of antennas at the receiving object.
Bevorzugt ist das erste Objekt ein Autorisierungsmittel, wie Keyfob oder Handy. Mit Vorteil sind das zweite und dritte Objekt Teil einer Anordnung, zu der mittels des Autorisierungsmittels Zugang angestrebt und/oder gewährt wird, wobei die Anordnung insbesondere ein Gebäude, ein Kraftfahrzeug oder eine Barriere, ein Automat und/oder Computer ist. The first object is preferably an authorization means, such as a keyfob or cell phone. The second and third objects are advantageously part of an arrangement to which access is sought and/or granted using the authorization means, the arrangement being in particular a building, a motor vehicle or a barrier, a machine and/or computer.
Bevorzugt wird es, dass das dritte Objekt die Erstobjekt-Signale empfängt und Informationen über die empfangenen Erstobjekt-Signale bereitstellt und diese bei der Berechnung der Entfernung verwendet werden und/oder dass das erste Objekt die Drittobjekt-Signale empfängt und Informationen über die empfangenen
Drittobjekt-Signale bereitstellt und diese bei der Berechnung der Entfernung verwendet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteilhaft, wenn der Zeitpunkt der Ausstrahlung und/oder die Phasenlage bei Ausstrahlung im System ansonsten nicht bekannt wären/sind. It is preferred that the third object receives the first-object signals and provides information about the received first-object signals and this is used in the calculation of the distance and/or that the first object receives the third-object signals and information about the received ones Provides third-party object signals and uses them in calculating the distance. This is particularly advantageous if the time of the transmission and/or the phase position during transmission would not otherwise be known in the system.
Mit besonderem Vorteil ist das mindestens eine zweite Objekt passiv und/oder sendet das mindestens eine zweite Objekt selber keine Signale oder keine zur Abstandsberechnung verwendeten Signale und/oder sendet das mindestens eine zweite Objekt selber im Rahmen des Verfahrens keine Signale oder keine zur Abstandsberechnung verwendeten Signale. Dadurch kann die Verfahrensdauer verkürzt werden und die Sicherung durch die Abstandsbestimmung zwischen erstem und mindestens einem zweitem Objekt versteckt und dadurch sicherer ausgestaltet werden. The at least one second object is particularly advantageously passive and/or the at least one second object itself does not send any signals or does not send any signals used to calculate the distance and/or the at least one second object itself does not send any signals or does not send any signals used to calculate the distance as part of the method . As a result, the duration of the method can be shortened and the safeguard can be hidden by determining the distance between the first and at least one second object and thus made more secure.
Bevorzugt wird das Verfahren so ausgestaltet, dass mindestens eins der sendenden Objekte (erstes und/oder mindestens ein drittes Objekt) zwischen Signalen phasenkohärent, insbesondere ohne Phasensprung oder mit bekanntem Phasensprung wechselt und/oder der Phasensprung lokal gemessen und bei der Entfernungsbestimmung berücksichtig und/oder korrigiert wird und/oder mindestens eins der Objekte aus Signalen eines der anderen Objekte mindestens eine Phasenkorrekturinformation bestimmt, die bei der Abstandsberechnung verwendet wird, insbesondere wobei das erste Objekt zwischen mindestens zwei der Erstobjekt-Frequenzen der Erstobjekt-Signale phasenkohärent wechselt oder/oder das dritte Objekt zwischen mindestens zwei der Drittobjekt-Frequenzen der Drittobjekt-Signale phasenkohärent wechselt und/oder das dritte Objekt mindestens eine Phasenkorrekturinformation aus den Erstobjekt-Signalen ermittelt und/oder das erste Objekt mindestens eine Phasenkorrekturinformation aus den Drittobjekt-Signalen ermittelt und wobei die mindestens eine Phasenkorrekturinformation bei der Abstandsberechnung verwendet werden. Durch eine solche Ausgestaltung, bei der weitere Informationen über die Phasenlage am sendenden Objekt zur Verfügung stehen, kann das Verfahren genauer, robuster und die Berechnung einfacher ausgestaltet werden.
Insbesondere schalten erstes, zweites und/oder drittes Objekt zum Empfang ebenfalls phasenkohärent um. Hilfsweise messen sie den Phasensprung der Phase beim Frequenzwechsel und wird dieser Phasensprung bei der Berechnung korrigiert. The method is preferably designed in such a way that at least one of the transmitting objects (first and/or at least one third object) changes between signals in a phase-coherent manner, in particular without a phase jump or with a known phase jump and/or the phase jump is measured locally and taken into account when determining the distance and/or is corrected and/or at least one of the objects determines at least one item of phase correction information from signals of one of the other objects, which is used in the distance calculation, in particular wherein the first object changes phase-coherently between at least two of the first-object frequencies of the first-object signals and/or the third Object changes phase-coherently between at least two of the third-object frequencies of the third-object signals and/or the third object determines at least one piece of phase correction information from the first-object signals and/or the first object determines at least one piece of phase correction information from the third-object signals determined and wherein the at least one piece of phase correction information is used in the distance calculation. Such a configuration, in which additional information about the phase angle at the transmitting object is available, allows the method to be configured more precisely and more robustly, and the calculation to be simpler. In particular, the first, second and/or third object also switch over in a phase-coherent manner for reception. Alternatively, they measure the phase jump of the phase when changing the frequency and this phase jump is corrected in the calculation.
Mit Vorteil schaltet somit nicht nur das sendende Objekt phasenkohärent sondern auch das empfangene, insbesondere wird in jedem Objekt eine PLL phasenkohärent geschaltet. Advantageously, not only does the transmitting object switch in a phase-coherent manner, but also the receiving object; in particular, a PLL is switched in a phase-coherent manner in each object.
Mit besonderem Vorteil sind die Zeitpunkte und/oder ist der Zeitplan der Abstrahlungen der Drittobjekt- und/oder der Erstobjekt-Signale vorbestimmt und/oder ist/sind dies(e) dem zweiten Objekt bekannt und/oder werden/wird dies(e) bei der Abstandsberechnung berücksichtigt. Dadurch lässt sich eine genauere Bestimmung und einfachere Berechnung erreichen. The times and/or the schedule for the transmission of the third-object and/or the first-object signals are particularly advantageously predetermined and/or is/are this/are known to the second object and/or this/is/will be known to the second object taken into account in the distance calculation. A more accurate determination and simpler calculation can thereby be achieved.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das Verfahren die Synchronisation der Zeiten und/oder Takte im mindestens einen zweiten und dritten Objekt, insbesondere drahtlos oder kabelgebunden. Bevorzugt wird vor, nach und/oder während der Durchführung des Verfahrens mindestens eine Zeit- und/oder Taktsynchronisation und/oder -korrektur zwischen dem mindestens einen zweiten und dritten Objekt durchgeführt. Die Synchronisation kann aber auch gegeben sein o- der durch andere Verfahren bewirkt werden. Insbesondere sind die Unterschiede der Zeiten und/oder Takte zwischen mindestens einem zweiten und dritten Objekt bekannt und oder synchron. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens. Bevorzugt wird auch eine Drift der Uhren des mindestens einen zweiten und/oder dritten Objekts oder einen Unterschied in der Drift der Uhren des mindestens einen zweiten und dritten Objekts bestimmt und bei der Abstandsbestimmung berücksichtigt. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens weiter. In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das Verfahren die Synchronisation der Zeiten und/oder Takte zwischen erstem und zweiten und/oder mindestens einem dritten und ersten und/oder zwischen zweitem und mindestens einem dritten Objekt, insbesondere drahtlos. Bevorzugt wird auf Basis des jeweils mindestens einen Erst-, Zweit- und/oder Drittsignal mindestens eine Zeit- und/oder
Taktsynchronisation und/oder -korrektur zwischen erstem und zweiten und/oder mindestens einem dritten und ersten und/oder zwischen zweitem und mindestens einem dritten Objekt durchgeführt. Bevorzugt wird auf Basis des jeweils mindestens einen Erst-, Zweit- und/oder Drittsignal auch eine zumindest relative Drift der Uhren des ersten, zweiten und/oder des mindestens einen dritten Objekts bestimmt und bei der Abstandsbestimmung berücksichtigt. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens weiter. In a preferred embodiment, the method includes the synchronization of the times and/or cycles in at least one second and third object, in particular wirelessly or with a cable. At least one time and/or clock synchronization and/or correction between the at least one second and third object is preferably carried out before, after and/or during the implementation of the method. However, the synchronization can also be provided or be brought about by other methods. In particular, the differences in times and/or cycles between at least a second and third object are known and/or synchronous. This increases the accuracy of the method. A drift of the clocks of the at least one second and/or third object or a difference in the drift of the clocks of the at least one second and third object is preferably also determined and taken into account when determining the distance. This further increases the accuracy of the method. In a preferred embodiment, the method includes the synchronization of the times and/or cycles between the first and second and/or at least one third and first and/or between the second and at least one third object, in particular wirelessly. At least one time and/or Clock synchronization and / or correction performed between the first and second and / or at least one third and first and / or between the second and at least one third object. An at least relative drift of the clocks of the first, second and/or the at least one third object is preferably also determined on the basis of the at least one first, second and/or third signal and taken into account when determining the distance. This further increases the accuracy of the method.
Zeitdifferenzen und/oder Drift können auch indirekt im Dreiecksverhältnis bestimmt werden: Ist beispielsweise die Zeitdifferenz und/oder Drift zwischen X und Y sowie zwischen Y und Z bekannt, kann daraus die Zeitdifferenz und/oder Drift zwischen X und Z berechnet werden. Time differences and/or drift can also be determined indirectly in the triangular relationship: If, for example, the time difference and/or drift between X and Y and between Y and Z is known, the time difference and/or drift between X and Z can be calculated from this.
Bevorzugt bestimmt das zweite und/oder das mindestens eine dritte Objekt seine Zeit und seine Zeitdrift gegenüber dem ersten Objekt. The second and/or the at least one third object preferably determines its time and its time drift compared to the first object.
Mit Vorteil wird vor Austausch der Erst-, Zweit- und Drittsignale eine grobe zeitliche Synchronisation zwischen erstem, zweiten und mindestens einem dritten Objekt herbeigeführt, insbesondere mit einer Genauigkeit von besser als 2 JJS, insbesondere im Bereich von 0,1 bis 2/JS . Die zeitliche Synchronisation auf Basis der Erst-, Zweit- und Drittsignale liegt insbesondere im Bereich von 0,01 bis 10 ns, insbesondere im Bereich von 0,05 bis 5 ns und/oder die Genauigkeit der Driftbestimmung im Bereich von 0,1 bis 100ppb, insbesondere im Bereich von 1 bis 10 ppb. Dies lässt sich durch die phasenkohärente Umschaltung oder das Bekanntmachen des Phasensprungs der Erst-, und Drittsignale, insbesondere auch der Erstsignale, erreichen. Prior to the exchange of the first, second and third signals, a rough time synchronization between the first, second and at least one third object is advantageously brought about, in particular with an accuracy of better than 2 JJS, in particular in the range from 0.1 to 2/JS. The time synchronization based on the first, second and third signals is in particular in the range from 0.01 to 10 ns, in particular in the range from 0.05 to 5 ns and/or the accuracy of the drift determination in the range from 0.1 to 100 ppb , especially in the range of 1 to 10 ppb. This can be achieved by phase-coherent switching or by making known the phase jump of the first and third signals, in particular also the first signals.
Insbesondere bestimmen zweiter (A) und/oder der mindestens eine dritte Anker (B) jeweils dTxA bzw. dTxAB = Zeitdifferenz von A zum ersten Objekt bzw. B zum ersten Objekt ppbA buw. ppbB = Quarzdifferenz von A bzw. B relativ zum ersten Objekt
Ts.lokalA bzw. Ts.lokalB = Startzeit des Signalaustauschs im lokalen Zeitsystem des Objekts A bzw. B In particular, the second (A) and/or the at least one third anchor (B) each determine dTxA or dTxAB=time difference from A to the first object or B to the first object ppbA buw. ppbB = quartz difference of A or B relative to the first object Ts.localA or Ts.localB = start time of signal exchange in the local time system of object A or B
Ts. A bzw. TS.B = Startzeit des Signalaustauschs im Zeitsystem des Objekts A bzw. B Ts. A or TS.B = start time of the signal exchange in the time system of object A or B
ToffMess(n) = Zeitoffset jeder Messung auf Frequenz n ab Startzeit des Signalaustausch ToffMeas(n) = time offset of each measurement at frequency n from the start time of the signal exchange
F(n) = abgestrahlte n. Frequenz im Signalaustausch, relativ zum Quarz des Senders F(n) = radiated nth frequency in the signal exchange, relative to the crystal of the transmitter
Die empfangenen Phasen sind abhängig von der Phasenlagen beim Senden und von der Entfernung und vom Zeitversatz des messenden zum sendenden Objekt sowie dem Unterschied der Drifts der Oszillatoren im Sender und Empfänger. Der zeitliche Aspekt lässt sich unter Kenntnis der Drift um einen Phasenfehler bedingt durch die Zeitungenauigkeit/-drift korrigieren. The received phases depend on the phase angles during transmission and on the distance and time offset between the measuring and the transmitting object as well as the difference in the drifts of the oscillators in the transmitter and receiver. Knowing the drift, the time aspect can be corrected by a phase error caused by the timing inaccuracy/drift.
So kann die absolute Zeitdifferenz im Objekt A zur Zeit der Messung des Erstsignals angegeben werden mit: dT(n) = dTxA + (Ts. lokal + ToffMess(n) - Tx) * ppbA The absolute time difference in object A at the time the first signal is measured can be given as: dT(n) = dTxA + (Ts. local + ToffMeasure(n) - Tx) * ppbA
Die relative Zeitdifferenz ergibt sich dann zu: dRT(n) = dT(n) - (Ts. A - Ts. lokal) The relative time difference is then: dRT(n) = dT(n) - (Ts. A - Ts. local)
Und die Phasenkorrektur zu: And the phase correction to:
Phcorrection = dRT(n) * F(n) Phcorrection = dRT(n) * F(n)
Auch die Drift der Oszillatoren kann entsprechend korrigiert werden und verbessert die Genauigkeit weiter. Oscillator drift can also be corrected accordingly, further improving accuracy.
Die korrigierten Phasenmessungen können dann direkt zur einseitigen Entfernungsmessung genutzt werden. Eine Korrektur ist aber nicht zwingend notwendig, verbessert aber die Genauigkeit. Selbst wenn die Anfangsphasenlage der ersten Frequenz beim Sender nicht bekannt sein sollte, lässt sich durch die
bekannte Änderung der Phase bei der Umschaltung am Sender durch die Phasenverschiebung eine Entfernung bestimmen, beispielsweise mittels The corrected phase measurements can then be used directly for one-sided distance measurement. A correction is not absolutely necessary, but improves the accuracy. Even if the initial phase of the first frequency should not be known at the transmitter, can be through the known change in phase when switching at the transmitter determine a distance through the phase shift, for example by means
Entfernung = (Phasenverschiebung zwischen zwei Frequenzen) / 2Pi / (Unterschied zwischen den zwei Frequenzen) * c Distance = (phase shift between two frequencies) / 2Pi / (difference between the two frequencies) * c
Dabei ist zu beachten, dass hier eine Mehrdeutigkeit entsteht, ab It should be noted that there is an ambiguity here
Entfernung = c/(Unterschied zwischen den zwei Frequenzen) mit c gleich der Lichtgeschwindigkeit Distance = c/(difference between the two frequencies) where c equals the speed of light
Mit besonderem Vorteil nutzt das zweite Objekt durch passives Mithören des Signalaustauschs zwischen erstem und mindestens einem dritten Objekt auch die Signale des Signalaustauschs zwischen erstem und mindestens einem dritten Objekt zur Bestimmung seiner Zeit, Zeitdrift und/oder Entfernung zum ersten und/oder mindestens einem dritten Objekt. Mit besonderem Vorteil nutzt das mindestens eine dritte Objekt durch passives Mithören des Signalaustauschs zwischen erstem und zweiten Objekt auch die Signale des Signalaustauschs zwischen erstem und zweitem Objekt zur Bestimmung seiner Zeit, Zeitdrift und/oder Entfernung zum ersten und/oder zweiten Objekt. The second object particularly advantageously uses the signals of the signal exchange between the first and at least one third object to determine its time, time drift and/or distance to the first and/or at least one third object by passively monitoring the signal exchange between the first and at least one third object . The at least one third object particularly advantageously uses the signals of the signal exchange between the first and second object to determine its time, time drift and/or distance to the first and/or second object by passively listening in on the signal exchange between the first and second object.
Mit besonderem Vorteil wird die Entfernung zwischen dem mindestens einen zweiten und dem ersten Objekt bestimmt, ohne dazu die Entfernung zwischen erstem und drittem Objekt zu bestimmen und/oder wird die Entfernung zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Objekt unabhängig von der Entfernung zwischen erstem und drittem Objekt bestimmt. Dies erhöht die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Verfahrens. With particular advantage, the distance between the at least one second and the first object is determined without determining the distance between the first and third object and/or the distance between the first and the at least one second object is determined independently of the distance between the first and third object determined. This increases the speed and accuracy of the process.
Mit besonderem Vorteil wird das Verfahren mit einer Mehrzahl, insbesondere mit einer gemeinsamen Mehrzahl größere eins, insbesondere größer zwei, insbesondere größer vier, zweiter Objekte und gemeinsamen ersten und insbesondere gemeinsamen zweitem/n und drittem/n Objekten, durchgeführt, wobei bevorzugt die berechneten Abstände, insbesondere zwischen dem ersten und jeweils der Mehrzahl zweiter Objekte, genutzt werden, um eine Kartierung und/oder
Positionsbestimmung des ersten Objekts durchzuführen. Durch die Verwendung mehrere, insbesondere örtlich voneinander entfernt angeordneter zweiter und/oder dritter Objekte kann die Zuverlässigkeit und Genauigkeit erhöht werden und ist eine Ortung, beispielsweise mittels Triangulation, möglich. The method is particularly advantageously carried out with a plurality, in particular with a common plurality greater than one, in particular greater than two, in particular greater than four, second objects and common first and in particular common second and third objects, preferably the calculated distances , In particular between the first and each of the plurality of second objects, used to map and / or Carry out position determination of the first object. By using a plurality of second and/or third objects, in particular ones that are spatially remote from one another, the reliability and accuracy can be increased and locating, for example by means of triangulation, is possible.
Das Verfahren wird dabei bevorzugt mehrfach durchgeführt, wobei das mindestens eine zweite und mindestens eine dritte Objekt auch ihre Rollen tauschen können, das erste Objekt aber allen Durchführungen gemein und/oder konstant ist. So kann Beispiel aus einer Mehrzahl von Objekten immer ein wechselnder Teil der Mehrzahl zweite Objekte sein und ein anderer Teil dritte Objekte. The method is preferably carried out multiple times, with the at least one second and at least one third object also being able to swap roles, but the first object being common and/or constant to all executions. For example, from a plurality of objects, a changing part of the plurality can always be second objects and another part third objects.
Bevorzugt weisen die Mehrzahl zweiter Objekte eine feste Lage und/oder Orientierung zueinander auf, die insbesondere bekannt ist und/oder durch Funkortung bestimmt wird. Dadurch ist beispielsweise eine einfache Triangulation zur Ortung des ersten Objekts möglich. The plurality of second objects preferably have a fixed position and/or orientation relative to one another, which is known in particular and/or is determined by radio location. As a result, a simple triangulation for locating the first object is possible, for example.
Mit Vorteil wird das Verfahren mittels eines erfindungsgemäßen Systems und/oder Zugangssystems ausgeführt. Mit Vorteil ist das System oder Zugangssystem eingerichtet eine oder mehrere vorteilhafte Ausgestaltung(en) des Verfahrens umzusetzen und weist dazu insbesondere eine entsprechend eingerichtete Steuerung auf. The method is advantageously carried out using a system and/or access system according to the invention. The system or access system is advantageously set up to implement one or more advantageous configuration(s) of the method and, in particular, has a correspondingly set up controller for this purpose.
Mit Vorteil übersteigt die Bandbreite der Signale zu keiner Zeit 50 MHz, insbesondere 25 MHz. Dadurch lässt sich Energie einsparen, lassen sich Störungen anderer Prozesse vermeiden und gegenüber breitbandigen Verfahren einfache Bauteile nutzen. Advantageously, the bandwidth of the signals never exceeds 50 MHz, in particular 25 MHz. As a result, energy can be saved, disruptions to other processes can be avoided and simple components can be used compared to broadband methods.
Vorteilhafterweise werden die Signale über mehrere Antennenpfade übertragen, insbesondere mit mehreren Antennen, insbesondere nacheinander, am sendenden Objekt gesendet und/oder mit mehreren Antennen am empfangenen Objekt empfangen. The signals are advantageously transmitted via a number of antenna paths, in particular with a number of antennas, in particular one after the other, sent at the transmitting object and/or received with a number of antennas at the receiving object.
Bevorzugt sendet das erste und/oder dritte Objekt die Signale auf mehreren Frequenzen nacheinander und/oder aufeinanderfolgend, insbesondere unmittelbar
aufeinanderfolgend und/oder senden erstes und drittes Objekt abwechseln aufeinanderfolgend. The first and/or third object preferably transmits the signals on a plurality of frequencies one after the other and/or consecutively, in particular immediately consecutively and/or send first and third objects alternately consecutively.
Die Berechnung des Abstandes erfolgt beispielsweise wie folgt: For example, the distance is calculated as follows:
Die am zweiten Objekt gemessenen Phasen/Amplituden vom ersten Objekt abhängig von der Trägerfrequenz werden um den erwarteten/berechneten Fehler aus der bekannten Zeitverschiebung zwischen den Objekten und Zeitdrift der beiden Systemuhren der Objekte korrigiert. Dann können diese Werte z.B. über eine FFT ausgewertet werden. Auch können Vektoren aufgebaut werden (z.B. für verschiedene Antennenpfade), aus denen eine Autokorrellationsmatrix (AKM) erzeugt und in dieser AKM mit hochauflösenden Verfahren, wie MUSIC oder CAPON, nach den Entfernungen gesucht werden. The phases/amplitudes of the first object measured on the second object as a function of the carrier frequency are corrected by the expected/calculated error from the known time shift between the objects and the time drift of the two system clocks of the objects. Then these values can be evaluated e.g. via an FFT. Vectors can also be set up (e.g. for different antenna paths) from which an autocorrelation matrix (AKM) is generated and the distances searched for in this AKM using high-resolution methods such as MUSIC or CAPON.
Unter der Prämisse des phasenkohärenten Frequenzumschaltens bei erstem und drittem Objekt kann wie folgt gearbeitet werden, ansonsten verkompliziert sich die Berechnung etwas: On the premise of phase-coherent frequency switching for the first and third objects, one can work as follows, otherwise the calculation becomes somewhat complicated:
Insbesondere nach Ermittlung der genauen Zeitdifferenzen und Zeitdrift zwischen dem dritten und ersten Objekt und zwischen dem zweiten und dritten Objekt kann für einen begrenzten Zeitraum (z.B. 100ms) zu jeder Zeit die ausreichend genaue Zeitdifferenz zwischen erstem und zweitem Objekt berechnet werden. In particular after determining the precise time differences and time drift between the third and first object and between the second and third object, the sufficiently precise time difference between the first and second object can be calculated at any time for a limited period of time (e.g. 100 ms).
Am zweiten Objekt werden die IQ Werte bzw. Phasen/Amplituden auf mindestens 2 (bis zu n) Frequenzen (F0 bis Fn) eines Signals des ersten Objekts bestimmt. The IQ values or phases/amplitudes of at least 2 (up to n) frequencies (F0 to Fn) of a signal from the first object are determined on the second object.
Am zweiten Objekt werden insbesondere die IQ Werte bzw. Phasen/Amplituden auf mindestens 2 (bis zu n) Frequenzen (F0' bis Fn') eines Signals des mindestens einen dritten Objekts bestimmt. In particular, the IQ values or phases/amplitudes at at least 2 (up to n) frequencies (F0′ to Fn′) of a signal of the at least one third object are determined on the second object.
Sind dazu beispielswiese die Umschaltzeitpunkte zwischen den Frequenzen F0 bis Fn' und/oder F0 bis Fn und/oder deren zeitliche Relation bekannt, kann das zweite Objekt auf Grund der Zeitsynchronisation zumindest mit dem dritten Objekt die Umschaltzeiten zwischen den Frequenzen in F0' bis Fn' bestimmt
werden. Werden dann die Zeiten des Empfangs des Umschaltens gemessen, so lassen sich daraus direkt Laufzeiten, insbesondere Pulslaufzeiten (ToF), bestimmen. If, for example, the switching times between the frequencies F0 to Fn' and/or F0 to Fn and/or their chronological relationship are known, the second object can record the switching times between the frequencies in F0' to Fn' at least with the third object due to the time synchronization definitely will. If the times of reception of the switchover are then measured, transit times, in particular pulse transit times (ToF), can be determined directly from this.
Durch die Umschaltung mit bekanntem oder ohne Phasensprung lässt sich aber auch die Frequenzverschiebung durch den Frequenzwechsel direkt messen. Dies gilt sowohl für die Signale des ersten als auch des mindestens einen dritten Objekts, die am zweiten Objekt empfangen werden. Bereits allein dadurch kann das zweite Objekt sowohl die Entfernung phasenbasiert (phase based ranging, PBR) zum ersten als auch zum mindestens einen dritten Objekt bestimmen, beispielsweise mittels However, by switching with a known or without a phase jump, the frequency shift due to the frequency change can also be measured directly. This applies both to the signals from the first object and from the at least one third object, which are received at the second object. This alone allows the second object to determine both the distance on a phase-based basis (phase based ranging, PBR) to the first and to the at least one third object, for example by means of
Entfernung = dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) / 2Pi / dFrequenz(f 1 ,f2) * c mit c gleich der Lichtgeschwindigkeit und dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) gleich der gemessenen Phasenveränderung am Empfänger durch die Frequenzänderung von f1 nach f2, korrigiert um den Phasensprung am Sender beim Umschalten von f1 nach f2 und dFrequenz(f1 ,f2) gleich der Differenz zwischen den Frequenzen f1 und f2 Distance = dphase shift(f 1 ,f2) / 2Pi / dfrequency(f 1 ,f2) * c where c equals the speed of light and dphase shift(f 1 ,f2) equals the measured phase change at the receiver due to the frequency change from f1 to f2 corrected by the phase jump at the transmitter when switching from f1 to f2 and dFrequenz(f1 ,f2) equal to the difference between the frequencies f1 and f2
Weisen die Umschaltzeitpunkte des ersten und des mindestens einen dritten Objekts eine ableitbare, erkennbare, kommunizierte und/oder vorbestimmte zeitliche Beziehung auf, was bevorzugt wird, können dadurch weitere Informationen zur Verbesserung der Messung gewonnen werden. Sind dem mindestens zweiten Objekt beispielsweise die Umschaltzeitpunkte zwischen Frequenzen des mindesten einen dritten Objekts bekannt und/oder werden ihm diese bekannt gemacht, was bevorzugt wird, so kann es aus der Relation der Umschaltzeitpunkte die Umschaltzeitpunkte der Frequenzen des ersten Objekts, zumindest in Abhängigkeit der Entfernung zwischem ersten und mindestens einem dritten Objekt bestimmen, was zu einer weiteren Verbesserung führt. If the switching times of the first and the at least one third object have a derivable, recognizable, communicated and/or predetermined time relationship, which is preferred, further information for improving the measurement can be obtained as a result. If the at least second object knows, for example, the switching times between frequencies of the at least one third object and/or if this is made known to it, which is preferred, it can determine the switching times of the frequencies of the first object from the relation of the switching times, at least as a function of the distance between the first and at least a third object, which leads to a further improvement.
Sind dem mindestens zweiten Objekt beispielsweise die Umschaltzeitpunkte zwischen Frequenzen des ersten Objekts bekannt und/oder werden ihm diese
bekannt gemacht, was bevorzugt wird, so kann es direkt die Laufzeit, insbesondere Pulslaufzeit (ToF) des Signals vom ersten zum zweiten Objekt und damit die Entfernung bestimmen. Aber auch allein schon auf Grund der Frequenzumschaltung der Abstrahlung der Signale des ersten Objekts ohne oder mit einem bekannten Phasensprung, kann die Entfernung durch das zweite Objekt direkt bestimmt werden, beispielsweise wie oben dargelegt mittels: For example, if the at least second object is aware of the switchover times between frequencies of the first object and/or if they become aware of them made known, which is preferred, it can directly determine the transit time, in particular pulse transit time (ToF) of the signal from the first to the second object and thus the distance. However, the distance through the second object can also be determined directly simply because of the frequency switching of the emission of the signals from the first object with or without a known phase jump, for example, as explained above, using:
Entfernung = dPhasenverschiebung (f 1 ,f2) / 2Pi / dFrequenz(f 1 ,f2) * c distance = dphase shift(f 1 ,f2) / 2Pi / dfrequency(f 1 ,f2) * c
Die gemessenen Phasenverschiebungen können zur Erhöhung der Genauigkeit auf die Zeitunterschiede und Frequenzunterschiede (inkl. Drift) angepasst werden. Dabei reicht es aus, die Drift näherungsweise zu berücksichtigen. Diese zu bestimmen ist aus dem Stand der Technik bekannt und kann beispielsweise durch Bestimmung der Zeitdifferenzen zu verschiedenen Zeiten erfolgen, beispielsweise vor und nach dem Signalaustausch für die Entfernungsmessung. The measured phase shifts can be adjusted to the time differences and frequency differences (incl. drift) to increase the accuracy. It is sufficient to consider the drift approximately. Determining this is known from the prior art and can be done, for example, by determining the time differences at different times, for example before and after the signal exchange for the distance measurement.
Im Allgemeinen kann aber durch ein Gleichungssystem die Zeitsynchronisation und die Abstandsberechnung gemeinsam erfolgen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass Phasenkohärent bzw. unter Kenntnis des Phasensprungs geschaltet wird.In general, however, the time synchronization and the distance calculation can be carried out together using a system of equations. This is made possible by switching in a phase-coherent manner or with knowledge of the phase jump.
Um beispielsweise Multipathing aufzulösen, können die einzelnen Phasen mit den zugehörigen gemessenen Amplituden als komplexen Werte beispielsweise in eine Fouriertransformation gegeben werden oder über super resolution Verfahren, wie MUSIC oder CAPON, in Matrizen eine Spektralschätzung vorgenommen werden. In order to resolve multipathing, for example, the individual phases with the associated measured amplitudes can be entered as complex values in a Fourier transformation, for example, or a spectral estimation can be carried out in matrices using super-resolution methods such as MUSIC or CAPON.
Fig. 1 zeigt rein exemplarisch und nur schematisch und nicht beschränkend ein Auto mit darin angeordneten mehreren zweiten Objekten (2) und einem dritten Objekt (3) sowie ein als Keyfob ausgebildetes erstes Objekt (1 ). Bei der Ausführung des Verfahrens werden die Abstände jeweils zwischen erstem und jedem zweiten Objekt bestimmt. Erfolgt die Zeitsynchronisation zwischen drittem und zweitem Objekt beispielsweise kabelgebunden können die zweiten Objekte ohne Sender ausgebildet sein und somit passiv oder nicht ortbar sein.
Ein Beispiel bei dem mindestens zwei Ankern (A1 An) und einem Schlüssel (Key) kann wie folgt aussehen. Dabei sind zwei der Anker aus A1 bis An Zweit- und Drittobjekt 1 shows, purely by way of example and only schematically and without limitation, a car with a number of second objects (2) and a third object (3) arranged therein, as well as a first object (1) designed as a keyfob. When the method is carried out, the distances between the first and every second object are determined. If the time synchronization between the third and the second object takes place, for example, by cable, the second objects can be designed without a transmitter and can therefore be passive or not locatable. An example with at least two anchors (A1 An) and a key (Key) can look like this. Two of the anchors from A1 to An are second and third objects
Mindestens ein Paar Anker aus A1 bis An, darunter Zweit- und Drittobjekt, insbesondere die Paare erstes Objekt/zweites Objekt und erstes Objekt/drittes Objekt, tauschen Erst-, Zweit- und/oder Drittobjektsignale, auf verschiedenen Frequenzen (zum Beispiels 20 bis 50 Frequenzen) und schalten zwischen den Frequenzen zumindest Paarweise phasensynchron oder so, dass der Phasensprung bekannt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass er an den Partner übermittelt wird. At least one pair of anchors from A1 to An, including second and third objects, in particular the first object/second object and first object/third object pairs, exchange first, second and/or third object signals, at different frequencies (e.g. 20 to 50 Frequencies) and switch between the frequencies at least in pairs in phase synchronism or in such a way that the phase jump is known. This can be done, for example, by transmitting it to the partner.
Zudem sendet einer der Objekte jedes Paares bevorzugt die gemessenen Phasen an zumindest den anderen aus dem Paar oder eine zentrale Stelle, beispielsweise sendet Drittobjekt seine Phasenmessungen an Erstobjekt, dies kann per Funk und/oder Kabelbasiert erfolgen. In addition, one of the objects in each pair preferably sends the measured phases to at least the other of the pair or to a central location, for example the third object sends its phase measurements to the first object, this can be done by radio and/or cable-based.
Key, also Erstobjekt, und Zweitobjekt tauschen Erst- und Zweitobjektsignale auf mehreren verschiedenen Frequenzen (beispielsweise im Bereich von 20 bis 100 Frequenzen) aus und schalten zwischen den Frequenzen zumindest Paarweise phasensynchron oder so, dass der Phasensprung bekannt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass er an den Partner übermittelt wird. Key, i.e. first object, and second object exchange first and second object signals at several different frequencies (e.g. in the range of 20 to 100 frequencies) and switch between the frequencies at least in pairs in phase synchronization or in such a way that the phase jump is known. This can be done, for example, by transmitting it to the partner.
Key sendet seine Phasenmessungen an Erstobjekt. Nun kann das Erstobjekt die Zeitsynchronisation zwischen Erstobjekt und Key und die Entfernung zwischen Erstobjekt und Key berechnen. Gibt das Erstobjekt seine Messungen und/oder die des Keys auch an das Drittobjekt weiter, kann auch das Drittobjekt eine Zeitsynchronisation und eine Entfernungsberechnung seiner Entfernung zum Key durchführen. Key sends its phase measurements to FirstObject. Now the firstobject can calculate the time synchronization between firstobject and key and the distance between firstobject and key. If the first object also passes on its measurements and/or those of the key to the third object, the third object can also carry out time synchronization and a distance calculation of its distance from the key.
Dies kann mit beliebig vielen Drittobjekten durchgeführt werden. Insbesondere weisen dabei das Zweit- und das mindestens eine Drittobjekt eine feste räumliche Anordnung zueinander auf, während der Key dazu mobil ist. Dadurch kann
die Zeitsynchronisation und die Abstandsbestimmung zwischen Zweit- und Dritt- objekte(n) stetig verbessert werden. This can be done with any number of third-party objects. In particular, the second object and the at least one third object have a fixed spatial arrangement in relation to one another, while the key for this is mobile. This can the time synchronization and the determination of the distance between the second and third object(s) are constantly being improved.
Dabei ist es mathematisch egal wann die einzelnen Signale gesendet werden, insbesondere können die Signale, die A1 mit Key austauscht auch von A2 für die Zeitsynchronisation genutzt werden. Mathematically, it doesn't matter when the individual signals are sent. In particular, the signals that A1 exchanges with Key can also be used by A2 for time synchronization.
Es ist sogar ausreichend, wenn nacheinander die Objekte/Anker (Erst-, Zweit- und Drittobjekt(e)) jeweils paarweise einen normalen Toneexchange und/oder Hopping zum Ranging, insbesondere jeweils mit dem Key (Erstobjekt), durchführen und dabei phasenkohärent oder mit bekanntem Phasensprung die Frequenz wechseln. Damit sind insgesamt Töne genug gesendet und gehört, um zwischen ALLEN Partnern (jeweils zwischen Key und jedem der Anker) neben der Entfernungsbestimmung auch eine Zeitsynchronisation zu berechnen. It is even sufficient if the objects/anchors (first, second and third object(s)) carry out a normal tone exchange and/or hopping for ranging in pairs one after the other, in particular with the key (first object), and in doing so in a phase-coherent manner or with known phase jump change the frequency. In total, enough tones are sent and heard to calculate a time synchronization between ALL partners (between the key and each of the anchors) in addition to determining the distance.
Dadurch dass bei einem Signalaustausch in einem Paar von Objekten, die anderen Objekte mithören und die Phasenänderungen bei Frequenzänderungen des Senders messen können, können sie auch in der Zeit, in der sie passiv sind, ihre Zeitsynchronisation und/oder Entfernungsbestimmung zu den Objekten des aktuell den Signalaustausch durchführenden Objekten verbessern.
Due to the fact that when a signal is exchanged in a pair of objects, the other objects can listen in and measure the phase changes when the frequency of the transmitter changes, they can also determine their time synchronization and/or distance determination to the objects of the currently Improve signal exchange performing objects.