ES2589653T3 - Procedimiento para calibrar un sistema de localización basado en el tiempo de propagación - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la calibración apoyada por ordenador de un sistema de localización basado en el tiempo de propagación, pudiendo determinarse en el sistema de localización mediante la captación de magnitudes basadas en el tiempo de propagación (RTT) de varias estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4) de una red de radio la posición de un objeto móvil (0) en un entorno predeterminado, representando la magnitud basada en el tiempo de propagación (RTT) de la estación de base respectiva (AP1, AP2, ..., AP4) el tiempo de propagación de señales entre una unidad de radio del objeto móvil (0) y la respectiva estación de base (AP1, AP2, ..., AP4), caracterizado porque a) el objeto móvil (0) es desplazado en el entorno predeterminado y se captan a la vez en una pluralidad de instantes de medida las magnitudes basadas en el tiempo de propagación (RTT) de las correspondientes estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4), b) el valor mínimo (min) de las magnitudes basadas en el tiempo de propagación (RTT) de la correspondiente estación de base (AP1, AP2, ..., AP4) se asocia a una distancia mínima predeterminada (dmin) del objeto móvil (0) a la correspondiente estación de base (AP1, AP2, ..., AP4) y el valor máximo (max) de las magnitudes basadas en el tiempo de propagación (RTT) de la correspondiente estación de base (AP1, AP2, ..., AP4) se asocia a una distancia máxima predeterminada (dmax) del objeto móvil (0) a la correspondiente estación de base (AP1, AP2, ..., AP4) correspondiente, c) para la correspondiente estación de base (AP1, AP2, ..., AP4) se realiza la escalación de una dependencia predeterminada entre las distancias (d) del objeto móvil (0) a la correspondiente estación de base (AP1, AP2, ..., AP4) y las magnitudes basadas en el tiempo de propagación (RTT) de la estación de base respectiva (AP1, AP2, ..., AP4), la asociación del valor mínimo (min) a la distancia mínima (dmin) y del valor máximo (max) a la distancia máxima (dmax), sirviendo la dependencia escalada (f(d)) en la determinación de la posición del objeto móvil (0) para determinar las distancias (d) del objeto móvil (0) a las estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4) a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagación (RTT).

Description

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PROCEDIMIENTO PARA CALIBRAR UN SISTEMA DE LOCALIZACION BASADO EN EL TIEMPO DE

PROPAGACION

DESCRIPCION

La invencion se refiere a un procedimiento para calibrar un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion, asf como a un sistema de localizacion correspondiente.

Por el estado de la tecnica se conocen diversos procedimientos y sistemas para localizar objetos moviles en base a las senales transmitidas de forma inalambrica. En particular existen procedimientos basados en la intensidad de campo, en los que mediante la intensidad de campo de senales de radio o senales de conmutacion intercambiadas entre un objeto movil y diversas estaciones de base se determina la ubicacion del objeto movil. Ademas, se conocen los llamados procedimientos basados en el tiempo de propagacion, en los que mediante tiempos de propagacion de senales entre las respectivas estaciones de base y el objeto, se determina su posicion.

Para determinar la posicion exacta deben calibrarse adecuadamente los sistemas de localizacion. Por lo general, una calibracion se lleva a cabo de tal manera que el objeto movil se coloca en una pluralidad de posiciones conocidas y se mide la intensidad de campo correspondiente en la posicion respectiva. De esta manera se obtiene un mapa con las intensidades de campo correspondientes medidas en una pluralidad de puntos, en el que al realizar la localizacion puede determinarse entonces la posicion comparando las mediciones realizadas en ese momento con los valores correspondientes en el mapa. Estos procedimientos de calibracion manual son complejos y deben ser realizados por expertos, porque el objeto movil tiene que ser colocado en posiciones predeterminadas durante la calibracion. Por el estado de la tecnica se conocen tambien procedimientos de calibracion automaticos, pero estos procedimientos son muy costosos y utilizan algoritmos complejos.

El documento DE 10 2006 045 350 A1 describe un procedimiento para determinar la distancia entre nodos de red en una red de comunicacion, en el que para una pluralidad de distancias ya conocidas entre un nodo de red emisor y un nodo de red receptor se determinan tiempos totales de propagacion de senales de ida y de retorno transmitidas y recibidas y a partir de ello se determina una relacion entre el tiempo total de propagacion y la distancia.

En las publicaciones Bahillo A. y colab. "IEEE 802.11 Distance Estimation Based on RTS / CTS Two Frame Exchange Mechanism” (Estimacion de distancia basada en RTS/CTS Mecanismo de Intercambio de doble trama), 69a Conferencia de Tecnologfa Vehicular del IEEE 2009; 26-29 de abril 2009, Barcelona, Espana, IEEE, Piscataway, NY, EE.UU, 26 de abril de 2009 (2009-04-26), paginas 1-5, e Izquierdo F. y colab. “Performance evaluation of a TOA-based trilateration method to locate terminals in WLAN” (Evaluacion del funcionamiento de un procedimiento de trilateracion basado en TOA para localizar terminales en WLAN), Simposio Internacional sobre Wireless Pervasive Computing (computacion generalizada inalambrica), xX, XX, vol. 2006, 16 de enero 2006 (2006-01-16), paginas 1-6, se describen procedimientos de localizacion que determinan la distancia de un objeto movil a estaciones de base en una red WLAN mediante la determinacion de tiempos de propagacion de senales de radio.

El objetivo de la invencion es lograr un procedimiento sencillo y de implementacion rapida para calibrar un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion.

Este objetivo se logra mediante el procedimiento segun la reivindicacion 1 y/o la reivindicacion 10 y/o mediante el sistema de localizacion segun la reivindicacion 16. Otros perfeccionamientos de la invencion se definen en las reivindicaciones dependientes.

En el procedimiento segun la invencion se calibra un sistema de localizacion en el puede determinarse la posicion de un objeto movil en un entorno predeterminado mediante la captacion de magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de varias estaciones de base de una red de radio. La magnitud basada en el tiempo de propagacion de la respectiva estacion de base representa entonces el tiempo de propagacion de senales entre una unidad de radio del objeto movil y la respectiva estacion de base. La magnitud basada en el tiempo de propagacion es por lo tanto una magnitud que puede ser el propio tiempo de propagacion o bien una magnitud que dependa de este tiempo de propagacion. El termino de estacion de base se ha de entender aqrn en sentido amplio y comprende cualquier unidad de radio en una red de radio que cuando se localiza el objeto movil esta estacionada en una posicion fija. Bajo unidad de radio en el sentido de la invencion ha de entenderse aqrn una unidad emisora y/o receptora en la correspondiente red de radio.

El sistema de localizacion a calibrar segun la invencion puede utilizarse tanto para determinar la posicion bidimensional de un objeto movil como tambien para determinar la posicion tridimensional. El entorno predeterminado en el que se lleva a cabo la localizacion puede adoptar diversas formas, pero

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preferiblemente debe ser convexo. Por ejemplo, el entorno predeterminado puede tener en una localizacion bidimensional forma rectangular y en una localizacion tridimensional forma de paralelep^pedo. En una variante preferente estan dispuestas ademas las distintas estaciones de base en el borde de un entorno predeterminado.

En una primera variante del procedimiento segun la invencion se mueve en una etapa a) el objeto movil en el entorno predeterminado, captandose durante este movimiento en una pluralidad de instantes de medicion las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de las estaciones de base respectivas. Al respecto no tienen que conocerse las posiciones del objeto movil en los correspondientes instantes de medicion. En una etapa b) se asocia al respecto el valor mmimo de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de una estacion de base correspondiente a una distancia minima predeterminada del objeto movil a la estacion de base respectiva. Analogamente se asocia tambien el valor maximo de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de una estacion de base respectiva a una distancia maxima predeterminada del objeto movil a la estacion de base respectiva. Por lo tanto en el procedimiento se sabe de antemano por el entorno predeterminado que distancias mmimas y maximas puede tomar un objeto movil a las estaciones de base individuales mientras se mueve en el entorno.

En una etapa c) se realiza en el procedimiento segun la invencion la escalacion para una estacion de base respectiva de una dependencia predeterminada entre las distancias del objeto movil a la estacion de base respectiva y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de la estacion de base respectiva basandose en la asociacion realizada en la etapa b) del valor mmimo a la distancia minima y del valor maximo a la distancia maxima. Es decir, en el procedimiento se parte de antemano de una dependencia (no escalada) entre las distancias y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion, adaptandose en el marco de la invencion la dependencia (la funcion) tal que a la distancia minima da como resultado el correspondiente valor mmimo asignado de la magnitud basada en el tiempo de propagacion y a la distancia maxima da como resultado el valor maximo correspondiente asignado de la magnitud basada en el tiempo de propagacion. La funcion escalada asf determinada se utiliza entonces en una determinacion de la posicion del objeto movil para determinar las distancias del objeto movil a las estaciones de base a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion.

En el marco de la invencion, se aprovecha el conocimiento de que existe una evolucion de la curva independiente del entorno de localizacion actual, que describe la relacion entre la distancia del objeto movil a una estacion de base y la magnitud basada en el tiempo de propagacion. Esta funcion predeterminada puede determinarse aqu de antemano para cada estacion de base, por ejemplo ya durante la fabricacion de la estacion de base. Mediante una escalacion adecuada de esta dependencia (funcion) resulta posible a continuacion una calibracion sencilla, en la que no tiene que conocerse la posicion del objeto movil en los instantes de medida el los que se registran las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion.

En una forma de realizacion particularmente preferida del procedimiento segun la invencion, la dependencia predeterminada se da como una dependencia funcional con uno o varios parametros libres, adaptandose en la escalacion los parametros libres a la asignacion del valor mmimo a la distancia minima y del valor maximo a la distancia maxima. Por ejemplo puede describirse la funcion de la dependencia mediante una ecuacion lineal, en la que la pendiente y el desplazamiento en la direccion de las ordenadas no se conocen. Con la ayuda de la asignacion de las distancias maxima y minima correspondientes a los respectivos valores maximos y mmimos, pueden determinarse entonces la pendiente y el desplazamiento, a partir de lo cual se obtiene una ecuacion lineal inequvoca, que entonces representa una funcion escalada en el sentido de la invencion.

La dependencia predeterminada entre las distancias y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de una estacion de base dada se puede configurar como se desee, pudiendo representarse en particular la misma lineal o logantmicamente o estar representada por un polinomio. La funcion puede por ejemplo estar determinada a partir de una pluralidad de magnitudes basadas en el tiempo de propagacion medidas a distancias conocidas de un objeto movil a una estacion de base por medio de una aproximacion de una funcion a los valores medidos, por ejemplo mediante una interpolacion.

Para asegurar con el procedimiento segun la invencion una determinacion de posicion precisa e inequvoca, se determinan con preferencia las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de al menos tres estaciones de base. Cuanto mas estaciones de base se utilicen en el procedimiento, mas preciso sera el procedimiento y para las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion se puede comprobar opcionalmente la plausibilidad una frente a otra.

En otra forma de realizacion especialmente preferida se utilizan como magnitud basada en el tiempo de propagacion los tiempos de ida y de retorno de las senales de la estacion de base a la unidad de radio del objeto movil y desde alli de retorno a la estacion de base. Es decir, una magnitud basada en el tiempo de propagacion corresponde al espacio de tiempo que transcurre desde la emision de una senal de peticion de la estacion de base respectiva a la unidad de radio del objeto movil hasta la recepcion en la estacion

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de base correspondiente de una senal de respuesta emitida por la unidad de radio como respuesta a la senal de peticion.

En el procedimiento segun la invencion pueden utilizarse cualquiera de los estandares conocidos para la red de radio. Por ejemplo puede basarse la red de radio en un estandar de WLAN, es decir, en un estandar de la familia IEEE 802.11, o en un estandar RFID (RFID = Radio Frequency Identification, Identificacion de frecuencia de radio). En este ultimo estandar representa una estacion de base en particular un aparato lector correspondiente, que emite senales a un transpondedor RFID en el objeto movil y las recibe del mismo.

En una forma de realizacion especialmente preferida del procedimiento segun la invencion, la calibracion se lleva a cabo de forma iterativa durante el movimiento del objeto, complementandose en cada etapa de iteracion la pluralidad de instantes de medicion en los instantes de medicion anadidos desde la ultima etapa de medicion con magnitudes basadas en el tiempo de propagacion correspondientemente detectadas y realizandose sobre la base de la nueva pluralidad de puntos de medida resultante las etapas b) y c) antes descritas, realizandose la etapa c) en particular solo cuando resulta un nuevo valor maximo o mmimo en comparacion con la ultima etapa de iteracion. No obstante, dado el caso existe tambien la posibilidad de que primeramente se midan solo las correspondientes magnitudes basadas en el tiempo de propagacion durante el movimiento del objeto movil en el entorno predeterminado y solo a continuacion se realicen basandose en las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion las etapas b) y c).

Ademas del procedimiento de calibracion antes descrito, la invencion incluye un procedimiento para localizar un objeto movil con un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion, calibrandose el sistema de localizacion con el procedimiento correspondiente a la invencion y utilizandose la funcion escalada determinada durante la calibracion para determinar la posicion del objeto movil para la determinacion de las distancias del objeto movil a las estaciones de base a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion. La determinacion de la posicion se realiza entonces por ejemplo mediante multilateracion (por ejemplo trilateracion) en base a las distancias determinadas del objeto movil a las estaciones de base. Igualmente puede utilizarse el procedimiento para determinar la posicion descrito en la solicitud de patente alemana con el num. 10 2008 004 257.9 o bien el descrito en la solicitud PCT PCT/EP2008 068162. Preferiblemente este procedimiento se combina con el procedimiento de calibracion iterativo antes descrito de tal manera que durante la calibracion se realiza una determinacion de la posicion del objeto movil para al menos una parte de los instantes de medicion con ayuda de la funcion escalada determinada en la etapa de iteracion actual. De esta manera puede realizarse en paralelo a la calibracion al mismo tiempo tambien una localizacion.

El objetivo de la invencion mencionado al principio se consigue segun una segunda variante del procedimiento segun la invencion por medio de una calibracion en una posicion predeterminada dentro del entorno predeterminado. En este caso se mueve el objeto movil hasta la posicion predeterminada en el entorno, conociendose en la posicion predeterminada las distancias del objeto movil a las estaciones de base y siendo al menos en parte diferentes. Entonces se captan en la posicion predeterminada las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de las respectivas estaciones de base. Por ultimo, se determina en base a la magnitudes basadas en el tiempo de propagacion captadas y a las distancias conocidas del objeto movil a las estaciones de base respectivas, una dependencia entre las distancias del objeto movil a una estacion de base respectiva y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de la estacion de base respectiva, utilizandose la dependencia en la determinacion de la posicion del objeto movil para determinar las distancias del objeto movil a las estaciones de base a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion.

Esta variante de la invencion tiene la ventaja particular de que puede lograrse una calibracion sencilla mediante solo un proceso de medicion en una unica posicion previamente conocida. En esta variante, se supone que las distintas estaciones de base tienen las mismas caractensticas en terminos de una dependencia identica entre las distancias del objeto movil a la estacion de base y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion. De esta manera puede determinarse una unica funcion (dependencia) mediante magnitudes basadas en el tiempo de propagacion medidas de diversas estaciones de base para varias distancias diferentes. La dependencia es entonces preferiblemente una funcion determinada mediante aproximacion (por ejemplo, interpolacion), que discurre a traves de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion a las distancias conocidas del objeto movil a las estaciones de base respectivas.

En analogfa con la primera variante, preferiblemente se utilizan tambien en la segunda variante al menos tres estaciones de base para la localizacion. Del mismo modo se utilizan como magnitudes basadas en el tiempo de propagacion en particular los tiempos de ida y de retorno de senales desde la estacion de base al objeto movil y de vuelta. Tambien se utiliza como red de radio preferiblemente una red de radio basada en un estandar WLAN o RFID.

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Ademas del procedimiento de calibracion que se acaba de describir segun una segunda variante de la invencion, se refiere la invencion a un procedimiento para localizar un objeto movil, en el que el sistema de localizacion se calibra con el procedimiento que se acaba de describir y en el que se utiliza la dependencia determinada en la calibracion para determinar la posicion del objeto movil para determinar las distancias del objeto movil a las estaciones de base a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion.

Ademas del procedimiento antes descrito, incluye la invencion un sistema de localizacion con una unidad de captacion y evaluacion, con el que mediante la captacion de magnitudes basadas en el tiempo de propagacion de varias estaciones de base de una red de radio puede determinarse la posicion del objeto movil en un entorno predeterminado, representando la magnitud basada en el tiempo de propagacion de la respectiva estacion de base el tiempo de propagacion de senales entre la unidad de radio del objeto movil y la correspondiente estacion de base. Al respecto esta configurada la unidad de captacion y evaluacion tal que con ella puede realizarse el procedimiento correspondiente a la invencion segun cualquiera de las variantes antes descritas.

A continuacion se describen en detalle ejemplos de ejecucion de la invencion en base a las figuras adjuntas.

Se muestra en:

figura 1 una vista en planta de un entorno con una pluralidad de estaciones de base, en el que se puede realizar una localizacion segun una forma de realizacion del procedimiento correspondiente a la invencion;

figura 2 una representacion esquematica que ilustra la determinacion de una magnitud basada en el tiempo de propagacion segun una forma de realizacion de la invencion; figura 3 un diagrama que muestra un ejemplo de una dependencia entre las distancias de una estacion de base a un objeto movil y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion; figura 4 un diagrama analogo al de la figura 3, en el que se ilustra la determinacion de una posicion actual de un objeto movil; y

figura 5 una interfaz de usuario que visualiza la determinacion de la posicion de un objeto movil para un usuario en una forma de realizacion de un sistema de localizacion segun la invencion.

A continuacion se describiran formas de realizacion del procedimiento segun la invencion en base al ejemplo de un sistema de localizacion para la determinacion de la posicion bidimensional de un objeto movil en un entorno cerrado dentro de un edificio. La figura 1 muestra en vista en planta un ejemplo de un tal entorno en forma de un espacio cuadrado o una sala cuadrada. El entorno de la figura 1 puede ser por ejemplo un aparcamiento dentro de un edificio y las longitudes de los lados del entorno cuadrado pueden ser por ejemplo de 100 m. En cada esquina del entorno esta prevista una estacion de base de una red de radio. Estas estaciones de base se designan en la figura 1 con las referencias AP1, AP2, AP3 y AP4. Las estaciones de base estan dispuestas fijas en el entorno y envfan y/o reciben senales segun un estandar de radio. Como estandar de radio se consideran al respecto en particular normas sobre la capa MAC del modelo de referencia OSI, por ejemplo un estandar WLAN o RFID. Opcionalmente pueden realizarse tambien cualesquiera otros estandares. El factor decisivo es mas bien que el alcance de las senales de las estaciones de base sea tal que puedan recibirse las senales de objetos moviles dentro del entorno.

En el escenario de la figura 1 se representa ademas esquematicamente un objeto movil 0 que se mueve en el entorno, que tiene una unidad de radio correspondiente, que opera segun la misma norma que las estaciones de base AP1 a AP4. El objeto movil puede ser aqrn por ejemplo un equipo portatil (por ejemplo un PDA o un telefono movil), que tiene una interfaz inalambrica correspondiente para la comunicacion con las estaciones de base. El objeto movil puede moverse de cualquier forma dentro del entorno cuadrado. Para implementar el procedimiento segun la invencion, se conocen las dimensiones del entorno, de modo que se puede calcular previamente la distancia maxima del objeto movil a cada una de las estaciones de base. Del mismo modo se conoce la distancia minima del objeto movil a cada una de las estaciones de base, pudiendose suponer por ejemplo que esta distancia es tfpicamente de entre 1 m y 2 m, puesto que las estaciones de base usualmente se instalan aproximadamente a entre 2 m y 3 m por encima del suelo.

En una primera variante del procedimiento segun la invencion se mueve el objeto movil de forma continua dentro del entorno predeterminado y se determinan entonces a intervalos de tiempo regulares magnitudes basadas en el tiempo de propagacion basadas en las senales de las estaciones de base y/o de la unidad de radio del objeto movil. Con ayuda de estas magnitudes puede calibrarse entonces un sistema de localizacion para determinar la posicion del objeto dentro del entorno, tal como se describira con mayor detalle a continuacion. Como magnitud basada en el tiempo de propagacion se mide para las distintas estaciones de base, en las formas de realizacion aqrn descritas, el llamado "Round-Trip-Time" (en adelante tambien conocido como tiempo de ida y de vuelta o RTT), que se determina en base a un proceso de ping-pong representado esquematicamente en la figura 2. En la figura 2 se representa al respecto en direccion vertical el eje del tiempos, mostrando la lmea vertical izquierda AP los eventos en

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una de las estaciones de base y la lmea vertical derecha 0 los eventos en el objeto movil. Para determinar el tiempo de ida y de retorno env^a una estacion de base en el instante T1 un paquete de datos, que se recibe en la unidad de radio del objeto movil en el instante T2. El paquete de datos representa entonces un paquete de peticion utilizado en el correspondiente estandar de radio, que es contestado por el objeto movil con un paquete de respuesta en forma de un acuse de recibo (acknowledgement). Hasta el envfo de un paquete de respuesta, el objeto movil necesita un tiempo de procesamiento predeterminado, que en la figura 2 se conoce como PD (PD = Processing Delay, retardo de procesamiento). Despues del procesamiento, se envfa en el instante T3 mediante la unidad de radio del objeto movil el paquete de respuesta, que se recibe en el instante T4 de nuevo en la correspondiente estacion de base. Por medio de la marca de tiempo correspondiente de los paquetes puede entonces determinarse el tiempo de recorrido RTT = T4 - Tl. Puesto que las senales se mueven aproximadamente con la velocidad de la luz c, puede determinarse en principio y bajo condiciones ideales, conociendose el tiempo de procesamiento pD, la distancia d entre la estacion de base y el objeto movil de la siguiente manera:

d = c-(T4-T\-PD)/2 (1)

El tiempo de procesamiento PD es aqrn sustancialmente mayor que el tiempo de recorrido de la senal. Ademas el tiempo de procesamiento puede depender fuertemente de los componentes de hardware utilizados en la unidad de radio del objeto movil. En particular, el tiempo de procesamiento de los componentes de hardware de diferentes fabricantes suele ser diferente e incluso entre diferentes modelos del mismo fabricante resultan distintos tiempos de procesamiento. Por esta razon es diffcil la determinacion de la distancia entre el objeto movil y la estacion de base segun la formula anterior con componentes de hardware estandar. En las formas de realizacion descritas a continuacion del procedimiento segun la invencion, este inconveniente se elimina porque en la calibracion del sistema de localizacion y la determinacion de la posicion realizada a continuacion, el tiempo de procesamiento PD no tiene que ser conocido. Debe determinarse solamente el tiempo de ida y de vuelta RTT en la calibracion o la localizacion del objeto movil como magnitud de entrada.

A continuacion se describe primeramente una variante del procedimiento segun la invencion, en la que se realizan a la vez una calibracion y una localizacion del objeto movil. Se supone aqrn que el objeto movil se mueve durante bastante tiempo en el entorno predeterminado y que mientras asume con respecto a cada una de las estaciones de base una o mas veces posiciones en las que la distancia a la estacion de base respectiva es maxima y/o minima. En el movimiento del objeto movil se miden continuamente los correspondientes tiempos de recorrido RTT segun el antes citado proceso de ping-pong de cada una de las estaciones de base. En comparacion con el estado de la tecnica es ventajoso que durante la calibracion relativa a los instantes de medicion, en los que se mide RTT, no tiene que conocerse la posicion del objeto movil dentro del entorno. Por lo tanto, no tiene que realizar la calibracion personal especialmente adiestrado, que se mueva gradualmente a traves del entorno predeterminado y que se coloque con el objeto movil en posiciones predeterminadas conocidas, en las que se midan entonces los correspondientes tiempos RTT. En lugar de ello, puede darse el objeto movil a cualesquiera personas que se muevan durante mucho tiempo en el entorno predeterminado, discurriendo la calibracion automaticamente, sin que la correspondiente persona tenga que ser informada en absoluto al respecto.

Para implementar el procedimiento segun la invencion, se aprovecha el hecho de que existe una dependencia funcional entre la distancia del objeto movil a la estacion de base respectiva y el tiempo de ida y de retorno RTT. Esta dependencia ya se conoce previamente y no depende del entorno en el que estan instaladas las estaciones de base, pudiendo determinarse de antemano, por ejemplo en la fabrica en la que se fabrican las estaciones de base. La funcion (dependencia) correspondiente puede ser entonces diferente para cada una de las estaciones de base individuales. En particular, puede suponerse por ejemplo una relacion lineal entre la distancia d del objeto movil a la estacion de base y el correspondiente tiempo de recorrido RTT (vease la ecuacion (1)). Sin embargo, para conseguir resultados mas precisos, debe modelarse mejor la dependencia, ya que se ha demostrado en la practica que el tiempo de recorrido no siempre se comporta linealmente debido a reflexiones de la senal. En particular cuando las estaciones de base funcionan segun el estandar RFID, resulta una relacion logantmica entre la distancia d y el tiempo RTT.

La figura 3 muestra un ejemplo de una dependencia entre el tiempo de recorrido RTT y una distancia d de un objeto movil a una estacion de base. Las distancias d son entonces las distancias en el entorno bidimensional correspondiente en el que el objeto se mueve. Hay aqrn una distancia minima dmin y una distancia maxima dmax, pudiendo tomarse en el escenario de la figura 1 dmin = 0 m y d max = l0o m. Los correspondientes tiempos de propagacion en la posicion dmin y dmax se denominan en la figura 3 min y max. La evolucion del tiempo de propagacion RTT en funcion de la distancia d se designa con f(d). En la variante aqrn descrita de la invencion se conoce al comienzo de la calibracion para cada estacion de base una dependencia funcional no escalada entre d y RTT, es decir, que f(d) es una funcion con varios parametros aun no determinados y/o que han de adaptarse. Si se considera por ejemplo una funcion (dependencia) lineal, entonces f(d) = a * d + b, donde los parametros a y b todavfa no estan determinados y/o escalados y se determinan durante la calibracion que se describe a continuacion. f(d) tambien puede

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tener cualquier otra configuracion, pudiendo ser por ejemplo un polinomio determinado por interpolacion de mediciones llevadas a cabo anteriormente para determinar la relacion funcional entre d y RTT. Como ya se ha mencionado anteriormente, la relacion funcional entre d y RTT tambien puede estar descrita por una funcion logantmica.

El objeto movil 0 se mueve durante la calibracion en el entorno predeterminado. Para una pluralidad de puntos de medicion se capta entonces el tiempo de recorrido rTt para cada una de las estaciones de base y a partir de los valores captados se eligen continuamente el valor mmimo y el valor maximo de los tiempos de recorrido. Sobre la base de los valores maximos y mmimos actuales se realiza de manera adecuada la escalacion de la dependencia funcional f(d). La escalacion se lleva a cabo entonces de tal manera que el valor mmimo del tiempo de recorrido RTT se presenta a la distancia minima dmin y el valor maximo del tiempo de recorrido RTT se presenta a la distancia maxima dmax, viniendo predeterminadas la distancia minima y la maxima por el entorno predeterminado. Se realiza asf una determinacion correspondiente de parametros libres de la funcion f(d), mediante lo cual se obtiene una funcion fija, adaptada al caso de aplicacion, para describir la relacion entre d y RTT. En el caso anterior de una dependencia lineal, corresponde el parametro b al valor mmimo min y a corresponde al valor (max - min) / (dmax - dmin).

Una vez que basandose en el valor mmimo y el valor maximo de RTT actuales se ha determinado la funcion f(d), se determina la posicion actual del objeto movil, que se muestra en el diagrama de la Fig. 4. Basandose en el valor actual cur del tiempo de propagacion RTT, se determina a continuacion, basandose en la funcion f(d) ahora disponible, la distancia en ese momento dcur entre el objeto movil y la estacion de base considerada en ese momento. Esto se realiza determinando el punto de interseccion de la lmea horizontal que parte del valor cur con la funcion f(d) y determinando para este punto de interseccion el correspondiente valor dcur a lo largo de la abscisa. De esta manera se realiza continuamente durante el movimiento del objeto por un lado una calibracion mediante la correspondiente escalacion de la funcion f(d) y por otro lado una determinacion de la posicion, mejorando continuamente la determinacion de la posicion cuanto mas tiempo se mueva el objeto en el entorno, ya que asf se asegura que el objeto tambien ha tomado realmente posiciones con distancia minima y maxima a las respectivas estaciones de base.

En resumen, la calibracion que se acaba de describir y la localizacion simultanea de un objeto movil discurren tal que el objeto se mueve hasta diferentes posiciones desconocidas, captandose para cada nueva posicion desconocida los tiempos de propagacion RTT con respecto a cada estacion de base. A continuacion se comparan los valores recien detectados con los valores actuales para los tiempos de propagacion mmimo y maximo. Si el valor actual del RTT para una estacion de base es menor que el valor mmimo actual, se sustituye el valor mmimo por el nuevo valor actual. Si el valor actual del RTT para una estacion de base es mayor que el valor maximo actual, se sustituye el valor maximo por el valor actual. Cuando se realiza una tal sustitucion de los valores mmimo y/o maximo, se adapta a continuacion tambien la dependencia funcional o funcion f(d) adecuadamente al nuevo valor mmimo y/o maximo. Por ultimo, basandose en de la funcion f(d) se estima adicionalmente la posicion actual, tal como se ha descrito en base a la figura 4. Se obtiene asf en la calibracion una estimacion de las distancias del objeto movil a cada estacion de base. Los datos de cada estacion de base se reunen entonces en una unidad de procesamiento, por ejemplo en un servidor central, al que se transmiten los datos de cada estacion de base. Alli se determina finalmente la posicion del objeto movil mediante algoritmos adecuados conocidos por el estado de la tecnica, en particular por multilateracion (por ejemplo trilateracion).

La figura 5 muestra un ejemplo de una interfaz de usuario, sobre la que se muestran visualmente al usuario los resultados de la calibracion y/o estimacion de la posicion. Las referencias que ailt se muestran no son parte de la interfaz de usuario. En la interfaz de usuario, que se visualiza en un monitor, esta indicado el entorno predeterminado considerado en el que se mueve el objeto 0, como superficie cuadrada R. Se considera aqrn una superficie cuadrada con una longitud lateral de 25 m. En las esquinas de esta superficie se encuentran respectivas estaciones de base API, AP2, AP3 y AP4. Al usuario se le indica mediante un pequeno triangulo dentro de la superficie cuadrada R la posicion determinada actualmente para el objeto O.

Ademas de la superficie cuadrada R, se incluyen en la interfaz de usuario los correspondientes diagramas D1, D2, D3 y D4, que representan la dependencia funcional recien determinada entre la distancia d a la estacion de base respectiva y el tiempo de propagacion RTT. El diagrama D1 se refiere entonces a la estacion de base API, el diagrama D2 a la estacion de base AP2, el diagrama D3 a la estacion de base AP3 y el diagrama D4 a la estacion de base AP4. En un diagrama correspondiente se indica a lo largo de las abscisas la distancia d y a lo largo de las ordenadas el tiempo de propagacion RTT. Los distintos diagramas contienen la funcion f(d) y por lo tanto corresponden a formas de realizacion del diagrama representado en la figura 4, pero suponiendose ahora a diferencia de la figura 4 una relacion lineal entre la distancia d y tiempo de propagacion RTT. Las distintas funciones se determinaron - tal como se ha descrito antes - en base a la hipotesis de una dependencia lineal y mediante una escalacion basada en los valores maximos y mmimos de RTT disponibles en ese momento de la estacion de base respectiva.

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Sobre la base de las respectivas funciones se determino ademas a partir del valor actual cur del tiempo de propagacion RTT la distancia actual dcur desde el objeto movil a la estacion de base correspondiente. Las magnitudes f(d), cur y dcur se indican por razones de claridad solo en el diagrama superior D1 mediante las correspondientes referencias. Ademas de los diagramas correspondientes D1 a D4, tambien se indican los correspondientes campos F1 a F4. Cada uno de los campos contiene entonces tres valores, siendo el valor superior el valor mmimo de RTT, el valor medio el valor maximo de RTT y el valor mas bajo el valor actual cur de RTT. Por razones de claridad, los valores correspondientes se indican solo para el campo F2 con las referencias correspondientes.

En la superficie cuadrada R se indican ademas las correspondientes distancias determinadas dcur para cada estacion de base mediante segmentos circulares C1, C2, C3 y C4 respectivamente, con el centro alrededor de la posicion de las respectivas estaciones de base API, AP2, AP3 y AP4. Con los procedimientos conocidos por la solicitud de patente alemana antes citada con el num. 10 2008 004 257.9 y/o por la solicitud PCT PCT/EP2008/068162 se determina entonces la posicion del objeto 0, habiendose promediado esa posicion en la forma de realizacion de la figura 5 de una manera adecuada, de modo que la posicion se encuentra en el centro de la zona trapezoidal, que esta formada por los puntos de interseccion entre los distintos segmentos circulares C1 a C4. Idealmente (es decir, en una estimacion de la posicion sin error de medicion) se cortanan los drculos individuales C1 a C4 en un unico punto.

La variante del procedimiento segun la invencion que se acaba de describir tiene una serie de ventajas. En particular, se logra una sencilla calibracion automatizada de un sistema de localizacion, que se puede realizar bastante mas economicamente que calibraciones tradicionales. Esto se debe a que se requiere menos tiempo para la calibracion, ya que no es necesario mover el objeto hasta posiciones fijas previamente conocidas. Con la calibracion correspondiente a la invencion pueden ahorrarse asf considerables costes, ya que la proporcion de la calibracion en el coste TCO (TCO = Total Costs of Ownership, costes totales de propiedad) de un sistema de localizacion es muy grande. Ademas, la calibracion tampoco tiene que ser realizada ya por expertos, sino que cualquier persona puede llevar consigo el objeto movil en el entorno predeterminado, realizandose entonces la calibracion sin la intervencion del usuario mediante la captacion de los correspondientes tiempos de propagacion RTT. Solamente tiene que quedar asegurado que el usuario recorre durante la calibracion tambien una gran zona del entorno predeterminado. Cuando se utiliza la calibracion antes descrita, se puede prescindir de costosas recalibraciones, ya que el proceso de calibracion puede correr continuamente en segundo plano y por lo tanto se adapta automaticamente a nuevas condiciones del entorno.

Los inventores pudieron mostrar ademas que con la forma de realizacion antes descrita del procedimiento segun la invencion se obtienen buenos resultados tanto en condiciones en las que el objeto esta en la lmea visual con las estaciones de base, como en condiciones en las que el objeto no esta en la lmea visual con las estaciones de base. Tambien se observo que en el caso de una medicion del tiempo de propagacion sin lmea visual entre la estacion de base y el objeto, el error de medicion que asf resulta, que conduce a una distancia mayor que la real, a menudo se elimina mediante otras mediciones de tiempo de propagacion de otras estaciones de base sin lmea visual en otras direcciones. Por lo tanto, se puede determinar muy bien en promedio la posicion correcta del objeto movil en el entorno predeterminado.

A continuacion se describe otra variante simplificada del procedimiento correspondiente a la invencion para calibrar un sistema de localizacion. Se supone al respecto que todas las estaciones del sistema presentan las mismas caractensticas, es decir, que para todas las estaciones de base existe la misma dependencia basada en la correspondiente funcion f(d), que al principio no se conoce. En este caso se realiza la calibracion situando el objeto movil en una posicion conocida en el entorno predeterminado, en la que las distancias a las distintas estaciones de base son conocidas y diferentes. Un tal escenario se muestra tambien en la figura 1. Segun esa figura presenta el objeto movil 0 distintas distancias a cada una de las estaciones de base API a AP4. La calibracion transcurre entonces tal que el objeto movil se coloca en la posicion conocida y a continuacion se determinan los correspondientes valores de medida de los tiempos de propagacion RTT. Los distintos valores de medida con las correspondientes distancias conocidas pueden registrarse entonces en un diagrama, a lo largo de cuyas abscisas esta registrada la distancia d del objeto a la estacion de base y a lo largo de cuyas ordenadas esta registrado el tiempo de propagacion RTT determinado. Dado que, tal como se menciono antes, las caractensticas de las estaciones de base son las mismas, puede entonces deducirse mediante una aproximacion, en base a los valores de medida registrados en el diagrama, en particular mediante una interpolacion, la funcion correspondiente f(d), que es valida para todas las estaciones de base. Con esta funcion pueden deducirse a continuacion durante el movimiento del objeto las distancias respectivas del objeto a las estaciones de base mediante los tiempos de propagacion RTT captados. Sobre la base de estas distancias puede determinarse a su vez mediante multilateracion la posicion del objeto. La segunda variante de la invencion que se acaba de describir tiene la ventaja particular de que se puede realizar una calibracion solamente en una posicion predeterminada individual con coordenadas conocidas. Se aprovecha al respecto el conocimiento de que existe una dependencia funcional predeterminada entre las distancias del objeto movil a una estacion de base y los correspondientes tiempos de propagacion RTT captados.

La segunda variante de la invencion se puede usar opcionalmente tambien para determinar a priori la dependencia funcional entre la distancia y el tiempo de propagacion para una estacion de base correspondiente, escalandose a continuacion esta dependencia funcional adecuadamente con la primera variante antes descrita del procedimiento correspondiente a la invencion durante la calibracion.

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Claims (16)

1. 5

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   REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para la calibracion apoyada por ordenador de un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion, pudiendo determinarse en el sistema de localizacion mediante la captacion de magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de varias estaciones de base (API, AP2, ..., AP4) de una red de radio la posicion de un objeto movil (0) en un entorno predeterminado, representando la magnitud basada en el tiempo de propagacion (RTT) de la estacion de base respectiva (API, AP2, ..., AP4) el tiempo de propagacion de senales entre una unidad de radio del objeto movil (0) y la respectiva estacion de base (API, AP2, ..., AP4),

   caracterizado porque

   a) el objeto movil (0) es desplazado en el entorno predeterminado y se captan a la vez en una pluralidad de instantes de medida las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de las correspondientes estaciones de base (API, AP2, ..., AP4),

   b) el valor mmimo (min) de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) se asocia a una distancia minima predeterminada (dmin) del objeto movil (0) a la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) y el valor maximo (max) de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) se asocia a una distancia maxima predeterminada (dmax) del objeto movil (0) a la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) correspondiente,

   c) para la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) se realiza la escalacion de una dependencia predeterminada entre las distancias (d) del objeto movil (0) a la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de la estacion de base respectiva (API, AP2, ..., AP4), la asociacion del valor mmimo (min) a la distancia minima (dmin) y del valor maximo (max) a la distancia maxima (dmax), sirviendo la dependencia escalada (f(d)) en la determinacion de la posicion del objeto movil (0) para determinar las distancias (d) del objeto movil (0) a las estaciones de base (API, AP2, ..., AP4) a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT).
2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1,

   en el que la dependencia predeterminada es una dependencia funcional con uno o varios parametros libres, adaptandose en la escalacion los parametros libres a la asociacion del valor mmimo (min) a la distancia minima (dmin) y del valor maximo (max) a la distancia maxima (dmax).
3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2,

   en el que la dependencia predeterminada es lineal o logaritmica o se representa mediante un polinomio.
4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes,

   en el que las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) se captan de al menos tres estaciones (API, AP2, ..., AP4).
5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes,

   en el que las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) corresponden a respectivos espacios de tiempo, que transcurren a partir del envfo de una senal de peticion desde la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4) a la unidad de radio del objeto movil (0) hasta la recepcion de una senal de respuesta enviada por la unidad de radio como respuesta a la senal de peticion en la correspondiente estacion de base (API, AP2, ..., AP4).
6. 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes,

   en el que la red de radio se basa en un estandar WLAN o un estandar RFID.
7. 7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes,

   en el que la calibracion se realiza iterativamente durante el movimiento del objeto movil (0), complementandose en cada etapa de iteracion la pluralidad de instantes de medida en los instantes de medida anadidos desde la ultima etapa de iteracion y basandose en la nueva pluralidad de puntos de medida que resulta de ello se realiza la etapa b) y al menos cuando se modifica el valor mmimo (min) y/o el valor maximo (max) respecto a la ultima etapa de iteracion, se realiza la etapa c).
8. 8. Procedimiento para la localizacion apoyada por ordenador de un objeto movil (0) con un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion, en el que se calibra el sistema de localizacion mediante un procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes y se utiliza la dependencia o funcion determinada escalada (f(d)) en la calibracion en la determinacion de la posicion del objeto movil (0) para determinar las distancias (d) del objeto movil (0) a las estaciones de base (API, AP2, ., AP4) a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT).

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9. 9. Procedimiento segun la reivindicacion 8, en el que el sistema de localizacion se calibra mediante un procedimiento segun la reivindicacion 7, realizandose durante la calibracion una determinacion de la posicion del objeto movil (0) para al menos una parte de los instantes de medida con ayuda de la dependencia escalada determinada en la etapa de iteracion actual.
10. 10. Procedimiento para la calibracion apoyada por ordenador de un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion, pudiendo determinarse en el sistema de localizacion mediante la captacion de magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de varias estaciones de base (API, AP2, ..., AP4) de una red de radio la posicion de un objeto movil (0) en un entorno predeterminado, representando la magnitud basada en el tiempo de propagacion (RTT) de la estacion de base respectiva (API, AP2, ..., AP4) el tiempo de propagacion de senales entre una unidad de radio del objeto movil (0) y la respectiva estacion de base (AP1, AP2, ., AP4),

    caracterizado porque las respectivas estaciones de base (API, AP2, ..., AP4) presentan una dependencia identica (f(d)) entre las distancias (d) del objeto movil (0) a la estacion de base (API, AP2, ..., AP4) y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de la correspondiente estacion de base (API, AP2, ., AP4), en el que:

    - el objeto movil (0) se mueve hasta la posicion predeterminada en el entorno prescrito, conociendose en la posicion predeterminada las distancias del objeto movil (0) a las estaciones de base (API, AP2, ..., AP4) y siendo al menos en parte diferentes;

    - en la posicion predeterminada se captan las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de las respectivas estaciones de base (API, AP2, ..., AP4);

    - basandose en las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) captadas y en las distancias conocidas del objeto movil (0) a las estaciones de base respectivas (API, AP2, ..., AP4), se determina la dependencia (f(d)) entre las distancias (d) del objeto movil (0) a una estacion de base respectiva (API, AP2, ..., AP4) y las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de la estacion de base respectiva (API, AP2, ..., AP4), sirviendo la dependencia (f(d)) en la determinacion de la posicion del objeto movil (0) para determinar las distancias (d) del objeto movil (0) a las estaciones de base (API, AP2, ..., AP4) a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT).
11. 11. Procedimiento segun la reivindicacion 10,

    en el que la dependencia es una funcion aproximada (f(d)), que discurre a traves de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) captadas a las distancias conocidas del objeto movil (0) a las respectivas estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4).
12. 12. Procedimiento segun la reivindicacion 10 u 11,

    en el que se captan las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de al menos tres estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4).
13. 13. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 10 a 12,

    en el que las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) corresponden en cada caso al espacio de tiempo que transcurre a partir del envfo de una senal de peticion desde la correspondiente estacion de base (AP1, AP2, ..., AP4) a la unidad de radio del objeto movil (0) hasta la recepcion en la correspondiente estacion de base (AP1, AP2, ..., AP4) de una senal de respuesta enviada por la unidad de radio como respuesta a la senal de peticion.
14. 14. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 10 a 13,

    en el que la red de radio se basa en un estandar WLAN o en un estandar RFID.
15. 15. Procedimiento para la localizacion apoyada por ordenador de un objeto movil con un sistema de localizacion basado en el tiempo de propagacion, en el que se calibra el sistema de localizacion mediante un procedimiento segun una de las reivindicaciones 10 a 14 y se utiliza la dependencia o funcion (f(d)) determinada en la calibracion en la determinacion de la posicion del objeto movil para determinar las distancias (d) del objeto movil (0) a las estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4) a partir de las magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT).
16. 16. Sistema de localizacion que incluye un equipo de captacion y evaluacion con el que mediante la captacion de magnitudes basadas en el tiempo de propagacion (RTT) de varias estaciones de base (AP1, AP2, ..., AP4) de una red de radio, puede determinarse la posicion de un objeto movil (0) en un entorno predeterminado, representando la magnitud basada en el tiempo de propagacion (RTT) de la respectiva estacion de base (AP1, AP2, ..., AP4) el tiempo de propagacion de senales entre una unidad de radio del objeto movil (0) y la respectiva estacion de base (AP1, AP2, ..., AP4), estando configurado el equipo de captacion y evaluacion tal que con el equipo de captacion y evaluacion puede realizarse un procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes.