FI106655B - Menetelmä ja järjestelmä lähettimen paikantamiseksi - Google Patents

Description

, 106655

Menetelmä ja järjestelmä lähettimen paikantamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestelmä lähettimen paikantamiseksi, jossa sijainniltaan tunnetuilla 5 vastaanottimina mitataan yhden tai useamman sijainniltaan tunnetun lähettimen lähettämien ajoitussignaalien vastaanottoviivettä suhteessa paikannettavan lähettimen lähettämään ajoitussignaaliin ja laskennallisesti näitä mittauksia hyväksikäyttäen määritetään sijainniltaan 10 tuntemattoman lähettimen paikka.

Lähettimen paikkatietoa voidaan käyttää moniin eri tarkoituksiin. Yksi käyttöalue liittyy Bluetooth™ radiolaitteisiin. Ne ovat edullisia, tyypillisesti muihin 15 tuotteisiin integroitavia lyhyen kantaman radiolaitteita, joiden avulla eri laitteet voivat kommunikoida keskenään. Edullisesti saatavilla oleva Bluetooth™ lähettimien paikkatieto mahdollistaisi moninaisia sovelluksia kun älykkäät, ympäristönsä tiedostavat ja sen kanssa 20 vuorovaikutuksessa olevat laitteet tiedostaisivat sijaintinsa suhteessa muihin laitteisiin ja käyttöympäristöönsä. Paikkatietoa voitaisiin myös hyödyntää tehtäessä päätöksiä tiedonsiirtoyhteyksien muodostamisesta toisten laitteiden kanssa, sekä laitteiden 25 välisten etäisyyksien määrityksessä. Toinen käyttöalue on matkaviestinten paikannus, joka mahdollistaa esimerkiksi hätäpuhelun soittajan paikantamisen, sekä tarjoaa matkaviestimen käyttäjälle tiedon omasta sijainnistaan. Lähettimen paikkatietoa voidaan myös hyödyntää erilaisissa 30 ohjaus- ja kulunvalvonta-sovelluksissa.

Lähettimen paikantamiseksi tunnetaan useita eri menetelmiä, jotka pääsääntöisesti perustuvat signaalin 2 106655 etenemisviiveen, aikaeron, tai suuntiman mittauksen, tai näiden variaatioihin. Lähettimen paikantamiseen voidaan yleensä soveltaa samoja periaatteita kuin vastaanottimen paikantamiseen, sillä erotuksella että lähettimen 5 paikantamiseen käytetään tyypillisesti useita vastaanottimia ja vastaanottimen paikantamiseen useita lähettimiä joiden sijainti on tunnettu.

Etenemisviiveeseen perustuvissa menetelmissä mitataan 10 signaalin kulkuaikaa lähettimestä vastaanottimeen usealla lähetin-vastaanotin kombinaatiolla niin, että paikannettavan laitteen sijainti saadaan määritettyä. Yksinkertaistettuna menetelmä on seuraavanlainen. Lähetin lähettää tiettyä tunnettua datasekvenssiä, esimerkiksi 15 niin sanottua PRN eli Pseudo Random Noise -koodia. Vastaanotin generoi samaa koodisekvenssiä ja tahdistaa sen ajoituksen niin, että vastaanotettu ja generoitu koodi ovat samassa vaiheessa. Jos nyt tiedetään lähettimen koodisekvenssin ajoitus ja lähettimen ja vastaanottimen 20 kellot ovat tahdistetut toisiinsa, niin generoidun koodisekvenssin tahdistusviiveen pituudesta voidaan laskea signaalin kulkema matka. Menetelmässä voidaan käyttää myös kahta tai useampaa lähetintä, joiden sijainti tunnetaan ja joiden kellot ovat tahdistetut toisiinsa. Tällöin 25 vastaanottimen kellon ei tarvitse olla tahdistettu lähettimien kelloihin, vaan eri koodisekvenssien tahdistusviive-erosta saadaan laskettua lähettimien • * etäisyysero vastaanottimesta, jolloin saadaan myös vastaanottimen paikkakoordinaatti kun lähettimien 30 sijainnit tunnetaan. Tätä paikannusmenetelmää käytetään esimerkiksi hyvin tunnetussa GPS järjestelmässä (Global Positioning System). Patentissa US3789409 on esitetty . etenemisviiveeseen perustuva paikannusjärjestelmä.

3 106655

Etenemisviiveeseen perustuvien menetelmien ongelmana on se, että vastaanottimen paikannuksessa lähettimien täytyy olla erittäin tarkasti tahdistetut toisiinsa, jotta eri lähettimien koodisekvenssit pystytään lähettämään 5 tunnetuissa vaiheissa. Vastaavasti paikannettaessa lähetintä, täytyy vastaanottimien niinikään olla tarkasti tahdistetut toisiinsa tai lähettimeen nähden, jotta eri vastaanottimien referenssisekvenssit voidaan generoida samassa vaiheessa tahdistusviiveen määrittämiseksi. 10 Virheet lähettimien tai vastaanottimien absoluuttisessa ajoituksen tarkkuudessa aiheuttavat virheitä myös paikannukseen. Tyypillisesti järjestelmän kellot pidetään synkronissa käyttämällä niissä erittäin tarkkoja atomikelloja.

15

Signaalin aikaeroon perustuvissa menetelmissä signaalit lähetetään tunnetuilla ajanhetkillä usealla lähettimellä ja vastaanottimella mitataan signaalien vastaanottoaikojen erotus. Tapauksessa, jossa signaalit lähetetään 20 yhtäaikaisesti kahdelta lähettimeltä, vastaanottoaikojen erotuksesta saadaan suoraan laskettua lähettimien etäisyysero vastaanottimeen nähden. Kun lähettimien sijainnit tunnetaan, voidaan nyt etäisyyserosta nähdä millä hyperbelillä vastaanotin sijaitsee lähettimien 25 suhteen. Menetelmää voitaisiin periaatteessa soveltaa myös lähettimen paikantamiseen, jolloin käytettäisiin kahta sijainniltaan tunnettua vastaanotinta, joiden kellot olisivat synkronoitu toisiinsa. Tällöin mitattaisiin kummallakin vastaanottimella signaalin vastaanottamisen 30 absoluuttinen ajanhetki, jolloin näiden erotuksesta saataisiin vastaanottimien etäisyysero lähettimeen nähden. Aikaeroon perustuvan menetelmän epäkohtana on, että vastaanottimen paikannuksessa lähettimien täytyy olla 4 106655 synkronissa keskenään, koska signaalien lähetysviive ^ täytyy olla tunnettu. Lähettimen paikannuksessa vastaanottimien täytyy olla synkronissa keskenään, jotta signaalien vastaanottoaikojen ero voitaisiin laskea.

5 Patentissa FI101445 on kuvattu aikaeroon perustuvaa paikannusmenetelmää.

Suuntimaan perustuvissa menetelmissä lähettimen paikka määritetään mittaamalla useassa tunnetussa pisteessä 10 signaalin etenemissuunta. Menetelmän heikkoutena on epätarkkuus ja heijastusten aiheuttamat muutokset signaalin etenemissuuntaan.

Yhdysvaltalaisissa patenteissa US5327145 ja US5008679 15 kuvataan paikannusmenetelmiä, jotka perustuvat osin vastaanottoviiveen mittaukseen. Patentissa US5327145 kuvatussa menetelmässä määritetään kahden lähettimen sijainti mittaamalla yhdellä vastaanottimella lähettimiltä tulevien signaalien vastaanottohetkien erotus, eli 20 vastaanottoviive, sekä näiden signaalien tulokulmat.

Menetelmä perustuu siihen, että yhden lähettimen signaali kulkee vastaanottimelle kahta reittiä pitkin. Ensimmäinen signaali saadaan suoraan lähettimeltä, toisen signaalin kiertäessä linkkinä toimivan lähetin-vastaanottimen tai 25 heijastimen kautta. Mitattujen vastaanottoviiveiden ja signaalien tulokulmien perusteella voidaan määrittää vastaanottimen etäisyys kumpaankin lähettimeen, kun linkin aiheuttava viive signaalitiessä oletetaan tunnetuksi.

Menetelmän epäkohtana on että se ei huomioi lähetysviiveen 30 vaihtelua, joten lähettimet ovat toisistaan riippuvaisia ja signaalien lähetyshetkien tulee olla tarkasti määritelty. Menetelmä olettaa, että jälkimmäisen signaalin . lähetyshetki ja siten myös signaalien lähetysviive riippuu s 106655 vain lähettimien keskinäisestä etäisyydestä, sekä vakiopituisesta linkki-lähettimen sisäisestä viiveestä. Tällöin pienetkin muutokset linkki-lähettimen sisäisessä viiveessä vaikuttavat suoraan paikannustarkkuuteen. Yksi 5 epäkohta on myös, että menetelmä vaatii lähetyksien suuntiman mittauksen.

Patentissa US5008679 kuvatussa menetelmässä paikannettavan lähettimen sijainnin määritys tapahtuu viemällä signaali 10 eri reittejä pitkin tunnettujen linkkien kautta vastaanottimille ja mittaamalla eri reittejä kulkeneiden signaalien välinen vastaanottoviive. Vastaanottoviiveestä voidaan määrittää signaalien kulkemien matkojen ero ja koska linkkien ja vastaanottimien sijainnit tunnetaan, 15 niin paikannettavan lähettimen sijainti saadaan laskettua. Menetelmän epäkohtana on, että se ei huomioi lähetysviiveen vaihtelua, joten lähettimet ovat toisistaan riippuvaisia ja signaalien lähetyshetkien linkkiasemilta tulee olla tarkasti määritelty. Menetelmä olettaa, että 20 linkkisignaalin lähetyshetki ja siten myös signaalien lähetysviive riippuu vain lähettimen ja linkin keskinäisestä etäisyydestä, sekä vakiopituisista linkki-lähettimien sisäisistä viiveistä. Pienetkin muutokset linkki-lähettimien sisäisissä viiveissä vaikuttavat 25 suoraan paikannustarkkuuteen.

Keksinnön tarkoituksena on luoda menetelmä, jolla lähettimen sijainti pystytään määrittämään ilman että lähettimet tai vastaanottimet ovat toisistaan riippuvaisia 30 ajoitusten tai mittaussuorituksen suhteen. Toisin sanoen keksinnön tarkoituksena on luoda menetelmä, jossa vastaanottimet monitoroivat passiivisesti ja itsenäisesti ·. toisistaan riippumattomilta lähettimiltä tulevia 6 106655 signaaleja, joista vastaanottimien mittaamien vastaanotto-viiveiden perusteella tuntemattoman lähettimen paikka saadaan määritettyä.

5 Edellä esitettyjen ja myöhemmin esilletulevien päämäärien saavuttamiseksi on keksinnön' mukaiselle menetelmälle pääasiallisesti tunnusomaista se, että menetelmässä lähettimet ja vastaanottimet ovat olennaisesti toisistaan riippumattomia, että menetelmässä käytetään vähintään 10 kahta vastaanotinta mittaamaan sanottujen ajoitus- signaalien välisiä vastaanottoviiveitä, että vastaanotto-viiveiden mittaus suoritetaan kaikilla vastaanottimina olennaisesti samanaikaisesti, että vastaanottoviiveiden perusteella lasketaan yksi tai useampi paikannettavan 15 lähettimen sijaintikoordinaateista.

Keksinnön kohteena on myös järjestelmä lähettimen paikantamiseksi, jolle on tunnusomaista se, että lähettimet ja vastaanottimet ovat olennaisesti toisistaan 20 riippumattomia, että järjestelmässä on vähintään kaksi vastaanotinta jotka on järjestetty mittaamaan sanottujen ajoitussignaalien välisiä vastaanottoviiveitä, että kaikki vastaanottimet mittaavat vastaanottoviiveet olennaisesti samanaikaisesti, että laskentayksikkö laskee vastaanotto-25 viiveiden perusteella yhden tai useamman paikannettavan lähettimen sijaintikoordinaateista.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä paikannus tapahtuu mittaamalla samanaikaisesti usealla vastaanottimella 30 kahdelta lähettimeltä tulevien ajoitussignaalien vastaanottoviive. Kun vastaanottimien ja toisen lähettimen sijainti tunnetaan, voidaan paikannettavan lähettimen ·.. paikka laskea vastaanottoviiveiden perusteella tuntematta 106655 ajoitussignaalien absoluuttisia lähetys- tai vastaanotto-hetkiä. Koska kyseisillä absoluuttisilla ajanhetkillä ei menetelmän kannalta ole merkitystä, voidaan menetelmässä käyttää lähettimiä ja vastanottimia jotka ovat toisistaan 5 riippumattomia, eikä niiden siten tarvitse olla myöskään ajallisesti synkronoitu toisiinsa. Vastaanottimien ei tarvitse määrittää ajoitussignaalien vastaanottohetkeä suhteessa toisiin vastaanottimiin, joten ne voivat olla itsenäisiä yksiköitä ilman ajallista synkronointia tai 10 yhteistä ajanmääritystä. Lähettimien ei tarvitse ajoittaa lähetystä tiettyyn absoluuttiseen ajanhetkeen tai suhteessa toiseen lähettimeen, joten ne myös voivat olla itsenäisiä yksiköitä ilman ajallista synkronointia tai yhteistä ajanmääritystä. Signaalin etenemisviivettä ei 15 tarvitse mitata, joten mittaus voidaan perustaa koodisekvenssin vaihesiirron määrittämisen sijaan yksittäisten pulssien vastaanottamisen ja pulssien välisen ajan mittaukseen. Tällöin on mahdollista saavuttaa mittauksessa suurempi ajoitusresoluutio, eikä signaalin 20 monitie-etenemisestä aiheudu ongelmia sillä mitattavan signaalin ei tarvitse olla jatkuva. Mittaus tapahtuu passiivisesti, jolloin paikannus ei kuormita * paikannettavaa lähetintä. Samoin menetelmä ei aseta muita rajoituksia paikannettavalla lähettimelle, kuin että sen 25 signaalista voidaan määrittää yksiselitteisesti jokin ajoitussignaali, johon kaikkien vastaanottimen mittaus voi perustua.

. . ♦

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin 30 oheisten piirustusten kuvioihin viitaten, joissa: kuviossa 1 on esitetty kaaviollisesti erästä keksinnön ·., mukaisen menetelmän mittausjärjestelyä ja 8 106655 kuviossa 2 on esitetty kaaviollisesti ajoitussignaalien välinen lähetysviive ja kuviossa 3 on esitetty kaaviollisesti vastaanottimien 5 mittaama ajoitussignaalien välinen vastaanottoviive ja kuviossa 4 on esitetty lohkokaaviona eräs keksinnön mukainen paikannusjärjestelmä.

10 Kuvioihin 1, 2 ja 3 viitaten paikanmääritys tapahtuu yksinkertaistettuna seuraavasti:

Keksinnön mukaisessa menetelmässä paikannettava lähetin M muodostaa geometrisen riippuvuuden kunkin sijainniltaan 15 tunnetun lähettimen R ja vastaanottimen A, B, C kanssa. Paikannettavan lähettimen sijainti määritetään suhteessa sijainniltaan tunnettuun lähettimeen ja sijainniltaan tunnettuihin vastaanottimiin, mittaamalla usealla vastaanottimella eri lähettimien ajoitussignaalien välinen 20 vastaanottoviive. Mittaamalla yhdellä vastaanottimella A näiden lähettimien, M ja R, lähettämien ajoitussignaalien välinen vastaanottoviive, saadaan muodostettua yhtälö jossa on kaksi tuntematonta muuttujaa: lähettimien etäisyysero kyseiseen vastaanottimeen nähden 10-11 ja 25 ajoitussignaalien lähetyshetkien välinen tntematon viive 22. Kun samojen ajoitussignaalien välinen vastaanottoviive mitataan olennaisesti samanaikaisesti myös toisella • · sijainniltaan tunnetulla vastaanottimella B saadaan toinen yhtälö, jossa on myös kaksi tuntematonta muuttujaa, 30 etäisyysero 12-13 ja lähetysviive 22. Koska kummankin vastaanottimen vastaanottoviivemittaus perustuu samoihin ajoitussignaaleihin, lähetysviive 22 on yhteinen . kummassakin mittauksessa.

9 106655

Koska vastaanottimien ja muiden lähettimien kuin paikannettavan lähettimen sijainti on tunnettu koordinaatiston 16 suhteen, voidaan lähettimien etäisyyserot kuhunkin vastaanottimeen nähden ilmaista 5 käyttämällä paikannettavan lähettimen x-, y- ja z-sijaintikoordinaatteja. Tällöin kummassakin yhtälössä on neljä yhteistä tuntematonta, eli ajoitussignaalien lähetyshetkien välinen tuntematon viive 22 sekä paikannettavan lähettimen M sijaintikoordinaatit.

10

Nyt siis yhden sijainniltaan tunnetun lähettimen R ja kahden sijainniltaan tunnetun vastaanottimen, A ja B, avulla on saatu kaksi yhtälöä, joissa on yhteensä neljä tuntematonta: lähetysviive 22, sekä paikannettavan 15 lähettimen M x-, y- ja z-sijaintikoordinaatit. Mikäli käytettävä koordinaatisto 16 voidaan määritellä siten, että kaksi paikannettavan lähettimen sijaintikoordi-naateista ovat tunnettuja, voidaan nyt kyseisellä kahden vastaanottimen ja yhden tunnetun lähettimen järjestelyllä 20 ratkaista lähetysviiveen lisäksi yksi sijaintikoordi-naatti.

Mikäli sijainniltaan tunnettujen vastaanottimien määrää lisätään yhdellä, saadaan uudesta vastaanottoviive-25 mittauksesta muodostettua kolmas uusi yhtälö, jossa on samat tuntemattomat edellisten yhtälöiden kanssa. Näin voidaan ratkaista kolme muuttujaa kun yksi oletetaan tunnetuksi.

30 Mikäli sijainniltaan tunnettujen lähettimien määrää lisätään yhdellä, voidaan nyt jokaisella vastaanottimella tehdä kaksi vastaanottoviiveen mittausta, yksi ensimmäisen . lähettimen ja paikannettavan lähettimen suhteen ja yksi 10 106655 toisen lähettimen ja paikannettavan lähettimen suhteen. Tällöin yhtälöiden määräksi saadaan vastaanottimien lukumäärä kertaa sijainniltaan tunnettujen lähettimien lukumäärä. Kuitenkin myös tuntemattomien suureiden 5 lukumäärä kasvaa tällöin yhdellä, toisen lähettimen ja paikannettavan lähettimen ajoitussignaalien välisen lähetysviiveen ollessa tuntematon.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on siis mahdollista 10 ratkaista paikannettavan lähettimen kaksi tuntematonta sijaintikoordinaattia käyttämällä joko kolmea sijainniltaan tunnettua vastaanotinta ja yhtä tunnettua lähetintä, tai käyttämällä kahta sijainniltaan tunnettua vastaanotinta ja kahta tunnettua lähetintä. Edellisestä 15 järjestelystä saadaan kolme yhtälöä, joilla voidaan tuntemattoman lähetysviiveen lisäksi ratkaista kaksi sijaintikoordinaattia. Jälkimmäisestä järjestelystä saadaan neljä yhtälöä, mutta tuntemattomia lähetysviivei-täkin on nyt kaksi kappaletta, yksi kummankin tunnetun 20 lähettimen ja paikannettavan lähettimen suhteen. Täten tuntemattomien lähetysviiveiden lisäksi voidaan tässäkin tapauksessa ratkaista kaksi sijaintikoordinaattia. Tämä vaihdannaisuus voidaan yleistää sanomalla, että käyttämällä yhteensä vähintään neljää sijainniltaan 25 tunnettua lähetintä tai vastaanotinta, voidaan paikannettavan lähettimen x- ja y-sijaintikoordinaatit määrittää riippumatta siitä onko eri lähettimien ajoitussignaalien lähetyshetki, etenemisviive, ajoitus-signaalien välisen lähetysviiveen pituus, tai ajoitus-30 signaalien vastaanottohetki suhteessa muihin vastaanottimiin tunnettu.

.. 106655 11

Kasvattamalla sijainniltaan tunnettujen lähettimien ja vastaanottimien määrää, saadaan ratkaistua useampi paikannettavan lähettimen sijaintikoordinaateista tai parannettua paikannustarkkuutta muodostamalla useita eri 5 yhtälöryhmiä paikannettavan lähettimen sijaintikoordi-naattien ratkaisemiseksi. Jos merkitään sijainniltaan tunnettujen lähettimien lukumäärää I/:llä ja vastaanottimien lukumäärää V:llä, sekä ratkaistavien sijaintikoordinaattien lukumäärää K:11a, voidaan eri 10 yhtälöryhmäkombinaatioiden lukumäärä S ilmaista kaavalla: C_ (L-V)l (K + L)\iL-V-(K + L))\ Tästä nähdään, että paikannustarkkuutta voidaan kasvattaa 15 oleellisesti lisäämällä sijainniltaan tunnettujen lähettimien lukumäärää. Jos esimerkiksi halutaan ratkaista paikannettavan lähettimen x- ja y-sijaintikoordinaatit ja käytetään tähän keksinnön mukaista menetelmää, jossa on neljä vastaanotinta ja kaksi sijainniltaan tunnettua 20 lähetintä, saadaan x- ja y-koordinaatit ratkaistua 70 eri yhtälöryhmällä. Tämä järjestely pienentäisi satunnaisen mittausvirheen vaikutusta verrattuna vastaavaan järjestelyyn, jossa käytetään yhtä sijainniltaan tunnettua lähetintä ja kolmea vastaanotinta.

25

Seuraavassa esitetään keksinnön mukainen menetelmä ' ** esimerkin avulla. Menetelmässä käytetään kahta tai useampaa vastaanotinta ja yhtä tai useampaa lähetintä joiden sijainnit on tunnettu. Tässä esimerkissä 30 vastaanottimia on kolme kappaletta ja sijainniltaan tunnettuja lähettimiä yksi kappale. Esimerkissä . määritetään näiden vastaanottimien mittaustulosten 12 106655 perusteella paikannettavan lähettimen x- ja y-sijainti-koordinaatit, sekä lähettimien ajoitussignaalien välinen lähetysviive. Esimerkissä oletetaan z-sijaintikoordinaatti ja ajoitussignaalien lähetysjärjestys tunnetuksi, tai 5 ajoitussignaalien lähetysjärjestyksen ollessa tuntematon, että vastaanottimet pystyvät erottamaan kumman lähettimien ajoitussignaalista kulloinkin on kyse. Esimerkissä oletetaan esityksen selkeyden vuoksi z-koordinaatti tunnetuksi, mutta samalla periaateella voitaisiin 10 neljällä vastaanottimella ja yhdellä tunnetulla lähettimellä, tai vaikka kolmella vastaanottimella ja kahdella tunnetulla lähettimellä, määrittää paikannettavan lähettimen x, y- ja z-sijantikoordinaatit, mikäli ajoitussignaalien lähetysjärjestys tiedetään tai lähet-15 timien ajoitussignaalit pystytään erottamaan toisistaan. Jos tuntemattomia suureita olisi vähemmän kuin sijainniltaan tunnettujen vastaanottimien ja lähettimien lukumäärä mahdollistaisi, voitaisiin paikannustarkkuutta lisätä ratkaisemalla tuntemattomat suureet muodostamalla 20 useampi yhtälöryhmä eri lähetin-vastaanotinkombinaatioiden mittaustuloksista aiemmin kuvatun mukaisesti ja yhdistämällä saadut tulokset.

Kuvion 1 mukaisesti vastaanottimet A, B ja C sijaitsevat 25 tunnetuissa pisteissä koordinaatiston 16 suhteen, jonka x-, y- ja z-akselit on tässä esimerkissä määritelty siten, että lähettimet ja vastaanottimet sijaitsevat sen osoittamassa x-y -tasossa. R on sijainniltaan tunnettu lähetin ja M on paikannettava lähetin.

Määritellään seuraavat symbolit menetelmän havainnollistamiseksi : • > w 30 13 106655

Vastaanottimien A, B ja C, sekä lähettimien R ja M . x-sijaintikoordinaatit olkoon XA, XB/ Xc, Xr ja XM vastaavasti ja y-sijaintikoordinaatit olkoon YAl YBl Yc, Yr ja YM vastaavasti. Sijaintikoordinaattien arvo olkoon 5 ilmaistu etäisyytenä käytettävän koordinaatiston 16 origosta.

Lähettimen R etäisyydet 10, 12 ja 14 vastaanottimista A, B ja C olkoon LR.A, LR-B, LR.C vastaavasti.

10 Lähettimen M etäisyydet 11, 13 ja 15 vastaanottimista A, B ja C olkoon LM-A, LM.Bt Lm-c vastaavasti.

Etäisyys 11 voidaan nyt ilmaista x- ja y-koordinaattien 15 avulla muodossa ja vastaavasti etäisyydet 13 ja 15 muodossa 20 £„-c = J(.xc-x„f+<?c-r«)2 25 Keksinnön mukaisessa menetelmässä lähettimet R ja M lähettävät kumpikin ajoitussignaalin toisistaan . :* riippumatta, jollain satunnaisella viiveellä, mikä on havainnollistettu kuviossa 2. Menetelmässä ei ajoitussignaalien lähetyshetkien eikä lähetysviiveen 30 tarvitse olla tunnettu tai etukäteen määritelty, joten lähettimien ei myöskään tarvitse olla synkronoitu 14 106655 toisiinsa, eikä myöskään vastaanottimiin nähden. Lähettimillä voi tietenkin olla jonkinlainen riippuvuus, kuten esimerkiksi että ne kommunikoivat keskenään ja täten lähettävät signaaleja vuoronperään. Tämän tyyppinen 5 ajoitusriippuvuus on kuitenkin niin karkea, ettei sillä ole merkitystä paikannuksen kannalta. Lähettimet ovat siis olennaisesti toisistaan riippumattomia. Lähettimen ei kuitenkaan pidä lähettää samoja ajoitussignaaleja tiheämmin, kuin jaksolla, joka määräytyy suurimman 10 mahdollisen vastaanotinetäisyyden ja signaalin kulku-nopeuden suhteesta. Tällöin voidaan olla varmoja siitä, että kaikissa vastaanottimissa vastaanottoviiveen mittaus perustuu samoihin ajoitussignaaleihin.

15 Ajoitussignaalit 20 ja 21 voivat olla joko pulssimuotoisia, askelmaisia, tai vastaavia, oleellista on kuitenkin että kaikki vastaanottimet pystyvät yksiselitteisesti määrittämään kummastakin ajoitussignaalista kohdan, johon vastaanottoviiveen mittauksen tulee perustua. Oletetaan 20 lähetysjärjestys tunnetuksi, jolloin voidaan sopia että signaali 20 kuvaa lähettimen R ajoitussignaalia ja signaali 21 kuvaa lähettimen M ajoitussignaalia. Ajoitussignaalien • lähetysviiveen pituus 22 on tunetematon. Merkittäköön tuntematonta lähetysviivettä 22 symbolilla τ.

25

Nyt oletetaan tunnetuksi, että ensimmäisenä ajoitus-signaalin lähettää R, mutta aivan yhtä hyvin ajoitus-signaalin voisi ensimmäisenä lähettää M. Tällöin ajoitusyhtälöiden yhden termin etumerkki muuttuisi 30 jäljempänä kuvatulla tavalla, tai vastaanottoviiveiden mittausarvojen etumerkit pitäisi kääntää. Mikäli signaalien lähetysjärjestys olisi tuntematon, eivätkä « 15 106655 vastaanottimet pystyisi erottamaan eri lähettimien ajoitussignaaleja toisistaan, voitaisiin lähetysjärjestys ratkaista yhtälöryhmässä muiden muuttujien mukana, kunhan vastaanottimien ja lähettimien lukumäärä ja siten myös 5 käytettävissä olevien yhtälöiden määrä olisi riittävä.

Kukin vastaanotin havaitsee samat ajoitussignaalit 20 ja 21. Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei ole merkitystä millä ajanhetkellä ajoitussignaalit saapuvat tietylle 10 vastaanottimelle suhteessa toisiin vastaanottimiin tai suhteessa lähetyshetkeen, joten vastaanottimien kellojen ei tarvitse olla synkronissa toisiinsa eikä myöskään lähettimiin nähden, eikä menetelmässä tarvita yhteistä järjestelmäaikaa. Kukin vastaanotin toimii itsenäisesti 15 monitoroiden passiivisesti lähettimiltä tulevia signaaleja. Vastaanottimet ovat siis olennaisesti toisistaan riippumattomia. Oleellista on kuitenkin, että kunkin vastaanottimen suorittama vastaanottoviiveen mittaus perustuu samasta lähetyksestä peräisin oleviin 20 ajoitussignaaleihin ja että mittaukset suoritetaan kaikilla vastaanottimilla olennaisesti samanaikaisesti siten, että ajoitussignaalien lähetyksen jälkeen jokaiselta vastaanottimelta saadaan kyseisten ajoitussignaalien vastaanottoviiveiden mittausarvot. Ei 25 siis niin, että yhdestä lähetyksestä mitataan viiveet vastaanottimella A, toisesta lähetyksestä vastaanottimella B, ja kolmannesta vastaanottimella C, vaan niin että yhdestä lähetyksestä mitataan viiveet kaikilla vastaanottimilla A, B ja C. Mikäli käytettäisiin useampia 30 sijainniltaan tunnettuja lähettimiä, kukin vastaanotin tekisi useamman mittauksen ja mittaisi kunkin sijainniltaan tunnetun lähettimen ajoitussignaaliin vastaanottoviiveen suhteessa paikannettavan lähettimen ie 106655 ajoitussignaaliin. Kuviossa 3 on esitetty vastaanottimen havaitsemien ajoitussignaalien vastaanottoviive.

Ajoituskuvio 30 kuvaa tilannetta, jossa ensimmäisenä ajoitussignaalin lähettänyt lähetin sijaitsee lähempänä 5 vastaanotinta kuin toisena ajoitussignaalin lähettänyt lähetin. Tällöin ensimmäisen lähettimen ajoitussignaali 31 havaitaan ensin ja vastaanottoviiveen 33 kuluttua havaitaan toisen lähettimen ajoitussignaali 32. Vastaanottimen havaitseman vastaanottoviiveen pituus on 10 tällöin lähetysviive r, lisättynä ajalla joka on verrannollinen lähettimien etäisyyseroon kyseiseen vastaanottimeen nähden, sekä signaalin kulkunopeuteen jota jatkossa merkittäköön symbolilla c.

15 Ajoituskuvio 34 kuvaa tilannetta, jossa ensimmäisenä ajoitussignaalin lähettänyt lähetin sijaitsee kauempana vastaanottimesta kuin toisena ajoitussignaalin lähettänyt lähetin. Vastaanottimen havaitseman vastaanottoviiveen pituus 37 on tällöin lähetysviive r, vähennettynä ajalla 20 joka on verrannollinen lähettimien etäisyyseroon kyseiseen vastaanottimeen nähden, sekä signaalin kulkunopeuteen. Tällöin ajoitussignaalien havaitsemisjärjestys riippuu myös lähetysviiveen pituudesta suhteessa lähettimien etäisyyseroon vastaanottimeen nähden. Normaalitapauksessa, 25 jossa lähetysviive r on suurempi kuin aika, jonka signaalin kestää kulkea lähettimien ja vastaanottimen etäisyyksien välisen erotuksen (esim. LM-A - LR-A) pituinen . matka, ensimmäisenä havaittu ajoitussignaali 35 on myös se joka lähetettiin ensimmäisenä ja toisena havaittu 30 ajoitussignaali 36 on se joka lähetettiin toisena.

Erikoistapauksessa, jossa lähetysviive r on lyhyempi, kuin aika jonka signaalin kestää kulkea lähettimien ja . vastaanottimen etäisyyksien välisen erotuksen (esim. LM-a - 17 106655

Lr-a) pituinen matka, havaitaan myöhemmin lähetetty ajoitussignaali ensimmäisenä ja vasta tämän jälkeen aikaisemmin lähetetty ajoitussignaali. Tällöin vastaanottoviiveestä tulee merkkisäännön mukaisesti 5 negatiivinen. Tämä voidaan ratkaista vastaanottimessa esimerkiksi siten, että vastaanotin tunnistaa kumman lähettimen ajoitussignaalista signaaleissa 35 ja 36 on kyse ja määrää vastaanottoviiveen etumerkin sovitun käytännön mukaisesti. Mikäli ajoitussignaaleja ei jostain 10 syystä voida tai haluta erottaa toisistaan, voidaan myös lähetysviive r sopia riittävän pitkäksi, jolloin kyseistä erikoistilannetta ei ilmene. Tämä voidaan toteuttaa menetelmän puitteissa vaikkapa siten, että sijainniltaan tunnettu lähetin R sisältää myös vastaanottimen ja 15 havaitsee paikannettavan lähettimen ajoitussignaalin.

Tällöin sijainniltaan tunnettu lähetin R voi odottaa vähintään tietyn ajan M: n ajoitussignaalin lähetyksen jälkeen ennen pman ajoitussignaalinsa lähettämistä.

20 Riippumatta siitä, kumpi lähetin sijaitsee lähempänä vastaanotinta, vastaanottimien mittaamat vastaanotto-viiveet noudattavat seuraavaa riippuvuutta: Olkoon vastaanottimien A, B ja C mittaamat vastaanottoviiveet TA, TB ja Tc vastaavasti. Tällöin, kun merkkisäännön vuoksi 25 sovitaan että lähetin R lähettää ajoitussignaalin ensimmäisenä saadaan:

Ta=t+L^~^ c TB =T+Lm-bZLx-b c 30 Tc =τ+—Μ~~——~c- , missä c on signaalin kulkunopeus, c • - 106655

Esimerkissä oletetaan, että kummankin lähettimen signaalilla on sama kulkunopeus, mutta keksinnön mukaisen menetelmän kannalta tällä ei ole merkitystä. Aivan yhtä hyvin signaaleilla voisi olla eri kulkunopeudet, 5 esimerkiksi M:n signaalilla nopeus c ja R:n signaalilla nopeus v, jolloin tässä tapauksessa esimerkiksi Tc ilmaistaisiin muodossa rc=T + i^c_V£.

C V

10

Mikäli merkkisäännöksi olisi sovittu että lähetin M lähettää ajoitussignaalin ensimmäisenä, yhtälöt olisivat vastaavasti

15 7A=T-½zAZ½zA

c j — y Lm_b-Lr_b c

Tc=t-^-c-L-r-c- c mikä itse asiassa on sama, kuin jos käytetään lähetysjärjestyksen R-M mukaisia yhtälöitä ja vaihdetaan 20 mitattujen vastaanottoviiveiden etumerkki.

Mikäli tunnettuja lähettimiä olisi useampia kuin yksi, muodostettaisiin edelläkuvattua periaatetta noudattaen yhtälöt toisten lähetinparien ja niiden vastaanotto-25 viiveiden suhteen.

Tässä esimerkissä ajoitussignaalien lähetysjärjestykseksi oli edellä sovittu R-M, jolloin ratkaistavaksi yhtälöryhmäksi saadaan: • l 19 106655

Lm-a ~ c ‘ -Γ* — c'τ+Lr-a Lm-b ~c'Tb -c-t+Lr_b ^ τ — Τ ^M~c ~ ^R-c c 5 Tämä voidaan ilmaista kolmella tuntemattomalla muuttujalla käyttäen koordinaatteja XM ja YM seuraavasti: V(X, - XM)2+(YA =c-TA-c-t+lr_a tJ(Xb ~Xm) +¾ ~Ym) =C'TB — C T+Lr_b ^ 10 T — T (TC ~ ~ Lr_c c y , joka sievenee yhtälöryhmäksi

Xa2-2-Xa-Xm+Xm2 + (Ya-Ym)2-(c-Ta-c-t+Lr_a)2=0 15 Yb2-2.Yb-Ym+Ym2+(Xb-Xm)2-(c-Tb-ct+Lr_b)2=0 Ι ο-Lä_c + iJ(X c - X m)2 + (Yc-ΥμΫ =0

J

Koska vastaanottoviiveet TA, TB ja Tc on mitattu ja • · tunnetaan, tämä epälineaarinen yhtälöryhmä voidaan nyt 20 ratkaista tuntemattomien muuttujien .¾ ja YM ja r suhteen, jolloin paikannettavan lähettimen sijainti on näin saatu määritettyä.

.. Seuraavassa on kuvattu yhden esimerkkitapauksen 25 suoritusvaiheet keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseksi : 1. Määritetään käytettävä koordinaatisto 16.

2. Määritetään vastaanottimien A, B, C ja tunnetun • lähettimen R sijaintikoordinaatit koordinaatistossa 16.

20 106655 3. Määritetään käytettävät ajoitussignaalit 20 ja 21, joihin vastaanottoviiveen 33 tai 37 mittaus perustuu, sekä sovitaan oletetusta lähetysjärjestyksestä vastaanotto-viiveen etumerkin määrittämiseksi.

5 4. Asetetaan lähetin R lähettämään sovittuja ajoitus- signaaleja tietyin väliajoin, tai mikäli R on lähetin-vastaanotin, lähettämään ajoitussignaalin M:n lähettämän ajoitussignaalin jälkeen.

5. Seurataan kullakin vastaanottimella lähettimien 10 lähetyksiä. Kun vastaanotin havaitsee lähettimen R tai M

ajoitussignaalin, se käynnistää ajanmittauksen.

6. Kun vastaanotin havaitsee toisen lähettimen ajoitus-signaalin, se pysäyttää ajanmittauksen. Mitatun vastaanottoviiveen etumerkki määräytyy ajoitussignaalien vastaan- 15 ottojärjestyksen mukaan sovitun merkkisäännön mukaisesti.

7. Siirretään mitattujen vastaanottoviiveiden arvot laskennan suorittamista varten vastaanottimilta laskenta-yksikölle .

8. Muodostetaan yhtälöryhmä tai yhtälöryhmät edelläesitetyn 20 mukaisesti mitattujen vastaanottoviiveiden, tunnettujen koordinaattien ja signaalien tunnettujen kulkunopeuksien avulla.

. 9. Ratkaistaan muodostetut yhtälöryhmät tuntemattomien paikka-koordinaattien ja lähetysviiveen tai -viiveiden 25 suhteen.

Keksinnön mukaista paikannusmenetelmää voidaan soveltaa usean tyyppisten lähettimien paikantamiseen. Erityisen edullisesti menetelmä soveltuu käytettäväksi digitaalisten 30 tiedonsiirtojärjestelmien, kuten Blue tooth™-jär jestelmien, radiolähettimien paikantamiseen. Bluetooth™ järjestelmässä radiolaitteet muodostavat keskenään ad-hoc verkkoja, joissa verkon master-yksikkö ja slave-yksiköt lähettävät • i 106655 21 vuorotellen datapaketteja yhteisellä tiedonsiirto-kanavalla. Tällaisessa järjestelmässä lähettimen paikannus voidaan toteuttaa edullisesti seuraamalla kullakin vastaanottimella passiivisesti kyseisellä tiedonsiirto-5 kanavalla käytävää dataliikennettä. Kunkin datapaketin lähettäjä voidaan tällöin tunnistaa paketin header-osasta ja lähetyssekvenssistä. Vastaanottoviivemittauksen ajoi-tussignaalina voidaan niinikään käyttää yhteisesti sovittua paketin header-osaan sisältyvää bittiä, kuten 10 esimerkiksi ensimmäistä osoitekentän jälkeen havaittavaa signaalin 0-1 transitiota. Vaikka Bluetooth™-laitteiden datapakettien lähetyshetkillä onkin tietty ajallinen riippuvuus toisiinsa nähden, lähetysviiveen vaihtelu on kuitenkin niin suurta ettei sitä voida hyödyntää 15 tavanomaisissa aikaeromittaukseen perustuvissa paikannus- menetelmissä. Keksinnön mukaisessa menetelmässä ajoitus- signaalien lähetysviiveen ei kuitenkaan tarvitse olla tunnettu, joten lähettimen sijainti saadaan määritettyä tarkasti pulssimaisesta ajoitussignaalista, riippumatta 20 ajoitussignaalien absoluuttisista lähetyshetkistä.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen Bluetooth™-lähettimen • f ‘ ‘ paikannusjärjestelmän toimintaperiaatetta. Järjestelmä käsittää lähettimet 41 ja 42, sijainniltaan tunnetut 25 vastaanottimet 45, 46, 47, sekä laskentayksikön 49.

Vastaanottimet, joita järjestelmään kuuluu vähintään kaksi kappaletta, sisältävät välineet ajoitussignaalien vastaanottamiseen ja vastaanottoviiveen mittaukseen.

·· .

Laskentayksikkö 49 voi olla joko erillinen yksikkö tai 30 sisäänrakennettu jonkin vastaanottimen yhteyteen. Lähetin 41 on paikannettava Bluetooth™-lähetin ja 42 on sijainniltaan tunnettu lähetin. Lähetin 42 voi toimia ; itsenäisenä yksikkönä, joka lähettää määräajoin ajoitus- 22 1 0 6 6 5 5 signaaleja omalla tiedonsiirtokanavallaan, tai se voi muodostaa lähettimen 41 kanssa yhteisen tiedonsiirto-kanavan, picoverkon, jolloin ne lähettävät datapaketteja 43 ja 44 toisillensa. Paikannusjärjestelmän toiminnan 5 kannalta lähettimet 41 ja 42 ovat kuitenkin toisistaan riippumattomia, sillä signaalien lähetyshetkien suhteellinen ajoitus on joka tapauksessa niin epätarkka, ettei sitä voi hyödyntää paikanmäärityksessä. Toisistaan riippumattomat vastaanottimet 45, 46 ja 47 monitoroivat 10 passiivisesti tiedonsiirtokanavan tai -kanavien dataliikennettä ja suorittavat vastaanottoviiveiden mittauksen ajoitussignaaleista, jotka sisältyvät datapaketteihin 43 ja 44. Tämä voi tapahtua esimerkiksi siten, että vastaanottimet tarkkailevat lähetettyjen 15 datapakettien headerin sisältöä ja havaitessaan lähetyksen lähettimeltä 41 tai 42, ne käynnistävät tai pysäyttävät ajanmittauksen esimerkiksi ensimmäisellä osoitekentän jälkeisellä 0-1 signaali-transitiolla. Vastaanottimien ei tarvitse olla synkronoitu toisiinsa, sillä ajoitus-20 signaalien absoluuttisilla vastaanottohetkillä ole merkitystä paikannusjärjestelmän toiminnan kannalta.

Vastaanottoviiveiden mittaustulokset 48 siirretään • « vastaanottimilta laskentayksikölle, joka määrittää niiden perusteella paikannettavan lähettimen 41 sijainti-25 koordinaatit. Laskentayksiköstä sijaintikoordinaatit 50 voidaan halutessa siirtää radioteitse edelleen paikannettavalle Bluetooth™-lähettimelle.

• 30

Claims (7)

1. 23 106655
2. 1. Menetelmä lähettimen (41) paikantamiseksi, jossa sijainniltaan tunnetuilla vastaanottamilla (45, 46, 47) 5 mitataan yhden tai useamman sijainniltaan tunnetun lähettimen (42) lähettämien ajoitussignaalien (44) vastaanottoviivettä suhteessa paikannettavan lähettimen (41) lähettämään ajoitussignaaliin (43) ja laskenallisesti näitä mittauksia hyväksikäyttäen määritetään sijainniltaan 10 tuntemattoman lähettimen (41) paikka, tunnettu siitä, että menetelmässä lähettimet (41, 42) ja vastaanottimet (45-47) ovat olennaisesti toisistaan riippumattomia, että menetelmässä käytetään vähintään kahta vastaanotinta (45-47) mittaamaan sanottujen ajoitussignaalien (43, 44) 15 välisiä vastaanottoviiveitä, että vastaanottoviiveiden mittaus suoritetaan kaikilla vastaanottamilla (45-47) olennaisesti samanaikaisesti, että vastaanottoviiveiden perusteella lasketaan yksi tai useampi paikannettavan lähettimen (41) sijaintikoordinaateista. 20
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanotoviiveiden perusteella määritetään paikannettavan lähettimen (41) ja sijainniltaan tunnetun lähettimen tai lähettimien (42) ajoitussignaalien (43, 44) 25 väliset lähetysviiveet. 1 2 3 Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmässä vastaanotetaan kahdella tai useammalla vastaanottimella (45-47) ajoitussignaalit (43, 30 44) sekä paikannettavalta (41) että sijainniltaan 2 tunnetulta (42) lähettimeltä, mitataan kullakin vastaanottimella (45-47) näiden ajoitussignaalien (43, 44) 3 välinen vastaanottoviive, lasketaan mitattujen 24 106655 vastaanottoviiveiden perusteella paikannettavan lähettimen (41) tuntemattomat sijaintikoordinaatit, sekä lähettimien (41, 42) ajoitussignaalien (43, 44) välinen lähetysviive.
4. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ajoitussignaalina (43, 44) on pulssi, askelmainen muutos tai sen tapainen, että sijainnin määritys tapahtuu passiivisesti paikannettavan lähettimen (41) suhteen, että käyttämällä yhteensä vähintään neljää 10 sijainniltaan tunnettua lähetintä (42) tai vastaanotinta (45-47), voidaan paikannettavan lähettimen (41) x- ja y-sijaintikoordinaatit määrittää riippumatta siitä onko eri lähettimien (41, 42) ajoitussignaalien (43, 44) lähetyshetki, etenemisviive, ajoitussignaalien (43, 44) 15 välisen lähetysviiveen pituus, tai ajoitussignaalien (43, 44) vastaanottohetki suhteessa muihin vastaanottimiin (45-47) tunnettu.
5. 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään useampaa sijainniltaan tunnettua lähetintä (42) ja vastaanotinta (45-47), kuin mikä paikannuksen kannalta olisi välttämätöntä, jolloin paikannustarkkuutta voidaan lisätä ratkaisemalla tuntemattomat paikkakoordinaatit useamman 25 yhtälöryhmän avulla. 1 2 3 Järjestelmä lähettimen (41) paikantamiseksi, jossa 2 sijainniltaan tunnetuilla vastaanottimilla (45-47) mitataan yhden tai useamman sijainniltaan tunnetun lähettimen (42) 3 30 lähettämien ajoitussignaalien (44) vastaanottoviivettä suhteessa paikannettavan lähettimen (41) lähettämään ajoitussignaaliin (43) ja laskennallisesti näitä mittauksia hyväksikäyttäen määritetään sijainniltaan tuntemattoman 106655 25 lähettimen (41) paikka, tunnettu siitä, että lähettimet (41, 42) ja vastaanottimet (45-47) ovat olennaisesti toisistaan riippumattomia, että järjestelmässä on vähintään kaksi vastaanotinta (45-47) jotka on järjestetty mittaamaan 5 sanottujen ajoitussignaalien (43, 44) välisiä vastaanottoviiveitä, että kaikki vastaanottimet (45-47) mittaavat vastaanottoviiveet olennaisesti samanaikaisesti, että laskentayksikkö laskee vastaanottoviiveiden perusteella yhden tai useamman paikannettavan lähettimen 10 (41) sijaintikoordinaateista.
6. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että laskentayksikkö laskee vastaanottoviiveiden perusteella paikannettavan lähettimen (41) ja sijainniltaan 15 tunnetun lähettimen tai lähettimien (42) ajoitussignaalien (43, 44) väliset lähetysviiveet.
7. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että kukin vastaanotin (45-47) vastaanottaa kunkin 20 lähettimen (41, 42) lähettämän ajoitussignaalin (43, 44), kukin vastaanotin (45-47) mittaa ajoitussignaalien (43, 44) välisen vastaanottoviiveen, kukin vastaanotin (45-47) siirtää vastaanottoviiveen arvon (48) laskentayksikölle (49), laskentayksikkö (49) laskee tunnettujen parametrien 25 ja mitattujen vastaanottoviiveiden perusteella paikannettavan lähettimen (41) sijaintikoordinaatit. 1 2 Patenttivaatimuksen 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että paikannettava lähetin (41) on radiolähetin. 30 2 Patenttivaatimuksen 9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että sijainniltaan tunnettu lähetin (42) ja paikannettava lähetin (41) muodostavat picoverkon, että 106655 26 paikannus tapahtuu passiivisesti monitoroimalla vastaanottimilla (45-47) kyseisen picoverkon tietoliikennettä. * l 27 106655