WO2005088880A1 - Synchronisation von basisstationen über ein netzwerk - Google Patents

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WO2005088880A1
WO2005088880A1 PCT/EP2005/050842 EP2005050842W WO2005088880A1 WO 2005088880 A1 WO2005088880 A1 WO 2005088880A1 EP 2005050842 W EP2005050842 W EP 2005050842W WO 2005088880 A1 WO2005088880 A1 WO 2005088880A1
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time
base station
arrangement according
server
network
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PCT/EP2005/050842
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English (en)
French (fr)
Inventor
Leif Wiebking
Original Assignee
Symeo Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of WO2005088880A1 publication Critical patent/WO2005088880A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/87—Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0658—Clock or time synchronisation among packet nodes
    • H04J3/0661—Clock or time synchronisation among packet nodes using timestamps
    • H04J3/0667—Bidirectional timestamps, e.g. NTP or PTP for compensation of clock drift and for compensation of propagation delays

Definitions

  • Radio-based local position measuring systems usually work in such a way that a mobile object is provided with a transponder and the surroundings of the object, for example the walls of a factory building, are equipped with several base stations. The transponder then sends out signals cyclically, which are received by all base stations with a characteristic delay difference. The local position of the mobile object is deduced by offsetting these runtime differences.
  • the disadvantage of these solutions is that, for the exact determination of the runtime differences in the base stations, it is imperative that either the clocks or clock signals in the base stations run in a highly synchronous manner, for example expensive frequency standards must be used, and / or additional ones with regard to their position exactly measured reference transponders are to be used.
  • German patent application with file number 103 36 084.0 proposes a local positioning ess system (Local Positioning Radar System: LPR) for the use of means of transport such as cranes, vehicles, trolleys, pallet trucks, fork-lift trucks or AGVs (automated guided vehicles).
  • LPR Local Positioning Radar System
  • the system architecture is reversed, that is, the base station is designed to be mobile and the transponders are provided at a fixed location.
  • the invention is therefore based on the object of finding a system architecture which makes it possible to coordinate a plurality of base stations in such a way that they do not interfere with one another and to efficiently transmit the measured transponder distances, including their IDs, to a central evaluation system.
  • an arrangement has a base station with means for generating a time value of the base station, a time server with means for generating a time value of the time server and a, in particular packet-oriented, asynchronous, network for connecting the base station to the time server and to further base stations.
  • the means for generating time values are, for example, time counters, clocks and / or crystals.
  • the time server can be implemented as additional hardware. Alternatively, one of the other base stations acts as a time server.
  • the base station queries the time server or its means for generating the time value by means of a query transmitted via the network.
  • the time server then transmits its time value back to the base station in a response.
  • a time estimate is then taken into account by the base station the time value of the time server transmitted by the time server and the transit time of the request and response in the network, measured for example by the base station.
  • Appropriate means and elements are provided in the arrangement for carrying out these steps.
  • the time estimate can be determined by adding approximately or exactly half the runtime of the request and response to the time value of the time server.
  • the time estimate can be determined taking into account a time value of the base station that corresponds to its time. It is equivalent to the fact that a time estimate determined according to the previously described principles is corrected taking into account a time value of the base station corresponding to its time.
  • the time value of the base station is advantageously weighted more strongly compared to the time value of the time server, the longer the duration of the request and response. This results from the fact that the longer the duration of the request and response, the higher the precision of a time estimate determined only from the time value of the time server and the running time of the query and response.
  • An offset value is preferably also taken into account, which is a measure of the time it takes for the base station to determine the time estimate.
  • the base station has a system time that is normally set on the basis of its time value. This is then advantageously corrected on the basis of the time estimate.
  • the network is preferably an Ethernet or a WLAN.
  • the arrangement is in particular an arrangement for position measurement, preferably a local positioning radar.
  • the base station has means for distance measurement, by means of which distances can be measured in particular wirelessly and above all with radar.
  • the distances are advantageously measured by means of transit time measurement compared to transponders.
  • the arrangement has further base stations which likewise determine time estimates in the manner described, thus correct their system time and thereby synchronize with one another.
  • range measurements can be carried out in succession from the base stations without the range measurements influencing one another and without longer dead times in which no range measurement is carried out.
  • the base stations are preferably arranged at fixed, known positions, while the transponders are freely located in the
  • the structure can also be reversed, so that the transponders are arranged at fixed, known positions and the base stations on the mobile objects that move freely in space, so that the position of the base stations is determined via distance measurements.
  • the network can then advantageously be provided as a wireless network, in particular as a WLAN.
  • Query and response can be done on the network using a binary
  • Transmission protocol are transmitted.
  • the transmission protocol can also be written in ASCII. Thereby This results in better readability, but also an increased amount of data.
  • the arrangement can advantageously also have means for checking, in particular in the form of a CRCl ⁇ check, errors in the transmission of the request and response.
  • the network can have subnetworks, in which case the base stations for distance measurement in subspaces are distributed over these subnetworks.
  • 1 shows an arrangement for position measurement with base stations, transponders, a network and a time server
  • Figure 2 shows a synchronization process in the arrangement of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a measurement flow diagram as an example for four base stations
  • Figure 4 shows the structure of a transmission protocol in the network in formatted representation
  • FIG. 5 shows a binary transmission protocol
  • Figure 6 shows an arrangement with individual subspaces (parcels). Basic characteristics of the arrangements and methods described below are that
  • the targets to be located can be equipped with a light and energy-saving transponder in the form of a tag,
  • mobile tags the size of a matchbox can be located in real time with an accuracy of 10cm
  • the system can be scaled as desired and any number of connected subcells or subspaces can be formed.
  • the distances are measured between a movable base station and at least three fixed transponders mounted on the edge and the Cartesian coordinates of the base station are calculated from this.
  • the data is generated on the base station and must be transferred to the database via an additional WLAN module. Since only one base station is allowed to transmit at the same time, several base stations in a room must synchronize wirelessly and this is only possible with a number ⁇ 10 with an acceptable measurement rate. In addition, it must be possible for a base station to enter and exit a certain room, which places higher demands on the protocol structure.
  • base stations (base station 1, Bs2, ..., Bs8) are set up at fixed locations and are synchronized via an Ethernet network (Ethernet cable, LAN, switch).
  • the transponders (idl, id2, id5, idl5, id32, id45, id55, id64) are mobile below and can transmit and be evaluated at the same time due to the frequency division multiplex method described in the German patent application with the file number 103 36 084.0. No communication between base stations and transponders is required.
  • the base stations send one after the other and send a list of the measured distances, levels, speeds and the associated transponder IDs via the Ethernet network to an LPR server (PC), on which an Extending Cayman filter for coordinate determination runs.
  • the LPR server also serves as a database and diagnostic device as well as a node between different LPR sub-cells.
  • a network controller board In order to transmit the data to the LPR server in the form of a central evaluation computer, a network controller board is used, which reads in the data of the base station via an RS232 interface and sends it to the LPR server via Ethernet.
  • the main advantage of Ethernet is the wide spread and standardization of this protocol. This makes it possible in many cases to fall back on existing LAN infrastructure. In most cases, this eliminates the very complex and expensive laying of special data lines.
  • the base stations do not interfere with each other during the measurement, they must be synchronized.
  • the synchronization takes place via a central time server, on whose time the base stations synchronize. Since the runtime for Ethernet in the measurement setup usually fluctuates between 2ms and 7ms, which can increase significantly under unfavorable conditions, synchronization is not possible by sending a single packet. For this reason, an algorithm was designed that takes the different parcel transit times into account. In order to achieve this, another network controller board (ether groove board) is inserted into the network, which serves as a time server.
  • ether groove board inserted into the network, which serves as a time server.
  • the Ethernut boards which are connected to the DSP's, query the time value, i.e. the meter reading, of the time server.
  • the time server receives this
  • the Ethernut board remembers the counter reading at which it sent the request in the form of a request packet to the time server as T snd and the counter reading at which it received the response packet as T ge ,. This process is shown in Figure 2.
  • the current counter reading of the time server can be calculated as follows:
  • T v is only a time estimate.
  • 35 p is a factor that indicates how strongly the estimated time server counter reading and how strongly the base station's own counter reading is included in the estimate. It can be assumed that the time server counter estimate is better if the runtime is shorter. This results in a formula
  • o is an offset that takes into account the time it takes to calculate the formulas and set the counter
  • a and b are two factors that indicate the course of the function and thus the value of p.
  • an interrupt is generated by the timer of an ether nut board, which sends a command to carry out a measurement via the serial interface to the DSP.
  • This comparison value is set differently in each base station, so that, for example, the measurement flow diagram shown in FIG. 3 results for four base stations.
  • FIG. 4 An example of a possible transmission protocol for the transmission of data from each base station to the LPR server in the form of the central evaluation computer is shown in FIG. 4 and consists of ASCII characters which are transmitted via the serial interface.
  • the size of the user data is limited to 25 bytes.
  • the overhead is 7 bytes.
  • This protocol is very simple and best suited for small amounts of data.
  • ASCII a binary transmission protocol according to FIG. 5 was developed.
  • ASCII characters are no longer used within this binary protocol. Although this worsens the readability of the protocol, the transmission, especially with large amounts of data, is much more efficient.
  • One reason for this is the number field. Is e.g. If a field with transponder data already exists, another packet with transponder data does not generate any further overhead. Only the user data is inserted into the Data field and the number is increased by one.
  • CRC16 check it is now also possible to determine errors in the transmission. This is only possible to a limited extent when using an ASCII protocol.
  • CRC is a very safe method to detect errors and is also used, for example, for the transmission of IP packets or for storage on diskettes. The size of a package was up Ibyte limited. This makes it possible to process such packages with the Ethernut board.
  • a data packet contains the following components: - Header: Informs what the data is and how big the packet is. It is made up of the following fields: - Start sequence: are 4 bytes that signal the start of a packet. Here 0x43545053 was chosen. - Version: Contains the version of the protocol (here 1). - Header length: Contains the number of ID fields. - Data length: Contains the number of data bytes. - ID_Feld_x: Contains information about the data. Several ID fields can be sent within one package. - ID1: Indicates the primary ID. For example, the IDI identifier "four" means that it is information. - ID2: Indicates the sub ID.
  • the ID2 identifier "three" of the information means, for example, that the associated data are the cycle counter and the cycle time of the LPR system. - Number: Indicates how much data follows with the same ID. - Address: Indicates where the data field is located in relation to the previous ID.
  • - Data Contains the entire data of the package.
  • - CRC is a field that contains a checksum. These can be used to determine with high probability whether an error has occurred during the transmission.
  • Each sub-room (celli, cell2, cell3, cell4) is equipped with a computing unit (computing unit, eg PC104) that evaluates the associated base stations and calculates the Cayman filter for the transponders in this room.
  • a list with all the transponder IDs and their coordinates located in the room is thus currently created in each of these computing units every 200 ms.
  • the computing units are all networked with one another and the data is managed and stored by a central LPR server.
  • the protocol standard is also TCP / IP, which has the advantage that an existing or pre-installed computer network can also be used for the LPR.
  • the real-time requirements for the data transfer between the subspaces are low because this is no longer an evaluation that has already been completed in the subunit, but only a data transfer provided with a time stamp.

Abstract

Eine Anordnung zur Positionsmessung weist eine Basisstation, einen Zeitserver und ein Netzwerk zum Verbinden der Basissta­tion mit dem Zeitserver und weiteren Basisstationen auf. Die Basisstation ermittelt einen Zeitschätzwert, indem sie einen Zeitwert des Zeitservers auffragt.

Description

Be s ehr eibung
Synchronisation von Basisstationen über ein Netzwerk
Im Bereich der Materialverfolgung und Logistik besteht ein großer Bedarf an Systemen, die in der Lage sein sollen, die lokale Position von Gegenständen oder Personen zu bestimmen.
Funkbasierte lokale Positionsmesssysteme arbeiten meist der- art, dass ein mobiles Objekt mit einem Transponder versehen wird und die Umgebung des Objektes, also beispielsweise die Wände einer Werkshalle, mit mehreren Basisstationen ausgestattet wird. Der Transponder sendet dann zyklisch Signale aus, die von allen Basisstationen mit einem charakteristi- sehen Laufzeitunterschied empfangen werden. Durch Verrechnung dieser Laufzeitunterschiede wird auf die lokale Position des mobilen Objekts geschlossen. Nachteilig ist bei diesen Lösungen, dass es zur exakten Bestimmung der Laufzeitunterschiede in den Basisstationen zwingend notwendig ist, dass entweder die Uhren bzw. Taktsignale in den Basisstationen höchst synchron laufen, also beispielsweise teuere Frequenznormale verwendet werden müssen, und/oder zusätzliche, bezüglich ihrer Position exakt vermessene Referenztransponder zu benutzen sind.
Deshalb wird in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 36 084.0 ein lokales Positions essSystem (Local Positioning Radar System: LPR) für den Einsatz von Transportmitteln wie Kranen, Fahrzeugen, Trolleys, Hubwagen, Gabel- Staplern oder AGVs (Automated Guided Vehicles) vorgeschlagen, bei dem die Systemarchitektur umgedreht ist, das heißt, die Basisstation mobil gestaltet ist und die Transponder an einem festen Ort vorgesehen sind.
Dies bedeutet allerdings, dass die Signal verarbeitenden Basisstationen auf dem mobilen, zu ortenden Objekt installiert sein müssen und die ermittelten Koordinaten über WLAN an eine am Rand der Anlage befindliche Zentrale übertragen werden müssen. Daraus ergibt sich wiederum der Nachteil, dass ein recht teueres und aufwändiges und zusätzlich mit einem WLAN ausgestattetes Gerät auf dem mobilen Objekt installiert werden muss. Anwendungen mit anspruchsvollen Anforderungen an kompakte Bauweise, Gewicht und Energieverbrauch können deshalb mit diesem System nicht abgedeckt werden. Außerdem wird das System bei einer sehr hohen Anzahl von zu ortenden Objekten relativ teuer.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Systemarchitektur zu finden, die es erlaubt, mehrere Basisstation so zu koordinieren, dass sie sich nicht gegenseitig stören und einem zentralen AuswertungsSystem die gemessenen Trans- ponderentfernungen inklusive deren IDs effizient übergeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Dementsprechend weist eine Anordnung eine Basisstation mit Mitteln zum Erzeugen eines Zeitwertes der Basisstation, einen Zeitserver mit Mitteln zum Erzeugen eines Zeitwertes des Zeitservers und ein, insbesondere paketorientiertes, asyn- chrones, Netzwerk zum Verbinden der Basisstation mit dem Zeitserver und mit weiteren Basisstationen auf. Die Mittel zum Erzeugen von Zeitwerten sind beispielsweise Zeitzähler, Uhren und/oder Quarze. Der Zeitserver kann als zusätzliche Hardware implementiert sein. Alternativ fungiert eine der weiteren Basisstationen als Zeitserver.
Von der BasisStation wird mittels einer über das Netzwerk übermittelten Abfrage vom Zeitserver bzw. dessen Mitteln zum Erzeugen des Zeitwerts der Zeitwert des Zeitservers abge- fragt. Der Zeitserver übermittelt daraufhin seinen Zeitwert in einer Antwort an die Basisstation zurück. Von der Basisstation wird dann ein Zeitschätzwert unter Berücksichtigung des vom Zeitserver übermittelten Zeitwerts des Zeitservers und der, beispielsweise von der Basisstation gemessenen, Laufzeit von Anfrage und Antwort im Netzwerk ermittelt. Zum Durchführen dieser Schritte sind in der Anordnung entspre- chende Mittel und Elemente vorgesehen.
Insbesondere ist der Zeitschätzwert ermittelbar, indem zum Zeitwert des Zeitservers etwa oder genau die Hälfte der Laufzeit von Anfrage und Antwort hinzuaddiert wird.
Genauer kann der Zeitschätzwert unter Berücksichtigung eines seinem Zeitpunkt entsprechenden Zeitwertes der BasisStation ermittelt werden. Dem ist gleichwertig, dass ein nach den zuvor geschilderten Prinzipien ermittelter Zeitschätzwert unter Berücksichtigung eines seinem Zeitpunkt entsprechenden Zeitwertes der Basisstation korrigiert wird.
Bei der präziseren Ermittlung bzw. Korrektur des Zeitschätzwertes wird vorteilhaft der Zeitwert der BasisStation gegen- über dem Zeitwert des Zeitservers umso stärker gewichtet, je länger die Laufzeit von Anfrage und Antwort ist. Das resultiert daraus, dass die Präzision des Zeitwertes der Basisstation gegenüber der Präzision eines nur aus dem Zeitwert des Zeitservers und der Laufzeit von Anfrage und Antwort ermit- telten Zeitschätzwertes um so höher ist, je länger die Laufzeit von Anfrage und Antwort ist.
Vorzugsweise wird auch noch ein Offsetwert berücksichtigt, der ein Maß für die Zeit ist, die die Basisstation zur Er- mittlung des Zeitschätzwertes braucht.
Die Basisstation weist eine normalerweise anhand ihres Zeitwertes eingestellte Systemzeit auf. Diese wird dann vorteilhaft anhand des Zeitschätzwertes korrigiert.
Das Netzwerk ist vorzugsweise ein Ethernet oder ein WLAN. Die Anordnung ist insbesondere eine Anordnung zur Positionsmessung, vorzugsweise ein Local Positioning Radar.
Dementsprechend weist die BasisStation Mittel zur Entfer- nungsmessung auf, über die Entfernungen insbesondere drahtlos und vor allem mit Radar messbar sind.
Vorteilhaft werden die Entfernungen mittels LaufZeitmessung gegenüber Transpondern gemessen.
Zur Messung von Positionen von mobilen Objekten, an denen die Transponder angeordnet sind, werden jeweils mehrere Entfernungen gemessen.
Dazu weist die Anordnung weitere Basisstationen auf, die ebenfalls in der beschriebenen Weise Zeitschätzwerte ermitteln, ihre Systemzeit damit korrigieren und sich dadurch miteinander synchronisieren. Dadurch können von den Basisstationen nacheinander Entfernungsmessungen durchgeführt werden, ohne dass sich die Entfernungsmessungen gegenseitig beeinflussen und ohne dass längere Totzeiten entstehen, in denen keine Entfernungsmessung durchgeführt wird.
Die BasisStationen sind vorzugsweise an festen, bekannten Po- sitionen angeordnet, während die Transponder sich frei im
Raum bewegen, wobei über Entfernungsmessung ihre Position bestimmt wird. Alternativ kann der Aufbau auch umgekehrt sein, so dass die Transponder an festen, bekannten Positionen angeordnet sind und die Basisstationen an den mobilen Objekten, die sich frei im Raum bewegen, so dass über Entfernungsmessungen die Position der Basisstationen bestimmt wird. Hierfür ist das Netzwerk dann vorteilhaft als drahtloses Netzwerk vorzusehen, insbesondere als WLAN.
Anfrage und Antwort können im Netzwerk mit einem binären
Übertragungsprotokoll übertragen werden. Alternativ kann das Übertragungsprotokoll auch in ASCII verfasst sein. Dadurch ergibt sich zwar eine bessere Lesbarkeit, aber auch ein erhöhtes Datenaufkommen.
Die Anordnung kann vorteilhaft auch Mittel zur Prüfung, ins- besondere in Form einer CRClβ-Prüfung, von Fehlern der Übertragung von Anfrage und Antwort aufweisen.
Das Netzwerk kann Unternetzwerke aufweisen, wobei dann die Basisstationen zur Entfernungsmessung in Unterräumen auf die- se Unternetzwerke verteilt sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Ausgestaltungen der Anordnung und umgekehrt. Dabei sind jeweils für die Verfahrensschritte ent- sprechende Mittel vorzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt
Figur 1 eine Anordnung zur Positionsmessung mit Basisstationen, Transpondern, einem Netzwerk und einem Zeitserver;
Figur 2 einen Synchronisationsablauf in der Anordnung nach Figur 1;
Figur 3 ein Messablaufdiagramm exemplarisch für vier Basisstationen;
Figur 4 die Struktur eines Übertragungsprotokolls im Netzwerk in formatierter Darstellung;
Figur 5 ein binäres Übertragungsprotokoll;
Figur 6 eine Anordnung mit einzelnen Unterräumen (Parzellen) . Grundlegende Eigenschaften der im Weiteren beschriebenen Anordnungen und Verfahren bestehen darin, dass
- ein effizientes und geschwindigkeitsoptimiertes Protokoll zwischen den Basisstationen und dem Zentralserver hohe Messraten ermöglicht,
- die zu ortenden Ziele mit einem leichten und energiesparenden Transponder in Form eines Tags ausgestattet werden können,
- viele verschiedene Ziele ohne aufwendige Kommunikation und Synchronisation gleichzeitig gemessen werden können,
- zum ersten Mal mobile Tags in Größe einer Streichholzschachtel mit einer Genauigkeit von 10cm in Echtzeit geortet werden können,
- das System beliebig skalierbar ist und beliebig viele zu- sammenhängende Unterzellen bzw. Unterräume gebildet werden können.
Wie in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 36 084.0 dargestellt, werden beim Local Posititioning Ra- dar zwischen einer beweglichen Basisstation und mindestens drei am Rand montierten festen Transpondern jeweils die Entfernungen gemessen und daraus die kartesischen Koordinaten der BasisStation berechnet. Die Daten fallen hierbei auf der Basisstation an und müssen über ein zusätzliches WLAN-Modul zur Datenbank transferiert werden. Da nur eine Basisstation zur gleichen Zeit senden darf, müssen sich mehrere in einem Raum befindliche Basisstationen drahtlos synchronisieren und dies ist nur bei einer Anzahl <10 mit akzeptabler Messrate möglich. Außerdem muss der Ein- und Austritt einer Basissta- tion in einen bestimmten Raum möglich sein, .was an die Protokollstruktur höhere Anforderungen stellt.
Beim hier beschriebenen und in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Basisstationen (Base Station 1, Bs2, ..., Bs8) an festen Orten eingerichtet und werden über ein Ethernet-Netzwerk (Ethernet Cable, LAN, Switch) synchronisiert. Die Transponder (idl, id2, id5, idl5, id32, id45, id55, id64) sind im Folgenden mobil und können aufgrund des in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 103 36 084.0 beschriebenen Frequenzmultiplex-Verfahrens zur gleichen Zeit senden und auch ausgewertet werden. Es ist dabei keinerlei Kommunikation zwischen Basisstationen und Transpondern erforderlich. Die Basisstationen senden nacheinander und schicken jeweils eine Liste der gemessenen Entfernungen, Pegel, Geschwindigkeiten und die zugehörigen Transponder-Ids über das Ethernet-Netzwerk zu einem LPR-Server (PC) , auf dem ein Ex- tended Kaiman Filter zur Koordinatenbestimmung läuft. Außerdem dient der LPR-Server gleichzeitig als Datenbank und Diagnosegerät sowie als Knotenpunkt zwischen verschiedenen LPR- Unterzellen.
Um die Daten zu dem LPR-Server in Form eines zentralen Auswertungsrechners zu übermitteln, wird eine Netzwerkcontroller-Platine eingesetzt, die die Daten der Basisstation über eine RS232 Schnittstelle einliest und sie über Ethernet an den LPR-Server sendet. Der wesentliche Vorteil von Ethernet ist die große Verbreitung und Standardisierung dieses Protokolls. Hierdurch ist es in vielen Fällen möglich, auf schon bestehende LAN Infrastruktur zurückzugreifen. Damit entfällt das in den meisten Fällen sehr aufwendige und teure Verlegen von speziellen Datenleitungen.
Damit die Basisstationen sich bei der Messung nicht gegenseitig stören, müssen sie synchronisiert werden. Die Synchronisation erfolgt über einen zentralen Zeitserver, auf dessen Zeit sich die Basisstationen synchronisieren. Da die Laufzeit bei Ethernet im Messaufbau meist zwischen 2ms und 7ms schwankt, was sich bei ungünstigen Bedingungen noch wesentlich erhöhen kann, ist die Synchronisation nicht durch Senden eines einzelnen Paketes möglich. Deshalb wurde ein Algorith- mus entworfen, der die verschiedenen Paketlaufzeiten berücksichtigt. Um dies zu realisieren wird eine weitere Netzwerkcontoller- Platine (Ethernutplatine) in das Netzwerk eingefügt, die als Zeitserver (Time Server) dient. Auf jeder Ethernutplatine laufen nun Mittel zum Erzeugen eines Zeitwerts der Basissta- 5 tion in Form eines nun ein Timer, die mit Mitteln zum Erzeugen eines Zeitwerts des Zeitservers in Form eines Timers auf dem Zeitserver synchronisiert werden. Dabei besitzen alle Timer die gleiche Zykluszeit, die der Zeit entspricht, die alle Basisstation benötigen, um hintereinander eine Messung durch- 10 zuführen.
Um die Timer zu synchronisieren fragen die Ethernutplatinen, die mit den DSP's verbunden sind, den Zeitwert, also den Zählerstand, des Zeitservers ab. Der Zeitserver empfängt diese
15 Pakete und sendet seinen Zählerstand zurück. Dabei merkt sich die Ethernutplatine den Zählerstand, bei dem sie die Anfrage in Form eines Anfragepakets zum Zeitserver gesendet hat als Tsβnd und den Zählerstand, zu dem sie das Antwortpaket erhält, als Tge, . Dieser Ablauf ist in Figur 2 dargestellt. Der Zeit-
20 Server schreibt seinen Zählerstand TServ-- in das Antwortpaket. Anhand der Laufzeit von Anfrage und Antwort und des übermittelten Zählerstandes des Zeitservers, kann man den aktuellen Zählerstand des Zeitservers folgendermaßen berechnen:
Figure imgf000010_0001
Da die Laufzeit der Anfrage von der Basisstation zum Zeitserver im Allgemeinen nicht gleich der Laufzeit der Antwort vom Zeitserver zur Basisstation ist, ist Tv nur ein Zeitschätz-
30 wert des Zeitserverzählerstandes. Die Zeit, die die Ethernutplatine übernimmt errechnet sich dabei nach
Tπ T=* $-R. )t v* p+o
35 p ist dabei ein Faktor, der angibt wie stark der geschätzte Zeitserverzählerstand und wie stark der eigene Zählerstand der Basisstation in die Schätzung mit einfließt. Man kann dabei davon ausgehen, dass die Schätzung des Zeitserverzählerstands besser ist, wenn die Laufzeit geringer ist. Daraus ergibt sich Formel
P= b+ TeFsT-nd)
für die Berechnung des Faktors p. o ist ein Offset, der die Zeit berücksichtigt, die zur Berechnung der Formeln und zum einstellen des Zählers benötigt wird, a und b sind zwei Faktoren, die den Verlauf der Funktion und damit den Wert von p angeben.
Um eine BasisStation nun messen zu lassen wird ein Interrupt von dem Timer einer Ethernutplatine erzeugt, der ein Kommando zur Durchführung einer Messung über die serielle Schnittstelle zum DSP sendet. Dieser Vergleichswert ist in jeder Basis- Station unterschiedlich eingestellt, so dass sich für vier BasisStationen beispielsweise das in Figur 3 dargestellte Messablaufdiagramm ergibt.
Ein Beispiel für ein mögliches Übertragungsprotokoll für die Übertragung von Daten einer jeden Basisstation zum LPR-Server in Form des zentralen Auswertungsrechners ist in Figur 4 gezeigt und besteht aus ASCII Zeichen, die über die serielle Schnittstelle übertragen werden. Dabei ist die Größe der Nutzdaten auf 25 Byte beschränkt. Der Overhead beträgt 7 Byte.
Dieses Protokoll ist sehr einfach und für geringe Datenmengen bestens geeignet. Außerdem ist es durch das Kodieren der Daten als ASCII gut möglich dieses Protokoll mitzulesen, was die Fehlersuche vereinfacht. Für große Datenmengen ist dieses Protokoll jedoch nicht geeignet, da es einen recht hohen Overhead erzeugt. Deswegen wurde ein binäres Übertragungsprotokoll nach Figur 5 entwickelt.
Innerhalb dieses binären Protokolls werden nun keine ASCII Zeichen mehr verwendet. Das verschlechtert zwar die Lesbarkeit des Protokolls, dafür ist die Übertragung, besonders bei großen Datenmengen, wesentlich effizienter. Ein Grund dafür ist das Feld Anzahl. Ist z.B. schon ein Feld mit Transponder- daten vorhanden, so erzeugt ein weiteres Paket mit Transpon- derdaten keinen weiteren Overhead. Es werden lediglich die Nutzdaten in das Feld Daten eingefügt und die Anzahl um eins erhöht.
Um die Effizienz dieses Übertragungsprotokolls zu verdeutlichen, wird angenommen, dass mit diesem Protokoll nun die Daten von 64 Transpondern übertragen werden sollen. Daraus folgt ein Header von 15 Byte. Hinzu kommen die Daten der po- tenziell 64 Transponder, die jeweils vier Byte für die Distanz, vier für den Pegel, vier für die Geschwindigkeit und zwei für die Transponder-ID versenden. Daraus ergibt sich ein Datenvolumen von 64*16 = 896 Byte. Zusammen mit den 4 Byte für das Feld "For Future Use" und den 2 Byte für die CRC- Summe erhält man eine Gesamtgröße von 917 Byte. Der Overhead beträgt somit 2,3%. Das ASCII Protokoll hatte dagegen einen Overhead von 28%. Die ungünstige Zahlendarstellung erhöht das Datenvolumen zusätzlich. Das ASCII-Protokoll benötigt 10 Byte zur Darstellung einer Zahl im float Format, während beim bi- nären Übertragungsprotokoll nur vier Byte benötigt werden.
Durch eine CRC16-Prüfung ist es jetzt auch möglich, Fehler bei der Übertragung festzustellen. Dies ist bei Verwendung eines ASCII-Protokolls nur bedingt möglich. CRC ist ein sehr sicheres Verfahren um Fehler zu entdecken und wird z.B. auch bei der Übertragung von IP-Paketen oder bei der Speicherung auf Disketten verwendet. Die Größe eines Paketes wurde auf IKbyte beschränkt. Dies macht es möglich, solche Pakete auch mit der Ethernutplatine zu bearbeiten.
Ein Datenpaket enthält folgende Bestandteile: - Header: Informiert darüber, um welche Daten es sich handelt und wie groß das Paket ist. Im Einzelnen setzt er sich aus den folgenden Feldern zusammen: - Startsequenz: Sind 4 Byte, die den Start eines Paketes signalisieren. Hier wurde 0x43545053 gewählt. - Version: Enthält die Version des Protokolls (hier 1) . - Header length: Enthält die Anzahl der ID-Felder. - Data length: Enthält die Anzahl der Datenbytes. - ID_Feld_x: Enthält Angaben über die Daten. Dabei können mehrere ID-Felder innerhalb eines Paketes verschickt werden. - ID1: Gibt die primäre ID an. Die IDl-Kennung "vier" bedeutet zum Beispiel, dass es sich um Informationen handelt. - ID2: Gibt die sub ID an. Die ID2-Kennung "drei" der In- formationen bedeutet zum Beispiel, dass es sich bei den zugehörigen Daten um den Cycle counter und die Cycle time des LPR-Systems handelt . - Anzahl: Gibt an, wie viele Daten mit der gleichen ID folgen. - Adresse: Gibt an, an welcher Stelle des Datenfeldes sich die Daten im Bezug zu der vorangegangenen ID befinden.
- Daten: Enthält die gesamten Daten des Paketes.
- For Futur Use: Ist ein Feld, dass für Änderungen am Protokoll oder für Tests benutzt werden kann, die zum Zeitpunkt der Protokollerstellung noch nicht vorhersehbar waren.
- CRC: Ist ein Feld, in dem eine Prüfsumme enthalten ist. Mit Hilfe dieser kann man mit hoher Wahrscheinlichkeit feststellen, ob während der Übertragung ein Fehler aufgetreten ist.
Für die Ortung in unterteilten Arealen, z.B. größeren Gebäuden und Häusern, ist es sinnvoll aufgrund der stets anzustre- benden Echtzeitfähigkeit das System in mehrere voneinander unabhängige Ortungseinheiten in Form von Unterräumen aufzuteilen. Dies ist in Figur 6 dargestellt und wird wie folgt realisiert. Jeder Unterraum (Celli, Cell2, Cell3, Cell4) ist mit einer Recheneinheit (Computing Unit z.B. PC104) ausgestattet, die die zugehörigen Basisstationen auswertet und das Kaimanfilter für die in diesem Raum befindlichen Transponder rechnet. In jeder dieser Recheneinheiten wird somit momentan alle 200ms eine Liste mit allen in dem Raum befindlichen Transponder-Ids und deren Koordinaten erstellt. Die Recheneinheiten sind alle untereinander vernetzt und die Daten werden von einem zentralen LPR-Server verwaltet und abgespeichert. Dort liegt also gesammelt die Koordinaten-Information über die sich in dem Gebäude bzw. Areal befindlichen Transponder vor. ProtokollStandard ist auch hier TCP/IP, was den Vorteil hat, dass ein ggf. vorhandenes bzw. vorinstalliertes Rechnernetzwerk auch für das LPR mitgenutzt werden kann. Die Echtzeitanforderungen an den Datentransfer zwischen den Unterräumen sind gering, weil es hier nicht mehr um eine Auswertung, die bereits in der Untereinheit abgeschlossen ist, sondern lediglich um mit Zeitstempel versehenen Daten- Transfer geht.
Die wesentlichen praktischen Vorteile der in der Erfindung beschriebenen technischen Merkmale sind folgende:
- Kleine kompakte Transponder sind in großer Zahl ortbar und können aufgrund ihrer geringen Größe an der Kleidung von Personen etc. befestigt werden. - Ortungssystem mit der Möglichkeit zur Bildung von Unterräumen zu Gunsten der Messrate.
- Echtzeit-optimiertes und effizientes binäres Datenprotokoll zum Datenaustausch zwischen BasisStationen und Rechner (hohe Messrate, gute Synchronisation) . - Energiesparende Transponder-Tags, die mit kleiner Batterie versorgt werden können. Billige Ortungseinheiten (Transponder) , eignet sich besonders, wenn viele Objekte in einem Gebäude gleichzeitig geortet werden sollen.
Einsetzbar in der Sicherheitstechnik (neben Identifikation erfolgt gleichzeitig Ortung) mit geringem Überlistungs- Risiko .

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung
- mit einer Basisstation, die Mittel zum Erzeugen eines Zeitwertes der Basisstation aufweist,
- mit einem Zeitserver, der Mittel zum Erzeugen eines Zeitwertes des Zeitservers aufweist,
- mit einem Netzwerk zum Verbinden der Basisstation mit dem Zeitserver, wobei,
- von der Basisstation mittels einer über das Netzwerk übertragenen Anfrage der Zeitwert des Zeitservers anfragbar ist, der Zeitwert des Zeitservers in einer Antwort an die Ba- sisstation übertragbar ist,
- ein Zeitschätzwert der Basisstation ermittelbar ist, wobei der Zeitwert des Zeitservers und die Laufzeit von Anfrage und Antwort berücksichtigt werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitschätzwert ermittelbar ist, indem zum Zeitwert des Zeitservers die Hälfte der Laufzeit von Anfrage und Antwort hinzuaddiert wird.
3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitschätzwert unter Berücksichtigung eines Zeitwertes der Basisstation ermittelbar ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des Zeitschätzwerts der Zeitwert der Basisstation gegenüber dem Zeitwert des Zeitservers und der Laufzeit von Anfrage und Antwort umso stärker gewichtbar ist, je länger die Laufzeit von Anfrage und Antwort ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitschätzwert ermittelbar ist, indem ein Offsetwert berücksichtigt wird, der ein Maß für die Zeit für die Ermitt- lung des Zeitschätzwertes ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation eine Systemzeit aufweist, die anhand des Zeitschätzwertes korrigierbar ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk ein Ethernet und/oder ein WLAN aufweist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation Mittel zur Entfernungsmessung aufweist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Mitteln zur Entfernungsmessung Entfernungen drahtlos messbar sind, insbesondere über Radar.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Mitteln zur Entfernungsmessung Entfernungen gegenüber Transpondern messbar sind.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weitere Basisstationen aufweist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die BasisStationen über jeweilige Ermittlung von Zeitwerten miteinander synchronisierbar sind.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Basisstationen Mittel zur Entfernungsmes- sung aufweisen und die Entfernungsmessung der Basisstationen synchronisierbar ist.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation ortsfest ist.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Anordnung zur Positionsmessung ist.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anfrage und Antwort im Netzwerk mit einem binären Übertragungsprotokoll übertragbar sind.
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung Mittel zur Prüfung von Übertragungsfehlem der Übertragung von Anfrage und Antwort aufweist.
18. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk Unternetzwerke aufweist und die Basisstationen zur Entfernungsmessung in Unterräumen auf die Unternetz- werke verteilt sind.
19. Verfahren, bei dem eine Basisstation, die Mittel zum Erzeugen eines Zeitwertes der Basisstation aufweist, - ein Zeitserver, der Mittel zum Erzeugen eines Zeitwertes des Zeitservers aufweist, ein Netzwerk zum Verbinden der Basisstation mit dem Zeitserver, verwendet wird und bei dem von der Basisstation mittels einer über das Netzwerk über- tragenen Anfrage der Zeitwert des Zeitservers angefragt wird, der Zeitwert des Zeitservers in einer Antwort an die Basisstation zurück übertragen wird, ein ZeitSchätzwert der Basisstation ermittelt wird, wobei der Zeitwert des Zeitservers und die Laufzeit von Anfrage und Antwort berücksichtigt werden.
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