WO2021151966A1 - Decawave-ultra-breitband-reflexions-fehler-korrektur - Google Patents

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WO2021151966A1
WO2021151966A1 PCT/EP2021/051895 EP2021051895W WO2021151966A1 WO 2021151966 A1 WO2021151966 A1 WO 2021151966A1 EP 2021051895 W EP2021051895 W EP 2021051895W WO 2021151966 A1 WO2021151966 A1 WO 2021151966A1
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WO
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electromagnetic wave
receiver
transmitter
reflected
reflected electromagnetic
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/051895
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Juri Sidorenko
Norbert Scherer-Negenborn
Michael Arens
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2021151966A1 publication Critical patent/WO2021151966A1/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
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves

Definitions

  • the present application relates to an arrangement for determining a distance ei Nes receiver to a point of reflection of a reflected electromagnetic waves with an Ultra Wide Band (UWB) system, and a method for determining a distance of a receiver to a point of reflection of a reflected electromagnetic waves with a rule Ultra Wide Band (UWB) system and a computer program code.
  • UWB Ultra Wide Band
  • UWB technology In the field of indoor localization, ultra-broadband technology (UWB technology) has become indispensable. The market demands that the UWB hardware be cheap, precise, and accurate. These requirements have led to the popularity of DecaWave® UWB systems. Most of the publications about this system deal with the correction of signal power, hardware delay and clock drift.
  • Ultra-broadband (UWB) technology can be used in indoor environments in which narrowband systems are usually faulty due to fading [1], [2]. This technology has received more attention in recent years and will continue to play an important role in the future [3]. This is mainly due to the falling price and the decreasing size of the components.
  • DecaWave® Limited One of the market leaders is DecaWave® Limited [4], whereby the UWB component, for example, has been part of the new generation of Apple products since 2019 [5] and is likely to be a revolution for augmented reality, smart homes and mobile numbers , keyless car access and interior navigation will trigger [6]
  • DecaWave® Limited The components available from DecaWave® Limited meet the IEEE802.15.4-2011 standard [7] and support six frequency bands with center frequencies from 3.5 GHz to 6.5 GHz with data rates of up to 6.8 Mb / s. Depending on the selected center frequency, the bandwidth varies from 500 to 1000 MHz. Signal sampling is performed by an internal 64 GHz chip with an event timing precision of 15 ps (4.496 mm). Due to general regulations, the transmission power density is -41.3 dBm / MHz restricted. These regulations are justified by the large bandwidth that is used by the UWB transceiver. The experiments described herein were carried out, for example, with the DecaWave® EVK1000. This board mainly features a DW1000 chip and an STM32 ARM processor.
  • the DecaWave® ultra-wideband (UWB) chips are now used in almost all market segments such as the consumer market, cell phone accessories, industry or the automotive industry, etc.
  • UWB positioning offers many options to support everyday life and entertainment.
  • the UWB chips can be used, for example, with adaptive lighting, with location-based loudspeaker systems, with security monitoring and access systems such as for children, pets, the elderly, etc., with door locks and garage openers, with home networks and wireless connectivity, with payment security, in in robotics, or in sports analysis.
  • the applications are even more diverse.
  • UWB positioning can be used, for example, in department stores, hospitals, care facilities, agriculture or even during mine work.
  • the UWB chips can be helpful for a real-time view of ongoing work, the optimization of system usage, robot and personal navigation, or the avoidance of hazards by using the UWB chips to activate or deactivate tools or instruments or devices.
  • UWB chips can be used to avoid pedestrian or cyclist collisions, with secure access (passive entry / passive start), with valet service / convenience parking, with communication between the vehicle and infrastructure, with both tire pressure control system communication, with vehicle-to-vehicle -Communication, can be used for a Smart City toll or parking space management.
  • the DecaWave® UWB system also makes it possible to carry out distance measurements between two transceivers using two-way-ranging (TWR).
  • TWR two-way-ranging
  • An exact spatial measurement resolution depends on how precisely a time stamp of a signal can be determined.
  • algorithms are often used, in particular a so-called LED (Leading Edge Detection) algorithm, which has the task of finding the so-called direct signal where a time stamp is set.
  • the microcode cannot be changed by an end user.
  • the DecaWave® system allows the so-called Channel Impulse Response (CI R) to be read out.
  • CI R Channel Impulse Response
  • the channel impulse response usually has a resolution of one nanosecond, so the transit time of the reflections can only be determined to an accuracy of about 30 centimeters.
  • the low resolution of the reflections is a limiting factor for specific applications such as UWB radar.
  • [8] it is described how a phase difference can be determined from the channel impulse response.
  • One object of the present technical teaching is to provide an arrangement and a method as well as a computer program code with which the transit time of reflections can be determined more precisely, in particular which can be used as UWB radar or which can be used with a UWB radar in other areas of application, as indicated, for example, in the previous introductory section, leads to improved accuracy.
  • the arrangement for determining a distance of a receiver to a reflection point of a reflected electromagnetic wave with an ultra wide band (UWB) system in which a channel impulse response (CIR) can be read out comprises a transmitter for transmitting an electromagnetic wave, a receiver for receiving the electromagnetic wave transmitted from, the receiver being designed to receive the electromagnetic wave transmitted directly from the transmitter, and being designed to receive the transmitted electromagnetic wave electromagnetic wave as reflected electromagnetic wave.
  • the UWB system of the proposed arrangement is also designed to read out the channel impulse response (CIR) and from the channel impulse Response (CIR) to determine an angle of incidence of the reflected electromagnetic wave.
  • the channel impulse response (CIR) contains a real and an imaginary part of the received signal. These are provided by the IQ method (ln-phase & quadrature method). A user can request this information from the DecaWave® chip.
  • the amplitude and the phases of the signal can be determined from the real and imaginary part.
  • the SFD start frame delimiter
  • the AoA Angle of Arrival
  • the UWB system of the proposed arrangement is also designed to determine a phase difference between the electromagnetic wave received directly from the transmitter and the reflected electromagnetic wave.
  • the phase of the first signal is read out and then the phase of the reflected signal in the next step.
  • Their SFD is subtracted from both signals and the phase difference is then determined.
  • the UWB system of the proposed arrangement is also designed to determine a transit time difference between the emitted electromagnetic wave and the reflected electromagnetic wave based on the phase difference in order to determine the path of the receiver to the point of reflection of the reflected electromagnetic wave based on the phase difference .
  • the distance is primarily determined by the runtime measurements.
  • a time stamp is set when the pulse or wave is transmitted and when the reflected wave is received. This is used to determine a running time and, in the next step, the distance to be traveled.
  • the phase difference is used to correct the transit time, which is why the term transit time difference is also used.
  • determining a louse time difference also means determining the louse times of the wave and of the reflected wave.
  • the terms route, distance and distance are used synonymously with one another.
  • the detection of a transit time difference of a reflected electromagnetic wave in comparison to the corresponding non-reflected electromagnetic wave makes it possible to determine a distance of the reflected wave by determining the phase difference.
  • the electromagnetic wave is reflected on an obstacle, whereby the proposed arrangement can be used, for example, in a radar system or in a diagnostic system of any kind.
  • the UWB system of the proposed arrangement is preferably designed to assign a received electromagnetic wave a time stamp with which information about a distance covered by the received electromagnetic wave can be determined.
  • a time stamp with which information about a distance covered by the received electromagnetic wave can be determined.
  • the time stamp can be assigned as precisely as possible. The more precisely the time stamp is assigned, the better or more precisely the spatial resolution of the distance covered by an electromagnetic wave can be made.
  • direct, ie non-reflected, and reflected electromagnetic waves can be used to determine a distance covered by the corresponding electromagnetic wave.
  • the channel impulse response (CIR) of the proposed arrangement preferably comprises information on the electromagnetic wave received directly from the transmitter and on the received reflected electromagnetic wave. This allows a phase difference between the direct and the reflected wave to be determined, so that conclusions can be drawn about the position of a reflection point of the reflected wave.
  • the channel impulse response (CIR) is the result of the cross-correlation between the received and the expected signal.
  • the receiver of the proposed arrangement is preferably designed to determine a number of phase differences as a function of a number of different wavelengths, in particular to uniquely determine the phase difference. Due to the sinus or cosinus-shaped course of a wave, i.e. due to the periodicity of a wave, it can happen that an n-fold multiple of the phase is determined when determining a phase difference. In order to avoid that an n-fold multiple is used to detect the phase difference, a number of phase differences is advantageously determined, which are determined as a function of different wavelengths. As a result, an ambiguity of a determined phase difference can be reduced, in that at least certain multiples for determining the phase difference can be excluded. In particular, a phase difference can be unambiguously determined, and an unambiguous determination of the phase difference can depend on the wavelength used and the measured distance.
  • the UWB system of the proposed arrangement is preferably designed to carry out a distance measurement between the transmitter and the receiver by means of two-way measurement (TWR). With a two-way measurement, the flight time of the UWB signal is determined and then the distance between the nodes, ie the transmitter and the receiver, is calculated by multiplying the time by the speed of light.
  • the transmitter of the proposed arrangement is preferably designed for omni-directional or bi-directional or unidirectional transmission of the electromagnetic wave.
  • the transmitter is designed to emit an electromagnetic wave in any direction or in two directions or in one direction.
  • the transmitter sends out spherical waves or plane waves.
  • an obstacle on which the wave is reflected can be located at any position in space, so that a distance between the obstacle and the receiver can be reliably determined with the proposed arrangement.
  • the transmitter of the proposed arrangement is preferably designed to transmit electromagnetic waves of different wavelengths. This means that a phase difference can be determined for different wavelengths. As a result, ambiguity in the determination of the determined phase difference can be reduced, in particular avoided.
  • a method for determining a distance of a receiver to a point of reflection of a reflected electromagnetic waves with an ultra wide band (UWB) system is proposed.
  • the proposed method initially comprises emitting an electromagnetic wave by means of a transmitter, receiving the emitted electromagnetic wave with a receiver, the emitted electromagnetic wave being received directly by the transmitter, and the emitted electromagnetic wave being received by the receiver as a reflected electromagnetic wave will.
  • the method further comprises reading out a channel impulse response (CIR) and determining an angle of incidence of the reflected electromagnetic wave from the channel impulse response (CIR).
  • the channel impulse response (CIR) contains a real and an imaginary part of the received signal.
  • the IQ method in-phase & quadrature method.
  • a user can request this information from the DecaWave® chip.
  • the amplitude and the phases of the signal can be determined from the real and imaginary part.
  • the SFD start frame delimiter
  • the AoA Angle of Arrival
  • the proposed method further comprises determining a phase difference between the electromagnetic wave received directly from the transmitter and the reflected electromagnetic wave, and determining a transit time difference between the emitted electromagnetic wave and the reflected electromagnetic wave based on the phase difference in order to determine the distance of the receiver to the point of reflection of the reflected electromagnetic wave based on the phase difference.
  • the transit time can be determined, for example, by the time stamp of the emitted electromagnetic wave and the reflected electromagnetic wave.
  • the phase of the first signal (emitted wave) is read out and then, in the next step, the phase of the reflected signal (reflected wave). Their SFD is subtracted from both signals and the phase difference is then determined.
  • the distance is primarily determined by the transit time measurements.
  • a time stamp is set when the pulse or wave is transmitted and when the reflected wave is received. This is used to determine a running time and, in the next step, the distance to be traveled. The phase difference is used to correct the transit time, which is why the term transit time difference is also used.
  • a distance measurement between the transmitter and the receiver is preferably determined by means of two-way measurement (TWR).
  • the two-way measurement (TWR) is preferably used in order to be able to reduce ambiguities in the distance measurement, in particular to exclude them.
  • the distance measurement by means of the UWB system used can have a measurement error which, as described in a parallel application by the present applicant with the file number DE 102020201 150 and with the title “DecaWave Ultra-Broadband Error Correction”, can be reduced.
  • the proposed method preferably includes determining a number of phase differences as a function of a number of different wavelengths, in particular in order to uniquely determine the phase difference of the reflected electromagnetic wave. In this way, ambiguities in the determination of the phase difference can be reduced, in particular avoided. In particular, the ambiguity can be reduced by detecting a difference between the time stamps. Time stamps can be determined to the nearest nanosecond.
  • a computer program code which executes steps of a method described herein when the computer program code is executable on a program code Medium is running.
  • the computer program code comprises instructions to carry out the following method steps: reading out a channel impulse response (CIR), determining an angle of incidence of the reflected electromagnetic wave of the channel impulse response, and determining a phase difference between the electromagnetic wave received directly from the transmitter and the reflected electromagnetic wave, and determining a travel time difference between the emitted electromagnetic wave and the reflected electromagnetic wave based on the phase difference in order to determine the distance of the receiver to the point of reflection of the reflected electromagnetic wave based on the phase difference.
  • the computer program code is executed on an arrangement proposed herein.
  • the transmitter and / or the receiver described herein can, for example, each be a medium that can be executed by the computer code.
  • the teaching described herein discloses how a spatial resolution of measured reflections can be improved, as a result of which, for example, an improved UWB radar system and a corresponding method can be provided.
  • an improved UWB radar system and a corresponding method can be provided.
  • no additional properties or devices are required. Rather, a PDOA system (phase difference of arrival system) from DecaWave® can be used.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a reflection of a signal on an obstacle and a direct transmission of a signal from a transmitter to a receiver
  • TOA Time of Arrival
  • a DecaWave® PDOA (phase difference of arrival) device was presented. This device has the ability to provide the distance and direction of a received signal.
  • the time stamps of the reflections can be called up by reading out the channel impulse response (CIR), which is shown as an example in FIG.
  • CIR channel impulse response
  • the first peak consequently represents the first path (FP), while the second peak represents the reflection 110 of the received signal.
  • the first path FP is also referred to herein as the distance L of a direct signal 100 between a transmitter at point A and a receiver at point O.
  • the second peak represents a reflected signal 110 between an obstacle 30 at a reflection point B and the receiver 20 at point O.
  • a disadvantage of the accessible channel impulse response is the poor accuracy, which leads to an uncertainty of about 30 centimeters, AR ⁇ 0.299
  • the signal strengths of the direct signal 100 and the reflected signal 110 differ.
  • the signal strength, or also referred to as the magnitude, of the reflected signal 110 is generally less than that of the direct signal 100, which can be attributed to the distance traveled.
  • the arrangement described herein is proposed, which is shown schematically in FIG.
  • the proposed arrangement for determining a distance of a receiver 20 to a reflection point B of a reflected electromagnetic wave 110 with an ultra wide band (UWB) system (not shown), in which a channel impulse response (CIR) can be read out.
  • the UWB system of the proposed arrangement comprises a transmitter 10 for emitting an electromagnetic wave 100, a receiver 20 for receiving the emitted electromagnetic wave 100, the receiver 20 being designed to receive the emitted electromagnetic wave 100 directly from the transmitter 10, and for this purpose is designed to receive the emitted electromagnetic wave 100 as a reflected electromagnetic wave 110.
  • the UWB system of the proposed arrangement is also designed to read the channel impulse response (CIR) and to determine an angle of incidence ⁇ of the reflected electromagnetic wave 110 from the channel impulse response (CIR) and a phase difference Df between that directly from the transmitter 10 received electromagnetic wave 100 and the reflected electromagnetic wave 110.
  • the UWB system of the proposed arrangement is also designed to determine a transit time difference between the emitted electromagnetic wave 100 and the reflected electromagnetic wave 110 based on the phase difference Df in order to denote the distance L ', or also distance, based on the phase difference Df To determine the receiver 20 to the reflection point B of the reflected electromagnetic wave 100 tables.
  • the UWB system of the proposed arrangement is preferably designed to assign a time stamp to an electromagnetic wave 100, 110 received at the receiver 20, with which information about a traveled distance V, L, x of the received electromagnetic wave 100, 110 can be determined.
  • the channel impulse response includes information about the electromagnetic wave 100 received directly from the transmitter and information about the received reflected electromagnetic wave 110.
  • FIG. 2 also shows a schematic representation of a reflection 110 of a signal 100 on an obstacle 30 at point B and a direct transmission of a signal 100 from the transmitter 10 at point A to the receiver 20 at point O
  • the proposed arrangement comprises a transmitter 10 at point A and a receiver 20 at point O.
  • a distance or distance between the transmitter 10 and the receiver 20, i.e. a distance L between points A and O is known.
  • the receiver 20 is designed to determine a distance L or a distance L ‘.
  • the receiver is preferably also designed to determine a direction from which the signal 100 or the reflection 110 originates, i.e.
  • the receiver can determine an angle of incidence ⁇ and / or ⁇ .
  • 2 is shown in two dimensions 2D and shows schematically how a transmitter 10 at point A emits a signal 100 in different directions.
  • the signal 100 is received by the receiver 20 at point O as a direct signal 100.
  • the signal 100 has covered a distance of length L, the distance L denoting the distance between points A and O.
  • FIG. 2 shows schematically how the transmitter 10 at point A transmits a signal 100 in the direction of an obstacle 30, the signal 100 being reflected at a point B on the obstacle 30.
  • the reflected signal 110 or also referred to as reflection 110 in the present case, is detected by the receiver 20 at point O.
  • the distance covered L of the direct signal 100 between the points A and O can also be called the first path L or first path L (first path).
  • Both the first path L of the direct signal 100 and the reflected signal 110 are both measured at the receiver 20 at point O, where the associated phase difference Df or the associated phases f and the angles of incidence ⁇ and / or ⁇ of both signals are also measured 100, 110 are recorded.
  • Table 1 shows the defined coordinates of points A, O and B.
  • the transmitter 10 of the proposed arrangement is preferably designed to transmit electromagnetic waves 100 omni-directionally, ie in any directions, or bi-directional or unidirectional to be sent directionally.
  • ambiguities between the received signals 100, 110 can be reduced from the outset, since a bi-directional antenna emits at most in two directions.
  • the term antenna is used synonymously for transmitter.
  • Table 1 Definition of the points A, O and B shown in FIG. 2
  • the measured phase difference Df is used to determine the total distance x + L 'of the reflected signal 110, the distance x being the distance between the transmitter 10 am Point A and the obstacle 30 at point B describes.
  • Table 2 summarizes the notation used for the variables from the equations described herein.
  • Polar coordinates correspond to spherical coordinates for the plane.
  • Polar coordinates include a distance and an angle. As can be seen from Fig. 2, the angle ⁇ is an angle between the x and the y axis or an angle between the distances L and L '.
  • the distance x can be expressed by the distances L and V as:
  • phase difference Df is proportional to the quotient of the range difference Ar and the wavelength l of the corresponding electromagnetic wave or of the signal 100, 110.
  • the phase difference Df can therefore be described by the following equation:
  • the coordinates of the reflection point B are additionally dependent on an angle ⁇ between the x and z axes.
  • the Euclidean distance between the obstacle 30 at point B and the receiver 20 at point A can then be expressed by the following equation:
  • phase difference Df is repeated every half wavelength according to where n is a natural number greater than or equal to 0.
  • the phase difference Df can be used to determine the total distance x + L 'of the reflected signal 110. This distance is especially accurate if the parameter h ; is known, where the index i is an integer greater than or equal to 0.
  • the unknown parameter n can be determined in a simple manner if several frequency changes are detected. However, the angles ⁇ and ⁇ do not have to be zero for this. If one also takes into account that reflections with a UWB system can only be determined with an accuracy of about 30 centimeters, a measured range difference AR can be written as: From this the unknown parameter n ; be determined at the known wavelength l ( ⁇ .
  • the proposed arrangement or its receiver (20) is be formed vorzugt to a number of phase differences Df ⁇ depending on a number of different wavelengths X t to determine, in particular, the difference in phase Renz Df to be unambiguously determined, the index i being a natural number.
  • the transmitter 10 can be designed to transmit electromagnetic waves 100 of different wavelengths A j .
  • a time stamp can be recorded with an accuracy of one nanosecond.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a position correction, three signals 100, 110 with different wavelengths X lt l 2 and l 3 being shown.
  • the dashed area 300 in FIG. 3 graphically shows the uncertainty of the measured range difference AR, which can be measured with an accuracy of ⁇ 30 cm.
  • the dashed line 330 on the other hand, only runs through the maxima of the wavelengths A ⁇ nd l 2 .
  • the dashed line 320 runs only through a maximum of the wavelength A x .
  • the parameter h is averaged at which position, ie for which h * at wavelength t, the wavelengths X l, X 2 and l 3 are at the same position, in particular at a maximum as in FIG. 3 shown. It is conceivable to also use a position of a minimum of the waves or another clearly determinable position of the wavelengths Use l 2 and l 3.
  • the calculated distances shown in FIG. 3 for the different wavelengths X 1, X 2 and 1 3 can be determined, for example, by means of TWR.
  • the proposed method for determining a distance from a receiver 20 to a reflection point B of a reflected electromagnetic wave 100, 110 with an ultra wide band (UWB) system includes the transmission of an electromagnetic wave 100 by means of a transmitter 10 in a step 410.
  • the method further comprises receiving the emitted electromagnetic wave 100 with a receiver 20, the emitted electromagnetic wave 100 being received directly by the transmitter 20, and the emitted electromagnetic wave 100 being received by the receiver 20 as a reflected electromagnetic wave 110, in a step 420.
  • a channel impulse response (CIR) is read out, and in step 440 an angle of incidence of the reflected electromagnetic wave is determined the Impulse Response (CIR) channel.
  • CIR channel impulse response
  • a phase difference Df between the electromagnetic wave 100 received directly from the transmitter and the reflected electromagnetic wave 110 is then determined in a step 450.
  • a transit time difference between the emitted electromagnetic wave 100 and the reflected electromagnetic wave 110ba is determined based on the phase difference Df in order to determine the distance of the receiver 20 to the reflection point B of the reflected electromagnetic wave 110 based on the phase difference Df.
  • the distances x, L, and L are determined.
  • SLAM simultaneous localization and mapping
  • the inventive methods can be stored on a digital storage medium or transmitted on a transmission medium such as a wireless transmission medium or a wired transmission medium such as the Internet.
  • embodiments of the invention can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation can be carried out with a digital storage medium, for example a floppy disk, a DVD, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory on which electronically readable control signals are stored, which can interact or cooperate with a programmable computer system in such a way that the respective method is carried out.
  • a digital storage medium for example a floppy disk, a DVD, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory on which electronically readable control signals are stored, which can interact or cooperate with a programmable computer system in such a way that the respective method is carried out.
  • Some embodiments according to the invention consist of a data carrier with electronically readable control signals which (can) interact with a programmable computer system in such a way that one of the methods described here is carried out.
  • the electronically readable control signals are designed to detect time stamps of a signal.
  • embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, the program code being effective for carrying out one of the methods when the computer program product is running on a computer.
  • the program code can, for example, be stored on a machine-readable carrier.
  • inventions include the computer program stored on a machine-readable carrier for carrying out one of the methods described here.
  • an embodiment of the inventive method is therefore a computer program with a program code for carrying out one of the methods described here when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the inventive method is therefore a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) which contains the computer program for performing one of the methods described herein and is recorded thereon.
  • a further embodiment of the inventive method is therefore a data stream or a sequence of signals that represent the computer program for performing one of the methods described here.
  • the data stream or the signal sequence can be configured, for example, in such a way that it can be transmitted via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment comprises a processing means, for example a computer or a programmable logic device, configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
  • Another embodiment comprises a computer on which the computer program for carrying out one of the methods described here is installed.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array
  • a field programmable gate array can work with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are preferably carried out by any hardware device.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Es ist eine Anordnung zur Bestimmung einer Wegstrecke eines Empfängers zu einem Reflexionspunkt einer reflektierten elektromagnetischen Wellen mit einem Ultra Wide Band (UWB) System beschrieben, bei welchem eine Kanal Impuls Antwort auslesbar ist. Das UWB System umfasst einen Sender zum Aussenden einer elektromagnetischen Welle, einen Empfänger zum Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle, wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Welle direkt vom Sender zu empfangen, und dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Welle als reflektierte elektromagnetische Welle zu empfangen, wobei das UWB System dazu ausgebildet ist, die Kanal Impuls Antwort auszulesen und aus der Kanal Impuls Antwort einen Einfallswinkel der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen, und eine Phasendifferenz zwischen der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen, und einen Laufzeitunterschied zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle basierend auf der Phasendifferenz zu bestimmen, um basierend auf der Phasendifferenz die Wegstrecke des Empfängers zu dem Reflexionspunkt der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen. Ferner sind ein Verfahren zum Bestimmen einer Wegstrecke eines Empfängers zu einem Reflexionspunkt einer reflektierten elektromagnetischen Wellen mit einem Ultra Wide Band System und ein Computerprogramcode beschrieben.

Description

DecaWave-Ultra-Breitband-Reflexions-Fehler-Korrektur
Beschreibung
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung einer Wegstrecke ei nes Empfängers zu einem Reflexionspunkt einer reflektierten elektromagnetischen Wellen mit einem Ultra Wide Band (UWB) System, sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Weg strecke eines Empfängers zu einem Reflexionspunkt einer reflektierten elektromagneti schen Wellen mit einem Ultra Wide Band (UWB) System und ein Computerprogramcode.
Auf dem Gebiet der Innenraum-Lokalisierung ist die Ultra-Breitband-Technologie (UWB- Technologie) unabkömmlich geworden. Der Markt verlangt, dass die UWB-Hardware billig, präzise und genau ist. Diese Anforderungen haben zu der Popularität von DecaWave®- UWB-Systemen geführt. Der Großteil der Veröffentlichungen über dieses System befasst sich mit der Korrektur von Signalleistung, Hardware-Verzögerung und Taktdrift bzw. Uhren fehler (Clock Drift).
Lokalisierung basierend auf der Ultra-Breitband(UWB)-Technologie kann in Innenraum- Umgebungen genutzt werden, in denen schmalbandige Systeme aufgrund von Fading meist fehlerbehaftet sind [1], [2]. In den letzten Jahren hat diese Technologie mehr Auf merksamkeit erhalten und wird auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen [3]. Dies ist hauptsächlich begründet durch den fallenden Preis und die sinkende Größe der Bauele mente. Einer der Marktführer ist DecaWave® Limited [4], wobei das UWB-Bauelement bei spielsweise seit 2019 Teil der neuen Generation von Produkten von Apple ist [5] und ver mutlich eine Revolution für erweiterte Realität (Augmented Reality), Smart Homes, mobiles Zahlen, schlüssellosen Autozugang und Innenraum-Navigation auslösen wird [6] In der Praxis beträgt die Genauigkeit, die durch das DecaWave® -Bauelement erhalten wird, etwa 10 cm für Sichtlinien-Anwendungen (LOS-Anwendungen; LOS = Line of Sight) [7]
Die von DecaWave® Limited erhältlichen Bauelemente erfüllen den IEEE802.15.4-2011- Standard [7] und unterstützen sechs Frequenzbänder mit Mittenfrequenzen von 3,5 GHz bis 6,5 GHz mit Datenraten von bis zu 6,8 Mb/s. Abhängig von der ausgewählten Mittenfre quenz variiert die Bandbreite von 500 bis 1000 MHz. Die Signalabtastung wird durch einen internen 64 GHz-Chip mit einer Ereignis-Zeitgebungspräzision von 15 ps (4,496 mm) durchgeführt. Aufgrund allgemeiner Regulierungen ist die Übertragungsleistungsdichte auf -41 ,3 dBm/MHz eingeschränkt. Diese Regulierungen sind durch die große Bandbreite begründet, die durch den UWB-Transceiver eingenommen wird. Die hierin beschriebenen Experimente wurden beispielsweise mit dem DecaWave® EVK1000 ausgeführt. Diese Platine weist hauptsächlich einen DW1000-Chip und einen STM32 ARM-Prozessor auf.
Die DecaWave® ultra-wideband (UWB) Chips finden mittlerweile in nahezu allen Marktsegmenten wie dem Verbrauchermarkt, beim Handyzubehör, der Industrie o- der der Fahrzeugindustrie etc. Anwendung. Im Verbrauchersektor beispielsweise bietet die UWB Positionierung viele Möglichkeiten zur Unterstützung des Alltags und dem Entertainment. Die UWB Chips können beispielsweise bei einer adaptiven Beleuchtung, bei standortbasierten Lautsprechersystemen, be i Sicherheitsüberwa- chungs- und Zugangssystemen wie beispielsweise für Kinder, Haustiere, ältere Menschen etc., bei Türschlösser und Garagenöffnern, bei Heimnetzwerken und bei drahtloser Konnektivität, bei Zahlungssicherheit, in der Robotik, oder in der Sportanalytik eingesetzt werden. In der Industrie sind die Anwendungen noch vielfältiger. UWB Positionierung kann beispielsweise in Warenhäusern, Krankenhäusern, Betreuungseinrichtungen, der Landwirtschaft oder sogar bei Minenarbeiten eingesetzt werden. Ferner können die UWB Chips bei einer Echtzeitansicht laufender Arbeiten, der Optimierung e i ner Anlagennutzung, bei der Roboter- und Personennavigation, oder der Vermeidung von Gefahren hilfreich sein, indem die UWB Chips eingesetzt werden, Werkzeuge oder Instrumente oder Geräte zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Auch das autonome Fahren ist ein Kernthema, bei welchem UWB Chips eingesetzt werden können, da beim autonomen Fahren die Kenntnis über die genaue Position ei- nes Fahrzeuges entscheidend ist. Beispielsweise können UWB Chips zur Vermeidung von Fußgänger- oder Radfahrerkollisionen, bei gesicherter Zufahrt (Passiver Einstieg/ Passiver Start), beim Parkservice /Bequemlichkeits-Parken, bei der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Infrastruktur, beiderReifendruckkontrollsystemen-Kommuni- kation, bei derFahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, bei einer Smart City Maut o- der einer Parkraumbewirtschaftung eingesetzt werden.
Das DecaWave® UWB System ermöglicht es ferner mittels Zweiwege-Messung (two- way-ranging: TWR) Distanzmessungen zwischen zwei Transceivern durchzuführen. Eine genaue räumliche Messauflösung ist davon abhängig, wie präzise ein Zeitstempel eines Signals bestimmt werden kann. Bei UWB Systemen werden oftmals Algorithmen verwendet, insbesondere ein sog. LED (Engl.::leading edge detection) Algorithmus, welcher die Aufgabe hat, dass sogenannte di rekte Signal zu finden, wo ein Zeitstempel gesetzt wird. Der Mikrocode kann von einem Endnutzer nicht verändert werden.
Für die Diagnostik erlaubt das DecaWave® System allerdings, die sogenannte Kanal Impuls Antwort ( Channel Impulse Response (CI R)) auszulesen. In dieser sind neben dem direkten Signal auch die Reflektionen dargestellt. Die Kanal Impuls Antwort hat für gewöhnlich eine Auflösung von einer Nanosekunde, damit kann die Laufzeit von den Reflektionen nur auf etwa 30 Zentimeter genau bestimmt werden. Die geringe Auflösung von den Reflektionen ist ein limitierender Faktor für spezifische Anwendungen wie bei spielsweise bei einem UWB Radar. In [8] wird beispielsweise beschrieben, wie aus der Kanal Impuls Antwort eine Phasendifferenz bestimmt werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden technischen Lehre ist es, eine Anordnung und ein Verfahren sowie eine Computerprogrammcode bereitzustellen, mit welcher bzw. welchem die Laufzeit von Reflektionen genauer bestimmbar ist, insbesondere welche als UWB Radar verwend bar ist bzw. welches bei einem UWB Radar einsetzbar ist oder in anderen Anwendungsge bieten, wie beispielsweise in dem vorherigen einführenden Abschnitt angedeutet, zu einer verbesserten Genauigkeit führt.
Dies wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmel dung erreicht. Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden durch den Gegenstand der abhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung definiert.
Vorschlagsgemäß umfasst die Anordnung zur Bestimmung einer Wegstrecke eines Emp fängers zu einem Reflexionspunkt einer reflektierten elektromagnetischen Welle mit ei nem Ultra Wide Band (UWB) System, bei welchem eine Kanal Impuls Antwort (CIR) auslesbar ist. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung umfasst einen Sender zum Aussenden einer elektromagnetischen Welle, einen Empfänger zum Empfangen der aus gesendeten elektromagnetischen Welle, wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Welle direkt vom Sender zu empfangen, und dazu aus gebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Weile als reflektierte elektromagneti sche Welle zu empfangen. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung ist ferner dazu ausgebildet, die Kanal Impuls Antwort (CIR) auszulesen und aus der Kanal Impuls Antwort (CIR) einen Einfallswinkel der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen. Die Kanal Impuls Antwort (CIR) enthält einen Real- und Imaginär Teil des empfangenen Signals. Diese werden durch das IQ Verfahren (ln-Phase-&-Quadrature-Verfahren) bereitgestellt. Ein Anwender kann vom DecaWave® Chip diese Information anfordern.
Aus dem Real- und Imaginärteil kann die Amplitude und die Phasen des Signal bestimmt werden. Im nächsten Schritt muss von der berechneten Phase noch der SFD (start frame delimiter) abgezogen werden. Verfügt der Transceiver beispielsweise über zwei Anten nen, zwischen denen er umschalten kann (Siehe: Produkt DW3000 von DecaWave®), kann basierend auf den Phasendifferenzen die AoA (Angle of Arrival), also der Einfalls winkel, bestimmt werden. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung ist ferner dazu ausgebildet, eine Phasendifferenz zwischen der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestim men. Dabei wird die Phase von dem ersten Signal ausgelesen und dann im nächsten Schritt die Phase vom reflektierten Signal. Von beiden Signalen wird ihr SFD abgezogen und dann wird die Phasendifferenz bestimmt. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung ist ferner dazu ausgebildet, einen Laufzeitunterschied zwischen der ausgesende ten elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle basierend auf der Phasendifferenz zu bestimmen, um basierend auf der Phasendifferenz die Weg strecke des Empfängers zu dem Reflexionspunkt der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen. Die Wegstrecke wird hierbei in erster Linie durch die Laufzeitmes sungen bestimmt. Beim Aussenden des Impulses bzw. der Welle und beim Empfangen der reflektierten Welle wird jeweils ein Zeitstempel gesetzt. Daraus wird ein Laufzeit und im nächsten Schritt die Wegstrecke bestimmt. Die Phasendifferenz wird genutzt, um die Laufzeit zu korrigieren, daher wird auch der Begriff Laufzeitunterschied verwendet. Vorlie gend ist mit einem Bestimmen eines Lauszeitunterschiedes auch ein Bestimmen der Lauszeiten der Welle und der reflektierten Welle gemeint. Vorliegend werden die Begriffe Wegstrecke, Distanz und Abstand synonym zueinander verwendet. Die Erfassung eines Laufzeitunterschiedes einer reflektierten elektromagnetischen Welle im Vergleich zu der entsprechenden nicht reflektierten elektromagnetischen Welle ermöglicht es, über die Be stimmung der Phasendifferenz einen Abstand der reflektierten Welle zu bestimmen. Vor zugweise wird die elektromagnetische Welle an einem Hindernis reflektiert, wodurch die vorgeschlagenen Anordnung beispielsweise bei einem Radarsystem oder auch bei einen Diagnostiksystem jeglicher Art anwendbar ist.
Bevorzugt ist das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung dazu ausgebildet, einer empfangenen elektromagnetischen Welle einen Zeitstempel zuzuordnen, mit welchem eine Information über eine zurückgelegte Wegstrecke der empfangenen elektromagneti schen Welle ermittelbar ist. Um möglichst zutreffende Informationen zur zurückgelegten Wegstrecke zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn der Zeitstempel möglichst genau zuge ordnet werden kann. Je präziser der Zeitstempel zugeordnet wird, desto besser oder ge nauer kann die räumliche Auflösung der zurückgelegten Wegstrecke einer elektromagnetischen Welle erfolgen. Hierbei können direkte, d.h. nicht-reflektierte, und reflektierte elektromagnetische Wellen genutzt werden, um eine zurückgelegte Wegstrecke der entspre chenden elektromagnetischen Welle zu bestimmen.
Bevorzugt umfasst die Kanal Impuls Antwort (CIR) der vorgeschlagenen Anordnung Infor mationen zu der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetische Welle und zu der empfangenen reflektierten elektromagnetischen Welle. Hierdurch kann eine Phasendifferenz zwischen der direkten und der reflektierten Welle bestimmt werden, sodass Rück schlüsse auf der Position eines Reflexionspunktes der reflektierten Welle erfolgen kön nen. Insbesondere ist die Kanal Impuls Antwort (CIR) das Ergebnis der Kreuzkorrelation zwischen dem empfangen und den zu erwartenden Signal.
Bevorzugt ist der Empfänger der vorgeschlagenen Anordnung dazu ausgebildet, eine An zahl an Phasendifferenzen in Abhängigkeit einer Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen zu bestimmen, insbesondere um die Phasendifferenz eindeutig zu bestimmen. Aufgrund des sinus- bzw. cosinus-förmigen Verlaufes einer Welle, d.h. aufgrund der Periodizität einer Welle, kann es sein, dass bei einer Bestimmung einer Phasendifferenz ein n-faches- Vielfaches der Phase bestimmt wird. Um zu vermeiden, dass ein n-fache-Vielfache zur Er fassung der Phasendifferenz verwendet wird, wird vorteilhafter Weise eine Anzahl an Phasendifferenzen bestimmt, welche in Abhängigkeit unterschiedlicher Wellenlängen bestimmt werden. Hierdurch kann eine Mehrdeutigkeit einer ermittelten Phasendifferenz ver ringert werden, indem zumindest gewisse Vielfache zur Bestimmung der Phasendifferenz ausgeschlossen werden können. Insbesondere kann eine Phasendifferenz eindeutig be stimmt werden, wobei eine eindeutige Bestimmung der Phasendifferenz von der verwendeten Wellenlänge und der gemessenen Distanz abhängen kann.
Bevorzugt ist das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung dazu ausgebildet, eine Distanzmessung zwischen dem Sender und dem Empfänger mittels Zwei-Wegemessung (TWR) durchzuführen. Bei einer Zwei-Wegemessung wird die Flugzeit des UWB-Signals bestimmt und dann die Entfernung zwischen den Knoten, d.h. dem Sender und dem Emp fänger, durch Multiplikation der Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit berechnet. Bevorzugt ist der Sender der vorgeschlagenen Anordnung zum omni-direktionalen oder bi-direktionalen oder unidirektionalen Aussenden der elektromagnetischen Welle ausge bildet. Mit anderen Worten, der Sender ist dazu ausgebildet eine elektromagnetische Welle in eine beliebige Richtung oder in zwei Richtungen oder in eine Richtung auszusen den. Bevorzugt, sendet der Sender Kugelwellen oder ebene Wellen aus. Hierdurch kann sich ein Hindernis, an welchem die Welle reflektiert wird, an einer beliebigen Position im Raum befinden, sodass ein Abstand zwischen Hindernis und Empfänger zuverlässig mit der vorgeschlagenen Anordnung ermittelt werden kann.
Bevorzugt ist der Sender der vorgeschlagenen Anordnung zum Aussenden elektromagne tischer Wellen unterschiedlicher Wellenlängen ausgebildet. Dies bedeutet, dass ein Pha senunterschied für verschiedenen Wellenlängen ermittelt werden kann. Hierdurch kann eine Mehrdeutigkeit bei der Bestimmung der ermittelten Phasendifferenz reduziert, insbesondere vermieden, werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierin beschriebenen technischen Lehre ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Wegstrecke eines Empfängers zu einem Reflexionspunkt einer reflektierten elektromagnetischen Wellen mit einem Ultra Wide Band (UWB) System vor geschlagen. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst zunächst ein Aussenden einer elekt romagnetischen Welle mittels eines Senders, ein Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle mit einem Empfänger, wobei die ausgesendete elektromagnetische Welle direkt vom Sender zu empfangen wird, und wobei die ausgesendete elektromagnetische Welle als reflektierte elektromagnetische Welle vom Empfänger empfangen wird. Das Verfahren umfasst ferner ein Auslesen einer Kanal Impuls Antwort (CIR) und ein Bestimmen eines Einfallswinkels der reflektierten elektromagnetischen Welle aus der Kanal Impuls Antwort (CIR). Die Kanal Impuls Antwort (CIR) enthält einen Real- und Imaginär Teil des empfangenen Signals. Diese werden durch das IQ Verfahren (ln-Phase-&-Quad- rature-Verfahren) bereitgestellt. Ein Anwender kann vom DecaWave® Chip diese Informa tion anfordern. Aus dem Real- und Imaginärteil kann die Amplitude und die Phasen des Signal bestimmt werden. Im nächsten Schritt muss von der berechneten Phase noch der SFD (start frame delimiter) abgezogen werden. Verfügt der Transceiver beispielsweise über zwei Antennen, zwischen denen er umschalten kann (Siehe: Produkt DW3000 von DecaWave®), kann basierend auf den Phasendifferenzen die AoA (Angle of Arrival), also der Einfallswinkel, bestimmt werden. Ferner umfasst das vorgeschlagene Verfahren ein Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen der direkt vom Sender empfangenen elektro magnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle, und ein Bestimmen eines Laufzeitunterschieds zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle basierend auf der Phasendifferenz, um basierend auf der Phasendifferenz die Wegstrecke des Empfängers zu dem Reflexionspunkt der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen. Die Laufzeit kann beispielsweise durch die Zeitstempel der der ausgesendeten elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle bestimmt werden. Zur Bestimmung der Pha sendifferenz wird die Phase von dem ersten Signal (ausgesendete Welle) ausgelesen und dann im nächsten Schritt die Phase vom reflektierten Signal (reflektierte Welle). Von beiden Signalen wird ihr SFD abgezogen und dann wird die Phasendifferenz bestimmt. Die Wegstrecke wird in erster Linie durch die Laufzeitmessungen bestimmt. Beim Aussenden des Impulses bzw. der Welle und beim Empfangen der reflektierten Welle wird jeweils ein Zeitstempel gesetzt. Daraus wird ein Laufzeit und im nächsten Schritt die Wegstrecke bestimmt. Die Phasendifferenz wird genutzt, um die Laufzeit zu korrigieren, daher wird auch der Begriff Laufzeitunterschied verwendet. Die bereits beschriebenen Vorteile in Bezug zur vorgeschlagenen Anordnung sind unmittelbar übertragbar auf das vorgeschlagene Verfahren und umgekehrt. Bevorzugt wird zum Ausführen des Verfahrens eine hierin be schriebene Anordnung verwendet.
Bevorzugt wird eine Distanzmessung zwischen dem Sender und dem Empfänger mittels Zwei-Wege-Messung (TWR) bestimmt. Bevorzugt wird die Zwei-Wege-Messung (TWR) verwendet, um Mehrdeutigkeiten bei der Distanzmessung reduzieren, insbesondere aus schließen, zu können. Die Distanzmessung mittels des verwendeten UWB Systems kann einen Messfehler aufweisen, welcher, wie in einer parallelen Anmeldung des vorliegenden Anmelders mit dem Aktenzeichen DE 102020201 150 und mit dem Titel „DecaWave- Ultra-Breitband-Fehler-Korrektur“ beschrieben ist, reduziert werden kann.
Bevorzugt umfasst das vorgeschlagene Verfahren ein Bestimmen einer Anzahl an Phasendifferenzen in Abhängigkeit einer Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen, insbeson dere um die Phasendifferenz der reflektierten elektromagnetischen Welle eindeutig zu be stimmen. Hierdurch können Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Phasendifferenz reduziert, insbesondere vermieden, werden. Insbesondere kann eine Reduzierung der Mehrdeutigkeit mittels Erfassen einer Differenz zwischen den Zeitstempeln erfolgen. Zeitstempel können auf eine Nanosekunde genau bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der hierin beschriebenen technischen Lehre ist ein Com puterprogramcode vorgeschlagen, welcher Schritte eines hierin beschriebenen Verfah rens ausführt, wenn der Computerprogramcode auf einem Programcode ausführbaren Medium ausgeführt wird. Insbesondere umfasst der Computerprogrammcode Instruktionen, um folgende Verfahrensschritte auszuführen: Auslesen einer Kanal Impuls Antwort (CIR), Bestimmen eines Einfallswinkels der reflektierten elektromagnetischen Welle der Kanal Impuls Antwort, und Bestimmen einer Phasendifferenz zwischen der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle, und Bestimmen eines Laufzeitunterschieds zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle und der reflektierten elektromagnetischen Welle basierend auf der Phasendifferenz, um basierend auf der Phasendifferenz die Wegstrecke des Emp fängers zu dem Reflexionspunkt der reflektierten elektromagnetischen Welle zu bestimmen. Insbesondere wird der Computerprogramcode auf einer hierin vorgeschlagenen An ordnung ausgeführt. Der hierin beschreiben Sender und/oder der Empfänger können beispielsweise jeweils ein den Computercode ausführbares Medium sein.
Die hierin beschriebene Lehre offenbart, wie eine räumliche Auflösung von gemessenen Reflexionen verbessert werden kann, wodurch beispielsweise ein verbessertes UWB Radarsystem und ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt werden können. Zum Durchführen einer Korrektur einer gemessenen Reflexion bedarf es dabei keiner zusätzlichen Eigenschaften oder Vorrichtungen. Vielmehr kann ein PDOA System (phase difference of arrival System) von DecaWave® verwendet werden.
Kurzbeschreibunq der Zeichnungen
Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; vielmehr wird im Allgemeinen darauf Wert gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematische Darstellung einer Kanal Impuls Antwort;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Reflexion eines Signals an einem Hindernis sowie eine direkte Übertragung eines Signals von einem Sender zu einem Empfänger,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Positionskorrektur, und
Fig. 4 ein Ablaufschema eines vorgeschlagenen Verfahrens. Detaillierte Beschreibung der Ausführunqsformen Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Re ferenzzahlen bezeichnet, auch wenn sie in verschiedenen Figuren Vorkommen. Vorlie- gend wird beispielsweise der Begriff Signal synonym für elektromagnetische Welle und umgekehrt verwendet. Die Signale haben beispielsweise die Referenzzeichen 100 und 110. Ferner werden auch die Begriffe Abstand, Distanz und Wegstrecke synonym zueinander verwendet. Die hierin beschriebene technische Lehre wird in Zusammenschau der Figuren 1 bis 4 nachfolgend beschrieben.
In der folgenden Beschreibung wird eine Vielzahl von Details aufgeführt, um eine durch gehende Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung auch ohne diese spezifischen Details ausgebildet werden können. In anderen Fällen werden bekannte Strukturen und Vorrichtungen eher in Blockschaltbildern oder schematischen Darstellungen als im Detail dargestellt, um zu vermeiden, dass Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lehre verdeckt werden. Darüber hinaus können Merkmale der verschiedenen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
Das Protokoll der Zweiwege-Entfernungsmessung (TWR) zählt zu den Ankunftszeit-Messtechniken (TOA-Messtechniken; TOA = Time of Arrival) [9]. Sein Zweck besteht in der Be reitstellung von Distanzmessungen zwischen zwei Transceivern, wie beispielsweise einem Sender 10 und einem Empfänger 20, selbst wenn diese nicht synchronisiert sind. Auf die Zweiwege-Entfernungsmessung (TWR) wird nachfolgend nicht im Detail weitereingegan gen, dass diese bereits in anderen Anmeldungen des Anmelders beschrieben wurde.
In WO201 5176776 A1 oder [2] wurde beispielsweise eine DecaWave® PDOA (phase difference of arrival) Vorrichtung vorgestellt. Diese Vorrichtung hat die Fähigkeit, die Ent- fernung und die Richtung eines empfangenen Signals zu liefern. In allgemeinen Anwen dungen ist nur der erste Pfad (FP) entscheidend. Theoretisch ist es möglich, den Zeitstem pel des FP mit einer Genauigkeit von wenigen Millilitern zu erhalten. Die Zeitstempel der Reflexionen können durch Auslesen der Kanalimpulsantwort (CIR) abgerufen werden, wel ches exemplarisch in Fig. 1 dargestellt ist. Der erste Peak stellt folglich den ersten Pfad (FP) dar, während der zweite Peak für die Reflexion 110 des empfangenen Signals steht. Der erste Pfad FP wird hierin auch als Wegstrecke L eines direkten Signals 100 zwischen einem Sender an einem Punkt A und einem Empfänger an einem Punkt O bezeichnet. Der Zweite Peak stellt ein reflektiertes Signal dar 110 zwischen einem Hindernis 30 an einem Reflexionspunkt B und dem Empfänger 20 an dem Punkt O. Ein Nachteil der zugänglichen Kanalimpulsantwort ist die geringe Genauigkeit, die zu einer Unsicherheit von etwa 30 Zen timetern führt, AR ± 0,299 m. Die Signalstärken des direkten Signals 100 und des reflek tierten Signals 110 unterscheiden sich. Die Signalstärke, oderauch als Magnitude bezeichnet, des reflektierten Signals 110 ist in der Regel geringer als die des direkten Signals 100, was auf die zurückgelegte Wegstrecke zurückgeführt werden kann. Zwischen dem Eintref fen des direkten Signals 110 und dem reflektierten Signal 110 an dem Empfänger liegen. Zur Verbesserung der Genauigkeit wird daher die hierin beschriebene Anordnung vorge schlagen, welche schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.
Vorliegend umfasst die vorgeschlagene Anordnung zur Bestimmung eines Abstandes eines Empfängers 20 zu einem Reflexionspunkt B einer reflektierten elektromagnetischen Welle 110 mit einem Ultra Wide Band (UWB) System (nichtdargestellt), bei welchem eine Kanal Impuls Antwort (CIR) auslesbar ist. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung umfasst einen Sender 10 zum Aussenden einer elektromagnetischen Welle 100, einen Empfänger 20 zum Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle 100, wobei der Empfänger 20 dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Welle 100 direkt vom Sender 10 zu empfangen, und dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Welle 100 als reflektierte elektromagnetische Welle 110 zu empfangen. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung ist ferner dazu ausgebildet, die Kanal Impuls Antwort (CIR) auszulesen und aus der Kanal Impuls Antwort (CIR) ei nen Einfallswinkel a der reflektierten elektromagnetischen Welle 110 zu bestimmen, und eine Phasendifferenz Df zwischen der direkt vom Sender 10 empfangenen elektromagnetischen Welle 100 und der reflektierten elektromagnetischen Welle 110 zu bestimmen. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung ist ferner dazu ausgebildet, einen Laufzeitunterschied zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle 100 und der reflektierten elektromagnetischen Welle 110 basierend auf der Phasendifferenz Df zu be stimmen, um basierend auf den Phasendifferenz Df den Abstand L·' , oder auch Distanz bezeichnet, des Empfängers 20 zu dem Reflexionspunkt B der reflektierten elektromagne tischen Welle 100 zu bestimmen. Das UWB System der vorgeschlagenen Anordnung ist bevorzugt dazu ausgebildet, einer am Empfänger 20 empfangenen elektromagnetischen Welle 100, 110 einem Zeitstempel zuzuordnen, mit welchem eine Information über eine zurückgelegte Wegstrecke V , L, x der empfangenen elektromagnetischen Welle 100, 110 ermittelbar ist. Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst die Kanal Impuls Antwort Informationen zu der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetische Welle 100 und zu der empfangenen reflektierten elektromagnetischen Welle 110.
Fig. 2 zeigt neben der schematischen Darstellung der Anordnung somit auch eine schema tische Darstellung einer Reflexion 110 eines Signals 100 an einem Hindernis 30 im Punkt B sowie eine direkte Übertragung eines Signals 100 von dem Sender 10 am Punkt A zu dem Empfänger 20 am Punkt O. Zur Vereinfachung wurde angenommen, dass die vorge schlagene Anordnung einen Sender 10 am Punkt A und einen Empfänger 20 am Punkt O umfasst. Eine Distanz oder Abstand zwischen dem Sender 10 und dem Empfänger 20, d.h. eine Wegstrecke L zwischen den Punkten A und O ist bekannt. Der Empfänger 20 ist beim Empfangen eines Signals 100 oder einer Reflexion 110 dazu ausgebildet, einen Abstand L oder einen Abstand L‘ zu bestimmen. Der Empfänger ist bevorzugt dazu ausgebildet zu sätzlich eine Richtung zu bestimmen, aus welcher das Signal 100 oder die Reflexion 110 stammt, d.h. der Empfänger kann einen Einfallswinkel a und/oder ß bestimmen. Fig. 2 ist in zwei Dimensionen 2D gezeigt und zeigt schematisch, wie ein Sender 10 im Punkt A ein Signal 100 in verschiedene Richtungen ausstrahlt. Das Signal 100 wird vom Empfänger 20 im Punkt O als direktes Signal 100 empfangen. Als direktes Signal 100 hat das Signal 100 eine Wegstrecke der Länge L zurückgelegt, wobei die Wegstrecke L den Abstand zwischen den Punkten A und O bezeichnet. Ferner zeigt Fig. 2 schematisch wie der Sender 10 im Punkt A ein Signal 100 in Richtung eines Hindernisse 30 aussendet, wobei das Signal 100 an einem Punkt B auf dem Hindernis 30 reflektiert wird. Das reflektierte Signal 110, oder auch als Reflexion 110 vorliegend bezeichnet, wird von dem Empfänger 20 am Punkt O erfasst. Die Wegstrecke L‘ bezeichnet den zurückgelegten Weg der Reflexion 110 zwischen dem Hindernis 30 am Punkt B und dem Empfänger 20 im Punkt O. Die zurückgelegte Weg strecke L des direkten Signals 100 zwischen den Punkten A und O kann auch als erster Pfad L oder erster Weg L (first path) bezeichnet werden. Sowohl der erste Weg L des di rekten Signals 100 als auch das reflektierte Signal 110 werden beide an dem Empfänger 20 an dem Punkt O gemessen, wo auch die zugehörige Phasendifferenz Df oder die zu gehörigen Phasen f und die Einfallswinkel a und/oder ß beider Signale 100, 110 erfasst werden.
Tabelle 1 zeigt die definierten Koordinaten der Punkt A, O und B. Der Sender 10 der vor geschlagenen Anordnung ist bevorzugt dazu ausgebildet, elektromagnetische Wellen 100 omni-direktional auszusenden, d.h. in beliebige Richtungen, oder bi-direktional oder unidi- rektional auszusenden. Bei Verwendung einer bi-direktionalen Antenne können Mehrdeu tigkeiten zwischen den empfangenen Signalen 100, 110 von vornherein reduziert werden, da eine bi-direktional Antenne höchstens in zwei Richtungen ausstrahlt. Gleiches gilt für eine unidirektional abstrahlende Antenne. Vorliegend wird der Begriff Antenne synonym für Sender verwendet.
Figure imgf000014_0001
Tabelle 1: Definition der in Fig. 2 gezeigten Punkte A, O und B Die gemessene Phasendifferenz Df wird genutzt, um die gesamte Distanz x+L' des re flektierten Signals 110 zu bestimmen, wobei die Distanz x den Abstand zwischen dem Sender 10 am Punkt A und dem Hindernis 30 am Punkt B beschreibt. Die Tabelle 2 fasst die verwendete Notation der Variablen aus den hierin beschriebenen Gleichungen zusam men.
Figure imgf000014_0002
Tabelle 2: verwendete Notation Die Herleitung der Gleichungen, nach welchen die Phasendifferenz Df bzw. die Wegstre cke V bestimmt werden, werden ausgehend von einer Wellenausbreitung in zwei Dimension 2D in Polarkoordinaten abgeleitet. Polarkoordinaten entsprechen Kugelkoordinaten für die Ebene. Polarkoordinaten umfassen einen Abstand und einen Winkel. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Winkel a ein Winkel zwischen der x und der y Achse bzw. ein Win kel zwischen den Wegstrecken L und L'.
Ausgehend von zwei Dimensionen kann die Distanz x durch die Wegstrecken L und V ausgedrückt werden als:
Figure imgf000015_0001
Die sog. Reichweitendifferenz DG zwischen den Wegstrecken L und Z/lässt sich durch fol- gende Gleichung ausdrücken:
Figure imgf000015_0002
Es ist bekannt, dass sich die Phasendifferenz Df proportional zu dem Quotienten aus der Reichweitendifferenz Ar und der Wellenlänge l der entsprechenden elektromagnetischen Welle bzw. des Signals 100, 110 ist. Die Phasendifferenz Df kann daher durch folgende Gleichung beschrieben werden:
Ar 2p , -
Df = 2p — = — ( ( U · cos(a) — L)2 + ( L ' · sin (a))2 + V — L)
A A
Durch Quadrieren der Phasendifferenz Df und Ausnutzung der bisherigen Gleichungen erhält man folgende Äquivalenzumformung:
Figure imgf000015_0003
Wenn man die letzte Äquivalenzumformung nach dem Parameter V auflöst, erhält man:
1
Figure imgf000015_0004
(- (cos(a) — 1) + 1) Dfl Da die Phase als solche 2p periodisch ist und sich die Phasendifferenz Df jede halbe Wellenlänge wiederholt gemäß wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 0 ist, folgt:
Figure imgf000016_0001
Betrachtet man nun den dreidimensionalen Fall 3D, so sind die Koordinaten des Reflexi onspunktes B zusätzlich von einem Winkel ß zwischen der x und z Achse abhängig. Die euklidische Distanz zwischen dem Hindernis 30 am Punkt B und dem Empfänger 20 am Punkt A kann dann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Figure imgf000016_0002
Der unbekannte Parameter V kann dann geschrieben werden als:
Figure imgf000016_0003
In dieser Gleichung wurde bereits berücksichtigt, dass sich die Phasendifferenz Df jede halbe Wellenlänge wiederholt gemäß
Figure imgf000016_0004
wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 0 ist.
Wie soeben gezeigt wurde, kann die Phasendifferenz Df genutzt werden, um die ge samte Distanz x+L' des reflektierten Signals 110 zu bestimmen. Diese Distanz ist vor allem dann genau, wenn der Parameter h; bekannt ist, wobei der Index i eine ganze Zahl größer oder gleich 0 ist.
Unter der Annahme, dass bei einer Reflexion die Winkel a=0 und ß=0 sind, kann der un bekannte Parameter n; in einfacher Weise bestimmt werden, wenn man mehrere Fre quenzänderungen erfasst. Die Winkel a und ß müssen jedoch hierzu nicht null betragen. Berücksichtigt man ferner, dass Reflexionen mit einem UWB System nur auf etwa 30 Zentimeter genau bestimmt werden können, so lässt sich eine gemessene Reichwei tendifferenz AR schreiben als:
Figure imgf000016_0005
Hieraus kann schließlich der unbekannte Parameter n; zu den bekannten Wellenlängen l(· bestimmt werden. Die vorgeschlagene Anordnung bzw. dessen Empfänger (20) ist be vorzugt dazu ausgebildet, eine Anzahl an Phasendifferenzen Dfέ in Abhängigkeit einer An- zahl unterschiedlicher Wellenlängen Xt zu bestimmen, insbesondere um die Phasendiffe renz Df eindeutig zu bestimmen, wobei der Index i eine natürliche Zahl ist. Hierzu kann der Sender 10 zum Aussenden elektromagnetischer Wellen 100 unterschiedlicher Wellen längen Aj ausgebildet sein. Ein Laufzeitunterschied zwischen den Signalen unterschiedli cher Wellenlängen kann beispielsweise durch die Zeitstempel der Signal erfasst werden. Ein Zeitstempel kann bis auf eine Nanosekunde genau erfasst werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Positionskorrektur, wobei drei Signale 100, 110 mit unterschiedlichen Wellenlängen Xlt l2 und l3 dargestellt sind. Der gestrichelte Bereich 300 der Fig. 3 zeigt graphisch die Unsicherheit der gemessenen Reichweitendifferenz AR, welche auf ± 30 cm genau messbar ist. In dieser gestrichelten Reichweite sind die berechneten Distanzen für bestimmte Parameter ni wobei i=1 ,2,3 ..., gleich, wie dies ins besondere für die vertikale gestrichelte Linie 310 in Fig. 3 gezeigt ist.. Wie aus der Fig. 3 erkennbar ist, verläuft die gestrichelte Linie 310 jeweils durch ein Maximum der Wellenlän gen A-L, l2 und l3. Die gestrichelte Linie 330 hingegen verläuft lediglich durch die Maxima der Wellenlängen A^nd l2. Die gestrichelte Linie 320 verläuft lediglich durch ein Maximum der Wellenlänge Ax. Um nun den Parameter h, möglichst eindeutig zu bestimmen, wird er mittelt, an welcher Position, d.h. für welches h* zur Wellenlänge t die Wellenlängen Xl X2 und l3 sich an derselben Position befinden, insbesondere an einem Maximum wie in Fig. 3 dargestellt. Es ist denkbar, auch eine Position eines Minimums der Wellen zu nutzen oder eine andere eindeutig bestimmbare Position der Wellenlängen
Figure imgf000017_0001
l2 und l3 zu verwenden. Die in Fig. 3 gezeigten berechneten Distanzen für die unterschiedlichen Wellenlängen Xl X2 und l3 können beispielsweise mittels TWR bestimmt werden.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufschema eines vorgeschlagenen Verfahrens 400. Das vorgeschla- gene Verfahren zum Bestimmen eines Abstandes eines Empfängers 20 zu einem Reflexi onspunkt B einer reflektierten elektromagnetischen Wellen 100, 110 mit einem Ultra Wide Band (UWB) System umfasst ein Aussenden einer elektromagnetischen Welle 100 mittels eines Senders 10 in einem Schritt 410. Ferner umfasst das Verfahren ein Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle 100 mit einem Empfänger 20, wobei die aus- gesendete elektromagnetische Welle 100 direkt vom Sender 20 zu empfangen wird, und wobei die ausgesendete elektromagnetische Welle 100 als reflektierte elektromagnetische Welle 110 vom Empfänger 20 empfangen wird, in einem Schritt 420. In einem Schritt 430 erfolgt ein Auslesen einer Kanal Impuls Antwort (CIR), und in Schritt 440 ein Bestimmen eines Einfallswinkels der reflektierten elektromagnetischen Welle aus der Kanal Impuls Antwort (CIR). Anschließend erfolgt in einem Schritt 450 ein Bestimmen einer Phasendifferenz Df zwischen der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetischen Welle 100 und der reflektierten elektromagnetischen Welle 110. Schließlich erfolgt in einem Schritt 460 ein Bestimmen eines Laufzeitunterschiedes zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle 100 und der reflektierten elektromagnetischen Welle 110 ba sierend auf der Phasendifferenz Df, um basierend auf der Phasendifferenz Df den Abstand des Empfängers 20 zu dem Reflexionspunkt B der reflektierten elektromagnetischen Welle 110 zu bestimmen. Zur Bestimmung des Laufzeitunterschiedes werden die Distanzen x, L'und L besimmt.
Mit der hierin präsentierten technischen Lehre kann eine verbesserte, insbesondere genau ere, Distanzmessung von reflektierten elektromagnetischen Wellen erfolgen, welche wie derum auf weiteren Anwendungsgebieten vorteilhaft eingesetzt werden kann. Eine weite res Anwendungsgebiert kann beispielsweise eine gleichzeitige Lokalisierung und Kartie rung (SLAM = simultaneous localization and mapping) sein, wie dieses beispielsweise bei der Tomografie oder bei einer Radarmessung angewendet werden kann.
Auch wenn einige Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder Anordnung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechen den Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrich tung dar.
Die erfinderischen Methoden können auf einem digitalen Speichermedium gespeichert o- der auf einem Übertragungsmedium wie einem drahtlosen Übertragungsmedium oder einem drahtgebundenen Übertragungsmedium wie dem Internet übertragen werden.
Je nach bestimmten Umsetzungsanforderungen können Ausführungsformen der Erfin dung in Hardware oder in Software umgesetzt werden. Die Umsetzung kann mit einem di gitalen Speichermedium, z.B. einer Diskette, einer DVD, einer CD, einem ROM, einem PROM, einem EPROM, einem EEPROM oder einem FLASH-Speicher, auf dem elektro nisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem so Zusammenwirken oder Zusammenwirken können, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
Einige erfindungsgemäße Ausführungsformen bestehen aus einem Datenträger mit elektronisch lesbaren Steuersignalen, die mit einem programmierbaren Rechnersystem so Zusammenwirken (können), dass eines der hier beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Insbesondere sind die elektronisch lesbaren Steuersignale zum Erfassen von Zeitstem- peln eines Signales ausgebildet.
Im Allgemeinen können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert werden, wobei der Programm code zur Durchführung einer der Methoden wirksam ist, wenn das Computerprogramm- produkt auf einem Computer läuft. Der Programmcode kann z.B. auf einem maschinen lesbaren Träger gespeichert werden.
Andere Ausführungsformen umfassen das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherte Computerprogramm zur Durchführung einer der hier beschriebenen Methoden.
Mit anderen Worten, eine Verkörperung der erfinderischen Methode ist daher ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung einer der hier beschriebenen Methoden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft. Eine weitere Verkörperung des erfinderischen Verfahrens ist daher ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), der das Computerpro gramm zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren enthält und darauf aufgezeichnet ist. Eine weitere Verkörperung des erfinderischen Verfahrens ist daher ein Datenstrom oder eine Folge von Signalen, die das Computerprogramm zur Durchführung eines der hier be schriebenen Verfahren darstellen. Der Datenstrom oder die Signalfolge kann z.B. so konfiguriert sein, dass er oder sie über eine Datenkommunikationsverbindung, z.B. über das Internet, übertragen werden kann. Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Verarbeitungsmittel, z.B. einen Computer oder eine programmierbare Logikvorrichtung, die so konfiguriert oder angepasst ist, dass sie eine der hier beschriebenen Methoden ausführt. Eine weitere Verkörperung umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zur Durchführung einer der hier beschriebenen Methoden installiert ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein programmierbares Logikbauelement (z.B. ein feld programmierbares Gate-Array) verwendet werden, um einige oder alle Funktionalitäten der hier beschriebenen Methoden auszuführen. In einigen Ausführungsformen kann ein feldprogrammierbares Gate-Array mit einem Mikroprozessor Zusammenarbeiten, um eine der hier beschriebenen Methoden durchzuführen. Im Allgemeinen werden die Methoden vorzugsweise von einer beliebigen Hardwarevorrichtung ausgeführt. Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden technischen Lehre. Es versteht sich von selbst, dass Ände rungen und Variationen der Anordnungen und der hier beschriebenen Einzelheiten für an dere Fachkräfte offensichtlich sind. Es ist daher beabsichtigt, nur durch den Umfang der bevorstehenden Patentansprüche begrenzt zu sein und nicht durch die spezifischen De- tails, die durch die Beschreibung und Erklärung der hier beschriebenen Ausführungsformen präsentiert werden.
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Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Bestimmung einer Wegstrecke ( L ') eines Empfängers (20) zu ei nem Reflexionspunkt (B) einer reflektierten elektromagnetischen Wellen (110) mit einem Ultra Wide Band (UWB) System, bei welchem eine Kanal Impuls Antwort (CIR) auslesbar ist, wobei das UWB System umfasst: einen Sender (10) zum Aussenden einer elektromagnetischen Welle (100), einen Empfänger (20) zum Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle (100), wobei der Empfänger dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagneti sche Welle (100) direkt vom Sender (10) zu empfangen, und dazu ausgebildet ist, die ausgesendete elektromagnetische Welle (100) als reflektierte elektromagnetische Welle (110) zu empfangen, wobei das UWB System dazu ausgebildet ist, die Kanal Impuls Antwort (CIR) auszulesen und aus der Kanal Impuls Antwort (CIR) einen Einfallswinkel (a, ß) der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) zu be stimmen, und eine Phasendifferenz (Df) zwischen der direkt vom Sender (10) empfangenen elektromagnetischen Welle (100) und der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) zu bestimmen, und einen Laufzeitunterschied zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle (100) und der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) basierend auf der Pha sendifferenz (Df) zu bestimmen, um basierend auf den Phasendifferenz (Df) die Weg- strecke (Z/) des Empfängers (10) zu dem Reflexionspunkt (B) der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) zu bestimmen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das UWB System dazu ausgebildet ist, einer empfangenen elektromagnetischen Welle (100, 110) einem Zeitstempel zuzuordnen, mit welchem eine Information über eine zurückgelegte Wegstrecke ( \ L, x) der empfange nen elektromagnetischen Welle (100, 110) ermittelbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kanal Impuls Antwort (CIR) Infor mationen zu der direkt vom Sender empfangenen elektromagnetische Welle (100) und zu der empfangenen reflektierten elektromagnetischen Welle (110) umfasst.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Empfänger (20) dazu ausgebildet ist, eine Anzahl an Phasendifferenzen (Df;) in Abhängigkeit einer Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen
Figure imgf000023_0001
zu bestimmen, insbesondere um die Phasendifferenz (Df) eindeutig zu bestimmen, wobei der Index i eine natürliche Zahl ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das UWB System dazu ausgebildet ist, eine Distanzmessung zwischen dem Sender (10) und dem Empfänger (20) mittels Zwei-Wege-Messung (TWR) durchzuführen.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sender (10) zum omni- direktionalen oder bi-direktionaien oder unidirektionalen Aussenden der elektromagneti schen Welle (100) ausgebildet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sender (10) zum Aus- senden elektromagnetischer Wellen (100) unterschiedlicher Wellenlängen l(· ausgebildet ist.
8. Verfahren zum Bestimmen einer Wegstrecke (//) eines Empfängers (10) zu einem Reflexionspunkt (B) einer reflektierten elektromagnetischen Wellen (110) mit einem Ultra Wide Band (UWB) System, wobei das Verfahren (400) umfasst:
Aussenden einer elektromagnetischen Welle (100) mittels eines Senders (10), Empfangen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle (100, 110) mit einem Empfänger (20), wobei die ausgesendete elektromagnetische Welle (100) direkt vom Sen der (10) empfangen wird, und wobei die ausgesendete elektromagnetische Welle (100) als reflektierte elektromagnetische Welle (110) vom Empfänger (20) empfangen wird, Auslesen einer Kanal Impuls Antwort (CIR),
Bestimmen eines Einfallswinkels (a, ß) der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) aus der Kanal Impuls Antwort (CIR), und
Bestimmen einer Phasendifferenz (Df) zwischen der direkt vom Sender (10) emp- fangenen elektromagnetischen Welle (100) und der reflektierten elektromagnetischen Welle (110), und
Bestimmen eines Laufzeitunterschieds zwischen der ausgesendeten elektromagnetischen Welle (100) und der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) basierend auf der Phasendifferenz (Df), um basierend auf der Phasendifferenz (Df) die Wegstrecke (//) des Empfängers (20) zu dem Reflexionspunkt (B) der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) zu bestimmen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zum Ausführen des Verfahrens eine Anord nung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine Distanzmessung zwischen dem Sen der (10) und dem Empfänger (20) mittels Zwei-Wege-Messung (TWR) bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, welches ein Bestimmen einer Anzahl an Phasendifferenzen (Df;) in Abhängigkeit einer Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen Aj umfasst, um die Phasendifferenz (Df) der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) eindeutig zu bestimmen, wobei der Index i eine natürliche Zahl ist.
12. Computerprogramcode, welcher Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ausführt, wenn der Computerprogramcode auf einem Programcode aus führbaren Medium ausgeführt wird, wobei der Computerprogrammcode Instruktionen umfasst, um insbesondere folgende Schritte auszuführen:
Auslesen einer Kanal Impuls Antwort (CIR),
Bestimmen eines Einfallswinkels (a, ß) der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) aus der Kanal Impuls Antwort (CIR), und
Bestimmen einer Phasendifferenz (Df) zwischen der direkt vom Sender (10) emp fangenen elektromagnetischen Welle (100) und der reflektierten elektromagnetischen Welle (110), und
Bestimmen eines Laufzeitunterschieds zwischen der ausgesendeten elektromag netischen Welle (100) und der reflektierten elektromagnetischen Welle (110) basierend auf der Phasendifferenz (Df), um basierend auf der Phasendifferenz (Df) die Wegstrecke (V) des Empfängers (20) zu dem Reflexionspunkt (B) der reflektierten elektromagneti schen Welle (110) zu bestimmen.
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