DE60225920T2 - Methode zur positionsbestimmung eines objekts mittels zur verfügung stehender sender - Google Patents

Description

• Der Einsatz von Radaranlagen zur Erkennung der Position von beweglichen Objekten ist bestens bekannt. Auch wurde früher bereits vorgeschlagen, die Position eines Zielobjekts durch Einsatz so genannter „zur Verfügung stehender Sender" zu ermitteln, wobei Empfänger von einem Zielobjekt reflektierte Übertragungen erkennen, die von einem Sender stammen. Allerdings muss bei solchen Systemen auch eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Empfänger und dem Sender gewährleistet sein (oder eine Kabelverbindung bestehen), um einen Referenzwert in den Empfängern zu generieren, welcher dann für die Korrelation zum verzögerten Signal verwendet werden kann, das per Reflektion von einem Zielobjekt empfangen wird.
• In bestimmten Telekommunikationssystemen greifen Sender auf vorab gespeicherte Codes als Bestandteil ihres Modulationsprotokolls zurück. Die Erfinder haben entdeckt, dass sich diese Codes auf vorteilhafte Weise als Schablonen für einen Korrelator nutzen lassen, wenn man die Signale von einem Empfänger, welche von einem Zielobjekt reflektiert wurden, korreliert, um Zeitinformationen für die Positionsbestimmung eines Zielobjekts bereitzustellen. Auf diese Weise lässt sich ein Verfahren realisieren, mit dem man Informationen zur Position eines Zielobjekts erhalten kann, ohne auf eine direkte Sichtverbindung zwischen Empfänger und Sender angewiesen zu sein.
• Die Erfindung umfasst ein Kommunikationssystem, bei dem die vorab gespeicherten Codes bei Übertragungen als Bestandteil des Kommunikationsprotokolls verwendet werden, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Zielobjekts, das folgende Schritte umfasst: das Bereitstellen eines Senders zur Übertragung eines Signals an das Zielobjekt sowie das Bereitstellen einer Mehrzahl von Empfängern, die miteinander kommunizieren, um Signale zu empfangen, welche von besagtem Zielobjekt reflektiert werden, wobei die Empfänger zeit- oder phasensynchron arbeiten; das Bestimmen der Ankunftszeit des besagten Codes des reflektierten Signals an jedem Empfänger durch kontinuierliches Korrelieren des besagten Empfangssignals mit den vorab gespeicherten Codes im Empfänger; das Verwenden von Informationen zur Position eines jeden Empfängers und, anhand der erhaltenen Informationen, das Bestimmen der Position des Zielobjekts.
• Eine beispielhafte Anwendung, die jedoch nicht Bestandteil der Erfindung ist, umfasst außerdem ein Kommunikationssystem, bei dem die vorab gespeicherten Codes bei Übertragungen als Bestandteil des Kommunikationsprotokolls verwendet werden, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Zielobjekts, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellung einer Mehrzahl von Sendern, die jeweils ein Signal an das Zielobjekt übertragen, wobei die besagten Sender zeit- oder phasensynchron arbeiten, sowie Bereitstellung eines Empfängers für den Empfang von Signalen, welche von besagtem Zielobjekt reflektiert werden und wobei die besagten Signale zu vorgegebenen Zeiten ausgesendet werden, die empfängerseitig bekannt sind; Korrelation des besagten Empfangssignals mit den vorab gespeicherten Codes in jedem Empfänger, um den Sender eines bestimmten Signals zu identifizieren, wobei der Empfänger die Zeitverzögerung beim Empfang des besagten Signals bestimmt, indem er die Ankunftszeit eines vorab gespeicherten Codes eines jeden reflektierten Signals von jedem Sender von der bekannten Sendezeit des vorab gespeicherten Codes abzieht und hierbei auf empfängerseitig bekannte Informationen zur Position eines jedes Senders zurückgreift und, anhand der erhaltenen Zeitinformationen, die Position des Zielobjekts bestimmt.
• In vielen aktuellen Kommunikationssystemen greifen Sender auf vorab gespeicherte Codes als Bestandteil ihres Modulationsprotokolls zurück (zum Beispiel zwecks Kanalausgleich oder Signalidentifikation). Die vorliegende Erfindung nutzt diese vorab gespeicherten Codes auf verschiedene Art und Weise, um die Position eines Zielobjekts zu erkennen, wobei von einem oder mehreren Sendern stammende Signale von den Zielobjekten an die Empfänger reflektiert werden. Bei empfängerseitiger Erkennung der Codes ist es dem Empfänger durch Korrelation möglich festzustellen, wann der eingebettete Code empfangen wurde. Anhand dieser und anderer Informationen wie beispielsweise dem Standort des Senders oder des Empfängers ist es möglich, die Position des Zielobjekts zu bestimmen. Eine Hauptausführungsform greift auf bekannte Informationen wie den Sendezeitpunkt der Codes zurück, um verwertbare Zeitinformationen bereitzustellen; dies ist möglich, weil einige Codes zu vorbestimmten Zeiten von einem Sender ausgesendet werden und diese Zeiten empfängerseitig ebenfalls bekannt sind.
• Bei einigen Systemen beinhalten die Codes auch die eindeutige Identifikation eines bestimmten Senders, und ein Empfänger kann somit gegebenenfalls den Standort ausfindig machen; das heißt, die Identität der Basisstation, welche in dem Signal enthalten ist, lässt sich auch nutzen, um leichter feststellen zu können, woher jede einzelne Übertragung stammt. Dies beseitigt etwaige Identifikationsprobleme in Bezug auf unterschiedliche Signale von unterschiedlichen Basisstationen, welche dieselben Basisinformationen für Korrelationen enthalten. In bekannten Telekommunikationssystemen wird bekanntermaßen ein modulierter oder codierter Signalanteil integriert, welcher für den Sender eindeutig ist.
• Bevorzugte Ausführungsform
• In dieser Ausführungsform gibt es einen einzelnen Sender sowie eine Reihe von Empfängern. Ein mögliches Beispiel ist ein Sender, der im Bereich Mobilkommunikation zum Einsatz kommt. Das Sendesignal beinhaltet einen oder mehrere Codes, welche in dem bzw. den Protokollen verwendet werden. Ein Signal wird übertragen und von einem Zielobjekt, beispielsweise einem Flugzeug, an eine Mehrzahl von Empfängern reflektiert. In jedem Empfänger ist der Code vorab gespeichert und die Empfänger korrelieren diesen Code kontinuierlich mit dem Empfangssignal. Wenn ein Spitzenwert bezüglich der Korrelation vorliegt, wird die Zeitangabe T(i) von jedem Empfänger i vermerkt. Diese Zeitangaben werden dann an einen Prozessor gesendet, welcher sich in einem der Empfänger befinden kann. Der Prozessor nutzt die Angaben zu dem Zeitpunkt, an dem der Code empfangen wurde, sowie bekannte Informationen hinsichtlich der Empfängerpositionen, um die Position des Zielobjekts zu berechnen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein solches System darauf angewiesen ist, dass der Codeanteil des Signals im Protokollstandard für den jeweiligen Übertragungstyp definiert ist und somit klar definiert und unveränderlich ist. Des Weiteren ist es erwähnenswert, dass die absolute Zeit, die zwischen der Signalübertragung und dem Signalempfang gemessen wird, nicht bekannt sein muss – wichtig sind nur die (relativen) Empfangszeiten des reflektierten Signals an jedem Empfänger.
• Mit anderen Worten: Die Position, an der die Korrelationsspitze auftritt, bezeichnet den Zeitpunkt, an dem das betreffende Signal in Bezug auf die Referenzschablone empfangen wurde. Dies ist besonders nützlich, wenn so genannte Laufzeitdifferenz-Verfahren (Time Difference Of Arrival, TDOA) zum Einsatz kommen, weil in diesem Fall die absolute Zeit, zu der die Übertragung erfolgt, irrelevant ist; vielmehr ist es die relative Zeit zwischen Signalen, die (von demselben Standort übermittelt werden und die) an unterschiedlichen Empfängerstandorten ankommen, die Aufschluss über den Zielort gibt. Einem Fachmann erschließt sich sofort, wie sich die hieraus resultierenden Daten nutzen lassen, um die Position des Zielobjekts zu bestimmen, zum Beispiel durch Triangulation.
• Da sich die Codes bekanntermaßen konzeptbedingt in der Wellenform befinden, ist es an dieser Stelle nicht erforderlich, diese Codes über eine Direktverbindung zum Sender aufzuzeichnen. Die Codes sind vorherbestimmt und können als solche vorab in jeden Empfänger einprogrammiert werden, wodurch der Prozess der Kreuzkorrelation unabhängig vom jeweiligen Dateninhalt des betreffenden Sendesignals erfolgen kann. Die Empfänger müssen synchronisiert werden.
• Beispiel
• In diesem Beispiel gibt es eine Mehrzahl von Sendern sowie einen einzelnen Empfänger. Die Sender sind synchronisiert. Jeder Sender sendet ein Signal, welches von dem Empfänger empfangen wird. Der Empfänger wird auch hier eingehende Signale mit einem vorab gespeicherten Code korrelieren und den Zeitpunkt vermerken, an dem der vorab gespeicherte Code für jeden Sender empfangen wurde. Allerdings wird in diesem Fall die absolute Zeit zwischen der Übertragung und dem reflektierten Signal, welches von dem Zielobjekt empfangen wird, bestimmt. Das Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass sich eingebettete Codes, welche in einem Protokoll verwendet werden, an einer festen (bekannten) Position innerhalb des Sendesignals befinden und der Sender zu vorgegebenen Zeiten (die empfängerseitig ebenfalls bekannt sind) sendet. Somit kann, wenn die Takte der Sender mit dem Takt des Empfängers synchronisiert werden, die absolute Zeitdifferenz zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen (über das Zielobjekt reflektierte) Signal von dem Empfänger leicht für jedes einzelne Sendersignal bestimmt werden. Anhand bekannter Daten zum Standort der Sender kann der Empfänger in diesem Fall die Position des Zielobjekts bestimmen.
• Im Beispielfall einer modernen 3G-Umgebung nutzen Mobiltelefonsysteme vollständig zeitsynchronisierte Netze, so dass jede Basisstation bei der Übertragung über eine vorgegebene Reihe von Zeit- und Frequenzschlitzen verfügt. Wenn die Empfänger dann mit dem Zellularnetz synchronisiert werden, wissen sie – innerhalb der Genauigkeit des Synchronisationsschemas von 1 oder 2 Sekunden – welche Basisstation übertragen hat. Wird nun im Rahmen des Korrelationsprozesses die Ankunftszeit des von dem Zielobjekt reflektierten Sendesignals (auf dieselbe Art und Weise wie zuvor) bestimmt, kann die bekannte Übertragungszeit abgezogen werden, um die „Flugzeit" (Time of Flight, TOF) des reflektierten Signals zu ermitteln. Diese TOF-Information platziert das Zielobjekt an einem geometrischen Ort, der alle Positionen verknüpft, an denen die Entfernung des Zielobjekts in Bezug auf die Positionen der Sender und Empfänger eine Konstante darstellt. Um die Position des Zielobjekts an diesem geometrischen Ort zu klären, wird ein zweiter geometrischer Ort, mit einer anderen Senderposition, benötigt. Jetzt definiert der Schnittpunkt dieser geometrischen Orte die Position des Zielobjekts. Offenkundig wird dort, wo die Signalreflexionen von mehreren Sendern empfangen werden, die Schätzung der Position des Zielobjekts genauer.
• In einer bevorzugten Ausführungsform verfügt das Signal von jedem Sender vorzugsweise über eindeutige Identifizierungsdaten, damit der Empfänger die reflektierten Signale dahingehend unterscheiden kann, von welchem Sender diese Signale stammen. Hierdurch reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Parameter wie beispielsweise die Anzahl der Empfänger und/oder Sender, die als Eingabequellen für die Positionsberechnung benötigt werden. Des Weiteren ist es so, dass wenn empfängerseitig der geometrische Ort der identifizierten Sender vorab gespeichert ist, das heißt, wenn die relativen Positionen der Sender bekannt sind, die Position des Zielobjekts leichter bestimmt werden kann.
• Natürlich gibt es eine Reihe von unterschiedlichen Permutationen und Kombinationen, welche in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen, was für den Fachmann offensichtlich ist.
• Unter bestimmten Umständen kann es, wenn die Sender kontinuierlich Signale aussenden, erforderlich sein, dass die Empfänger zwischen aufeinander folgenden Signalen unterscheiden, damit sie dasselbe Signal auswerten, das heißt das Signal, das zum selben Zeitpunkt ausgesendet wurde.
• Naturgemäß kann das System eine Mehrzahl von Empfängern und eine Mehrzahl von Sendern umfassen. Die Berechnung eines solchen Hybridsystems wäre zwar aufwändiger, aber für einen Mathematiker mit den entsprechenden Fertigkeiten wäre es offensichtlich, wie sich die Daten nutzen lassen.
• Des Weiteren haben die Erfinder festgestellt, dass sich aktuelle Netze für die Mobilkommunikation besonders gut für die Implementierung der oben erwähnten Verfahren eignen. Das System lässt sich aufgrund der vorstehend erwähnten vorab gespeicherten Codes, die bei Übertragungen im Bereich Mobiltelefonie zum Einsatz kommen, gut für standardmäßige Mobiltelefonübertragungen nutzen. So umfasst beispielsweise das Modulationsprotokoll für die Mobiltelefonie eindeutige Identifikationsdaten zu jeder Basisstation und so genannte „Trainingssequenzen", welche sich auf vorteilhafte Weise zur Bestimmung der Position von Zielobjekten nutzen lassen. Ein GSM-Netz arbeitet typischerweise mit 200-KHz-Kanälen. Trainingssequenzen (auch „Midambles" genannt) mit einer Länge von 26 Bits kommen in jedem Paket vor, das heißt alle 660 Mikrosekunden. Und genau diese Trainingssequenzen werden als Korrelatorreferenz in jedem Empfänger verwendet.
• In einer beispielhaften Anwendung der Erfindung kommen standardmäßige Telefonempfänger zum Einsatz, und das Empfangssignal, welches einem A/D-Wandler zugeführt wird und eine Bandbreite von 200 KHz belegt, wird demoduliert, und das Datenpaket wird in seine Trainingssequenz sowie die Sequenz mit der Kennung der Basisstation zerlegt. Die Trainingssequenz wird für die Korrelation mit der vorab gespeicherten Trainingssequenz weitergeleitet, um die Ankunftszeit der Übertragung zu ermitteln. Die Kennung der Basisstation wird decodiert und die Position der Basisstation kann bestimmt werden (zum Beispiel über vorab überwachte Informationen), falls dies für eine bestimmte Implementierung erforderlich sein sollte.

Claims (5)

1. Ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Zielobjekts, welches für den Einsatz in einem Kommunikationssystem ausgelegt ist, bei dem vorab gespeicherte Codes bei Übertragungen als Bestandteil des Kommunikationsprotokolls verwendet werden, und das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Senders des Kommunikationssystems für die Übertragung eines Signals an das Zielobjekt; b) Bereitstellen einer Mehrzahl von Empfängern, die miteinander kommunizieren, um Signale zu empfangen, welche von besagtem Zielobjekt reflektiert werden, wobei die Empfänger zeit- oder phasensynchron arbeiten; c) Bestimmen der Ankunftszeit des besagten Codes des reflektierten Signals an jedem Empfänger durch kontinuierliches Korrelieren des besagten Empfangssignals mit den vorab gespeicherten Codes im Empfänger; d) Verwenden von Informationen zur Position eines jeden Empfängers und, anhand der in Schritt c) erhaltenen Informationen, Bestimmen der Zielposition.
2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Sendersignale einen modulierten oder codierten Signalanteil beinhalten, welcher für den Sender eindeutig ist und der in Schritt (d) verwendet wird, um den Sender selbst und somit auch dessen Standort zu identifizieren.
3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Empfänger die besagte Ankunftszeitangabe sowie eine Empfängerkennung an einen Prozessor übermitteln.
4. Ein verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem sich der besagte Prozessor in einem der Empfänger befindet.
5. Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das besagte Signal die Trainingssequenz (Midamble) oder einen Teil davon oder irgendeine eindeutige Datenfolge beinhaltet, die empfängerseitig bereits vor der Übertragung bekannt sind.