WO2008025713A1 - Verfahren und vorrichtung zur laufzeitbasierten ortung mit hilfe eines getriggerten oder selbstauslösenden referenzsignals - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur laufzeitbasierten ortung mit hilfe eines getriggerten oder selbstauslösenden referenzsignals Download PDF

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WO2008025713A1
WO2008025713A1 PCT/EP2007/058747 EP2007058747W WO2008025713A1 WO 2008025713 A1 WO2008025713 A1 WO 2008025713A1 EP 2007058747 W EP2007058747 W EP 2007058747W WO 2008025713 A1 WO2008025713 A1 WO 2008025713A1
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WO
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signal
stations
reference station
transmission
time
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PCT/EP2007/058747
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Stefan Schwarzer
Claus Seisenberger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
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    • G—PHYSICS
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    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0205—Details
    • G01S5/021—Calibration, monitoring or correction

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of the main claim and a device according to the preamble of the independent claim.
  • TDOA time-difference-of-arrival
  • time difference of arrival a location of objects, in particular terminals.
  • an object to be located sends out a signal that is received by several fixed stations.
  • the time difference between the arrival times at the individual stationary stations allows using triangulation calculations to determine the position of the object to be located.
  • Figure 1 shows the situation according to the closest prior art.
  • An object X to be located emits a signal which reaches the fixed stations B1, B2 and B3 after the transit times ⁇ ti, ⁇ t 2 and ⁇ t3. If all stations are measuring along the same time axis, ie if they have the same initial time offset To, then correct time differences are determined which can be used to determine the location of object X using triangulation (Formula 1):
  • AtI 2 (T 2 + ⁇ t 2 ) - (Ti + ⁇ ti)
  • At 23 (T 3 + ⁇ t 3 ) - (T 2 + ⁇ t 2 )
  • ⁇ t 3 i (Ti + ⁇ ti) - (T 3 + ⁇ t 3 )
  • a temporal synchronization between the individual stationary stations is due to the possible inaccuracies of great importance for the use of a positioning system.
  • a clock offset when using electromagnetic or optical signals must not be greater than a few pico seconds.
  • TDOA Time-Difference-of-Arrival
  • the object is achieved by a method according to the main claim.
  • the object is achieved by means of a device according to the independent claim. Further advantageous embodiments can be found in the subclaims.
  • An object X to be located transmits a signal which is received by a number of stationary stations B 1 having known positions.
  • the transit times of the signals from the station X to be located to the stationary stations B 1 are denoted by ⁇ t Xl .
  • the clocks in the stationary stations B 1 can now have any time offsets T 1 . However, it should be given about the same frequency. Deviations of less parts-per-million (ppm), as is common with high quality quartz, are reasonable, as they lead to a small error that is acceptable.
  • a reference station R is additionally added to a conventional arrangement.
  • the position of the relative station R relative to the fixed stations B 1 must be known.
  • Each stationary station B 1 (i element of N) now does not determine the absolute time of the signal arrivals, but only the transit time difference At 1 between the arrival of the signals from the object X and the reference station R.
  • time offset ⁇ t XR between the transmission of the signal from object X and the transmission of the signal from the reference station R.
  • This unknown time offset or transmission offset .DELTA.t XR can be eliminated by forming the difference between the time differences At 1 between the stationary stations.
  • Triangulation is a method of finding the distance to a point in trigonometry and elementary geometry.
  • the essential advantage of the present invention is that addressed, high-precision time synchronization between the stationary stations B 1 no longer need to take place.
  • Another stationary station R is used, which transmits in the same channel as X or in another channel, time-synchronized or delayed.
  • a determination of the unknown clock offsets T 1 , nor those of the unknown transmission offset ⁇ t XR is required, since these can be calculated out by means of mathematical formulas used. If object X and reference station R transmit in only one channel, then a transmission offset ⁇ t XR is at least as long as the length of the signal from object X.
  • the transmission of the signal from the object X and the transmission of the signal from the reference station R occur simultaneously in two different channels.
  • the use of two different channels for object X and reference station R allows the fully synchronous transmission of signals from both stations. In this way, the measurement rate, ie the number of measurements per second, and an achievable accuracy can be advantageously improved.
  • the transmission offset .DELTA.t XR between the transmission of the signal from the object X and the transmission of the signal from the reference station R is zero and thus need not be considered further.
  • the object X and the reference station R are excited by means of a common trigger line from a station B 1 for the simultaneous transmission of their signals.
  • Both reference station R and object X are excited via a common trigger line, which may be wired or wireless, for the simultaneous transmission of their signals.
  • the reference station R transmits in a first channel or in a second channel when the reference station R has determined that the object X is transmitting in a first channel, wherein a time offset ⁇ t XR between the transmission of the signal from the object X and the transmission of the signal from the reference station R is given.
  • R sends only after X has sent. It is particularly advantageous if no synchronization between the two signals has been generated. It is possible to use a common channel or two different channels.
  • the reference station R is passive until it has detected a signal from object X.
  • the transmission of the signal of the reference station R can be carried out either with the signal from object X in the same or a different channel, or almost simultaneously with the object X in another channel.
  • R sends only when R has determined that X is transmitting.
  • This embodiment is particularly teilhaft, since in this way a communication of the base stations Bi with the reference station R is unnecessary.
  • communication with X does not have to take place since the object X sends out a signal, for example, with a permanently set time interval or upon detection of an event.
  • This embodiment can be improved particularly advantageously by using two channels.
  • the emission of the signal from the object X and the transmission of the signal from the reference station R are arbitrarily time-delayed in two different channels.
  • An arbitrary time offset ⁇ t XR is generated between the transmission of the signal from the object X and the transmission of the signal from the reference station R. It must be particularly advantageous no synchronization between the two signals generated.
  • the smaller the transmission offset ⁇ t XR or the time offset ⁇ t XR the smaller the error due to slightly different clock frequencies of the stations B 1 , which should have approximately the same frequency.
  • the transmission of the signal from the object X and the transmission of the signal from the reference station R can also be done with a time delay in a channel.
  • a communication between the stationary stations B 1 so that the differences of the time differences At 1 can be determined.
  • Such communication may be wireline or wireless and does not impose any special requirements on the duration of the communication signals.
  • the clock frequency of the reference station R are determined by means of the signal transmitted by the reference station R and deviations of the clock frequencies of the stations B 1 are excluded. In this way, there is a possibility to compensate for a difference of the clock frequencies in the individual stationary Stations B 1 , which are a reason for inaccuracies in determining the position of object X.
  • objects X are terminals according to the standard IEEE 802.15.4.
  • devices are claimed by means of which methods according to the method claims can be carried out.
  • Figure 1 shows an embodiment of a measuring method according to the prior art
  • Figure 2 shows an embodiment with the errors according to the
  • Figure 3 shows an embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 4 shows exemplary embodiments of the transmission of signals.
  • Figure 1 shows an object X and three stationary stations Bl, B2 and B3.
  • the object X emits a signal which reaches the fixed stations Bl, B2 and B3 after the transit times ⁇ ti, ⁇ t 2 and ⁇ t 3 . If all stations are in the same time axis, ie all stations have the same initial time offset T 0 , then correct time differences are determined, which can lead to the location of X by means of triangulation (Formula 1):
  • FIG. 2 shows that with unknown different time offsets Ti, T 2 and T 3 no longer fall out of the time differences (formula 2):
  • AtI 2 (T 2 + ⁇ t 2 ) - (Ti + ⁇ ti)
  • At 23 (T 3 + ⁇ t 3 ) - (T 2 + ⁇ t 2 )
  • ⁇ t 3 i (Ti + ⁇ ti) - (T 3 + ⁇ t 3 )
  • Position determination can only be carried out with inaccuracies.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of an arrangement according to the invention.
  • This arrangement corresponds to that described in FIG. 2, but in addition a reference station R is inserted whose position relative to the fixed stations Bi, B 2 and B 3 is known.
  • the transit times of the signals from the station to be located X to the stationary stations Bl, B2 and B3 are denoted by ⁇ t ⁇ i, ⁇ t x2 and ⁇ t x3 .
  • the transit times of the signals of the stationary reference station R to the fixed stations Bi, B 2 and B 3 are denoted by ⁇ t R i, ⁇ t R2 and ⁇ t R3 .
  • the use of three stations for determining two spatial coordinates is preferred. However, more or fewer stations can be used.
  • a mathematical method for localization can be, for example, a hyperbola method.
  • the clocks or time recording devices in the fixed stations Bi, B 2 and B 3 may now have the unknown and arbitrary time offsets Ti, T 2 and T 3 , but these should have approximately the same frequency.
  • R and X transmit at the same time in two different channels, for example by jointly triggering from a fixed station B 1 via a trigger line (case Fig. 4a);
  • R and X transmit time-shifted in two different channels (cases Fig. 4: b and c);
  • both R and X are excited via a common trigger line (wired or wireless) for the simultaneous transmission of their signals.
  • R is passive until it detects a signal from X. Then the emission of the signal from R can be done either after the signal of X in the same or another channel (cases c and d), or almost simultaneously with X in another channel (b).
  • Each stationary station Bi, B 2 and B 3 does not determine the absolute time of the signal arrivals, but only the time difference between the arrival of the signals of X and R.
  • the error is due to slightly different clock frequencies of the clocks in the stationary stations Bi, B 2 and B 3, the lower the X and R send their signals. It is particularly advantageous if, for example, the time offset ⁇ t XR is less than 10% of the duration of the signal from the object X.
  • the knowledge of the clock offsets Ti, T 2 and T 3 is not necessary. It results for the transit time difference of Signals from X and R at the three fixed stations Bl, B2 and B3 (formula 3):
  • ⁇ t XR need not be known. Consequently, the three variables determined by means of formula 4 can be determined by measuring the transit time differences ⁇ ti, ⁇ t 2 and ⁇ t 3 , which can be carried out by conventional algorithms of digital signal processing. For determining the position or location of the object X according to the modified TDOA principle described here, the following quantities are sufficient:
  • ⁇ ti 2 , ⁇ t 23 and ⁇ t 3 i requires communication between the fixed stations Bi, B 2 and B 3 .
  • the communication can be wired or wireless and makes no special demands on the transit times of the communication signals.
  • the method and apparatus according to the present invention differ substantially from the prior art methods. According to the present application, communication with X and R need not occur.
  • the industrial radio standard IEEE 802.15.4 and the routing algorithms of the ZigBee Alliance based on it are already being used increasingly for building and production automation today and in the future.
  • the advantages are a particularly robust data transmission through the use of low data rates at high bandwidths and the ability to build a self-organizing mesh network for data transmission over long distances.
  • the low power consumption allows small terminals with high battery life.
  • the ZigBee routing according to the standard IEEE 802.15.4 is particularly advantageous if accurate location of the ZigBee terminal is possible. In this case, it is possible to dispense with the assignment of physical addresses and to address via positions.
  • a light switch is called, which should not turn on lamp No. 547, but the lamp at position (X / Y / Z) equal (5m / 7m / lm). This requires a high level of accuracy in order to distinguish the lamp clearly from the neighboring lamps.
  • Invention is of particular interest for this application, since a location system can be constructed inexpensively and flexibly.
  • the advantageous omission of communication links to the stations to be located X in particular ZigBee terminals benefit that have no receiver, but only in certain events (for example, when printing a light switch) emit a signal.
  • the reference station R receives this signal and sends the required reference signal afterwards.
  • ZigBee allows the use of multiple channels, which also allows these embodiments to be used.

Abstract

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Objektes X mittels des TDOA- (Time-Difference-of- Arrival-, Zeitdifferenz des Eintreffens) Prinzips, wobei das Objekt (X) ein Signal aussendet, das von mehreren ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Stationen (B<SUB>i</SUB>) empfangen wird, wobei Uhren der Stationen (B<SUB>i</SUB>) zueinander unterschiedliche unbekannte Zeitversätze (Ti) aufweisen können. Es soll eine hohe Messgenauigkeit bei vertretbaren Kosten erzielt und keine zeitliche Synchronisation zwischen den einzelnen ortsfesten Stationen notwendig sein. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zusätzlich eine ortsfeste, eine relativ zu den Stationen (B<SUB>i</SUB>) bekannte Position aufweisende Referenzstation (R) ein Signal aussendet, das von den Stationen (B<SUB>i</SUB>) empfangen wird, ein unbekannter Sendeversatz (?t<SUB>XR</SUB>) zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt (X) und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation (R) erzeugt werden kann, für jede Station (Bi) die Laufzeitdifferenz (?t<SUB>i</SUB>) zwischen dem Eintreffen des Signals vom Objekt (X) und des Signals von der Referenzstation (R) bestimmt wird, die Differenzen der Laufzeitdifferenzen (?t<SUB>i</SUB>) zwischen den Stationen (B<SUB>i</SUB>) bestimmt werden, und geeignete mathematische Verfahren zur Ortsbestimmung ausgeführt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur laufzeitbasierten Ortung mit Hilfe eines getriggerten oder selbstauslösenden Referenzsignals
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Eine große Zahl von Ortungsverfahren und -Systemen verwendet das so genannte TDOA-Prinzip, wobei TDOA „Time-Difference-of- Arrival", das heißt „Zeitdifferenz des Eintreffens" bedeutet. Auf diese Weise wird eine Ortung von Objekten, insbesondere von Endgeräten, ermöglicht. Dazu sendet ein zu ortendes Objekt ein Signal aus, das von mehreren ortsfesten Stationen empfangen wird. Die Zeitdifferenz zwischen den EintreffZeitpunkten an den einzelnen ortsfesten Stationen ermöglicht mit Hilfe von Triangulationsberechnungen eine Positionsbestimmung des zu ortenden Objekts.
Eine wichtige Voraussetzung für eine Positionsbestimmung ist, dass die ortsfesten Stationen die Zeitpunkte des Eintreffens in derselben Zeitachse feststellen. Ein Uhrenversatz führt zu falschen Positionsbestimmungen.
Figur 1 zeigt die Situation gemäß dem nächstliegenden Stand der Technik. Ein zu ortendes Objekt X sendet ein Signal aus, das nach den Laufzeiten Δti, Δt2 und Δt3 die ortsfesten Stationen Bl, B2 und B3 erreicht. Messen alle Stationen entlang derselben Zeitachse, haben also denselben anfänglichen Zeitversatz To, so werden korrekte Zeitdifferenzen ermittelt, die mit Hilfe einer Triangulation zur Ortsbestimmung von Objekt X verwendet werden können (Formel 1) :
Δti2= ( T 0+Δt2 ) - ( T o+Δti ) =Δt2 -Δti Δt23= ( T 0+Δt3 ) - ( T 0+Δt2 ) =Δt3 -Δt2 Δt3i= ( T o+Δti ) - ( T 0+Δt3 ) =Δti -Δt3 Gemäß Formel 1 kann der Zeitversatz To mittels der Zeitdifferenzen herausgerechnet werden. Haben allerdings die Stationen unterschiedliche Zeitversätze Ti, T2 und T3, so ergeben sich die Zeitdifferenzen gemäß Formel 2 zu:
AtI2=(T2 +Δt2)- (Ti +Δti) At23=(T3 +Δt3)- (T2 +Δt2) Δt3i=(Ti +Δti)-(T3 +Δt3)
Gemäß Formel 2 ist ersichtlich, dass die unbekannten Zeitversätze nicht mehr mittels der Zeitdifferenzen herausgerechnet werden können und eine Positionsbestimmung nur noch mit Unge- nauigkeiten durchgeführt werden kann. Dies ist gemäß Figur 2 ersichtlich. Die gemessene Position X' unterscheidet sich von der tatsächlichen Position X.
Derartige Ungenauigkeiten ergeben sich bei allen verwendbaren Signalen, wie beispielsweise optischen, akustischen oder elektromagnetischen Signalen.
Eine zeitliche Synchronisation zwischen den einzelnen ortsfesten Stationen ist aufgrund der möglichen Ungenauigkeiten von großer Wichtigkeit für den Einsatz eines Ortungssystems. Zur Einhaltung einer hohen Genauigkeit in Meter- oder Subme- terbereich darf ein Uhrenversatz bei einer Verwendung von elektromagnetischen oder optischen Signalen nicht größer als wenige Piko-Sekunden sein.
Gemäß dem Stand der Technik liegen mehrere Verfahren zur Synchronisation vor, die jedoch alle mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden sind.
Gemäß dem Stand der Technik wird bei den verwendeten Systemen eine zeitlich hoch genaue Synchronisation zwischen allen ortsfesten bzw. örtlich festgelegten Stationen notwendig, um Messungenauigkeiten in notwendigem Umfang zu reduzieren. Allgemein bekannt ist das herkömmliche Global Positioning System (GPS) , dessen Satelliten Atomuhren an Bord haben, um die Nutzung derselben Zeitachse zu gewährleisten. Zusätzlich sind die Satelliten in der Lage untereinander Synchronisati- onsdaten mit Hilfe einer direkten Sichtverbindung mittels Laserstrahl zu übermitteln. Nachteiligerweise sind die Kosten und der Aufwand dieser Synchronisation hoch.
Herkömmliche Ortungssysteme, die beispielsweise in Fabrikhal- len oder auf Parkplätzen eingesetzt werden, synchronisieren die ortsfesten Stationen laufend mit Hilfe von speziellen Synchronisationsalgorithmen mittels elektrischer Leiter oder mittels Funkverbindungen. Ebenso sind optische Verbindungen möglich. Auf diese Weise werden die internen Uhren regelmäßig angeglichen. Eine regelmäßige Synchronisation ist notwendig, da die Uhren, die insbesondere Quarze verwenden, sowohl einen Zeitversatz, als auch leicht verschiedene Frequenzen aufweisen. Die Positionen der ortsfesten Stationen und die Leitungslängen zur Synchronisation müssen exakt bekannt sein, um Messfehler gering zu halten.
Weitere herkömmliche Systeme verwenden Referenzzeitgeber, die regelmäßig ein Synchronisationssignal aussenden. Dazu müssen die Abstände zwischen den einzelnen ortsfesten Stationen und dem ortsfesten Referenzzeitgeber genau bekannt sein, um die Laufzeit der Referenzzeitsignale bei der Synchronisation zu berücksichtigen .
Auf herkömmliche Weise werden Synchronisationsalgorithmen bzw. Referenzzeitgeber verwendet, obwohl der Aufwand groß ist .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Objekt X mit ausreichend hoher Genauigkeit bei niedrigen Kosten derart mit dem TDOA- (Time-Difference-of-Arrival) Prinzip zu orten, dass das zu ortende Objekt X ein Signal aussendet, das von mehreren ortsfesten Stationen empfangen wird, deren Uhren verschiedene unbekannte anfängliche Zeitversätze aufweisen kön- nen, jedoch keine zeitliche Synchronisation zwischen den einzelnen ortsfesten Stationen notwendig ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Die Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Ein zu ortendes Objekt X sendet ein Signal aus, das von meh- reren ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Stationen B1 empfangen wird. Die Laufzeiten der Signale von der zu ortenden Station X zu den ortsfesten Stationen B1 werden mit ΔtXl bezeichnet. Die Uhren in den ortsfesten Stationen B1 können nun beliebige Zeitversätze T1 aufweisen. Es sollte jedoch in etwa dieselbe Frequenz gegeben sein. Abweichungen weniger parts-per-million (ppm) , wie dies bei hochwertigen Quarzen üblich ist, sind vertretbar, da diese zu einem kleinen Fehler führen, der akzeptabel ist.
Im Unterschied zum Stand der Technik wird zusätzlich eine Referenzstation R einer herkömmlichen Anordnung hinzugefügt. Die Position der Relativstation R relativ zu den ortsfesten Stationen B1 muss bekannt sein.
Die Laufzeiten der Signale der ortsfesten Referenzstation R zu den ortsfesten Stationen B1 werden mit ΔtRl bezeichnet. Jede ortsfeste Station B1 (i Element aus N) bestimmt nun nicht den absoluten Zeitpunkt der Signalankünfte, sondern lediglich die Laufzeitdifferenz At1 zwischen dem Eintreffen der Signale von dem Objekt X und der Referenzstation R. Dabei ist ein
Fehler aufgrund leicht unterschiedlicher Uhrenfrequenzen umso geringer, je zeitnaher Objekt X und Referenzstation R ihre Signale ausgesendet haben. Auf diese Weise ist die Kenntnis der Uhrenzeitversätze T1 nicht notwendig.
Es kann ein Zeitversatz ΔtXR zwischen dem Aussenden des Signals von Objekt X und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation R vorhanden sein. Dieser unbekannte Zeitversatz beziehungsweise Sendeversatz ΔtXR kann durch Differenzbildung der Laufzeitdifferenzen At1 zwischen den ortsfesten Stationen herausgerechnet werden.
Zur Positionsbestimmung des Objekts X sind folgende Größen ausreichend:
Die Positionen der Stationen B1 und der Referenzstation R; - Die gemessenen, bzw. errechneten Größen der Differenzen der Laufzeitdifferenzen At1 zwischen den Stationen B1.
Es müssen abschließend beispielsweise lediglich Triangulationsberechnungen oder allgemein bekannte mathematische Bere- chungen zur Ortsbestimmung ausgeführt werden. Triangulation ist in der Trigonometrie und elementaren Geometrie eine Methode, den Abstand zu einem Punkt zu finden.
Auf diese Weise ist eine Synchronisation nicht mehr notwen- dig. Es kann ein kostengünstiges und flexibles Ortungssystem geschaffen werden. Der Kostenaspekt ist häufig von großer Wichtigkeit. Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass angesprochene, hochgenaue Zeitsynchronisationen zwischen den ortsfesten Stationen B1 nicht mehr stattfinden müssen. Es wird eine weitere ortsfeste Station R verwendet, die im selben Kanal wie X oder in einem anderen Kanal, zeitsynchron oder zeitversetzt, sendet. Gemäß dem Verfahren des Hauptanspruchs ist eine Bestimmung der unbekannten Uhrenversätze T1, noch die des unbekannten Sende- versatzes ΔtXR erforderlich, da diese mittels verwendeter mathematischer Formeln herausgerechnet werden können. Senden Objekt X und Referenzstation R in lediglich einem Kanal, so ist ein Sendeversatz ΔtXR mindestens so groß wie die Länge des Signals von Objekt X.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen . Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgen das Aussenden des Signals vom Objekt X und das Aussenden des Signals von der Referenzstation R gleichzeitig in zwei verschiedenen Kanälen. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Kanäle für Objekt X und Referenzstation R ermöglicht das vollsynchrone Aussenden von Signalen beider Stationen. Auf diese Weise kann die Messrate, d. h. die Anzahl der Messungen pro Sekunde, und eine erzielbare Genauigkeit vorteilhaft verbessert werden. Der Sendeversatz ΔtXR zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt X und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation R ist null und muss damit nicht weiter berücksichtigt werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden das Objekt X und die Referenzstation R mittels einer gemeinsamen Triggerleitung von einer Station B1 zur gleichzeitigen Aussendung ihrer Signale angeregt. Es werden sowohl Referenzstation R als auch das Objekt X über eine gemeinsame Triggerleitung, die kabelgebunden oder kabellos sein kann, zur gleich- zeitigen Aussendung ihrer Signale angeregt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sendet die Referenzstation R in einem ersten Kanal oder in einem zweiten Kanal, wenn die Referenzstation R festgestellt hat, dass das Objekt X in einem ersten Kanal sendet, wobei ein Zeitversatz ΔtXR zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt X und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation R gegeben ist. R sendet erst nachdem X gesendet hat. Es muss besonders vorteilhaft keine Synchronisation zwischen beiden Signalen er- zeugt sein. Es ist die Verwendung eines gemeinsamen Kanals oder zweier verschiedener Kanäle möglich. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Referenzstation R passiv, bis es ein Signal von Objekt X erfasst hat. Danach kann das Aussenden des Signals der Referenzstation R entweder mit dem Signal von Ob- jekt X im selben oder einem anderen Kanal erfolgen, oder fast gleichzeitig mit dem Objekt X in einem anderen Kanal. Gemäß dieser Ausgestaltung sendet R lediglich, wenn R festgestellt hat, dass X sendet. Diese Ausführungsform ist besonders vor- teilhaft, da auf diese Weise eine Kommunikation der Basisstationen Bi mit der Referenzstation R unnötig ist. Gemäß dieser Ausgestaltung muss eine Kommunikation mit X nicht stattfinden, da das Objekt X beispielsweise mit einem fest einge- stellten Zeitintervall oder bei Feststellung eines Ereignisses ein Signal aussendet. Diese Ausgestaltung kann besonders vorteilhaft durch eine Verwendung von zwei Kanälen verbessert werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgen das Aussenden des Signals vom Objekt X und das Aussenden des Signals von der Referenzstation R beliebig zeitversetzt in zwei verschiedenen Kanälen. Es wird ein beliebiger Zeitversatz ΔtXR zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt X und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation R erzeugt. Es muss besonders vorteilhaft keine Synchronisation zwischen beiden Signalen erzeugt sein. Je kleiner der Sendeversatz ΔtXR beziehungsweise der Zeitversatz ΔtXR ist, desto kleiner ist der Fehler aufgrund leicht unterschiedlicher Uhrenfre- quenzen der Stationen B1, die in etwa dieselbe Frequenz aufweisen sollten. Das Aussenden des Signals vom Objekt X und das Aussenden des Signals von der Referenzstation R können ebenso zeitversetzt in einem Kanal erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt eine Kommunikation zwischen den ortsfesten Stationen B1, damit die Differenzen der Laufzeitdifferenzen At1 bestimmt werden können. Eine derartige Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos erzeugt sein und stellt keine besonderen Anforderun- gen an die Laufzeit der Kommunikationssignale.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Uhrenfrequenz der Referenzstation R mittels des von der Referenzstation R gesendeten Signals bestimmt und Abweichungen der Uhrenfrequenzen der Stationen B1 herausgerechnet. Auf diese Weise besteht eine Möglichkeit zur Kompensation einer Differenz der Uhrenfrequenzen in den einzelnen ortsfesten Stationen B1, welche ein Grund für Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung von Objekt X sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind Objekte X Endgeräte nach dem Standard IEEE 802.15.4.
Gemäß den Vorrichtungsansprüchen werden Vorrichtungen beansprucht, mittels denen Verfahren gemäß den Verfahrensansprüchen ausgeführt werden können.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messverfahrens gemäß dem Stand der Technik; Figur 2 ein Ausführungsbeispiel mit den Fehlern gemäß dem
Verfahren nach dem Stand der Technik;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Figur 4 zeigt Ausführungsbeispiele der Übertragungen von Signalen .
Figur 1 zeigt ein Objekt X und drei ortsfeste Stationen Bl, B2 und B3. Das Objekt X sendet ein Signal aus, das nach den Laufzeiten Δti, Δt2 und Δt3 die ortsfesten Stationen Bl, B2 und B3 erreicht. Befinden sich alle Stationen in derselben Zeitachse, d. h. alle Stationen weisen denselben anfänglichen Zeitversatz T0 auf, so werden korrekte Zeitdifferenzen ermit- telt, die mit Hilfe einer Triangulation zur Ortsbestimmung von X führen können (Formel 1) :
Δti2= (T0+Δt2) - (To+Δti) =Δt2-Δti At23= (T0+Δt3) - (T0+Δt2) =Δt3-Δt2 Δt3i= (To+Δti) - (T0+Δt3) =Δti-Δt3.. Figur 2 zeigt dass bei unbekannten unterschiedlichen Zeitversätzen Ti, T2 und T3 nicht mehr aus den Zeitdifferenzen herausfallen (Formel 2):
AtI2=(T2 +Δt2)- (Ti +Δti) At23=(T3 +Δt3)- (T2 +Δt2) Δt3i=(Ti +Δti)-(T3 +Δt3)
Eine Positionsbestimmung kann lediglich mit Ungenauigkeiten ausgeführt werden. Eine gemessene Position X' unterscheidet sich von der tatsächlichen Position X:
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Diese Anordnung entspricht der in Figur 2 be- schriebenen, es wird jedoch zusätzlich eine Referenzstation R eingefügt, deren Position relativ zu den ortsfesten Stationen Bi, B2 und B3 bekannt ist. Die Laufzeiten der Signale von der zu ortenden Station X zu den ortsfesten Stationen Bl, B2 und B3 werden mit Δtχi, Δtx2 und Δtx3 bezeichnet. Die Laufzeiten der Signale der ortsfesten Referenzstation R zu den ortsfesten Stationen Bi, B2 und B3 werden mit ΔtRi, ΔtR2 und ΔtR3 bezeichnet. Bevorzugt ist die Verwendung von drei Stationen zur Bestimmung von zwei Raumkoordinaten. Es können allerdings e- benso mehr oder weniger Stationen verwendet werden. Ein ma- thematisches Verfahren zur Ortsbestimmung kann beispielsweise ein Hyperbelschnittverfahren sein.
Die Uhren bzw. Zeiterfassungseinrichtungen in den ortsfesten Stationen Bi, B2 und B3 dürfen nun die unbekannten und belie- bigen Zeitversätze Ti, T2 und T3 haben, diese sollten jedoch in etwa dieselbe Frequenz aufweisen. Eine Abweichung weniger parts-per-million (ppm) , wie bei hochwertigen Quartzen üblich, sind vertretbar. Sie führen lediglich zu einem kleinen tolerierbaren Fehler.
Die wesentlich größere Fehlerquelle aufgrund des Zeitversatzes ΔtXR wird folgendermaßen beseitigt: Es senden sowohl X, als auch R ein Signal aus. Es sind folgende Kombinationen des Sendens beider Signale möglich. Diese sind gemäß Figur 4 dargstellt:
- R und X senden zeitgleich in zwei unterschiedlichen Kanälen, beispielsweise durch gemeinsames Antriggern von einer ortsfesten Station B1 über eine Triggerleitung (Fall Fig. 4a) ;
- R und X senden zeitversetzt in zwei unterschiedlichen Kanälen (Fälle Fig.4: b und c) ;
- R und X senden zeitversetzt in dem selben Kanal (Fall Fig.4: d) ;
- R sendet, sobald R feststellt, dass X sendet. Dabei sind ebenso die beiden Varianten gegeben, nämlich ein Kanal oder zwei Kanäle (Fälle Fig.4: b, c und d) .
Im ersten Fall werden sowohl R als auch X über eine gemeinsame Triggerleitung (kabelgebunden oder kabellos) zur gleichzeitigen Aussendung ihrer Signale angeregt. Im letzten Fall ist R passiv, bis es ein Signal von X detektiert. Dann kann das Aussenden des Signals von R entweder nach dem Signal von X im selben oder einem anderen Kanal erfolgen (Fälle c und d) , oder fast gleichzeitig mit X in einem anderen Kanal (b) .
Bis auf den Fall (a) ergibt sich ein unbekannter Zeitversatz zwischen dem Aussenden der Signale von X und R, der mit ΔtXR bezeichnet wird.
Jede ortsfeste Station Bi, B2 und B3 bestimmt nun nicht den absoluten Zeitpunkt der Signalankünfte, sondern lediglich die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der Signale von X und R. Dabei ist der Fehler aufgrund leicht unterschiedlicher Uhrenfrequenzen der Uhren in den ortsfesten Stationen Bi, B2 und B3 umso geringer, je zeitnaher X und R ihre Signale aus- gesendet haben. Besonders vorteilhaft ist, wenn beispielsweise der Zeitversatz ΔtXR kleiner als 10% der Dauer des Signals vom Objekt X ist. Die Kenntnis der Uhrenversätze Ti, T2 und T3 ist nicht nötig. Es ergibt sich für die Laufzeitdifferenz der Signale von X und R an den drei ortsfesten Stationen Bl, B2 und B3 (Formel 3) :
Δti= (Ti+ΔtRi+ΔtxR) - (Ti+Δtχi) =ΔtRi-Δtχi+ΔtχR Δt2= (T2+ΔtR2+ΔtχR) - (T2+Δtx2) =ΔtR2-Δtχ2+ΔtχR
Δt3= (T3+ΔtR3+ΔtXR) - (T3+Δtx3) =ΔtR3-Δtχ3+ΔtχR.
Der unbekannte Sendeversatz ΔtXR wird nachfolgend durch Dif¬ ferenzbildung der Laufzeitdifferenzen Δtx zwischen den orts- festen Stationen herausgerechnet (Formel 4) :
Δti2=Δt2-Δti = (ΔtR2-Δtx2+ΔtXR) - (ΔtRi-Δtχi+ΔtXR) =ΔtR2-Δtx2-ΔtRi+Δtχi Δt23=Δt3-Δt2= (ΔtR3-Δtx3+ΔtXR) - (ΔtR2-Δtx2+ΔtXR) =ΔtR3-Δtx3-ΔtR2+Δtx2 Δt3i=Δti-Δt3= (ΔtRi-Δtχi+ΔtXR) - (ΔtR3-Δtx3+ΔtXR) =ΔtRi-Δtχi-ΔtR3+Δtx3.
ΔtXR muss nicht bekannt sein. Die mittels der Formel 4 bestimmten drei Größen lassen sich folglich durch Messen der Laufzeitdifferenzen Δti, Δt2 und Δt3 bestimmen, was durch herkömmliche Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung aus- führbar ist. Zur Positionsbestimmung bzw. Ortung des Objektes X nach dem hier beschriebenen abgewandelten TDOA-Prinzip reichen folgende Größen aus:
Die Positionen von Bi, B2, B3 und R; - Die gemessenen bzw. errechneten Größen der Differenzen Δti2, Δt23 und Δt3i der Laufzeitdifferenzen Δtx.
Es ist offensichtlich, dass die Berechnung von Δti2, Δt23 und Δt3i eine Kommunikation zwischen den ortsfesten Stationen Bi, B2 und B3 erfordert. Die Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen und stellt keine besonderen Anforderungen an die Laufzeiten der Kommunikationssignale. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich wesentlich zu den Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Gemäß der vorliegenden Anmeldung muss keine Kommunikation mit X und R erfolgen. Der industrielle Funkstandard IEEE 802.15.4 und die darauf aufsetzenden Routing-Algorithmen der ZigBee Alliance wird heute bereits und in Zukunft verstärkt für die Gebäude- und Fertigungsautomation eingesetzt. Die Vorteile sind eine be- sonders robuste Datenübertragung durch die Verwendung niedriger Datenraten bei hohen Bandbreiten und die Möglichkeit zum Aufbau eines selbstorganisierenden Mesh-Netzwerks zur Datenübertragung über große Entfernungen. Die geringe Stromaufnahme ermöglicht kleine Endgeräte mit hoher Batterie- Lebensdauer.
Das ZigBee-Routing nach dem Standard IEEE 802.15.4 ist besonders vorteilhaft, wenn eine genaue Ortung von ZigBee-Endgerät möglich ist. Dabei kann auf die Zuweisung physikalischer Ad- ressen verzichtet werden und eine Adressierung über Positionen erfolgen. Als Beispiel sei ein Lichtschalter genannt, der nicht Lampe Nr. 547 einschalten soll, sondern die Lampe an Position (X/Y/Z) gleich (5m/7m/lm) . Dafür ist eine hohe Genauigkeit erforderlich, um die Lampe eindeutig von den be- nachbarten Lampen unterscheiden zu können. Die vorliegende
Erfindung ist insbesondere für diese Anwendung von Interesse, da ein Ortungssystem kostengünstig und flexibel aufgebaut werden kann. Der vorteilhafte Wegfall von Kommunikationsverbindungen zu den zu ortenden Stationen X kommt insbesondere ZigBee-Endgeräten zugute, die keinen Empfänger besitzen, sondern nur bei bestimmten Ereignissen (beispielsweise bei Druck eines Lichtschalters) ein Signal aussenden. Die Referenzstation R empfängt dieses Signal und sendet das benötigte Referenzsignal hinterher. ZigBee erlaubt die Verwendung mehrerer Kanäle wodurch auch diese Ausführungsformen verwendet werden können .
Auf diese Weise kann das bisher größte technologische Problem bei ZigBee, und zwar die genaue Ortung von Endgeräten mit mi- nimalem Eingriff in die bestehende Infrastruktur, gelöst werden . Es ist möglich, dass proprietäre Ortungssystem durch das in dieser Erfindung beschriebene Ortungssystem ersetzt werden. Herkömmliche Ortungssysteme arbeiten in der Mehrzahl proprietär, mit hoher Genauigkeit, bei sehr hohen Kosten. Eine Al- ternative ist, dass herkömmliche Ortungssysteme Standard- Hardware wie Wireless Local Area Networks (WLAN) verwenden, jedoch eine sehr geringe Genauigkeit der Positionsbestimmung bei geringen Kosten ermöglichen. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Po- sitionsbestimmung bzw. Ortung eines Objekts X mit ausreichend hoher Genauigkeit bei niedrigen Kosten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ortung eines Objektes (X) mittels des TDOA- (Time-Difference-of-Arrival-, Zeitdifferenz des Eintreffens) Prinzips, wobei das Objekt (X) ein Signal aussendet, das von mehreren ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Stationen (B1) empfangen wird, wobei Uhren der Stationen (B1) zueinander unterschiedliche unbekannte Zeitversätze (T1) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
- zusätzlich eine ortsfeste, eine relativ zu den Stationen (B1) bekannte Position aufweisende Referenzstation (R) ein Signal aussendet, das von den Stationen (B1) empfangen wird,
- ein unbekannter Sendeversatz (ΔtXR) zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt (X) und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation (R) erzeugt wird,
- für jede Station (B1) die Laufzeitdifferenz (At1) zwischen dem Eintreffen des Signals vom Objekt (X) und des Signals von der Referenzstation (R) bestimmt wird, - die Differenzen der Laufzeitdifferenzen (At1) zwischen den Stationen (Bi) bestimmt werden, und
- durch geeignete mathematische Verfahren daraus eine Ortsinformation ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ das Aussenden des Signals vom Objekt (X) und das Aussenden des Signals von der Referenzstation (R) gleichzeitig in zwei verschiedenen Kanälen erfolgt und der Sendever- satz (ΔtXR) gleich null und damit bekannt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (X) und die Referenzstation (R) mittels einer ge- meinsamen Triggerleitung von einer Station (B1) zur gleichzeitigen Aussendung ihrer Signale angeregt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstation (R) in einem ersten Kanal oder in einem zweiten Kanal sendet, wenn die Referenzstation (R) festge- stellt hat, dass das Objekt (X) in dem ersten Kanal sendet.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (X) dessen Signal nach einem fest eingestellten Zeitintervall aussendet.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (X) dessen Signal beim Feststellen eines Ereignisses aussendet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden des Signals vom Objekt (X) und das Aussenden des Signals von der Referenzstation (R) zeitversetzt in einem Kanal oder in zwei verschiedenen Kanälen erfolgt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Differenzen der Laufzeitdifferenzen (At1) zwischen den Stationen (B1) eine Kommunikation zwischen den Stationen (B1) erfolgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Uhrenfrequenz der Referenzstation (R) mittels des von der Referenzstation (R) gesendeten Signals bestimmt und Abweichungen der Uhrenfrequenzen der Stationen (B1) herausgerechnet werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine genaue Ortung von ZigBee-Endgeräten als Objekte (X) ausgeführt wird.
11. Vorrichtung zur Ortung eines Objektes (X) mittels des TDOA- (Time-Difference-of-Arrival-, Zeitdifferenz des Ein- treffens) Prinzips, wobei das Objekt (X) ein Signal aussendet, das von mehreren ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Stationen (B1) empfangen wird, wobei die Uhren der Stationen (B1) zueinander unterschiedliche unbekannte Zeitversätze (T1) aufweisen, gekennzeichnet durch
- eine zusätzliche ortsfeste, eine relativ zu den Stationen (B1) bekannte Position aufweisende Referenzstation (R) , die ein Signal aussendet, das von den Stationen (B1) empfangen wird, wobei ein unbekannter Sendeversatz (ΔtXR) zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt (X) und dem Aussenden des Signals von der Referenzstation (R) erzeugt wird,
- eine Einrichtung zur Bestimmung für jede Station (B1) der Laufzeitdifferenz (At1) zwischen dem Eintreffen des Signals vom Objekt (X) und des Signals von der Referenzstation (R) bestimmt wird,
- eine Einrichtung zur Bestimmung der Differenzen der Laufzeitdifferenzen (At1) zwischen den Stationen (B1) , und
- eine Einrichtung zur Ausführung von mathematischen Berechnungen zur Bestimmung der Ortsinformation.
12. Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 2 bis 10.
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