CN103097906A - 用于确定移动式发射器位置和方向的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种用于确定移动式发射器位置和方向的方法和装置，所述移动式发射器具有至少两个线性极化天线，并设置为相互之间具有一预定角度。位置已知的多个接收器可与移动式发射器同步，每个接收器接收通过圆极化天线发射出的具有预定载波频率的信号。根据所述方法，建立了移动式发射器和接收器之间的传输路径的理论场模型，并定义了载波相位测量值，所述理论场模型在卡尔曼滤波器中实现，并且所述接收器信号根据载波相位测量值和/或到达时间值来评估。最后，借助接收器信号生成的载波相位测量值和/或到达时间值，在卡尔曼滤波器中确定所述移动式接收器的位置和方向。

Description

用于确定移动式发射器位置和方向的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定移动式发射器位置和方向的方法和装置。

背景技术

用于连续实时追踪至少一个移动式发射器位置的方法和装置在EP1556713B1中已知，其中一个固定接收器以及信号处理网络的多个接收器接收发射器发出的信号。通过接收器信号确定在发射器和各接收器之间的行进时间或被称为TOA(到达时间)值，其中，通过参考其中一个接收器，各发射器的各个位置利用双曲三角测量算出，形成例如12个固定接收器的12个TOA值，11个时间差值，或被称为TDOA(到达时间差)值，在卡尔曼滤波器中实现。该方法和装置被用于例如对运动场上的，例如足球场上的运动员和/或球进行实时追踪。

在这样一种已知的***中，旋转移动式发射器，例如可以设置在球中，产生失真的载波相位测量值，接下来又使发射器的位置结果失真。这种干扰在球转动越快时变得越大。该效果可归结于所使用天线的选取。发射器发射出线性极化波，同样，例如通过线性偶极子。圆形极化天线用于接收器侧，其中极化面也随着球或发射器的转动而转动，这会使接收器感知到载波频率的平移。由载波频率得到载波相位的测量值由于该干扰效果而失真，并且不再是其距离和变化的可靠测定量。如果位置计算中考虑测得的载波相位值，这会或多或少导致位置误差。为了解决这个问题，有可能省掉载波相位的测量或位置计算中的载波相位测量值，然而由于仅仅使用信号的行进时间的相对不准确的码相位测量，会很大程度地影响位置结果。

结合引用的现有技术产生的该物理效应，也会出现在其他的***中，例如在GPS***中，其中，在GPS***中，由于相位差是由两个卫星的测量值形成的，因而可消除误差。这种情况的预先条件是，接收天线仅仅绕垂直轴转动，且大部分情况都是如此。根据上述引用的现有技术的定位方法中，发射器的转动是完全随机的，这就是为什么在GPS***中不必使用误差补偿。

另一现有技术中，上文提到的物理效应用于方向测量，记载于US3540045，其中建立并控制卫星通讯的极化面校准。在这种情况下，卫星信号的极化面的角度通过绕杆式天线测量，该绕杆式天线可同步接收右侧和左侧圆极化电磁场成分。US7123187被用于确定GPS接收器的校准，其中使用了“标准GPS天线配置”，也就是说右侧圆极化天线位于发射器和接收器中。在这种情况下，使用了GPS***的两种载波频率，其中可由不同相位变化确定或分开转动中两种成分，在这期间两种相位测量值都以相同的方式变化，且根据距离的变化，相位变化取决于各自的波长。

发明内容

本发明的目的是产生一种用于确定移动式发射器位置和方向的方法和装置，通过该方法和装置，可避免由移动式发射器的随机转动产生的测量误差并且因此改善发射器位置的确定。

该目的根据本发明的方法独立权利要求和装置独立权利要求的特征实现。

从属权利要求公开的措施有可能实现有利的发展和改进。

由于，对于包括具有至少两个线性极化发射天线和各自具有圆极化天线的多个接收器的***，在移动式发射器和接收器之间的传输路径上建立了理论场模型，载波相位测量值根据移动式发射器的已知位置和方向确定并且理论场模型在卡尔曼滤波器中实现，随后根据载波相位值和/或信号到达时间来确定发射器和接收器之间的距离，并且借助理论场模型和接收器信号产生的所述载波相位的测量值和/或到达时间，在卡尔曼滤波器中确定移动式发射器的位置和方向，根据本发明，有可能使用可形成定位***的装置，建立距离和方向信息，并且将所述信息片段彼此分开。因而，可克服移动式发射器旋转时的位置误差，并且可以获得方向和转速信息，例如确定带有移动式发射器的球的旋转，并且可以避免用于评估方向的附加的硬件。

由于在发射器上使用两个线性极化天线，完全的方向需要三个自由度来确定。在接收器侧仅有一个圆极化接收天线并且可以为右侧圆极化(RHCP)或左侧圆极化(LHCP)，由此可很大程度上减少接收器的硬件要求。

各个接收器的硬件的减少对于距离和方向变化的直接观测是不利的，因为对于两个未知变量只有一个测定量可用。然而，借助整个定位***的所有接收器的测定量作为卡尔曼滤波器的输入量，可以确定位置坐标和/或方向。

对于移动式发射器的每个发射天线，重复建立理论场模型，也就是说对于每个接收器，在不同发射天线相互之间进行校准。

由于使用两个优选设置成与接收器具有相同距离的发射天线，该发射器可以得到两个独立的相位测量值，所述相位测量值的区别仅仅由所述发射天线的不同的角度取向来确定。如果两个发射天线具有距离差，同样，影响到相位测量值的距离差通过移动式发射器的转动来观测。当然，这会在计算中被考虑到。

根据本发明，所述理论场模型通过确定发射天线产生的电磁场而建立，其中该发射天线的已知位置和方向是预定的，更进一步，发射天线产生的场强建立在已知位置的接收器上，并且接收器的圆天线中感应的复杂电流以向量场表达被确定，借助场强成分，其中圆天线通过两个线性偶极子建模，并且载波相位角最终由接收天线的电流或者从作为载波相位测量值的整个理论场模型中导出。以上描述适用相对于一个接收器的发射器，同时相应地，适用相对于同一接收器的第二发射天线，对于所有接收器都进行重复计算。

当利用两个线性偶极子产生的圆天线的模型来确定感应电流或全部感应电流时，考虑90度移相使模型完整。

通过赫兹偶极子场方程或通过发射天线的场强球状分布上的真实测量值确定由已知位置和方向的发射天线产生的电磁场，并记录在表中。

根据本发明，将发射器坐标***转换至参考坐标***，使用位置向量和以余弦矩阵或四元数形式的旋转矩阵来确定方向，其中所述旋转矩阵可有利的用于卡尔曼滤波器中，由于只有很少的状态需要被估测，这样可以节省计算时间。

对于必要的发射器和接收器之间的同步，可使用另一个已知位置的接收器，也就是说，与接收器同步的同步接收器，其中接收器信号和发射器之间的到达时间差和/或载波相位差可被计算，或可通过发射器和接收器中的时钟偏差进行连续估测以实现同步。最后，还可以在发射器和接收器中使用原子钟，可以具有高同步准确性。由于***中提供了多个接收器，不再需要提供附加的同步接收器。

所述载波相位测量值和到达时间值优选通过校准值进行修改，该校准值在具有已知方向和位置的参考发射器的帮助下产生。

根据本发明，包括用于确定移动式发射器位置和方向的装置，该发射器具有至少两个设置为相互之间有一预定角度的线性极化天线，并且该装置包括多个可以与移动式发射器同步的接收器(至少三个)，所述发射器位置已知并具有圆极化天线(卡尔曼滤波器)，其中通过确定所述卡尔曼滤波器的期望的载波相位测量值，在发射器和接收器之间的传输路径中实现理论场模型，并且包括评估设备，用于根据载波相位测量值和/或相位角度差和/或到达时间值来评估接收器提供的信号，卡尔曼滤波器进一步设计成借助理论场模型以及根据接收器提供的信号来确定移动式发射器的位置和方向，每个移动式发射器具有圆极化天线，并从载波相位值和/或到达时间值来对特定单元进行评估。移动式发射器的方向和位置都可通过本发明的所述装置确定，并且没有位置误差，即使是旋转的发射器情况下，并可以相对地减少硬件的数量。

卡尔曼滤波器特别优选使用“无迹卡尔曼滤波器”，因为其可以处理非线性测量方程。也可以想到使用该已知的滤波器作为扩展的卡尔曼滤波器，即使有必要附加一些数学计算。

附图说明

下面结合附图对本发明示例性实施例进行说明，并且会在具体实施方式中详细解释。在附图中：

图1为根据本发明的带有发射器和接收器的装置的一部分的示意图；

图2为用于场模型的坐标***的示意图；

图3为根据本发明的装置作为定位***用于运动场上带有移动式发射器的球的结构图。

具体实施方式

如图1所示，定位***(图3)中使用了移动式发射器10和接收器12，用于确定移动式发射器10的位置和方向。两个线性极化天线11以已知角度，优选90度相对彼此转动地连接至发射器10，因此发射出不同方向的波前。如上文提到的，发射器10的位置可相对只有连接着一个圆极化天线13的固定接收器12改变。根据本发明，不论是右侧圆极化还是左侧圆极化，装置的结构是不重要的，但是场的旋转方向必须是已知的。在示例性实施例中，发射天线11设置成与接收器12距离相同，也就是说它们具有相同的相位中心，尽管各个发射天线具有同一个相位中心对于本发明的方法和/或装置的设置并不是必要的。

发射器10通过其天线11发射交替的或同步的发射信号，所述信号在不同偏振的线性平面具有预定的载波频率。接收到的信号应该通过多元方法，可能的话通过发射信号同步传输随后在接收器12中分离。评估设备连接至接收器12(如图3所示)并根据载波相位值和/或相位角差以及发射信号的到达时间值进行评估，这会在下文中描述。该载波相位测量值包括涉及到距离和方向的信息。更具体的是，每个相位测量值是由依赖于发射器10和接收器12之间距离的元素以及依赖于发射器和接收器之间相对方向的第二元素组成。由于有两个发射天线11，接收器12处可得到两个独立的相位测量值，所述相位测量值之间的差别仅仅是由发射天线的不同取向确定的，这是由于在本实施例中这些发射天线都设置在与接收器同样距离的位置上。两个发射天线11间的差异角可从接收器12的观察方向建立，所述角度的大小依赖于发射器10的方向，其中该差异角可通过接收器信号的两个载波相位测量值来测量。

为了给此差异角分配明确的方向，本发明的装置(如图3所示)具有评估设备4，卡尔曼滤波器，在其中实现了基于图2结构建立的理论场模型。该模型模拟了线性发射天线15和由两个绕杆式天线形成的圆极化接收天线16。该发射天线15以z-向方法，也就是被称为本体坐标系(b-坐标系)的方法举例，而接收天线的坐标***被称为r-坐标系(接收器坐标系)。这两个坐标***可相对参考***被平移和转动，被称为导航坐标系(n-坐标系)。

为了确定该模型，发射器10或发射天线11的位置预设为位置向量，并且发射器10或发射天线11相对于参考坐标***(n-坐标系)的校准或方向是以旋转矩阵或余弦矩阵或作为四元数而预设的。更进一步，作为位置向量的位置并且接收天线13或接收器12的校准是已知的，其中，在这种情况下一样的是，该位置向量和旋转矩阵或者四元数被用于参考坐标***和接收器帧的转换。接收天线16的位置最早是从发射天线15的观察方向建立的，也就是说在b-坐标系坐标中示出，其中用到了之前提到的旋转矩阵或者四元数。另外，由发射天线15或一个发射天线11产生的电磁场在球形坐标中被确定，其中可以不通过赫兹偶极子场方程得到。另一个可能是，测量真实场作为“天线方向图”并且记录在表中，其中有利的是，可以使用真实的天线特征，而真实的天线特征与理想状态描述的不同。

由发射天线辐射出的场随后在接收器位置被计算，其中之前通过发射器或发射天线的角度并使用了辐射出的电磁场的场方程来确定接收器的位置。由发射器或发射天线在接收器处产生的场强通过复值向量精确地描述，其中在坐标变换后，获得相对参考坐标***(n-坐标系)的场向量图像。随后考虑接收天线的校准，以通过两个偶极子形成圆极化天线，参照图2，提供了具有90度移相的移相器，接下来同样通过参考坐标***的坐标，在旋转矩阵的帮助下实现校准。接收天线每个偶极子感应的电流可在校准后的接收天线场强下产生并可适当的与移相器结合以形成圆形接收天线13的感应电流。相位角最后从复杂表达式(complex illustration)中被提取出，随后通过圆形接收天线13的电流提供，所述电流由线性发射天线产生，所述相位角对应于载波相位的测量值。整个的测量方程因而用于根据发射天线的位置和方向的相位测量值。对相对于图2中接收器12的第二发射天线重复上述测定。由于本发明的装置中提供了多个接收器(如图3所示)，测定过程对于每个接收器都是一样的。

接下来对于该场模型的描述是，其随后作为测量模型在卡尔曼滤波器中实现，卡尔曼滤波器由评估装置4提供，并被设计为无迹卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器是状态滤波器，也就是说如果***可以识别状态，并且具体如何通过状态(场模型)计算这些测量值是被预定的，那么卡尔曼滤波器可以通过测量值反算出它的状态。根据图1的***，评估设备4中实现了场模型，也就是说在卡尔曼滤波器中，发射器10的至少三个位置坐标和四元数的四个状态，在方向已给定的情况下被作为状态使用。如果由发射器10初始化的接收器信号，至少三个接收器12在评估设备4中进行评估，以载波相位测量值和可能的到达时间值的形式，并且随后作为卡尔曼滤波器的测定量，这样就可以用于反算发射器的位置和方向，由于从开始位置起，卡尔曼滤波器试图通过测量值与预定期望的差值在作为测量模型的场模型是最小的情况下适应状态向量，因此该过程会反复进行下去。

假设上述实施例中发射器10和接收器12相互同步。然而，一般情况下，发射器和接收器的时钟不是相互连接的，因此也不会同步运行。这导致发射器和接收器之间的频率偏置，因此相位测量值失真。为了避免这个问题，可提供图1示出的布置之外的另一个已知位置的接收器。当然，该接收器必须与其他接收器同步。该第二接收器同样可接收发射信号，并且借助TDOA方法，未知的发射时间可由两个测量值相减而被消除。发射器与接收器时钟的偏差也可被连续的消除，其中这也在用于确定位置和方向的卡尔曼滤波器中集成和建模。

最后，校准也是必要的，它可以修正绝对值失真的相位测量值。为了这个目的，可提供已知位置和方向的参考发射器，由接收器信号得到的测量值与各自期望值比较。测量和期望之间的差值就是校准值，该校准值在其他所有测量中都要被算入。

在图3中，本发明的装置被提供作为定位***，用于连续追踪带有发射器10的球2，该球在运动场上移动。在示例性实施例中，四个接收器3以固定的方式被置于运动场周围，对应于接收器12并且相互同步排序，在该示例性实施例中，它们通过固定的线被连在一起成为通用时钟脉冲源，用无线电或其他传输手段传输至具有一个或多个处理器的评估设备4。当然，可提供更多接收器以更精确的方式追踪物体2的位置。该处理器或评估设备4包含上文提到的卡尔曼滤波器，接收器3具有圆极化天线，然而球2中提供的发射器10具有两个旋转呈90度的极化天线11。在这种情况下，具有固定位置和方向的参考发射器5可作校准用。在图3中示出的装置中，所有接收器3连接至通用时钟并且因而同步运行。位于球2中的发射器10不可进入该时钟，因而测量误差可被修正。这可以通过两个接收器3的测量值相减得到，由于他们都具有相同的频移。

通过TDMA方法，发射器10由两个发射天线11交替地发射。然而，也可以想到其他多元方法，例如CDMA，FDMA或类似方法。

如上文提到的，所有接收器3接收发射信号，评估设备从三个接收器的接收器信号产生出各自的载波相位测量值和到达时间值，并作为输入量供给卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器输出三个位置坐标和四元数的四个状态或方向。

其他的参数，例如速度、加速度、转速、频移和其他测量误差，也可以在卡尔曼滤波器中模拟。

Claims (12)

1.一种用于确定移动式发射器位置和方向的方法，所述移动式发射器具有至少两个线性极化天线，并设置为相互之间具有一预定角度，其中，位置已知的多个接收器可与所述移动式发射器同步，每个接收器接收通过圆极化天线发射出的具有预定载波频率的信号，所述方法包括以下步骤：

建立所述移动式发射器与接收器之间传输路径的理论场模型，所述理论场模型限定了载波相位测量值，

在卡尔曼滤波器中实现所述理论场模型，

根据所述载波相位测量值和/或到达时间值的测量值评估接收器信号，

在卡尔曼滤波器中，借助所述理论场模型和从所述接收器信号中确定的所述载波相位测量值和/或到达时间值的测量值确定所述移动式发射器的位置和方向。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述理论场模型如此建立：

确定由发射天线产生的电磁场，其中所述发射天线的已知位置和方向是预定的，

在位置已知的各个接收器上建立由所述发射天线产生的场强，以电磁场的向量场表示，

借助向量场表示的场强的成分，确定由各个接收器的圆天线感应产生的复杂电流，其中所述圆天线由两个线性偶极子模拟，

建立由电流产生的相位角，作为载波相位测量值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当确定由所述圆天线的两个线性偶极子模拟的方式感应的电流时，考虑90度的移相。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，通过赫兹偶极子场方程或在所述发射天线的场强球体分布上的真实测量值确定由发射天线产生的电磁场，并记录在表中。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，使用以余弦矩阵或四元数形式的旋转矩阵转换发射坐标***和接收坐标***至参考坐标***。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，各发射天线的所述理论场模型相对于各接收器建立。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述发射器和所述接收器借助TDOA方法并利用位置已知的附加的同步接收器和/或通过设置在所述发射器和接收器中的时钟的连续误差评估进行同步。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述相位测量值和/或到达时间值利用校准值修正，所述校准值借助已知位置和方向的参考发射器产生。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器通过所有接收器得到的载波相位测量值和到达时间值确定位置坐标和方向。

10.一种用于确定移动式发射器位置和方向的装置，所述移动式发射器具有至少两个线性极化天线，并设置为相互之间具有一预定角度，包括位置已知的多个接收器可与所述移动式发射器同步，每个接收器接收通过圆极化天线发射出的具有预定载波频率的信号，

包括卡尔曼滤波器，其中通过确定所述卡尔曼滤波器的相位测量值，实现了移动式发射器与接收器之间传输路径的理论场模型，

并且包括评估设备，用于根据载波相位测量值和/或到达时间值来评估接收器提供的接收器信号，

其中，所述卡尔曼滤波器被设计成借助所述传输路径的理论场模型以及由所述评估设备提供的载波相位测量值和/或到达时间值来确定所述移动式发射器位置和方向。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述卡尔曼滤波器为无迹卡尔曼滤波器。

12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，提供优选以锁相方式连接的至少三个接收器，用于形成移动式发射器的定位***。

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