DE102006040497A1 - 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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DE102006040497A1
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Abstract

Die vorliegende 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 (Deltat<SUB>XR</SUB>) zwischen dem Aussenden des Signals vom Objekt (X) und dem Aussenden des Signals von der Referenzstatio>i</SUB>) die Laufzeitdifferenz (Deltat<SUB>i</SUB>) zwischen dem Eintreffen des Signals vom Objekt (X) und des Signals von der Referenzstation (R) bestimmt wird, die Differenzen der Laufzeitdifferenzen (Deltat<SUB>i</SUB>) zwischen den Stationen (B<SUB>i</SUB>) bestimmt werden und geeignete mathematische Verfahren zur Ortsbestimmung ausgeführt werden.

Description

  • 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.
  • 1 zeigt die Situation gemäß dem nächstliegenden Stand der Technik. Ein zu ortendes Objekt X sendet ein Signal aus, das nach den Laufzeiten Δt1 , Δt2 und Δt3 die ortsfesten Stationen B1, B2 und B3 erreicht. Messen alle Stationen entlang derselben Zeitachse, haben also denselben anfänglichen Zeitversatz T0, so werden korrekte Zeitdifferenzen ermittelt, die mit Hilfe einer Triangulation zur Ortsbestimmung von Objekt X verwendet werden können (Formel 1): Δt12 = (T0 + Δt2) – (T0 + Δt1) = Δt2 – Δt1 Δt23 = (T0 + Δt3) – (T0 + Δt2) = Δt3 – Δt2 Δt31 = (T0 + Δt1) – (T0 + Δt3) = Δt1 - Δt3
  • Gemäß Formel 1 kann der Zeitversatz T0 mittels der Zeitdifferenzen herausgerechnet werden. Haben allerdings die Stationen unterschiedliche Zeitversätze T1, T2 und T3, so ergeben sich die Zeitdifferenzen gemäß Formel 2 zu: Δt12 = (T2 +Δt2) – (T1 +Δt1) Δt23 = (T3 + Δt3) – (T2 + Δt2) Δt31 = (T1 + Δt1) – (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 Ungenauigkeiten durchgeführt werden kann. Dies ist gemäß 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 Submeterbereich 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 Synchronisationsdaten mit Hilfe einer direkten Sichtverbindung mittels Laserstrahl zu übermitteln. Nachteiligerweise sind die Kosten und der Aufwand dieser Synchronisation hoch.
  • Herkömmliche Ortungssysteme, die beispielsweise in Fabrikhallen 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 mehreren ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Stationen Bi empfangen wird. Die Laufzeiten der Signale von der zu ortenden Station X zu den ortsfesten Stationen Bi werden mit ΔtXi bezeichnet. Die Uhren in den ortsfesten Stationen Bi können nun beliebige Zeitversätze Ti 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 Bi muss bekannt sein.
  • Die Laufzeiten der Signale der ortsfesten Referenzstation R zu den ortsfesten Stationen Bi werden mit ΔtRi bezeichnet. Jede ortsfeste Station Bi (i Element aus N) bestimmt nun nicht den absoluten Zeitpunkt der Signalankünfte, sondern lediglich die Laufzeitdifferenz Δti 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 Ti 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 Δti zwischen den ortsfesten Stationen herausgerechnet werden.
  • Zur Positionsbestimmung des Objekts X sind folgende Größen ausreichend:
    • – Die Positionen der Stationen Bi und der Referenzstation R;
    • – Die gemessenen, bzw. errechneten Größen der Differenzen der Laufzeitdifferenzen Δti zwischen den Stationen Bi.
  • Es müssen abschließend beispielsweise lediglich Triangulationsberechnungen oder allgemein bekannte mathematische Berechungen 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 notwendig. 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 Bi 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 Ti, noch die des unbekannten Sendeversatzes 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 Bi 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 gleichzeitigen 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 erzeugt 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 Objekt 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 eingestellten 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 Uhrenfrequenzen der Stationen Bi, 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 Bi, damit die Differenzen der Laufzeitdifferenzen Δti bestimmt werden können. Eine derartige Kommunikation kann drahtgebunden oder drahtlos erzeugt sein und stellt keine besonderen Anforderungen 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 Bi herausgerechnet. Auf diese Weise besteht eine Möglichkeit zur Kompensation einer Differenz der Uhrenfrequenzen in den einzelnen ortsfesten Stationen Bi, 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:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messverfahrens gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Ausführungsbeispiel mit den Fehlern gemäß dem Verfahren nach dem Stand der Technik;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
  • 4 zeigt Ausführungsbeispiele der Übertragungen von Signalen.
  • 1 zeigt ein Objekt X und drei ortsfeste Stationen B1, B2 und B3. Das Objekt X sendet ein Signal aus, das nach den Laufzeiten Δt1, Δt2 und Δt3 die ortsfesten Stationen B1, 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 ermittelt, die mit Hilfe einer Triangulation zur Ortsbestimmung von X führen können (Formel 1): Δt12 = (T0 + Δt2) – (T0 + Δt1) = Δt2 – Δt1 Δt23 = (T0 + Δt3) – (T0 + Δt2) = Δt3 –Δt2 Δt31 = (T0 + Δt1) – (T0 + Δt3) = Δt1 – Δt3.
  • 2 zeigt dass bei unbekannten unterschiedlichen Zeitversätzen T1, T2 und T3 nicht mehr aus den Zeitdifferenzen herausfallen (Formel 2): Δt12 = (T2 + Δt2) – (T1 + Δt1) Δt23 = (T3 + Δt3) – (T2 + Δt2) Δt31 = (T1 + Δt1) – (T3 + Δt3)
  • Eine Positionsbestimmung kann lediglich mit Ungenauigkeiten ausgeführt werden. Eine gemessene Position X' unterscheidet sich von der tatsächlichen Position X:
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Diese Anordnung entspricht der in 2 beschriebenen, es wird jedoch zusätzlich eine Referenzstation R eingefügt, deren Position relativ zu den ortsfesten Stationen B1, B2 und B3 bekannt ist. Die Laufzeiten der Signale von der zu ortenden Station X zu den ortsfesten Stationen B1, B2 und B3 werden mit ΔtX1, ΔtX2 und ΔtX3 bezeichnet. Die Laufzeiten der Signale der ortsfesten Referenzstation R zu den ortsfesten Stationen B1, B2 und B3 werden mit ΔtR1, ΔtR2 und ΔtR3 bezeichnet. Bevorzugt ist die Verwendung von drei Stationen zur Bestimmung von zwei Raumkoordinaten. Es können allerdings ebenso mehr oder weniger Stationen verwendet werden. Ein mathematisches Verfahren zur Ortsbestimmung kann beispielsweise ein Hyperbelschnittverfahren sein.
  • Die Uhren bzw. Zeiterfassungseinrichtungen in den ortsfesten Stationen B1, B2 und B3 dürfen nun die unbekannten und beliebigen Zeitversätze T1, 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 4 dargstellt:
    • – R und X senden zeitgleich in zwei unterschiedlichen Kanälen, beispielsweise durch gemeinsames Antriggern von einer ortsfesten Station Bi über eine Triggerleitung (Fall 4a);
    • – R und X senden zeitversetzt in zwei unterschiedlichen Kanälen (Fälle 4: b und c);
    • – R und X senden zeitversetzt in dem selben Kanal (Fall 4: d);
    • – R sendet, sobald R feststellt, dass X sendet. Dabei sind ebenso die beiden Varianten gegeben, nämlich ein Kanal oder zwei Kanäle (Fälle 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 B1, 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 B1, B2 und B3 umso geringer, je zeitnaher X und R ihre Signale ausgesendet haben. Besonders vorteilhaft ist, wenn beispielsweise der Zeitversatz ΔtXR kleiner als 10% der Dauer des Signals vom Objekt X ist. Die Kenntnis der Uhrenversätze T1, T2 und T3 ist nicht nötig. Es ergibt sich für die Laufzeitdifferenz der Signale von X und R an den drei ortsfesten Stationen B1, B2 und B3 (Formel 3): Δt1 = (T1 + ΔtR1 + ΔtXR) – (T1 + ΔtX1) = ΔtR1 – ΔtX1 + ΔtXR Δt2 = (T2 + ΔtR2 + ΔtXR) – (T2 + ΔtX2) = ΔtR2 – ΔtX2 + ΔtXR Δt3 = (T3 + ΔtR3 + ΔtXR) – (T3 + ΔtX3) = ΔtR3 – ΔtX3 + ΔtXR.
  • Der unbekannte Sendeversatz ΔtXR wird nachfolgend durch Differenzbildung der Laufzeitdifferenzen Δti zwischen den ortsfesten Stationen herausgerechnet (Formel 4): Δt12 = Δt2 – Δt1 = (ΔtR2 – ΔtX2 + ΔtXR) – (ΔtR1 – ΔtX1 + ΔtXR) = ΔtR2 – ΔtX2 – ΔtR1 + ΔtX1 Δt23 = Δt3 – Δt2 = (ΔtR3 - ΔtX3 + ΔtXR) – (ΔtR2 – ΔtX2 + ΔtXR) = ΔtR3 – ΔtX3 – ΔtR2 + ΔtX2 Δt31 = Δt1 – Δt3 = (ΔtR1 – ΔtX1 + ΔtXR) – (ΔtR3 – ΔtX3 + ΔtXR) = ΔtR1 – ΔtX1 - ΔtR3 + ΔtX3.
  • ΔtXR muss nicht bekannt sein. Die mittels der Formel 4 bestimmten drei Größen lassen sich folglich durch Messen der Laufzeitdifferenzen Δt1, Δt2 und Δt3 bestimmen, was durch herkömmliche Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung ausführbar ist. Zur Positionsbestimmung bzw. Ortung des Objektes X nach dem hier beschriebenen abgewandelten TDOA-Prinzip reichen folgende Größen aus:
    • – Die Positionen von B1, B2, B3 und R;
    • – Die gemessenen bzw. errechneten Größen der Differenzen Δt12, Δt23 und Δt31 der Laufzeitdifferenzen Δti.
  • Es ist offensichtlich, dass die Berechnung von Δt12, Δt23 und Δt31 eine Kommunikation zwischen den ortsfesten Stationen B1, 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 besonders 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 Adressen 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/1m). Dafür ist eine hohe Genauigkeit erforderlich, um die Lampe eindeutig von den benachbarten 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 minimalem 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 Alternative 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 Positionsbestimmung bzw. Ortung eines Objekts X mit ausreichend hoher Genauigkeit bei niedrigen Kosten.

Claims (12)

  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 (Bi) empfangen wird, wobei Uhren der Stationen (Bi) zueinander unterschiedliche unbekannte Zeitversätze (Ti) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass – zusätzlich eine ortsfeste, eine relativ zu den Stationen (Bi) bekannte Position aufweisende Referenzstation (R) ein Signal aussendet, das von den Stationen (Bi) 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 (Bi) die Laufzeitdifferenz (Δti) zwischen dem Eintreffen des Signals vom Objekt (X) und des Signals von der Referenzstation (R) bestimmt wird, – die Differenzen der Laufzeitdifferenzen (Δti) 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 Sendeversatz (ΔtXR) gleich null und damit bekannt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (X) und die Referenzstation (R) mittels einer gemeinsamen Triggerleitung von einer Station (Bi) 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) festgestellt 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 (Δti) zwischen den Stationen (Bi) eine Kommunikation zwischen den Stationen (Bi) 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 (Bi) 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 Eintreffens) Prinzips, wobei das Objekt (X) ein Signal aussendet, das von mehreren ortsfesten, bekannte Positionen aufweisenden Stationen (Bi) empfangen wird, wobei die Uhren der Stationen (Bi) zueinander unterschiedliche unbekannte Zeitversätze (Ti) aufweisen, gekennzeichnet durch – eine zusätzliche ortsfeste, eine relativ zu den Stationen (Bi) bekannte Position aufweisende Referenzstation (R), die ein Signal aussendet, das von den Stationen (Bi) 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 (Bi) der Laufzeitdifferenz (Δti) 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 (Δti) zwischen den Stationen (Bi), 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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