DE102006038856A1 - Device and method for position and / or velocity determination, in particular using absolute running times and transit time differences of signals - Google Patents
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- G01S19/46—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being of a radio-wave signal type
Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung (BS) und ein Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung unter Ausnutzung von Signalen, welche einerseits von zumindest einer Empfangs- und Sendeeinrichtung (T) eines Rundlaufzeitsystems (RTOF) und andererseits von zumindest einer Sendeeinrichtung (SA) eines Absolutankunftszeitsystems (ATOA) empfangen werden. Die Verarbeitung der empfangenen Signale erfolgt dabei nicht getrennt voneinander, sondern gemeinsam. Dazu wird bekannten räumlichen Positionskoordinaten (x<SUB>i</SUB>, y<SUB>i</SUB>, z<SUB>i</SUB>, i = N + 1, N + 2, ..., M) der empfangenen Signale von Empfangs- und Sendeeinrichtungen des Rundlaufzeitsystems (RTOF) zusätzlich eine zeitabhängige Größe (o*<SUB>i</SUB>) zugeordnet, welche von der Rundlaufzeit unabhängig ist.The invention relates to a measuring device (BS) and a method for determining position and / or velocity by utilizing signals which are transmitted on the one hand from at least one receiving and transmitting device (T) of a round trip time system (RTOF) and on the other hand by at least one transmitting device (SA ) of an Absolute Arrival Time System (ATOA). The processing of the received signals is not carried out separately, but together. For this, known spatial position coordinates (x <SUB> i </ SUB>, y <SUB> i </ SUB>, z <SUB> i </ SUB>, i = N + 1, N + 2,. M) of the received signals from receiving and transmitting devices of the round trip time system (RTOF) additionally assigned a time-dependent variable (o * <SUB> i </ SUB>), which is independent of the round trip time.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung, insbesondere unter Einsatz von Absolutlaufzeiten und Laufzeitunterschieden von Signalen gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 5.The The invention relates to an apparatus and a method for Position and / or velocity determination, in particular under Use of absolute run times and transit time differences of signals according to the above-mentioned Features of the claims 1 or 5.
Verwendet
werden dabei globale Systeme nach dem Absolutlaufzeit-Prinzip, welche üblicherweise
als ATOA-Systeme
bezeichnet werden (ATOA Absolute Time Of Arrival) und bekannt sind
z.B. unter GPS (Global Positioning System), dem System der USA,
GLONASS, dem entsprechenden russischen System, und Galileo, dem
geplanten europäischen
System. Zu den Daten dieser Systeme werden zusätzlich Daten von einem lokalen
System verwendet, wobei das lokale System auf dem Prinzip der absoluten
Entfernungsmessung beruht.
Globale Verfahren zur Positionsbestimmung erlauben eine Standortbestimmung mit einer Genauigkeit von wenigen Metern. Hierbei wird ein Signal von mehreren Satelliten ausgesendet und von einem passiven Empfängersystem empfangen. Da diese Verfahren auf Signale mit einer Trägerfrequenz im Mikrowellenbereich beruhen, ist ein Sichtkontakt des Benutzers zu mindestens vier Satelliten erforderlich. Diese Bedingung kann jedoch oft nicht eingehalten werden, wenn sich der Benutzer zum Beispiel in Gebäuden, Häuserschluchten oder in Bereichen mit dichtem Pflanzenwuchs befindet.global Positioning methods allow a location determination with an accuracy of a few meters. This will be a signal transmitted by multiple satellites and by a passive receiver system receive. Because these methods are based on signals with a carrier frequency are based in the microwave range, is a visual contact of the user to at least four satellites required. This condition can However, often are not respected when the user to Example in buildings, urban canyons or in areas of dense plant growth.
Für Empfangsdaten
eines GPS-Gerätes
bzw. daraus abgeleiteten Pseudoradien ρi von
N teilnehmenden Satelliten eines solchen Absolutankunftszeitsystems
werden jeweils 4 Unbekannte xi, yi, zi mit i = 1,
2, 3 als Positionskoordinaten und ein unbekannter individueller
Zeitwert ci erhalten. Diese entsprechen
der zu bestimmenden momentanen unbekannten räumlichen Empfängerposition
X, Y, Z einer GPS-Empfangsstation im Koordinatensystem, wobei Crr
ein gemeinsamer unbekannter Zeitoffset des lokalen Empfängers zum
gemeinsamen Zeitnormal der Satelliten ist. Gleichzeitig werden für jeden
Satelliten gemessene Pseudoradien ρi, d.h. die
um den unbekannten gemeinsamen Zeitoffset Crr verlängerten
eigentlichen Radien, bestimmt, wobei der Erdradius r als bekannt
angenommen wird. Damit lässt
sich gemäß
Für die eigentliche Berechnung wird in der Gleichung anstelle des Zeitoffsets Crr in der Praxis ein entsprechender Längenoffset verwendet. Ein solcher Längenoffset resultiert aus dem Zeitoffsets Crr durch Multiplikation des Zeitoffsets Crr mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit, insbesondere der Lichtgeschwindigkeit. Daraus lässt sich die momentane räumliche Empfängerposition X, Y, Z der GPS-Empfangsstation bestimmen.For the real one Calculation is done in the equation instead of the time offset Crr in practice a corresponding length offset used. Such a length offset results from the time offset Crr by multiplying the time offset Crr with the propagation velocity, in particular the speed of light. Leave it the current spatial receiver position Determine X, Y, Z of the GPS receiving station.
Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen, werden Korrekturdaten berechnet und dem Benutzer mitgeteilt. Hierbei kommen sowohl globale Systeme (WAAS, EGNOS), als auch lokale Systeme (z. B. DGPS) zum Einsatz. Für genaue Vermessungsaufgaben wird darüber hinaus eine „Real Time Kinematik" (RTK) verwendet. Diese besteht aus einer Messvorrichtung und einem Rover als einer mobilen Einrichtung. Die Messvorrichtung wird an einer bekannten Position in unmittelbarer Nähe postiert, während der Rover die Vermessungen durchführt. Durch Korrekturdaten, welche direkt von der Messvorrichtung an den Rover übertragen werden, ist eine genaue Positionsbestimmung möglich. Fehlender Sichtkontakt zu den Satelliten kann jedoch bei keinem der Korrekturverfahren kompensiert werden.Around to increase the accuracy of the position determination become correction data calculated and communicated to the user. Here are both global Systems (WAAS, EGNOS), as well as local systems (eg DGPS) for Commitment. For In addition, accurate surveying tasks will become a real time Kinematics "(RTK) used. This consists of a measuring device and a rover as a mobile device. The measuring device is connected to a posted position in the immediate vicinity, during the Rover performs the surveys. By correction data, which directly from the measuring device to the Rover transferred be, an accurate position determination is possible. Missing visual contact However, to any of the satellites can not at any of the correction procedures be compensated.
Muss innerhalb eines Bereiches, welcher nicht über eine Sichtverbindung zu einer ausreichenden Anzahl an Satelliten verfügt, eine gesicherte Positionsbestimmung installiert werden, so müssen die fehlenden Satelliten durch den Aufbau von Sendestationen am Boden kompensiert werden.Got to within a range which does not have a line of sight to a sufficient number of satellites, a secure position determination to be installed, so must the missing satellites by the construction of transmitting stations at Ground compensated.
Solche
Stationen sind als Pseudosatelliten identisch zu den Satelliten
und werden ortsfest angebracht. Solche Pseudosatelliten sind allgemein
bekannt aus
Andere
Ansätze
bestehen in der Einbeziehung von Systemen, welche bereits vor dem
Aufbau von GPS/GLONASS verfügbar
waren. Hier ist als Beispiel eine Kombination von globalen Verfahren
mit einem LORAN-System zu nennen. Entsprechende Verfahren werden
beispielsweise in den
Eine
weitere Ergänzungsmöglichkeit
von globalen Positionierungssystemen besteht durch den Aufbau von
so genannten „Beacons", wobei entsprechende
Systeme bekannt sind aus z.B.
Es wird direkt diskret auf diese Systeme umgeschaltet, um beispielsweise den Aufenthalt eines Benutzers innerhalb eines Raumes zu bestimmen. Nachteilig ist neben dem Umschaltvorgang die ungenau Positionsbestimmung.It is switched directly discretely to these systems, for example to determine a user's stay within a room. A disadvantage is the inaccurate position determination in addition to the switching.
Deutlich günstiger ist derzeit die Kombination von globalen Systemen mit so genannten lokalen Ultra Wide Band (UWB)-Systemen. Gerade eine gepulste Variante, welche prinzipbedingt eine technisch aufwändige Lokalisierung durch die notwendige Synchronisation der Stationen ermöglicht, stellt eine gute Ergänzung zu einem globalen System dar.Clear better is currently the combination of global systems with so-called local Ultra Wide Band (UWB) systems. Just a pulsed version, which in principle a technical complex Localization by the necessary synchronization of the stations allows is a good complement a global system.
Hybridsysteme
sind in der Lage, Daten von globalen Positionssystemen zu erfassen.
Darüber
hinaus sind sie mit einem zweiten Empfangssystem für so genannte
LD-Signale (Local Radio Determination) ausgestattet. Das zweite
Empfangssystem ermöglicht,
innerhalb von Gebäuden
zu navigieren, sofern mindestens drei LD-Signalquellen vorhanden
sind. Beispielhaft sind diesbezüglich
Systeme bekannt aus
Allgemein
bekannt sind außerdem
Systeme, welche nicht nur die Kombination von einem globalen und einem
lokalen System vorschlagen, sondern mehrere globale wie lokale Systeme
koppeln. Zusätzlich
werden hierbei unter Umständen
weitere Sensoren, wie z.B. Lasersysteme, Magnetfeldsensoren, Intertialsysteme, mechanischen
Sensoren, optische Verfahren usw. angeführt. Beispielhaft bekannt sind
solche Systeme aus
Zusammengefasst ist festzustellen, dass zwar eine Verwendung von Daten verschiedener Positionsbestimmungssysteme bekannt ist. Nachteilhaft ist bei solchen Systemen jedoch die stets eigenständige Positionsbestimmung innerhalb eines jeden der Systeme und die anschließende getrennte oder kombinierte Verwendung der zuvor voneinander getrennt bestimmten Positionsdaten der verschiedenen Systeme. Neben einem hohen Rechenaufwand bestehen weitere Nachteile insbesondere in daraus resultierenden Sprüngen der Positionsanzeige aufgrund eines harten Umschaltens zwischen den Systemen bzw. den daraus bestimmten Daten. Die Sprünge führen zu vermeintlichen Ortssprüngen von in ungünstigen Fällen einem Meter und mehr. Nachteilhaft ist zudem, dass pro System eine Sichtverbindung zu jeweils mindestens drei oder vier Satelliten oder Pseudosatelliten bestehen muss. Andernfalls ist mit dem jeweiligen System eine Positionsbestimmung überhaupt nicht möglich und damit auch eine kombinierte Verwendung ausgeschlossen.Summarized It should be noted that although a use of data from different Positioning systems is known. The disadvantage of such However, systems always independent positioning within of each of the systems and the subsequent separate or combined Use of position data previously separated from each other of different systems. In addition to a high computational effort further disadvantages, especially in resulting jumps of the position indicator due to a hard switching between the systems or the from this particular data. The jumps to lead to supposed local jumps from in unfavorable make a meter and more. Another disadvantage is that one system per Visual connection to at least three or four satellites or Pseudo-satellites must exist. Otherwise, with the respective System a position determination at all not possible and thus excluded a combined use.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung unter Einsatz von Absolutlaufzeiten und Laufzeitunterschieden von Signalen vorzuschlagen, welche eine Positionsbestimmung auch dann ermöglicht, wenn eine Sichtverbindung zu insgesamt mindestens drei oder vier Sendern solcher Signale besteht, wobei diese nur drei oder vier Signale gemischt sowohl von Systemen auf Basis von Absolutlaufzeiten als auch von Systemen auf Basis von Laufzeitunterschieden stammen. Insbesondere soll ein abrupter Positionssprung bei einem Übergang von Sendern des einen der Systeme auf Sender des anderen der Systeme vermieden werden.The The object of the invention is a device and a method for position and / or velocity determination under use of absolute running times and transit time differences of signals, which allows a position determination even if a line of sight to a total of at least three or four transmitters of such signals, these being only three or four signals mixed by both systems based on absolute run times as well as systems based on derived from maturity differences. In particular, an abrupt Position jump in a transition from transmitters of one of the systems to transmitters of the other of the systems be avoided.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung unter Einsatz von Absolutlaufzeiten und Laufzeitunterschieden von Signalen gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by a device and a method for or velocity determination using absolute run times and transit time differences of signals according to the above-mentioned features of the claims 1 or 5 solved. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.
Die Erfindung bezieht sich vom Grundgedanken her auf eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung unter Ausnutzung von Signalen, welche einerseits von zumindest einer Empfangs- und Sendeeinrichtung eines Rundlaufzeitsystems und andererseits von zumindest einer Sendeeinrichtung eines Absolutankunftszeitsystems empfangen werden. Die Verarbeitung der empfangenen Signale erfolgt dabei nicht getrennt voneinander sondern gemeinsam. Dazu wird bekannten räumlichen Positionskoordinaten der empfangenen Signale von Empfangs- und Sendeeinrichtungen des Rundlaufzeitsystems zusätzlich eine zeitabhängige Größe zugeordnet, welche von der Rundlaufzeit unabhängig ist. Eine Steuereinrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet oder steuerbar, dass sie die beiden Positionsbestimmungssysteme mit den Messeinrichtungen eines Rundlaufzeitsystems bzw. mit den Messeinrichtungen eines Absolutankunftszeitsystems sowohl synchron als auch asynchron, d.h. mit anderen Worten zusammen oder auch eigenständig ansteuern kann.The invention basically relates to a measuring device and a method for determining the position and / or speed by utilizing signals which are received on the one hand by at least one receiving and transmitting device of a round trip time system and on the other hand by at least one transmitting device of an absolute arrival time system. The processing of the received signals is not carried out separately but together. For this purpose, known spatially position coordinates of the received signals of receiving and transmitting devices of the round trip time system additionally assigned a time-dependent variable, which is independent of the round trip time. A control device is preferably configured or controllable in such a way that it communicates the two position determination systems with the measuring devices of a round trip time system or with the measuring devices of a Absolutankunftszeitystems both synchronous and asynchronous, that is, in other words together or even independently can control.
Bevorzugt wird demgemäß eine Messvorrichtung zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung mit einer ersten Schnittstelle zum Aussenden eines Signals zu zumindest einer Empfangs- und Sendeeinrichtung einer ersten Gruppe von Messeinrichtungen eines Rundlaufzeitsystems, einer Steuereinrichtung zum Bestimmen der zu bestimmenden Position der Messvorrichtung und einem Speicher mit einem ersten Speicherbereich zum Speichern erster räumlicher Positionskoordinaten und einem Positionsspeicherbereich zum Speichern von Daten der zu bestimmenden Position, wobei die zumindest eine Empfangs- und Sendeeinrichtung ausgestaltet oder gesteuert ist zum Zurücksenden eines weiteren Signals zu der Messvorrichtung nach Empfang des Signals und wobei in der Messvorrichtung zum Bestimmen der Position der Messvorrichtung räumliche Positionskoordinaten der Empfangs- und Sendeeinrichtung und eine Zeitinformation einer Rundlaufzeit bekannt sind oder bestimmbar sind und wobei die Messvorrichtung zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung eine zweite Schnittstelle zum Empfangen eines Signals mit einer Zeitinformation von zumindest einer Sendeeinrichtung einer zweiten Gruppe von Messeinrichtungen eines Absolutankunftszeitsystems zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung, einen zweiten Speicherbereich zum Speichern jeweils zweiter räumlicher Positionskoordinaten der zumindest einen zweiten Messeinrichtung und jeweils einer zeitabhängigen Größe entsprechend einem Zeitoffset der Zeitsysteme zwischen der zumindest einen zweiten Messeinrichtung und der Messvorrichtung und einen weiteren Speicherbereich zum Speichern zumindest einer zeitabhängigen weiteren Größe, welche den ersten räumlichen Positionskoordinaten zugeordnet und von der Rundlaufzeit unabhängig ist, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet oder steuerbar ist zum Bestimmen der zu bestimmenden Position mittels sowohl der ersten als auch zweiten räumlichen Positionskoordinaten unter Verwendung der zumindest einen zeitabhängigen Größe und der zumindest einen zeitabhängigen weiteren Größe. Verfahrensgemäß wird entsprechend bevorzugt ein Verfahren zur Positions- und/oder Geschwindigkeitsbestimmung, bei dem eine Messvorrichtung ein Signal zu zumindest einer Empfangs- und Sendeeinrichtung mit bekannten ersten räumlichen Positionskoordinaten einer ersten Gruppe von Messeinrichtungen eines Rundlaufzeitsystems sendet, die zumindest eine Empfangs- und Sendeeinrichtung nach Empfang des Signals ein weiteres Signal zu der Messvorrichtung zurücksendet, mittels zumindest einer Zeitinformation aus einer Rundlaufzeit vom Senden des Signals bis zum Empfangen des zurückgesendeten Signals und mittels zumindest einem Satz solcher erster räumlicher Positionskoordinaten eine zu bestimmende Position der Messvorrichtung bestimmt wird, von zumindest einer Sendeeinrichtung einer zweiten Gruppe von Messeinrichtungen eines Absolutankunftszeitsystems zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung ein weiteres Signal mit einer von einem Sendezeitpunkt der zweiten Messeinrichtung abhängigen Zeitinformation empfangen wird, wobei zusätzlich jeweils zweite räumliche Positionskoordinaten jeder solcher Sendeeinrichtung empfangen oder bestimmt werden, eine zeitabhängige Größe entsprechend einem Zeitoffset von Zeitsystemen der zumindest einen zweiten Sendeeinrichtung und der Messvorrichtung bestimmt wird, und wobei den ersten räumlichen Positionskoordinaten zumindest eine von der Rundlaufzeit unabhängige zeitabhängige weitere Größe zugeordnet wird und die zu bestimmenden Position in einem gemeinsamen Verarbeitungsablauf mittels sowohl der ersten als auch zweiten räumlichen Positionskoordinaten unter Verwendung der zumindest einen zeitabhängigen Größe und der zumindest einen zeitabhängigen weiteren Größe bestimmt wird.Prefers becomes accordingly a measuring device for position and / or Speed determination with a first interface for sending a signal to at least one receiving and transmitting device a first group of measuring devices of a runtime system, a control device for determining the position to be determined the measuring device and a memory having a first storage area for storing first spatial Position coordinates and a position memory area for storing of data of the position to be determined, wherein the at least one Receiving and transmitting device is designed or controlled for return another signal to the measuring device after receiving the signal and wherein in the measuring device for determining the position of Measuring device spatial Position coordinates of the receiving and transmitting device and time information are known or determinable, and where the Measuring device for position and / or velocity determination a second interface for receiving a signal with a Time information from at least one transmitting device of a second Group of measuring devices of an absolute arrival time system to Position or velocity determination, a second memory area for storing each second spatial Position coordinates of the at least one second measuring device and one time-dependent each Size accordingly a time offset of the time systems between the at least one second Measuring device and the measuring device and another storage area for storing at least one time-dependent further variable, which the first spatial Assigned to position coordinates and independent of the round trip time, wherein the control device is designed or controllable for Determining the position to be determined by means of both the first one as well as second spatial Position coordinates using the at least one time-dependent variable and the at least one time-dependent another size. According to the method will be accordingly preferably a method for position and / or velocity determination, in which a measuring device sends a signal to at least one reception and transmitting means having known first spatial position coordinates a first group of measuring devices of a round trip time system sends, the at least one receiving and transmitting device after receipt the signal sends back another signal to the measuring device, by means of at least one time information from a round trip period from Sending the signal until receiving the returned signal and means at least one set of such first spatial position coordinates a position to be determined of the measuring device is determined, at least one transmitting device of a second group of measuring devices Absolute arrival time system for position or velocity determination another signal with one of a transmission time of the second Dependent on measuring device Time information is received, in each case additionally second spatial Position coordinates of each such transmitting device received or determined be a time-dependent Size accordingly a time offset of time systems of the at least one second transmitting device and the measuring device is determined, and wherein the first spatial Position coordinates at least one independent of the round trip time-dependent further Size assigned and the position to be determined in a common processing sequence by means of both the first and second spatial position coordinates using the at least one time dependent quantity and the at least one time-dependent further size determined becomes.
Die Messvorrichtung und das Verfahren zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung unter Einsatz von Absolutlaufzeiten und Laufzeitunterschieden von Signalen ermöglichen eine Positionsbestimmung auch dann, wenn eine Sichtverbindung zu insgesamt mindestens drei oder vier Sendern solcher Signale besteht, wobei diese nur drei oder vier Signale gemischt sowohl von Systemen auf Basis von Absolutlaufzeiten als auch von Systemen auf Basis von Laufzeitunterschieden stammen können.The Measuring device and the method for position or velocity determination using absolute run times and runtime differences of Enable signals a position determination even if a line of sight to a total of at least three or four transmitters of such signals, these being only three or four signals mixed by both systems based on absolute run times as well as systems based on can come from runtime differences.
Vorzugsweise ist die zweite Schnittstelle als GPS-, GLONASS- oder Galileo-Schnittstelle ausgestaltet und die erste Schnittstelle zum Aussenden des Signals und zum Empfangen eines zu dem Signal quasi-phasenkohärenten Signals als Antwort auf das Signal ausgestaltet.Preferably the second interface is designed as a GPS, GLONASS or Galileo interface and the first interface for sending the signal and for receiving a signal quasi-phase coherent in response to the signal designed to the signal.
Bevorzugt wird die zumindest eine von der Rundlaufzeit unabhängige zeitabhängige weitere Größe zum Erstellen einer Matrizengleichung zugeordnet. Die Matrizengleichung wird dabei mit einer Berechnungsmatrize mit in entweder einer Zeile oder in einer Spalte insgesamt zumindest vier Werten der zeitabhängigen Größe und der von der Rundlaufzeit unabhängigen zeitabhängigen weiteren Größe erstellt. Die Matrizengleichung wird in einfachen Fällen mit einer Berechnungsmatrize mit Werten der zeitabhängigen Größe gleich dem Wert "1" und mit Werten der von der Rundlaufzeit unabhängigen zeitabhängigen weiteren Größe gleich dem Wert "0" vorbelegt.Prefers becomes the at least one independent of the round trip time-dependent further Size to create associated with a matrix equation. The matrix equation is included with a calculation matrix with in either a row or in a column a total of at least four values of the time-dependent size and the independent of the round-trip time time-dependent created another size. The matrix equation is used in simple cases with a calculation matrix with values of time-dependent Size equal the value "1" and with values of independent of the round-trip time time-dependent same size is preset to the value "0".
Ein Gleichungssystem wird entsprechend erstellt und gelöst gemäß mit R als Matrize, mit p± als gemessener oder abgeleiteter Entfernungen zwischen einerseits der Messvorrichtung und andererseits der Sendeeinrichtungen oder der Empfangs- und Sendeeinrichtungen, mit xi, yi, zi als Positionskoordinaten der einzelnen Sendeeinrichtungen oder der Empfangs- und Sendeeinrichtungen, mit M als Berechnungsmatrize und mit Up als Vektor der zu bestimmenden Position X, Y, Z, wobei ein Laufindex i für Daten der Sendeeinrichtungen gesetzt ist gleich 1, 2,..., N und der Laufindex i für Daten der Empfangs- und Sendeeinrichtungen gesetzt ist gleich N+1, N+2, M.A system of equations is created and solved accordingly with R as a template, with p ± as measured or derived distances between on the one hand the measuring device and on the other hand, the transmitting devices or the receiving and transmitting devices, with x i , y i , z i as position coordinates of the individual transmitting devices or the receiving and transmitting devices with M as a calculation matrix and U p as the vector of the position to be determined X, Y, Z, where a running index i is set for data of the transmitting devices is equal to 1, 2, ..., N and the running index i for data of the receiving and transmitting devices is set equal to N + 1, N + 2, M.
Eine Geschwindigkeitsbestimmung wird bevorzugt über eine Erfassung eines Doppler-Effekts oder eine numerische Ableitung von zumindest zwei bestimmten der zu bestimmenden Positionen durchgeführt. Zur Korrektur einer Uhrendrift zwischen den Sendeeinrichtungen und der Messvorrichtung werden bevorzugt weitere zeitabhängige Größen für Daten der Sendeeinrichtungen mit einem Wert ungleich dem Wert "0" sowie weitere von der Rundlaufzeit unabhängige zeitabhängige Größen für die Daten der Empfangs- und Sendeeinrichtungen mit einem Wert gleich "0" eingeführt und verwendet.A Velocity determination is preferred via detection of a Doppler effect or a numerical derivative of at least two particular ones to be determined positions. To correct a clock drift between the transmitting devices and the measuring device are preferred more time-dependent Sizes for data the transmitting devices with a value not equal to the value "0" and more of the round trip time independent time-dependent Sizes for the data the receiving and transmitting devices with a value equal to "0" introduced and used.
Eigenständig vorteilhaft ist auch eine Empfangs- und Sendeeinrichtung als Gegenstation für eine solche Messvorrichtung oder zum Durchführen eines solchen Verfahrens, welche einen Schwingkreis aufweist, der durch das von der Messvorrichtung empfangene Signal zu einer Schwingung angeregt wird und zumindest zeitweise phasenkohärent zum Erzeugen des zu der Messvorrichtung zurückzusendenden Signals schwingt. Vorzugsweise ist eine solche Empfangs- und Sendeeinrichtung ausgestaltet, mit dem zurückzusendenden Signal eine Identifikations-Information und/oder ihre eigenen räumlichen Positions-Koordinaten zurückzusenden.Independently advantageous is also a receiving and transmitting device as a remote station for such Measuring device or for performing Such a method, which has a resonant circuit, the excited by the signal received by the measuring device to a vibration is at least temporarily phase-coherent for generating the to the To send the measuring device back Signal vibrates. Preferably, such a receiving and transmitting device designed to be returned with the Signal an identification information and / or their own spatial To return position coordinates.
Vorteilhaft ist z.B. auch eine Messvorrichtung, bei der die erste Schnittstelle als eine Synchronisationseinheit ausgebildet ist zum Durchführen eines Verfahrens zur Kurzzeitsynchronisation von Zeit und Frequenz. Alternativ kann eine Empfangs- und Sendeeinrichtung als Gegenstation für eine solche Messvorrichtung oder zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens einen Schwingkreis aufweisen, der nach einem Empfang des Signals von der Messvorrichtung ein frequenz- und zeitkorrigiertes Signal für eine Sendung zur Messvorrichtung bereitstellt.Advantageous is e.g. also a measuring device, where the first interface is formed as a synchronization unit for performing a Method for the high-speed synchronization of time and frequency. alternative may be a receiving and transmitting device as a remote station for such Measuring device or for performing a corresponding method have a resonant circuit, the after receipt of the signal from the measuring device, a frequency and time corrected signal for provides a shipment to the measuring device.
Eine solche als Transponder ausgestaltete aktive Empfangs- und Sendeeinrichtung sendet zu der Messvorrichtung somit vorzugsweise ein quasi-phasenkohärentes Signal zurück. Mit diesem Signal werden zugleich Informationen übertragen, welche der Messvorrichtung eine Identifikation des derart empfangenen Signals und eine Zuordnung zu einem bestimmten Transponder ermöglicht. Vorteilhaft ist dabei, die Positions-Koordinaten des Transponders mitzusenden, so dass diese der Messvorrichtung unabhängig von einem bereits vorprogrammierten Einsatzort oder nach Montage eines weiteren Transponders vorliegen. Vorteilhaft ist die Übertragung der Positions-Koordinaten mittels des zurückgesendeten Signals somit insbesondere mit Blick darauf, dass die Positions-Koordinaten nicht zuvor über eine weitere Schnittstelle in der Messvorrichtung hinterlegt werden müssen.A such configured as a transponder active receiving and transmitting device thus preferably sends to the measuring device a quasi-phase coherent signal back. At the same time, this signal is used to transmit information relating to the measuring device an identification of the signal thus received and an assignment allows for a specific transponder. It is advantageous the position coordinates the transponder mitzusenden so that these of the measuring device independently from a pre-programmed location or after installation another transponder present. The transfer is advantageous the position coordinates by means of the returned signal thus especially with a view to the fact that the position coordinates are not previously about another interface can be stored in the measuring device have to.
Vorteilhaft ist eine solche Messvorrichtung oder ein solches Verfahren besonders dann, wenn zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung weniger als vier Signale von Sendeeinrichtungen eines Absolut-Ankunftszeitsystems und weniger als drei oder vier Signale einer Empfangs- und Sendeeinrichtung eines Rundlauf-Zeitsystems empfangen und verwendet werden. Eine Messvorrichtung fusioniert die empfangenen Daten in einem solchen Fall zwingend in Art eines nahtlosen Übergangs, so dass scheinbare Ortssprünge bei einem Wechsel von dem einen auf das andere System vermieden werden. Natürlich können auch mehr Signale der verschiedenen Positionsbestimmungssysteme empfangen und verwendet werden, was einen noch nahtloseren Übergang ermöglicht, wobei gegebenenfalls ein Verfahren zur Lösung überbestimmter Gleichungssysteme verwendet wird.Such a measuring device or such a method is advantageous in particular if less than four signals from transmitting devices of an absolute arrival time system and less than three or four signals of a receiving and transmitting device of a concentricity time system are received and used for position or velocity determination. In such a case, a measuring device necessarily fuses the received data in the manner of a seamless transition, so that apparent local jumps in the case of a change from one system to the other are avoided. Of course, more signals from the various positioning systems can be received and used, which is still allows for a more seamless transition, optionally using a method of solving overdetermined systems of equations.
Die Steuereinrichtung einer solchen Messvorrichtung ist bevorzugt zum Durchführen eines derart beschriebenen Verfahrens ausgestaltet oder programmiert.The Control device of such a measuring device is preferred for Carry out designed or programmed such a method described.
Eigenständig vorteilhaft ist außerdem ein Computerprogramm in einer solchen Messvorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens. Ein solches Computerprogramm ermöglicht vorteilhaft den Einsatz einer Messvorrichtung auch für den Fall, dass weniger Sendeeinrichtungen bzw. Empfangs- und Sendeeinrichtungen verfügbar sind, als für das jeweilige Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmungssystem zur eigenständigen Bestimmung der Position erforderlich wären. Außerdem wird vorteilhaft ein nahtloser Übergang von einem auf das andere System ermöglicht, wenn die Messvorrichtung beispielsweise aus einem Außenbereich eines Gebäudes in das Gebäude hinein bewegt wird.Independently advantageous is also a computer program in such a measuring device for performing a such process. Such a computer program allows advantageous the use of a measuring device even in the event that fewer transmitting devices Receiving and transmitting devices are available than for the respective Position or velocity determination system for independent determination the position would be required. Furthermore will advantageously be a seamless transition from one to the other system allows when the measuring device for example, from an outdoor area of a building in the building is moved into it.
Das
besonders bevorzugte Verfahren bzw. die bevorzugte Messvorrichtung
beziehen nun ausgehend von einem System gemäß z.B.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:One embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Wie
aus
Ein erstes Entfernungsbestimmungs-Systemen beruht dabei auf Rundlaufzeiten von ersten Signalen s, welche von der Messvorrichtung BS zu Sende- und Empfangseinrichtungen, insbesondere so genannten Transpondern T, gesendet und von dort zurückgesendet werden. Bei der Anwendung eines solchen Rundlaufzeitsystems RTOF empfängt die Messvorrichtung BS Signale von vorzugsweise einer Vielzahl solcher Transponder T. Anhand der Laufzeit der Signale und einer gegebenenfalls bekannten Verzögerung durch eine Signalverarbeitung in den Transpondern T sowie durch Kenntnis der genauen Positionen xi, yi, zi der Transponder T kann die Messvorrichtung BS in für sich bekannter Art und Weise ihre Position X, Y, Z bestimmen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Messvorrichtung BS jedoch nur im Empfangsbereich zweier Transponder T. Eine zwei- oder gar dreidimensionale Positionsbestimmung ist daher nicht eindeutig möglich.A first distance determination system is based on round trip times of first signals s, which are sent by the measuring device BS to transmitting and receiving devices, in particular so-called transponders T, and are sent back from there. When using such a round trip time system RTOF, the measuring device BS receives signals from preferably a plurality of such transponders T. On the basis of the transit time of the signals and an optionally known delay by signal processing in the transponders T and by knowing the exact positions x i , y i , z In the transponder T, the measuring device BS can determine its position X, Y, Z in a manner known per se. In the illustrated embodiment, however, the measuring device BS is only in the reception range of two transponders T. A two- or even three-dimensional position determination is therefore not clearly possible.
Neben Transpondern T, welche das Signal s der Messvorrichtung BS empfangen, aktiv verarbeiten und ein eigenständiges Antwortsignal zurücksenden, sind auch passive Transponder T einsetzbar, welche ohne eine eigenständige Datenverarbeitung lediglich das empfangene Signal s mit gegebenenfalls einer Modulation oder sonstigen Kennung zurücksenden. Entscheidend ist, dass die Messvorrichtung BS anhand des empfangenen zurückgesendeten Signals den entsprechenden Transponder und/oder dessen genaue Position eindeutig bestimmen kann. Besonders bevorzugt werden Transponder T eingesetzt, welche ein quasi-phasenkohärentes Signal als Antwort auf das von der Messvorrichtung BS ausgesendete ursprüngliche Signal zurücksenden, wie dies ebenfalls für sich genommen bekannt ist. Alternativ sind für kurzzeitsynchronisierte Verfahrensweisen zeitsynchrone und frequenzsynchrone Verfahren einsetzbar.In addition to transponders T, which receive the signal s of the measuring device BS, actively process and return an independent response signal, passive transponder T are used, which send back without an independent data processing only the received signal s with optionally a modulation or other identifier. It is crucial that the measuring device BS on the basis of the received returned signal, the corresponding transponder and / or its exact position clearly determine. Transponders T are particularly preferably used which send back a quasi-phase-coherent signal in response to the original signal emitted by the measuring device BS, as is also known per se. Alternatively, synchronous and frequency-synchronous methods can be used for short-time synchronized procedures.
Die Messvorrichtung BS umfasst als Komponente eines zweiten Entfernungsbestimmungs-Systems außerdem einen GPS-Empfänger, welcher Signale von Satelliten SA als beispielhaften Sendeeinrichtungen eines Absolut-Ankunftszeitsystems ATOA empfangen und auswerten kann. Diese empfangenen Signale umfassen eine Zeitmarke als Zeitinformation ti, welche der Sendezeit beim Satelliten SA entspricht oder äquivalent dazu in einem festen Bezug steht. Außerdem umfasst das empfangene Signal eine Information, mittels welcher die Messvorrichtung BS die momentane Position des Satelliten SA zum Sendezeitpunkt bestimmen kann. Entsprechend ist die Messvorrichtung bei Empfang von Signalen einer ausreichenden Anzahl von Satelliten SA in der Lage, ihre momentane Position eindeutig zu bestimmen, wie dies für sich genommen bekannt ist. Vorliegend ist die Messvorrichtung BS jedoch aufgrund Abschattung durch das Gebäude G nicht in der Lage, eine ausreichende Anzahl von Satellitensignalen zu empfangen.The measuring device BS also includes, as a component of a second distance determination system, a GPS receiver which can receive and evaluate signals from satellites SA as exemplary transmission devices of an absolute arrival time system ATOA. These received signals comprise a time stamp as time information t i which corresponds to the transmission time at the satellite SA or is equivalently in a fixed reference. In addition, the received signal comprises information by means of which the measuring device BS can determine the instantaneous position of the satellite SA at the time of transmission. Accordingly, upon receiving signals from a sufficient number of satellites SA, the measuring device is able to unambiguously determine its instantaneous position, as is known per se. In the present case, however, the measuring device BS is not able to receive a sufficient number of satellite signals due to shadowing by the building G.
Zur Steuerung der Messvorrichtung BS sowie der Signalverarbeitung in dieser weist die Messvorrichtung vorzugsweise eine Steuereinrichtung C auf. Diese ist über Leitungen und/oder ein Bussystem mit weiteren Komponenten verbunden. Insbesondere ist eine erste Schnittstelle IF1 zum Senden des Signals s zu den Transpondern T und zum Empfangen von zurückgesendeten Signalen in der Messvorrichtung BS bereitgestellt. Außerdem ist eine zweite Schnittstelle IF2 zum Empfangen von Signalen der Satelliten SA bereitgestellt. Die Messvorrichtung kann somit mittels der Steuereinrichtung C sowohl die Funktionalität zweier verschiedenartiger Schnittstellen steuern sowie die darüber zu sendenden bzw. zu empfangenden Daten verarbeiten. Mittels einer weiteren Schnittstelle IF3 kann die Steuereinrichtung C auch mit weiteren externen Vorrichtungen kommunizieren, beispielsweise um Positionsdaten von neu aufgestellten Transpondern oder weiteren Positionserfassungssystemen einzulesen. Über derartige weitere Schnittstellen IF3 können auch Daten oder Steueranweisungen an weitere Komponenten wie beispielsweise ein Navigationssystem ausgegeben werden.to Control of the measuring device BS and the signal processing in this preferably has the measuring device a control device C on. This is over Lines and / or a bus system connected to other components. In particular, a first interface IF1 for transmitting the signal s to transponders T and to receive returned Signals provided in the measuring device BS. Besides that is a second interface IF2 for receiving signals from the satellites SA provided. The measuring device can thus by means of the control device C both the functionality control two different interfaces as well as the ones to be sent or to process data to be received. By means of another interface IF3, the control device C can also communicate with other external devices, For example, to position data of newly established transponders or read in further position detection systems. About such other interfaces IF3 can also data or control statements to other components such as a navigation system are issued.
Insbesondere umfasst die Messvorrichtung BS zumindest einen Speicher S zum Speichern von Steuerprogrammen und Daten. In dem Speicher S ist ein erster Speicherbereich S1 für Daten reserviert, welche in Bezug zu dem Rundlauf-Zeitsystem RTOF stehen. Ein zweiter Speicherbereich S2 dient zum Speichern von Daten des Absolut-Ankunftszeitsystem ATOA. In einem weiteren Speicherbereich Sk sind Daten der momentanen Position X, Y, Z hinterlegbar. Außerdem sind eigenständig oder den entsprechenden Speicherbereichen zugeordnet in einem noch weiteren Speicherbereich St Daten hinterlegt, welche zur Berechnung der momentanen und zu bestimmenden Position X, Y, Z der Messvorrichtung BS mit Hilfe der Daten des ersten und des zweiten Speicherbereichs S1, S2 dienen. Dies sind insbesondere ein Zeit-Offset bzw. ein mittels der Lichtgeschwindigkeit als Ausbreitungsgeschwindigkeit berechneter und dementsprechender räumlicher Offset Crr, welcher einer Zeitdifferenz des Zeitsystems der Messvorrichtung BS und des mit Atomuhren ausgestatteten Absolut-Ankunftszeitsystems ATOA entspricht. Zur Berechnung der momentanen Position mittels der von dem Satelliten SA empfangenen Daten ist dieser zeitliche Offset oi als eine Variable zur Lösung eines Gleichungssystems zwingend erforderlich. Anderenfalls wäre eine Matrizen-Invertierung nicht möglich, welche zur Lösung des Gleichungssystems erforderlich ist.In particular, the measuring device BS comprises at least one memory S for storing control programs and data. In the memory S, a first storage area S1 is reserved for data related to the round trip time system RTOF. A second memory area S2 serves to store data of the absolute arrival time system ATOA. In a further memory area Sk, data of the current position X, Y, Z can be stored. In addition, independently or assigned to the corresponding memory areas, St data are stored in an even further memory area, which data are used to calculate the current and to-be-determined position X, Y, Z of the measuring device BS with the aid of the data of the first and second memory areas S1, S2. These are in particular a time offset or a spatial offset Crr calculated by the speed of light as the propagation speed and corresponding thereto, which corresponds to a time difference of the time system of the measuring device BS and of the absolute arrival time system ATOA equipped with atomic clocks. In order to calculate the current position using the received data from the satellite SA this temporal offset o i as a variable for solving a system of equations is required. Otherwise, a matrix inversion that is required to solve the equation system would not be possible.
Um die Daten des Rundlauf-Zeitsystems RTOF gemeinsam mit den Daten des Absolut-Ankunftszeitsystems ATOA verarbeiten zu können, das heißt in die Matrizen-Invertierung mit einbringen zu können, wird ein zusätzlicher Speicherbereich für einen entsprechenden von der Rundlaufzeit nicht abhängenden zeitabhängigen Offset oi* bereitgestellt.In order to be able to process the data of the concentricity time system RTOF together with the data of the absolute arrival time system ATOA, that is to be able to introduce into the matrix inversion, an additional memory area is created for a corresponding time-dependent offset o i * which does not depend on the round-trip time. provided.
Um eine direkte Fusion der Daten beider Systeme ATOA, RTOF durchführen zu können, muss das Problem des gemeinsamen Zeitnormals gelöst werden. Dies wird bevorzugt durch eine gleichzeitige Verwendung von RTOF- bzw. Absoluttranspondern als den Transpondern T erreicht. Es werden separat Radien bzw. die Entfernung ρi zu den Transpondern T und den Satelliten SA gemessen. Die technische Neuerung besteht in der nachfolgenden direkten Fusion der einzelnen Entfernungen ρi bzw. der Radien der Positionen xi, yi, z1 der Transponder T bzw. der Satelliten SA der beiden Systeme RTOF und ATOA zu der Empfängerposition X, Y, Z.In order to be able to perform a direct fusion of the data of both systems ATOA, RTOF, the problem of the common time standard has to be solved. This is preferred by concurrent use tion of RTOF or absolute transponders than the transponders T. Radii or the distance ρ i to the transponders T and the satellite SA are measured separately. The technical innovation consists in the following direct fusion of the individual distances ρ i or the radii of the positions x i , y i , z 1 of the transponder T or the satellites SA of the two systems RTOF and ATOA to the receiver position X, Y, Z ,
Als
Empfangsdaten eines GPS-Geräts
werden von N teilnehmenden Satelliten SA des Absolutankunftszeitsystems
ATOA jeweils 4 momentane Positionen xi,
yi, zi der Satelliten
SA mit i = 1, 2, 3 als Positionskoordinaten und eine Zeitinformation
ti erhalten. Zwischen der empfangenen Zeitinformation
t0 und einer zum Empfangszeitpunkt in der
Messvorrichtung bzw. dem GPS-Gerät
momentanen Zeitinformation t0* besteht ein unbekannter
individueller Zeitoffset t0* – t0 zu der Zeitinformation t0 mit
der Sendezeit des Satelliten SA. Dieser Zeitoffset t0* – t0 entsteht dadurch, dass als Uhr CLK* empfängerseitig üblicherweise
keine derart genaue Atomuhr CLK wie in den Satelliten SA vorhanden
ist. Unter Ansatz der Lichtgeschwindigkeit als Ausbreitungsgeschwindigkeit
der empfangenen Signale steht der unbekannte Zeitoffset t0* – t0 in einem festen Verhältnis zu einem entsprechenden
unbekannten radialen Offset Crr. Für jeden Satelliten SA werden
aus den momentanen Positionen xi, yi, zi der Satelliten
SA und der Zeitinformation ti Pseudoradien,
d.h. die um den unbekannten individuellen Zeitoffset bzw. den entsprechenden
radialen Offset Crr verlängerten
eigentlichen Radien bzw. Entfernungen ρi bestimmt,
wobei der Erdradius r als bekannt angenommen wird. Daraus folgt
für die
Empfangsdaten des Absolutankunftszeitsystems ATOA das Gleichungssystem mit u.a.
RA als Matrize der gemessenen bzw. aus Empfangsdaten
abgeleiteten Zeitinformation ti bestimmten Entfernungen ρi bzw.
bekannten Positionskoordinaten xi, yi, zi der einzelnen
Satelliten SA relativ zu der Basisstation BS, MA als
Messsensitivitätsmatrize
(Measurement Sensitivity Matrix) bzw. Berechnungsmatrize und UAp als Radius bzw. zu bestimmender Position
X, Y, Z der GPS-Empfangsstation, welche in der Messvorrichtung BS
integriert oder an dieser angeschlossen ist. Der Laufindex wird
dabei auf i = 1, 2, ..., N gesetzt. Die einzelnen Größen in räumlicher
Relation sind auch
Unbekannt sind in diesem Gleichungssystem die zu bestimmende Position X, Y, Z der Messvorrichtung BS und der radiale Offset Crr, welcher sich aus dem unbekannten Zeitoffset t0* – t0 zwischen der Uhrzeit t0* in der Messvorrichtung BS und der Uhrzeit t0 in den Satelliten ergibt.Unknown in this system of equations are the position X, Y, Z of the measuring device BS to be determined and the radial offset Crr which results from the unknown time offset t 0 * -t 0 between the time t 0 * in the measuring device BS and the time t 0 in the satellites.
Gemäß der beispielhaften
Anordnung nach
Für die Transponder T des Rundlaufzeitsystems RTOF lässt sich verfahrensgemäß analog unter fortlaufender Nummerierung der beteiligten Einheiten ein entsprechendes Gleichungssystem aufstellen. Dabei gilt mit u.a. RR als Matrize der gemessenen bzw. aus Empfangsdaten erhaltenen Positionskoordinaten xi, yi, zi und aus der bestimmten Zeitinformation ti berechneten Entfernungen ρi der Basisstation BS relativ zu den einzelnen Transpondern T, MR als Berechnungsmatrize und URp als Radius bzw. zu bestimmender Position X, Y, Z der Messvorrichtung BS. Der Laufindex wird dabei auf i = N+1, N+2,..., M gesetzt.For the transponder T of the runtime system RTOF can be set up according to the method analogous under continuous numbering of the units involved a corresponding system of equations. It applies with, inter alia, R R as a template of the measured or obtained from the received data the position coordinates x i, y i, z i and from the determined time information t i calculated distances ρ i the base station BS with respect to the individual transponders T, M R as Berechnungsmatrize and U Rp as the radius or position to be determined X, Y, Z of the measuring device BS. The run index is set to i = N + 1, N + 2, ..., M.
Das Gleichungssystem beinhaltet keinen Zeitoffset, da die Entfernungsmessung beim Rundlaufzeitsystem RTOF "hin und zurück", also absolut erfolgt. Ggf. wird ein konstanter Zeitversatz berücksichtigt, welcher durch eine Datenverarbeitung als Antwortzeit in den Transpondern T entstehen kann.The system of equations does not include a time offset, since the distance measurement during round trip time system RTOF "back and forth", that is done absolutely. Possibly. a constant time offset is taken into account, which can arise as a response time in the transponder T by a data processing.
Gemäß der beispielhaften
Anordnung nach
Um ein einheitliches Gleichungssystem zur direkten Lösung zu bekommen, wird dieses Gleichungssystem (2) um einen fiktiven radialen Offset Crr ergänzt und in der Berechnungsmatrize MR eine weitere Spalte eingeführt. Der fiktive radiale Offset Crr entspricht funktionell dem radialen Offset Crr, welcher sich gemäß Gleichung (1) aus dem unbekannten Zeitoffset t0* – t0 zwischen der Uhrzeit t0* in der Messvorrichtung BS und der Uhrzeit t0 in den Satelliten ergibt. Da beim Rundlaufzeitsystem RTOF jedoch keine zueinander verschiedenen Uhren verwendet werden, kann der fiktive räumliche Offset Crr als Null oder zumindest als bekannte Konstante angenommen werden. Insbesondere im ersten Fall werden daher die Werte dieser weiteren Spalte gleich Null gesetzt. Damit erhält man: In order to obtain a uniform equation system for direct solution, this system of equations (2) is supplemented by a fictitious radial offset Crr and a further column is introduced in the calculation matrix MR. The notional radial offset Crr corresponds functionally to the radial offset Crr, which according to equation (1) results from the unknown time offset t 0 * -t 0 between the time t 0 * in the measuring device BS and the time t 0 in the satellites. However, since no clocks different from one another are used in the round trip time system RTOF, the fictitious spatial offset Crr can be assumed to be zero or at least a known constant. In particular, in the first case, therefore, the values of this further column are set to zero. This gives you:
Dadurch wird eine Kombination der beiden Matrizengleichungen (1), (3) und somit eine direkte kombinierte Datenverarbeitung der Empfangsdaten beider Systeme, ATOA und RTOF, ermöglicht, indem die Zeilen der Daten der beiden Systeme einfach unter fortlaufender Nummerierung des Laufindexes i = 1, 2,..., N, N+1, N+2,..., M gemäß vorstehendem Schema untereinander geschrieben werden.Thereby becomes a combination of the two matrix equations (1), (3) and thus a direct combined data processing of the received data Both systems, ATOA and RTOF, made possible by the lines of the Data of the two systems simply under consecutive numbering the running index i = 1, 2, ..., N, N + 1, N + 2, ..., M according to the above Scheme to be written among each other.
Dieses Gleichungssystem ermöglicht jetzt die direkte Positionsbestimmung mittels der Empfangsdaten aus allen gemessenen Satelliten SA und Transpondern T. Prinzipiell werden dabei immer 4 beteiligte Einheiten benötigt, um die Position X, Y, Z und den fiktiven räumlichen Offset Crr bzw. den Zeitoffset t0* – t0 der Messvorrichtung BS zu schätzen. Sind keine Satelliten SA bzw. GPS-Einheiten beteiligt, so kann nur die Position X, Y, Z geschätzt werden und nicht der Zeitoffset t0* – t0. Werden mehr als 4 Einheiten vermessen, dann ist das Gleichungssystem überbestimmt und kann mit den für sich bekannten Mitteln zur Lösung überbestimmter Gleichungssysteme ausgewertet werden.This system of equations now enables the direct determination of position by means of the received data from all satellites SA and transponders T. Basically, 4 involved units are always required to determine the position X, Y, Z and the fictitious spatial offset Crr or the time offset t 0 * - t 0 of the measuring device BS estimate. If no satellites SA or GPS units are involved, then only the position X, Y, Z can be estimated and not the time offset t 0 * - t 0 . If more than 4 units are measured, then the system of equations is overdetermined and can be evaluated with the means known per se for solving overdetermined equation systems.
Vorteilhaft lässt sich mittels einer solchen Verfahrensweise die absolute zu bestimmende Position X, Y, Z der Basisstation BS mit der integrierten oder daran angeschlossenen GPS-Empfangsstation mit unterschiedlichen Kombinationen bestimmen. Möglich sind neben der vorstehend beschriebenen Kombination von Empfangsdaten aus 2 Sendestationen bzw. Satelliten SA des Absolutankunftszeitsystems ATOA und 2 Sendestationen bzw. Transpondern T des Rundlaufzeitsystems RTOF insbesondere auch Kombination von Empfangsdaten aus einer Sendestation des Absolutankunftszeitsystems ATOA und 3 Sendestationen des Rundlaufzeitsystems RTOF, Kombination von Empfangsdaten aus 3 Sendestationen des Absolutankunftszeitsystems ATOA und einer Sendestation des Rundlaufzeitsystems RTOF.Advantageously, by means of such a procedure, the absolute position X, Y, Z of the base station BS to be determined with the integrated or connected GPS receiving station can be determined with different combinations. In addition to the above-described combination of reception data from 2 transmitting stations or satellites SA of the absolute arrival time system ATOA and 2 transmitting stations or transponders T of the round trip time system RTOF, it is also possible to combine reception data from a transmitting station of the absolute arrival time system ATOA and 3 transmitting stations of the round trip time system RTOF, combination of reception data from 3 transmitting stations of the Absolutankunftszeitys ATOA and a broadcasting station RTOF.
Besonders vorteilhaft ist dabei die nahtlose Fusion der entsprechenden Daten. Dadurch kann neben der Verbesserung der Ausleuchtung ein nahtloser Übergang zwischen z.B. GPS und LPS erfolgen, indem je nach Sichtbarkeit zuerst einzelne Einheiten des anderen Systems mit einbezogen werden, dann eine höhere Anzahl und am Ende keine Einheiten des anderen Systems mehr. Dadurch wird der bisherige technische Aufwand einer schwellwertgestützten Umschaltung zwischen GPS und LPS vermieden und zudem die Genauigkeit im Übergangsbereich erhöht.Especially advantageous is the seamless fusion of the corresponding data. As a result, in addition to the improvement of the illumination a seamless transition between e.g. GPS and LPS are done first by visibility depending on visibility individual units of the other system are involved, then a higher number and in the end no units of the other system anymore. This will the previous technical effort of a threshold-based switching between GPS and LPS avoided and also the accuracy in the transition area elevated.
Nach der Bestimmung der zu bestimmenden Position (X, Y, Z) aus allen beteiligten Einheiten kann auch die Geschwindigkeit v = v(X, Y, Z) des Objektes, d.h. der Messvorrichtung BS, direkt aus allen beteiligten Einheiten bestimmt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass sich die N Satelliten mit bekannter Geschwindigkeit relativ zur Erde bewegen, die M-N lokalen Einheiten bzw. Transponder dagegen ortsfest sind. Es gilt also After determining the position to be determined (X, Y, Z) from all participating units, the speed v = v (X, Y, Z) of the object, ie the measuring device BS, can be determined directly from all participating units. It should be noted that the N satellites move at a known speed relative to the earth, whereas the MN local units or transponders are stationary. So it applies
Zudem wird eine Radialgeschwindigkeit v ρi, i.=1..M für die N Satelliten und die M-N RTOF-Einheiten gemessen, z.B. über den Dopplereffekt oder über eine numerische Ableitung der Ortspositionen. Erweitert man das bestehende Model gemäß Gleichung (1) analog zur vorherigen Entfernungsmessung, so folgt In addition, a radial velocity v ρ i , i. = 1..M is measured for the N satellites and the MN RTOF units, for example via the Doppler effect or via a numerical derivative of the spatial positions. If one extends the existing model according to equation (1) analogously to the previous distance measurement, then follows
Wie zuvor kann man den Geschwindigkeitsvektor durch Lösen des Gleichungssystems ermitteln. Falls mehr als 3 Einheiten beigetragen haben, ist das Gleichungssystem überbestimmt und mit den bekannten Methoden auszuwerten.As before you can get the velocity vector by loosening the Determine system of equations. If more than 3 units contributed have, the system of equations is overdetermined and to evaluate with the known methods.
Üblicherweise erfolgt die Auswertung der einzelnen Messungen über eine Kalmanfilterung. Dabei läßt sich die Berechnungsmatrize MA des Absolutankunftszeitsystems ATOA Systems wie vorher gezeigt um die Gleichungen des Rundlaufzeitsystems RTOF erweitern und man erhält folgende Matrize: mit h als Koeffizienten von H als Beobachtermatrix (engl. measurement sensitivity matrix).The evaluation of the individual measurements usually takes place via Kalman filtering. In this case, the calculation matrix MA of the absolute arrival time system ATOA Systems can be expanded by the equations of the round trip time system RTOF as shown previously, and the following matrix is obtained: with h as coefficients of H as an observation matrix (English: measurement sensitivity matrix).
Werden weitere Spalten z.B. bzgl. der Uhrendrift des Absolutankunftszeitsystems ATOA eingeführt, so sind diese für die Transponder T des Rundlaufzeitsystems RTOF in der entsprechenden Spalte auf 0 zu setzten. Ansonsten ist mit dem Aufstellen der Matrize H gemäß Gleichung (7) die Integration der Transponder T des Rundlaufzeitsystems RTOF in den Kalmanfilter-Prozess des Absolutankunftszeitsystems ATOA abgeschlossen und der Kalmanfilter kann konventionell berechnet werden. Dabei kann die Aktualisierung des Kalmanfilters sequentiell erfolgen. Somit können die Werte einzelner Satelliten SA oder bodengestützter 1D-Messungen sofort mit berücksichtigt werden. Entsprechende Korrekturwerte z.B. für differential GPS in Matrizenform für GPS-Daten werden dann analog um 0 Werte bei den lokalen Positionierungsdaten erweitert.Become further columns e.g. regarding the clock drift of the absolute arrival time system ATOA introduced, so are these for the transponder T of the runtime system RTOF in the corresponding Column set to 0. Otherwise, with the erection of the matrix H according to equation (7) the integration of the transponder T of the round trip time system RTOF in the Kalman filter process of the absolute arrival time system ATOA completed and the Kalman filter can be calculated conventionally become. The updating of the Kalman filter can be sequential respectively. Thus, you can the values of individual satellites SA or ground-based 1D measurements immediately with considered become. Corresponding correction values e.g. for differential GPS in matrix form for GPS data then become analogous by 0 values at the local positioning data extended.
Dieses
Verfahren setzt voraus, dass die Position der zusätzlichen
RTOF-Wegmarken im Empfänger, d.h.
in der Messvorrichtung BS bekannt sind. Eine mögliche Form besteht darin,
dass die Koordinaten der RTOF-Wegmarken in einer Datei zusammengestellt
werden und bei der Produktion oder später vom Anwender über z.B.
eine weitere Schnittstelle IF3 (
Die Koordinaten der Transponder T sind vorteilhafterweise direkt in xyz-Koordinaten abgelegt um eine Transformation zu vermeiden.The Coordinates of the transponder T are advantageously directly in xyz coordinates filed to avoid a transformation.
Als
Ausführungsformen
des Systems können
als lokale Rundlaufzeitsysteme RTOF z.B. Funkortungsverfahren nach
- RTOFRTOF
- RundlaufzeitsystemRun-time system
- TT
- Sende- und Empfangseinrichtung, insbesondere Transponder des RTOF als eine erste Gruppe von MesseinrichtungenSend- and receiving device, in particular transponder of the RTOF as a first group of measuring equipment
- xi, yi, zi, i = N+1, N+2,..., Mx i , y i , z i , i = N + 1, N + 2, ..., M
- erste räumliche Positionskoordinatenfirst spatial position coordinates
- ti, i = N+1, N+2,..., Mt i , i = N + 1, N + 2, ..., M
- Zeitinformation einer Rundlaufzeittime information a round trip
- oi*o i *
- von der Rundlaufzeit unabhängiger zeitabhängiger Offsetfrom the round-life of independent Time-dependent offset
- ρi, xi, yi, zi ∀i = N+1,... Mρ i , x i , y i , z i ∀i = N + 1, ... M
- Entfernung BS zu Tdistance BS to T
- CLK*CLK *
- Uhr in ESClock in ES
- RR R R
- Matrize der Positionskoordinaten xi, yi, zi und Entfernungen ρi der TMatrix of the position coordinates x i , y i , z i and distances ρ i of the T
- MR M R
- BerechnungsmatrizeBerechnungsmatrize
- URp U Rp
- Vektor der zu bestimmenden Position X, Y, Z ohne zeitabhängigem Offsetvector the position to be determined X, Y, Z without time-dependent offset
- ATOAATOA
- AbsolutankunftszeitsystemAbsolutely arrival time system
- SASA
- Sendeeinrichtung, insbesondere Satellit des ATOA als eine zweite Gruppe von MesseinrichtungenTransmitting device, in particular satellite of the ATOA as a second group of measuring devices
- xi, yi, zi, i = 1, 2,..., Nx i , y i , z i , i = 1, 2, ..., N
- zweite räumliche Positionskoordinatensecond spatial position coordinates
- ti, i = 1, 2,..., Nt i , i = 1, 2, ..., N
- Zeitinformation einer Sendezeittime information a broadcasting time
- t0* – t0 t 0 * - t 0
- Zeitoffset zwischen SA und EStime offset between SA and ES
- Crr, oi Crr, o i
- räumlicher radialer Offset entsprechend dem Zeitoffsetspatial radial offset according to the time offset
- CLKCLK
- Atomuhr in SAAtomic Clock in SA
- ρi, xi, yi, zi ∀i = 1, 2,... Nρ i , x i , y i , z i ∀ i = 1, 2, ... N
- Entfernung ES zu SAdistance ES to SA
- RA R A
- Matrize aus Entfernungen ρi und Positionskoordinaten xi, yi, zi der SAMatrix of distances ρ i and position coordinates x i , y i , z i of the SA
- MA M A
- BerechnungsmatrizeBerechnungsmatrize
- UAp U Ap
- Vektor der zu bestimmenden Position X, Y, Z und des Offsets Crrvector the position to be determined X, Y, Z and the offset Crr
- ii
- Laufindex i = N+1, N+2,..., M in RTOFrunning Index i = N + 1, N + 2, ..., M in RTOF
- ii
- Laufindex i = 1, 2,..., N in ATOA running Index i = 1, 2, ..., N in ATOA
- FF
- Fahrzeugvehicle
- GG
- Gebäudebuilding
- BSBS
- Messvorrichtung zur Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmungmeasuring device for position or velocity determination
- IF1IF1
- ersten Schnittstelle in BSfirst Interface in BS
- ss
- Signal der Messvorrichtung im Rundlaufzeitsystemsignal the measuring device in the runtime system
- IF2IF2
- zweite Schnittstelle in BSsecond Interface in BS
- IF3IF3
- weitere Schnittstelle in BSFurther Interface in BS
- CC
- Steuereinrichtungcontrol device
- X, Y, ZX, Y Z
- zu bestimmende Position der Messvorrichtung BS to determining position of the measuring device BS
- SS
- SpeicherStorage
- S1S1
- erster Speicherbereich für RTOF-Datenfirst Memory area for RTOF data
- S2S2
- zweiter Speicherbereich für ATOA-Datensecond Memory area for ATOA data
- Sksk
- Positionsspeicherbereich zum Speichern von Daten der zu bestimmenden PositionPosition memory area for storing data of the position to be determined
- LL
- Lichtmastlight tower
- VCVC
- Containerfahrzeugcontainer transport
- v = v(X, Y, Z)v = v (X, Y, Z)
- Geschwindigkeit von BSspeed from BS
- v ρi, i. = 1..Mv ρ i , i. = 1..M
- Radialgeschwindigkeit von BSradial velocity from BS
- hH
- Koeffizienten der Beobachtermatrixcoefficients the observer matrix
- HH
- Beobachtermatrix ("Measurement sensitivity matrix")observers matrix ("Measurement sensitivity matrix")
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