專利名稱：用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的方法和裝置。
背景技術(shù)：
用于連續(xù)實(shí)時(shí)追蹤至少一個(gè)移動(dòng)式發(fā)射器位置的方法和裝置在EP1556713B1中已知，其中ー個(gè)固定接收器以及信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)接收器接收發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)。通過接收器信號(hào)確定在發(fā)射器和各接收器之間的行進(jìn)時(shí)間或被稱為TOA(到達(dá)時(shí)間)值，其中，通過參考其中一個(gè)接收器，各發(fā)射器的各個(gè)位置利用雙曲三角測(cè)量算出，形成例如12個(gè)固定接收器的12個(gè)TOA值，11個(gè)時(shí)間差值，或被稱為TDOA (到達(dá)時(shí)間差)值，在卡爾曼濾波器中實(shí)現(xiàn)。該方法和裝置被用于例如對(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的，例如足球場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)員和/或球進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。在這樣ー種已知的系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)式發(fā)射器，例如可以設(shè)置在球中，產(chǎn)生失真的載波相位測(cè)量值，接下來(lái)又使發(fā)射器的位置結(jié)果失真。這種干擾在球轉(zhuǎn)動(dòng)越快時(shí)變得越大。該效果可歸結(jié)于所使用天線的選取。發(fā)射器發(fā)射出線性極化波，同樣，例如通過線性偶極子。圓形極化天線用于接收器側(cè)，其中極化面也隨著球或發(fā)射器的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，這會(huì)使接收器感知到載波頻率的平移。由載波頻率得到載波相位的測(cè)量值由于該干擾效果而失真，并且不再是其距離和變化的可靠測(cè)定量。如果位置計(jì)算中考慮測(cè)得的載波相位值，這會(huì)或多或少導(dǎo)致位置誤差。為了解決這個(gè)問題，有可能省掉載波相位的測(cè)量或位置計(jì)算中的載波相位測(cè)量值，然而由于僅僅使用信號(hào)的行進(jìn)時(shí)間的相對(duì)不準(zhǔn)確的碼相位測(cè)量，會(huì)很大程度地影響位置結(jié)果。結(jié)合引用的現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的該物理效應(yīng)，也會(huì)出現(xiàn)在其他的系統(tǒng)中，例如在GPS系統(tǒng)中，其中，在GPS系統(tǒng)中，由于相位差是由兩個(gè)衛(wèi)星的測(cè)量值形成的，因而可消除誤差。這種情況的預(yù)先條件是，接收天線僅僅繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且大部分情況都是如此。根據(jù)上述引用的現(xiàn)有技術(shù)的定位方法中，發(fā)射器的轉(zhuǎn)動(dòng)是完全隨機(jī)的，這就是為什么在GPS系統(tǒng)中不必使用誤差補(bǔ)償。另ー現(xiàn)有技術(shù)中，上文提到的物理效應(yīng)用于方向測(cè)量，記載于US3540045，其中建立并控制衛(wèi)星通訊的極化面校準(zhǔn)。在這種情況下，衛(wèi)星信號(hào)的極化面的角度通過繞桿式天線測(cè)量，該繞桿式天線可同步接收右側(cè)和左側(cè)圓極化電磁場(chǎng)成分。US7123187被用于確定GPS接收器的校準(zhǔn)，其中使用了“標(biāo)準(zhǔn)GPS天線配置”，也就是說(shuō)右側(cè)圓極化天線位于發(fā)射器和接收器中。在這種情況下，使用了 GPS系統(tǒng)的兩種載波頻率，其中可由不同相位變化確定或分開轉(zhuǎn)動(dòng)中兩種成分，在這期間兩種相位測(cè)量值都以相同的方式變化，且根據(jù)距離的變化，相位變化取決于各自的波長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是產(chǎn)生一種用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的方法和裝置，通過該方法和裝置，可避免由移動(dòng)式發(fā)射器的隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差并且因此改善發(fā)射器位置的確定。該目的根據(jù)本發(fā)明的方法獨(dú)立權(quán)利要求和裝置獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求公開的措施有可能實(shí)現(xiàn)有利的發(fā)展和改進(jìn)。由于，對(duì)于包括具有至少兩個(gè)線性極化發(fā)射天線和各自具有圓極化天線的多個(gè)接收器的系統(tǒng)，在移動(dòng)式發(fā)射器和接收器之間的傳輸路徑上建立了理論場(chǎng)模型，載波相位測(cè)量值根據(jù)移動(dòng)式發(fā)射器的已知位置和方向確定并且理論場(chǎng)模型在卡爾曼濾波器中實(shí)現(xiàn)，隨后根據(jù)載波相位值和/或信號(hào)到達(dá)時(shí)間來(lái)確定發(fā)射器和接收器之間的距離，并且借助理論場(chǎng)模型和接收器信號(hào)產(chǎn)生的所述載波相位的測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間，在卡爾曼濾波器中確定移動(dòng)式發(fā)射器的位置和方向，根據(jù)本發(fā)明，有可能使用可形成定位系統(tǒng)的裝置，建立距離和方向信息，并且將所述信息片段彼此分開。因而，可克服移動(dòng)式發(fā)射器旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置誤差，并且可以獲得方向和轉(zhuǎn)速信息，例如確定帶有移動(dòng)式發(fā)射器的球的旋轉(zhuǎn)，并且可以避免用于評(píng)估方向的附加的硬件。由于在發(fā)射器上使用兩個(gè)線性極化天線，完全的方向需要三個(gè)自由度來(lái)確定。在接收器側(cè)僅有ー個(gè)圓極化接收天線并且可以為右側(cè)圓極化(RHCP)或左側(cè)圓極化(LHCP)，由此可很大程度上減少接收器的硬件要求。各個(gè)接收器的硬件的減少對(duì)于距離和方向變化的直接觀測(cè)是不利的，因?yàn)閷?duì)于兩個(gè)未知變量只有ー個(gè)測(cè)定量可用。然而，借助整個(gè)定位系統(tǒng)的所有接收器的測(cè)定量作為卡爾曼濾波器的輸入量，可以確定位置坐標(biāo)和/或方向。對(duì)于移動(dòng)式發(fā)射器的每個(gè)發(fā)射天線，重復(fù)建立理論場(chǎng)模型，也就是說(shuō)對(duì)于每個(gè)接收器，在不同發(fā)射天線相互之間進(jìn)行校準(zhǔn)。由于使用兩個(gè)優(yōu)選設(shè)置成與接收器具有相同距離的發(fā)射天線，該發(fā)射器可以得到兩個(gè)獨(dú)立的相位測(cè)量值，所述相位測(cè)量值的區(qū)別僅僅由所述發(fā)射天線的不同的角度取向來(lái)確定。如果兩個(gè)發(fā)射天線具有距離差，同樣，影響到相位測(cè)量值的距離差通過移動(dòng)式發(fā)射器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)觀測(cè)。當(dāng)然，這會(huì)在計(jì)算中被考慮到。根據(jù)本發(fā)明，所述理論場(chǎng)模型通過確定發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)而建立，其中該發(fā)射天線的已知位置和方向是預(yù)定的，更進(jìn)一歩，發(fā)射天線產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)建立在已知位置的接收器上，并且接收器的圓天線中感應(yīng)的復(fù)雜電流以向量場(chǎng)表達(dá)被確定，借助場(chǎng)強(qiáng)成分，其中圓天線通過兩個(gè)線性偶極子建摸，并且載波相位角最終由接收天線的電流或者從作為載波相位測(cè)量值的整個(gè)理論場(chǎng)模型中導(dǎo)出。以上描述適用相對(duì)于ー個(gè)接收器的發(fā)射器，同時(shí)相應(yīng)地，適用相對(duì)于同一接收器的第二發(fā)射天線，對(duì)于所有接收器都進(jìn)行重復(fù)計(jì)算。當(dāng)利用兩個(gè)線性偶極子產(chǎn)生的圓天線的模型來(lái)確定感應(yīng)電流或全部感應(yīng)電流吋，考慮90度移相使模型完整。通過赫茲偶極子場(chǎng)方程或通過發(fā)射天線的場(chǎng)強(qiáng)球狀分布上的真實(shí)測(cè)量值確定由已知位置和方向的發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng),并記錄在表中。根據(jù)本發(fā)明，將發(fā)射器坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至參考坐標(biāo)系統(tǒng)，使用位置向量和以余弦矩陣或四元數(shù)形式的旋轉(zhuǎn)矩陣來(lái)確定方向，其中所述旋轉(zhuǎn)矩陣可有利的用于卡爾曼濾波器中，由于只有很少的狀態(tài)需要被估測(cè)，這樣可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。對(duì)于必要的發(fā)射器和接收器之間的同步，可使用另ー個(gè)已知位置的接收器，也就是說(shuō)，與接收器同步的同步接收器，其中接收器信號(hào)和發(fā)射器之間的到達(dá)時(shí)間差和/或載波相位差可被計(jì)算，或可通過發(fā)射器和接收器中的時(shí)鐘偏差進(jìn)行連續(xù)估測(cè)以實(shí)現(xiàn)同歩。最后，還可以在發(fā)射器和接收器中使用原子鐘，可以具有高同步準(zhǔn)確性。由于系統(tǒng)中提供了多個(gè)接收器，不再需要提供附加的同步接收器。所述載波相位測(cè)量值和到達(dá)時(shí)間值優(yōu)選通過校準(zhǔn)值進(jìn)行修改，該校準(zhǔn)值在具有已知方向和位置的參考發(fā)射器的幫助下產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明，包括用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的裝置，該發(fā)射器具有至少兩個(gè)設(shè)置為相互之間有ー預(yù)定角度的線性極化天線，并且該裝置包括多個(gè)可以與移動(dòng)式發(fā)射器同步的接收器(至少三個(gè))，所述發(fā)射器位置已知并具有圓極化天線(卡爾曼濾波器)，其中通過確定所述卡爾曼濾波器的期望的載波相位測(cè)量值，在發(fā)射器和接收器之間的傳輸路徑中實(shí)現(xiàn)理論場(chǎng)模型，并且包括評(píng)估設(shè)備，用于根據(jù)載波相位測(cè)量值和/或相位角度差和/或到達(dá)時(shí)間值來(lái)評(píng)估接收器提供的信號(hào)，卡爾曼濾波器進(jìn)ー步設(shè)計(jì)成借助理論場(chǎng)模型以及根據(jù)接收器提供的信號(hào)來(lái)確定移動(dòng)式發(fā)射器的位置和方向，每個(gè)移動(dòng)式發(fā)射器具有圓極化天線，并從載波相位值和/或到達(dá)時(shí)間值來(lái)對(duì)特定単元進(jìn)行評(píng)估。移動(dòng)式發(fā)射器的方向和位置都可通過本發(fā)明的所述裝置確定，并且沒有位置誤差，即使是旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器情況下，并可以相對(duì)地減少硬件的數(shù)量?？柭鼮V波器特別優(yōu)選使用“無(wú)跡卡爾曼濾波器”，因?yàn)槠淇梢蕴幚矸蔷€性測(cè)量方程。也可以想到使用該已知的濾波器作為擴(kuò)展的卡爾曼濾波器，即使有必要附加ー些數(shù)學(xué)計(jì)算。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明示例性實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，并且會(huì)在具體實(shí)施方式
中詳細(xì)解釋。在附圖中:圖1為根據(jù)本發(fā)明的帶有發(fā)射器和接收器的裝置的一部分的示意圖；圖2為用于場(chǎng)模型的坐標(biāo)系統(tǒng)的示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的裝置作為定位系統(tǒng)用于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上帯有移動(dòng)式發(fā)射器的球的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，定位系統(tǒng)(圖3)中使用了移動(dòng)式發(fā)射器10和接收器12，用于確定移動(dòng)式發(fā)射器10的位置和方向。兩個(gè)線性極化天線11以已知角度，優(yōu)選90度相對(duì)彼此轉(zhuǎn)動(dòng)地連接至發(fā)射器10，因此發(fā)射出不同方向的波前。如上文提到的，發(fā)射器10的位置可相對(duì)只有連接著一個(gè)圓極化天線13的固定接收器12改變。根據(jù)本發(fā)明，不論是右側(cè)圓極化還是左側(cè)圓極化，裝置的結(jié)構(gòu)是不重要的，但是場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向必須是已知的。在示例性實(shí)施例中，發(fā)射天線11設(shè)置成與接收器12距離相同，也就是說(shuō)它們具有相同的相位中心，盡管各個(gè)發(fā)射天線具有同一個(gè)相位中心對(duì)于本發(fā)明的方法和/或裝置的設(shè)置并不是必要的。發(fā)射器10通過其天線11發(fā)射交替的或同步的發(fā)射信號(hào)，所述信號(hào)在不同偏振的線性平面具有預(yù)定的載波頻率。接收到的信號(hào)應(yīng)該通過多元方法，可能的話通過發(fā)射信號(hào)同步傳輸隨后在接收器12中分離。評(píng)估設(shè)備連接至接收器12(如圖3所示)井根據(jù)載波相位值和/或相位角差以及發(fā)射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間值進(jìn)行評(píng)估，這會(huì)在下文中描述。該載波相位測(cè)量值包括涉及到距離和方向的信息。更具體的是，每個(gè)相位測(cè)量值是由依賴于發(fā)射器10和接收器12之間距離的元素以及依賴于發(fā)射器和接收器之間相對(duì)方向的第二元素組成。由于有兩個(gè)發(fā)射天線11，接收器12處可得到兩個(gè)獨(dú)立的相位測(cè)量值，所述相位測(cè)量值之間的差別僅僅是由發(fā)射天線的不同取向確定的，這是由于在本實(shí)施例中這些發(fā)射天線都設(shè)置在與接收器同樣距離的位置上。兩個(gè)發(fā)射天線11間的差異角可從接收器12的觀察方向建立，所述角度的大小依賴于發(fā)射器10的方向，其中該差異角可通過接收器信號(hào)的兩個(gè)載波相位測(cè)量值來(lái)測(cè)量。為了給此差異角分配明確的方向，本發(fā)明的裝置(如圖3所示)具有評(píng)估設(shè)備4，卡爾曼濾波器，在其中實(shí)現(xiàn)了基于圖2結(jié)構(gòu)建立的理論場(chǎng)模型。該模型模擬了線性發(fā)射天線15和由兩個(gè)繞桿式天線形成的圓極化接收天線16。該發(fā)射天線15以Z-向方法，也就是被稱為本體坐標(biāo)系(b-坐標(biāo)系)的方法舉例，而接收天線的坐標(biāo)系統(tǒng)被稱為r-坐標(biāo)系(接收器坐標(biāo)系)。這兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)可相對(duì)參考系統(tǒng)被平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，被稱為導(dǎo)航坐標(biāo)系(n-坐標(biāo)系)。為了確定該模型，發(fā)射器10或發(fā)射天線11的位置預(yù)設(shè)為位置向量，并且發(fā)射器10或發(fā)射天線11相對(duì)于參考坐標(biāo)系統(tǒng)(n-坐標(biāo)系)的校準(zhǔn)或方向是以旋轉(zhuǎn)矩陣或余弦矩陣或作為四元數(shù)而預(yù)設(shè)的。更進(jìn)一歩，作為位置向量的位置并且接收天線13或接收器12的校準(zhǔn)是已知的，其中，在這種情況下ー樣的是，該位置向量和旋轉(zhuǎn)矩陣或者四元數(shù)被用于參考坐標(biāo)系統(tǒng)和接收器幀的轉(zhuǎn)換。接收天線16的位置最早是從發(fā)射天線15的觀察方向建立的，也就是說(shuō)在b-坐標(biāo)系坐標(biāo)中示出，其中用到了之前提到的旋轉(zhuǎn)矩陣或者四元數(shù)。另外，由發(fā)射天線15或ー個(gè)發(fā)射天線11產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在球形坐標(biāo)中被確定，其中可以不通過赫茲偶極子場(chǎng)方程得到。另ー個(gè)可能是，測(cè)量真實(shí)場(chǎng)作為“天線方向圖”并且記錄在表中，其中有利的是，可以使用真實(shí)的天線特征，而真實(shí)的天線特征與理想狀態(tài)描述的不同。由發(fā)射天線輻射出的場(chǎng)隨后在接收器位置被計(jì)算，其中之前通過發(fā)射器或發(fā)射天線的角度并使用了輻射出的電磁場(chǎng)的場(chǎng)方程來(lái)確定接收器的位置。由發(fā)射器或發(fā)射天線在接收器處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)通過復(fù)值向量精確地描述，其中在坐標(biāo)變換后，獲得相對(duì)參考坐標(biāo)系統(tǒng)(n-坐標(biāo)系)的場(chǎng)向量圖像。隨后考慮接收天線的校準(zhǔn)，以通過兩個(gè)偶極子形成圓極化天線，參照?qǐng)D2，提供了具有90度移相的移相器，接下來(lái)同樣通過參考坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)，在旋轉(zhuǎn)矩陣的幫助下實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。接收天線每個(gè)偶極子感應(yīng)的電流可在校準(zhǔn)后的接收天線場(chǎng)強(qiáng)下產(chǎn)生并可適當(dāng)?shù)呐c移相器結(jié)合以形成圓形接收天線13的感應(yīng)電流。相位角最后從復(fù)雜表達(dá)式(complex illustration)中被提取出，隨后通過圓形接收天線13的電流提供,所述電流由線性發(fā)射天線產(chǎn)生，所述相位角對(duì)應(yīng)于載波相位的測(cè)量值。整個(gè)的測(cè)量方程因而用于根據(jù)發(fā)射天線的位置和方向的相位測(cè)量值。對(duì)相對(duì)于圖2中接收器12的第二發(fā)射天線重復(fù)上述測(cè)定。由于本發(fā)明的裝置中提供了多個(gè)接收器(如圖3所示)，測(cè)定過程對(duì)于每個(gè)接收器都是ー樣的。接下來(lái)對(duì)于該場(chǎng)模型的描述是，其隨后作為測(cè)量模型在卡爾曼濾波器中實(shí)現(xiàn)，卡爾曼濾波器由評(píng)估裝置4提供，并被設(shè)計(jì)為無(wú)跡卡爾曼濾波器。卡爾曼濾波器是狀態(tài)濾波器，也就是說(shuō)如果系統(tǒng)可以識(shí)別狀態(tài)，并且具體如何通過狀態(tài)(場(chǎng)模型)計(jì)算這些測(cè)量值是被預(yù)定的，那么卡爾曼濾波器可以通過測(cè)量值反算出它的狀態(tài)。根據(jù)圖1的系統(tǒng)，評(píng)估設(shè)備4中實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)模型，也就是說(shuō)在卡爾曼濾波器中，發(fā)射器10的至少三個(gè)位置坐標(biāo)和四元數(shù)的四個(gè)狀態(tài)，在方向已給定的情況下被作為狀態(tài)使用。如果由發(fā)射器10初始化的接收器信號(hào)，至少三個(gè)接收器12在評(píng)估設(shè)備4中進(jìn)行評(píng)估，以載波相位測(cè)量值和可能的到達(dá)時(shí)間值的形式，并且隨后作為卡爾曼濾波器的測(cè)定量，這樣就可以用于反算發(fā)射器的位置和方向，由于從開始位置起，卡爾曼濾波器試圖通過測(cè)量值與預(yù)定期望的差值在作為測(cè)量模型的場(chǎng)模型是最小的情況下適應(yīng)狀態(tài)向量，因此該過程會(huì)反復(fù)進(jìn)行下去。假設(shè)上述實(shí)施例中發(fā)射器10和接收器12相互同歩。然而，一般情況下，發(fā)射器和接收器的時(shí)鐘不是相互連接的，因此也不會(huì)同步運(yùn)行。這導(dǎo)致發(fā)射器和接收器之間的頻率偏置，因此相位測(cè)量值失真。為了避免這個(gè)問題，可提供圖1示出的布置之外的另ー個(gè)已知位置的接收器。當(dāng)然，該接收器必須與其他接收器同歩。該第二接收器同樣可接收發(fā)射信號(hào)，并且借助TDOA方法，未知的發(fā)射時(shí)間可由兩個(gè)測(cè)量值相減而被消除。發(fā)射器與接收器時(shí)鐘的偏差也可被連續(xù)的消除，其中這也在用于確定位置和方向的卡爾曼濾波器中集成和建模。最后，校準(zhǔn)也是必要的，它可以修正絕對(duì)值失真的相位測(cè)量值。為了這個(gè)目的，可提供已知位置和方向的參考發(fā)射器，由接收器信號(hào)得到的測(cè)量值與各自期望值比較。測(cè)量和期望之間的差值就是校準(zhǔn)值，該校準(zhǔn)值在其他所有測(cè)量中都要被算入。在圖3中，本發(fā)明的裝置被提供作為定位系統(tǒng)，用于連續(xù)追蹤帶有發(fā)射器10的球2，該球在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上移動(dòng)。在示例性實(shí)施例中，四個(gè)接收器3以固定的方式被置于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)周圍，對(duì)應(yīng)于接收器12并且相互同步排序，在該示例性實(shí)施例中，它們通過固定的線被連在一起成為通用時(shí)鐘脈沖源，用無(wú)線電或其他傳輸手段傳輸至具有一個(gè)或多個(gè)處理器的評(píng)估設(shè)備4。當(dāng)然，可提供更多接收器以更精確的方式追蹤物體2的位置。該處理器或評(píng)估設(shè)備4包含上文提到的卡爾曼濾波器，接收器3具有圓極化天線，然而球2中提供的發(fā)射器10具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)呈90度的極化天線11。在這種情況下，具有固定位置和方向的參考發(fā)射器5可作校準(zhǔn)用。在圖3中示出的裝置中，所有接收器3連接至通用時(shí)鐘并且因而同步運(yùn)行。位于球2中的發(fā)射器10不可進(jìn)入該時(shí)鐘，因而測(cè)量誤差可被修正。這可以通過兩個(gè)接收器3的測(cè)量值相減得到，由于他們都具有相同的頻移。通過TDMA方法，發(fā)射器10由兩個(gè)發(fā)射天線11交替地發(fā)射。然而，也可以想到其他多元方法，例如CDMA，F(xiàn)DMA或類似方法。如上文提到的，所有接收器3接收發(fā)射信號(hào)，評(píng)估設(shè)備從三個(gè)接收器的接收器信號(hào)產(chǎn)生出各自的載波相位測(cè)量值和到達(dá)時(shí)間值，并作為輸入量供給卡爾曼濾波器，所述卡爾曼濾波器輸出三個(gè)位置坐標(biāo)和四元數(shù)的四個(gè)狀態(tài)或方向。其他的參數(shù)，例如速度、加速度、轉(zhuǎn)速、頻移和其他測(cè)量誤差，也可以在卡爾曼濾波器中模擬。
權(quán)利要求
1.一種用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的方法，所述移動(dòng)式發(fā)射器具有至少兩個(gè)線性極化天線，并設(shè)置為相互之間具有ー預(yù)定角度，其中，位置已知的多個(gè)接收器可與所述移動(dòng)式發(fā)射器同步，每個(gè)接收器接收通過圓極化天線發(fā)射出的具有預(yù)定載波頻率的信號(hào)，所述方法包括以下步驟: 建立所述移動(dòng)式發(fā)射器與接收器之間傳輸路徑的理論場(chǎng)模型，所述理論場(chǎng)模型限定了載波相位測(cè)量值， 在卡爾曼濾波器中實(shí)現(xiàn)所述理論場(chǎng)模型， 根據(jù)所述載波相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值的測(cè)量值評(píng)估接收器信號(hào)， 在卡爾曼濾波器中，借助所述理論場(chǎng)模型和從所述接收器信號(hào)中確定的所述載波相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值的測(cè)量值確定所述移動(dòng)式發(fā)射器的位置和方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述理論場(chǎng)模型如此建立: 確定由發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，其中所述發(fā)射天線的已知位置和方向是預(yù)定的， 在位置已知的各個(gè)接收器上建立由所述發(fā)射天線產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，以電磁場(chǎng)的向量場(chǎng)表示， 借助向量場(chǎng)表示的場(chǎng)強(qiáng)的成分，確定由各個(gè)接收器的圓天線感應(yīng)產(chǎn)生的復(fù)雜電流，其中所述圓天線由兩個(gè)線性偶極子模擬， 建立由電流產(chǎn)生的相位角，作為載波相位測(cè)量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求 2所述的方法，其特征在干，當(dāng)確定由所述圓天線的兩個(gè)線性偶極子模擬的方式感應(yīng)的電流時(shí)，考慮90度的移相。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，通過赫茲偶極子場(chǎng)方程或在所述發(fā)射天線的場(chǎng)強(qiáng)球體分布上的真實(shí)測(cè)量值確定由發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，并記錄在表中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用以余弦矩陣或四元數(shù)形式的旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn)換發(fā)射坐標(biāo)系統(tǒng)和接收坐標(biāo)系統(tǒng)至參考坐標(biāo)系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，各發(fā)射天線的所述理論場(chǎng)模型相對(duì)于各接收器建立。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射器和所述接收器借助TDOA方法并利用位置已知的附加的同步接收器和/或通過設(shè)置在所述發(fā)射器和接收器中的時(shí)鐘的連續(xù)誤差評(píng)估進(jìn)行同步。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值利用校準(zhǔn)值修正，所述校準(zhǔn)值借助已知位置和方向的參考發(fā)射器產(chǎn)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述卡爾曼濾波器通過所有接收器得到的載波相位測(cè)量值和到達(dá)時(shí)間值確定位置坐標(biāo)和方向。
10.一種用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的裝置，所述移動(dòng)式發(fā)射器具有至少兩個(gè)線性極化天線，并設(shè)置為相互之間具有ー預(yù)定角度，包括位置已知的多個(gè)接收器可與所述移動(dòng)式發(fā)射器同步，每個(gè)接收器接收通過圓極化天線發(fā)射出的具有預(yù)定載波頻率的信號(hào)， 包括卡爾曼濾波器，其中通過確定所述卡爾曼濾波器的相位測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式發(fā)射器與接收器之間傳輸路徑的理論場(chǎng)模型， 并且包括評(píng)估設(shè)備，用于根據(jù)載波相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值來(lái)評(píng)估接收器提供的接收器信號(hào)，其中，所述卡爾曼濾波器被設(shè)計(jì)成借助所述傳輸路徑的理論場(chǎng)模型以及由所述評(píng)估設(shè)備提供的載波相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值來(lái)確定所述移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述卡爾曼濾波器為無(wú)跡卡爾曼濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的裝置，其特征在于，提供優(yōu)選以鎖相方式連接的至少三個(gè)接收器，用于形成移動(dòng)式 發(fā)射器的定位系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提出的是一種用于確定移動(dòng)式發(fā)射器位置和方向的方法和裝置，所述移動(dòng)式發(fā)射器具有至少兩個(gè)線性極化天線，并設(shè)置為相互之間具有一預(yù)定角度。位置已知的多個(gè)接收器可與移動(dòng)式發(fā)射器同步，每個(gè)接收器接收通過圓極化天線發(fā)射出的具有預(yù)定載波頻率的信號(hào)。根據(jù)所述方法，建立了移動(dòng)式發(fā)射器和接收器之間的傳輸路徑的理論場(chǎng)模型，并定義了載波相位測(cè)量值，所述理論場(chǎng)模型在卡爾曼濾波器中實(shí)現(xiàn)，并且所述接收器信號(hào)根據(jù)載波相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值來(lái)評(píng)估。最后，借助接收器信號(hào)生成的載波相位測(cè)量值和/或到達(dá)時(shí)間值，在卡爾曼濾波器中確定所述移動(dòng)式接收器的位置和方向。
文檔編號(hào)G01S5/02GK103097906SQ201180034074
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者安德烈亞斯·艾德洛斯, 約恩·蒂勒?？?申請(qǐng)人:弗蘭霍菲爾運(yùn)輸應(yīng)用研究公司, 埃爾朗根-紐倫堡弗里德里?！啔v山大大學(xué)