專利名稱：用于確定搖擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定搖擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
根據(jù)EPl 556 713 Bl可知一種定位系統(tǒng)，使用該定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)持續(xù)跟蹤至少一個(gè)移動(dòng)物體的位置。在這方面，這是一個(gè)例如在運(yùn)動(dòng)場上移動(dòng)的球或運(yùn)動(dòng)員的物體的問題。在此定位系統(tǒng)中，固定安裝了多個(gè)接收器并且物體上連接有多個(gè)發(fā)射器，它們的信號被接收器接收并被評估。為了能夠進(jìn)行高精確的三維定位，接收器也必須被連接高度較大的位置，在最好的情況下，接收器甚至直接位于運(yùn)動(dòng)場的上方。因此不可避免地將接收器接在高桿上，例如接在便于足球場地使用的泛光燈桿上。
然而，可以看出當(dāng)這樣的桿在風(fēng)的影響下就會開始搖擺。這些運(yùn)動(dòng)影響了發(fā)射器和接收器之間，即被定位的物體和接收器之間的實(shí)際距離和所測量的距離。如果不考慮桿的運(yùn)動(dòng)的話，桿的擺動(dòng)就會被傳送到要被定位的物體。在這方面，對于一個(gè)不活動(dòng)的物體， 例如一個(gè)不運(yùn)動(dòng)的球來說，在最不利的情況下會產(chǎn)生幾厘米的位置波動(dòng)。
同時(shí)已知，借助GPS檢測和評估可以確定由于風(fēng)暴和臺風(fēng)造成的高塔結(jié)構(gòu)或高層建筑的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的基本目的是提供一種用于確定搖擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其中搖擺結(jié)構(gòu)上連接有接收器，通過該接收器，所述系統(tǒng)可以精確確定所述結(jié)構(gòu)位置的變化，并因此可以確定所述接收器位置的精確變化。
根據(jù)本發(fā)明，通過根據(jù)主權(quán)利要求特征的一種用于確定搖擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
進(jìn)一步優(yōu)選的改進(jìn)和完善可以通過在從屬權(quán)利要求中描述的方法來實(shí)現(xiàn)。
可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)所述結(jié)構(gòu)波動(dòng)的高精確測量提供至少三個(gè)參考發(fā)射器， 每一個(gè)發(fā)射器都具有已知和固定的位置，而且這些發(fā)射器的發(fā)射信號是由調(diào)制到具有限定載波頻率的載波上的信號形成的，其中一個(gè)評估裝置在考慮到限定載波頻率的同時(shí)，根據(jù)接收到的信號確定相位測量值，并且根據(jù)所述相位測量值計(jì)算出到各個(gè)發(fā)射器的距離以及接收器的位置變化，并因此計(jì)算出搖擺結(jié)構(gòu)的位置變化。當(dāng)只使用三個(gè)這樣的參考發(fā)射器時(shí)，有必要使所有發(fā)射器以相位鎖定的方式相互同步和/或耦合，并進(jìn)一步與接收器同步和/或耦合。如果安裝了四個(gè)這樣以相位鎖定方式相互同步或耦合的發(fā)射器，則不必與在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上的接收器同步，因?yàn)槲粗慕邮諘r(shí)間可以用從第四個(gè)參考發(fā)射器獲取的信息進(jìn)行刪除。本系統(tǒng)的另一種可以確定所有三維信息的設(shè)計(jì)包括不以相位鎖定的方式同步和耦合的三個(gè)參考發(fā)射器以及提供了已知位置的至少一個(gè)額外的固定接收器，其中后者以相位鎖定的方式與移動(dòng)接收器同步或者耦合。
每個(gè)參考發(fā)射器可以具有不同的載波頻率，然而，優(yōu)選將發(fā)送信號調(diào)制到所有參考發(fā)射器共有的載波頻率上，因?yàn)檫@樣可以明顯地減少評估困難和/或成本。例如可以使用2. 4GHz ISM波段或5GHz波段或根據(jù)頻率校準(zhǔn)或頻率分配的其他可用波段。區(qū)分單個(gè)參考發(fā)射器的信息可以作為識別碼以一個(gè)比特序列的形式被調(diào)制到該載波上。
特別優(yōu)選地，在一種用于校準(zhǔn)無線電系統(tǒng)的體系中提供根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，該無線電系統(tǒng)用于通過多個(gè)接收器在一個(gè)三維空間中確定至少一個(gè)移動(dòng)物體的位置，或特別優(yōu)選地將所述體系作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，其中，至少一個(gè)接收器被固定在一個(gè)搖擺結(jié)構(gòu)上， 而且其中還設(shè)有一個(gè)評估裝置，該評估裝置在確定移動(dòng)物體的位置時(shí)將固定在該結(jié)構(gòu)上的接收器的位置變化考慮在內(nèi)?？梢砸赃@種方式校準(zhǔn)無線電系統(tǒng)并提供高精確的三維定位， 調(diào)整搖擺系統(tǒng)的影響。優(yōu)選地，接收器以相位鎖定的方式相互同步或耦合；參考發(fā)射器則可以相互之間不同步，因此可以使用便宜的小型參考發(fā)射器。


圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并且在以下的描述中將更加詳細(xì)地對實(shí)施例進(jìn)行說明。所示為 圖1為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第一實(shí)施例示圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第二實(shí)施例示圖； 圖3為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第三實(shí)施例示圖； 圖4為整合到定位系統(tǒng)中的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的第三實(shí)施例示圖； 圖5為泛光燈桿的已確定位置的X-Y坐標(biāo)系統(tǒng)的俯視圖； 圖6為隨著時(shí)間的推移，泛光燈桿的X位置、Y位置和Z位置的示圖。
具體實(shí)施例方式圖1中所示為一種確定搖擺結(jié)構(gòu)(例如桿)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，此搖擺結(jié)構(gòu)的搖擺是由環(huán)境影響造成的，即由風(fēng)或風(fēng)暴造成的。在圖1中，標(biāo)識為1的桿上固定設(shè)有具有天線3的接收器2。在桿1的周圍設(shè)有具有天線5的多個(gè)參考發(fā)射器4，在本實(shí)施例中為4個(gè)固定且位置已知的發(fā)射器。例如在時(shí)間多路處理和/或代碼多路處理中，參考發(fā)射器4發(fā)送發(fā)射信號，該發(fā)射信號是由調(diào)制在一個(gè)載波頻率上的信號形成的，其中優(yōu)選將2. 4GHzISM波段用作發(fā)射波段，但是也可以使用其他波段，如5GHz ISM波段或根據(jù)頻率校準(zhǔn)或頻率分配的其他可用波段。發(fā)射信號優(yōu)選作為發(fā)射脈沖發(fā)送，在本實(shí)施例中所有的參考發(fā)射器4使用一個(gè)載波頻率。相關(guān)參考發(fā)射器4上的信息包含在發(fā)送信號中，例如作為比特序列在載波上調(diào)制的識別碼。參考發(fā)射器4之間相互同步，即它們具有相同的基準(zhǔn)時(shí)鐘，例如它們通過光纖網(wǎng)絡(luò)或者通過無線電和慣性原子鐘等與時(shí)鐘源6相連接。根據(jù)以上描述，圖1示出多種可能方案中一種方案。
例如，如果接收器3的接收器時(shí)間與參考發(fā)射器4的發(fā)射器時(shí)間也同步，則可以省略參考發(fā)射器4中的一個(gè)參考發(fā)射器。這種情況在圖2示出并作為最簡單的例子的評估， 因?yàn)樗械陌l(fā)射器4和接收器3都具有同一時(shí)鐘。
圖1和圖2也可以都根據(jù)圖3在使用三個(gè)不同步的參考發(fā)射器4和兩個(gè)相互同步的接收器2，7方面進(jìn)行修改；這通過與時(shí)鐘源6的連接示出。在這方面，接收器7位于一個(gè)固定的參考位置，而另一個(gè)接收器2位于搖擺結(jié)構(gòu)上。
根據(jù)圖1 3的實(shí)施例中，在接收器2的天線單元中，將由參考發(fā)射器4發(fā)送和接收的發(fā)射脈沖混合到基帶上，即去除例如2. 4GHz的載波，并且在進(jìn)一步的處理中考慮參考發(fā)射器4上的識別信息。隨后將接收器2上的載波的相應(yīng)接收相位與各個(gè)參考發(fā)射器4上的載波的各個(gè)接收相位相比較，即形成相位差。該相位差或所測量的相位角隨著參考發(fā)射器4和接收器2之間的相應(yīng)距離屯而減少，并且通常與2 Jidi/λ相對應(yīng)。因此，在最簡單的例子(圖2、中，通過以下方程式來確定距離Cli 其中i為參考發(fā)射器4上的標(biāo)注，Cpei代表測量的相位值，單位是弧度，該相位值通過接收器2中測量的相位和指定的相差的形成來確定，λ代表載波的波長，單位為米。在 2. 4GHz的載波頻率處，波長達(dá)到12. 27cm, Oi為距離偏移，單位同樣為米。
在根據(jù)圖1的實(shí)施例中，接收器2有自己的時(shí)鐘源，由于時(shí)鐘源6和接收器2之間的頻率偏移，將會產(chǎn)生距離變化(未給出)。由于針對所有參考發(fā)射器4計(jì)算出的距離都以同樣的方式產(chǎn)生偏差，因此可以利用第四參考發(fā)射器4的信息，通過形成距離差消除錯(cuò)誤。
相應(yīng)地，在根據(jù)圖3的實(shí)施例中，可以利用在固定接收器7上確定的測量相位值以及參考發(fā)射器4和接收器7之間的已知距離對在發(fā)送時(shí)間時(shí)參考發(fā)射器4上的相位角進(jìn)行反算。因此參考發(fā)射器4以數(shù)學(xué)的方式與移動(dòng)接收器2同步。隨后，可以計(jì)算出移動(dòng)接收器2和參考發(fā)射器4之間的距離。這樣包括發(fā)射器4上計(jì)算出的相位角，移動(dòng)接收器2上測量的相位角以及來自以上方程式的距離偏移的計(jì)算都完成了。
偏移最初是由桿1的位置確定的，桿1的位置是由測量設(shè)備如激光測量設(shè)備，參考發(fā)射器4的位置以及利用以上指定的方程式計(jì)算出的各個(gè)發(fā)射器/接收器的路徑的第一相位測量來確定的。
最初的偏移在進(jìn)一步的測量過程中被校正，以便將不同的影響因素考慮在內(nèi)，并且被用于適合各自當(dāng)前的偏移。該校正代表系統(tǒng)中溫度漂移的補(bǔ)償、絕對位置的調(diào)正以及被稱為“周期滑移” O η相位躍變)的校正。
因?yàn)樗鶞y量的長度也會隨著系統(tǒng)溫度的變化而變化，所以這樣的漂移必須得到補(bǔ)償，并且確實(shí)通過改變偏移而得到補(bǔ)償。因?yàn)樵撈疲礈y量值的偏移緩慢地發(fā)生，所以該漂移通過實(shí)際運(yùn)動(dòng)在測量值的變化上進(jìn)行疊加，并且能夠通過例如濾波處理進(jìn)行檢測。因此確保了在超過半個(gè)波長的長度變化上，不會發(fā)生作為系統(tǒng)中波長模糊的結(jié)果的位置躍變。
對各個(gè)偏移Oi進(jìn)一步的緩慢校正確保了接收器2的平均位置與由激光測量設(shè)備確定的位置相對應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，由于工作僅僅是利用測量相位值進(jìn)行的，所以不能確定絕對位置。正如以上已經(jīng)提及的，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)由未受到風(fēng)的影響而確定的并且被系統(tǒng)已知的位置形成。然而，如果接收器2的位置與系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的該已知位置大不相同，就會導(dǎo)致更大的錯(cuò)誤。在測量的平均值的基礎(chǔ)上，測量的位置在該已知位置的方向上進(jìn)行了更新，因此實(shí)現(xiàn)了校正。該校正利用了桿圍繞其“靜止位置”進(jìn)行擺動(dòng)的事實(shí)。通過這個(gè)過程， 可以省去復(fù)雜和/或花費(fèi)較高的絕對位置的確定。
必須注意的是，由于測量相位值的2 π的模糊性，相位值的測量，也就是以上方程式的解也同樣是模糊的，即這種現(xiàn)象的發(fā)生是因?yàn)楦淖兞藴y量的距離，也就是從一個(gè)相位測量到下一個(gè)相位測量發(fā)生了躍變，正如已經(jīng)陳述過的，躍變的值為。如果這些躍變沒有得到補(bǔ)償，測量的距離會跳躍一個(gè)波長，因此實(shí)質(zhì)性地改變了位置結(jié)果。由于距離與測量的相位值(單位為米)和偏移的總和相對應(yīng)，因此執(zhí)行對偏移進(jìn)一步的校正以防止距離躍變。在此，這不再是緩慢校正的例子，因?yàn)槠瓶梢詮拿}沖到脈沖躍變一個(gè)波長以補(bǔ)償發(fā)生在測量中的相位躍變。這種補(bǔ)償是通過相關(guān)測量相位值的所謂相位展開來實(shí)現(xiàn)的，這種補(bǔ)償是在偏移上進(jìn)行的。
在一個(gè)評估裝置中，例如該評估裝置是遠(yuǎn)離接收器2的遠(yuǎn)程設(shè)置的計(jì)算機(jī)，距離Cli 的測量結(jié)果就是發(fā)送給該評估裝置，這些結(jié)果是用來以一定的時(shí)間間隔或者連續(xù)地確定桿 1或接收器2的位置的。測量的相位值自然也可以與此時(shí)利用以上方程式確定的相應(yīng)的位置一起被發(fā)送到該評估裝置。通常Kalman濾波器和其他方法以及處理裝置一起用于該評估，然而，也可以使用諸如代數(shù)算法(例如Bancroft算法)，或諸如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)或粒子濾波器。隨后接收器2的位置的三個(gè)坐標(biāo)也會通過該評估裝置進(jìn)行傳送。
圖5示出了通過相位測量確定的桿1位置的俯視圖，即在一個(gè)選擇的坐標(biāo)系統(tǒng)中 X和Y的位置?？梢郧宄乜吹綏U的搖擺運(yùn)動(dòng)。
圖6中示出隨著時(shí)間的推移，單個(gè)坐標(biāo)軸上的位置的變化，其中每條中間線都表示最初由激光測量確定的桿的位置。然而從Z坐標(biāo)上看到的殘余振蕩實(shí)際上并不存在；這個(gè)錯(cuò)誤的出現(xiàn)是由于與移動(dòng)接收器2相關(guān)的參考發(fā)射器4的設(shè)置引起的。在相對小的空間角度內(nèi)，接收器2看得到所有的參考發(fā)射器4，這就出現(xiàn)了單個(gè)坐標(biāo)軸之間交叉串?dāng)_的結(jié)合ο 如上所述的系統(tǒng)或方法可以與一種體系一起使用，該體系用于一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)物體的高精確的三維定位，尤其是一個(gè)或多個(gè)在運(yùn)動(dòng)場上移動(dòng)的物體，如球和/或運(yùn)動(dòng)員。該系統(tǒng)在圖4中示出。作為例子提供了具有發(fā)射器8的兩個(gè)移動(dòng)物體，多個(gè)接收器9，2布置在運(yùn)動(dòng)場周圍或運(yùn)動(dòng)場上方，至少某些接收器(在本實(shí)施例中為接收器幻被裝在例如泛光燈桿上。在這樣的系統(tǒng)中，固定參考發(fā)射器4位于運(yùn)動(dòng)場的附近，固定到泛光燈桿上的接收器與接收器2相對應(yīng)，接收器9與圖3中的接收器7相對應(yīng)。各個(gè)物體的發(fā)射器8將無線電信號發(fā)送到接收器2和9，在評估裝置中評估接收到的信號以確定移動(dòng)物體的位置，該評估裝置與以上提到的用于確定擺動(dòng)桿1位置的評估裝置相對應(yīng)。在確定物體位置的評估中， 接收器2在圖5和圖6中的搖擺運(yùn)動(dòng)也被考慮在內(nèi)，并且相應(yīng)地校正了移動(dòng)物體的位置。 在示出的定位系統(tǒng)中，接收器相互之間同步，與時(shí)鐘源6的連接線說明了這一點(diǎn)。整合到用于確定桿1搖擺運(yùn)動(dòng)的定位系統(tǒng)中的此系統(tǒng)在此處作為用于校準(zhǔn)該定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)， 并具有相應(yīng)增加的精確度。小型而便宜的互不相連的迷你發(fā)射器可以作為參考發(fā)射器4使用。
在另一個(gè)確定桿或建筑物搖擺的實(shí)施例中，以上描述過的波動(dòng)通過各個(gè)坐標(biāo)的位置變化發(fā)展計(jì)算出來，不同的天氣條件下，對波動(dòng)的計(jì)算是很有必要的。
權(quán)利要求
1.一種用于確定固定裝有接收器O)的搖擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其特征在于，包括至少三個(gè)參考發(fā)射器G)，所述參考發(fā)射器(4)具有各自已知和固定的位置，所述參考發(fā)射器 (4)的發(fā)射信號由調(diào)制到具有限定載波頻率的載波上的信號形成的，通過用于從所述接收器( 接收到的各個(gè)所述參考發(fā)射器的發(fā)射信號確定測量的相位值的評估裝置，并考慮到所述限定載波頻率，根據(jù)所述測量的相位值可以計(jì)算出到各個(gè)所述參考發(fā)射器的距離以及所述接收器O)的位置變化，并且因此計(jì)算出所述搖擺結(jié)構(gòu)的位置變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于一個(gè)共同限定的載波頻率與所有的所述參考發(fā)射器(4)相關(guān)聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述接收器( 和各個(gè)所述參考發(fā)射器(4)之間的距離是通過以下方程式計(jì)算出來的其中d是各個(gè)所述參考發(fā)射器(4)和所述接收器( 之間的距離，i是所述參考發(fā)射器的標(biāo)注，Cpei是所述接收器上的各個(gè)所述參考發(fā)射器的測量相位值，單位為rad，λ為所述載波的波長，單位是m，Oi是各個(gè)偏移，單位是m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于各個(gè)所述偏移最初是通過所述結(jié)構(gòu)的位置確定的，所述結(jié)構(gòu)的位置是通過測量設(shè)備、固定所述參考發(fā)射器以及第一相位測量測量出來的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于具有已知位置的至少三個(gè)固定參考發(fā)射器(4)的布置和一個(gè)所述接收器( 在時(shí)間上同步或借助共同時(shí)鐘源(6)以相位鎖定的方式相互連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于提供第四固定參考發(fā)射器(4)， 其中所述四個(gè)參考發(fā)射器(4)在時(shí)間上同步或借助共同時(shí)鐘源(6)以相位鎖定的方式相互連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于除了所述接收器(2)外，在所述搖擺結(jié)構(gòu)處還設(shè)有至少一個(gè)已知位置的固定接收器(7)，其中所述參考發(fā)射器(4)相互之間不同步或不以相位鎖定的方式連接，擺動(dòng)的所述接收器( 與所述固定接收器(7)同步或以相位鎖定的方式相互耦合，并且已知位置的各個(gè)參考發(fā)射器的發(fā)射時(shí)間可以借助所述固定發(fā)射器各自的接收信號計(jì)算出來。
8.根據(jù)權(quán)利要求3 7中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述評估裝置用于根據(jù)系統(tǒng)中溫度變化調(diào)整所述偏移相應(yīng)值，其中由溫度的變化引起的所述測量值的變化可以通過濾波處理進(jìn)行檢測。
9.根據(jù)權(quán)利要求3 8中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述評估裝置用于補(bǔ)償所述搖擺結(jié)構(gòu)位置相對于確定過程開始時(shí)的所述測量位置的可能的偏離，這是通過借助測量位置值的平均值改變各個(gè)所述偏移值來實(shí)現(xiàn)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求3 9中任一所述的系統(tǒng)，其特征在于所述評估裝置用于使各個(gè)所述偏移值適合補(bǔ)償所述測量相位值的2 π相位躍變，其中可以評估突然的距離變化。
11.一種用于校準(zhǔn)無線電系統(tǒng)的組合系統(tǒng)，所述無線電系統(tǒng)用于利用多個(gè)接收器(2， 9)確定三維空間中至少一個(gè)移動(dòng)發(fā)射器(8)的位置，至少一個(gè)所述接收器O)固定在一個(gè)由環(huán)境影響引起搖擺的結(jié)構(gòu)上，所述組合系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求1 10中任一所述的系統(tǒng)，其中提供了一種評估裝置，所述評估裝置在確定移動(dòng)的發(fā)射器(8)的位置時(shí)將固定在所述結(jié)構(gòu)上的所述接收器O)的位置變化考慮在內(nèi)。
全文摘要
提出了一種用于確定固定安裝有接收器的搖擺結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，其中提供了具有已知和固定位置的至少三個(gè)參考發(fā)射器，并在限定載波頻率上發(fā)送由接收器接收的發(fā)射信號。另外，提供了一個(gè)評估裝置，所述評估裝置根據(jù)所接收的信號確定測量相位值，將限定載波頻率考慮在內(nèi)，其中根據(jù)所述相位值可以計(jì)算出參考發(fā)射器之間的距離以及接收器的位置變化，并且因此計(jì)算出搖擺結(jié)構(gòu)的位置變化。
文檔編號G01S11/02GK102187248SQ200980140641
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者安德里亞·艾德洛特, 諾伯特·弗蘭克 申請人:弗蘭霍菲爾運(yùn)輸應(yīng)用研究公司