Symmetrisches Mehrwegeverfahren zur Bestimmung des Abstandes zweier Senderempfänger
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des räumlichen Abstandes zweier drahtlos kommunizierender Senderempfänger von einander innerhalb ei- ner Reichweite der Größenordnung von 10 km. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System mindestens zweier drahtlos kommunizierender Senderempfänger, das zur Bestimmung des räumlichen Abstandes der Senderempfänger von ein¬ ander innerhalb einer Reichweite der Größenordnung von 10 km ausgebildet ist. Schließlich betrifft die Erfindung einen Senderempfänger zur Durchführung des erwähnten Verfahrens.
2. Stand der Technik
Zur Entfernungsmessung von mobilen und stationären Objekten wird auf drei un¬ terschiedliche Medien zurückgegriffen: Funk, Infrarot und Ultraschall. Dabei wird hauptsächlich das sogenannte Impulslaufzeitverfahren verwendet. Die Laufzeit
übertragener Impulse wird durch Messung der Ankunftszeit (Time of Arrival = TOA) und Vergleich mit der Startzeit der Impulse bestimmt. Mit der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium wird dann aus der Impulslaufzeit, die im Rahmen dieser Anmeldung auch als Signallaufzeit bezeichnet wird, die Entfer- nung berechnet.
Ein anderes Verfahren zur Entfernungsmessung misst die Signalstärke (Receive Signal Strength = RSS) empfangener Impulse und schätzt daraus die Entfernung ab. Die Signalstärke wird durch Störungen, Abschwächung und Reflektionen stark beeinflusst. Erfahrungsgemäß weist dieses Verfahren eine zu große Unge- nauigkeit und Unzuverlässigkeit für die Entfernungsmessung auf.
Ein weiteres Verfahren, mit dem ebenfalls die Entfernung berechnet werden kann, ist die Positionsbestimmung durch Winkelbestimmung (Angel of Arrival = AOA) und Triangulation. Die Entfernungsbestimmung eines Objekts erfordert je¬ doch zwei kooperierende Einrichtungen mit bekannter Entfernung zueinander. Die Winkelmessung ist verhältnismäßig aufwendig (spezielle Antennen, zeitlicher Aufwand) und bedingt durch Störungen, Abschwächung und Reflektionen unge¬ nau. Bei nicht vorhandener Sichtverbindung ist die Winkelmessung je nach ver¬ wendetem Medium stark eingeschränkt oder nicht mehr möglich. Erfahrungsge¬ mäß weist auch dieses Verfahren eine zu große Ungenauigkeit und Unzuverläs- sigkeit für die Entfernungsmessung auf.
Infrarot- und Ultraschallverfahren nach dem Impulslaufzeitverfahren weisen e- benfalls eine beträchtliche Reihe von Nachteilen auf. Die Reichweite der Syste¬ me ist nicht sehr groß, gewöhnliche Umwelteinflüsse wie Tageslicht, Schallquel¬ len oder Reflektionen stören diese stark und Signalabschwächungen z. B. durch starken Rauch oder Dunst führen bereits zum Ausfall dieser Systeme. Auf Grund der genannten Nachteile sind diese Verfahren für die präzise und zuverlässige Entfernungsmessung nicht geeignet.
Impulslaufzeitverfahren auf Basis von Funksignalen (englisch radio communicati- on Signals) sind gegen umweltbedingte Störungen weniger empfindlich und wei- sen erfahrungsgemäß die größte Genauigkeit auf.
Klassische Radarsysteme werden, was den Aufwand, die Störsicherheit und die eindeutige Identifikation von Objekten betrifft, als nachteilig eingeschätzt. Die Zu¬ verlässigkeit und Genauigkeit hängt stark von den Reflektionseigenschaften des zu messenden Objektes und den Ausbreitungsbedingungen der Radarwellen ab. Es wird zusätzlich zum Impulslaufzeitverfahren das Winkelbestimmungsverfahren angewandt, welches die bereits genannten Nachteile aufweist. Die Übertragung von beliebigen Daten ist mit den klassischen Radarsystemen nicht möglich.
Weitverbreitete Systeme, welche die Entfernungsmessung nach dem Impulslauf¬ zeitverfahren zur Positionsbestimmungen anwenden, sind die satellitengestützten Ortungssysteme. Dazu zählt beispielsweise das unter der Bezeichnung Global Positioning System (GPS) bekannte Ortungssystem. Die satellitengestützten Systeme weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Der Aufbau und Betrieb der Inf¬ rastruktur ist sehr aufwendig und teuer. Die Verfügbarkeit ist bei eingeschränkter Sichtverbindung zu den Satelliten durch Abschwächung stark reduziert (z. B. en- ge Schluchten, Wald) und durch Abschattung nicht mehr gegeben (z. B. in Ge¬ bäuden). Zudem ist nur die eigene Positionsbestimmung möglich, nicht aber die Positionsbestimmung entfernter Objekte. Um die Entfernung zu einem entfernten Objekt zu bestimmen, bedarf es eines zusätzlichen Systems zur Nachrichten¬ übertragung, da dies über die Satelliten nicht möglich ist. Nur durch eine zweite Positionsbestimmung und Austausch der Positionsdaten ist eine Entfernungs¬ messung möglich. Die Genauigkeit wird zudem als nicht ausreichend genau ein¬ geschätzt, da sich die Fehler zweier Positionsbestimmungen bei der Entfer¬ nungsberechnung (1-3 m bei differentiellem GPS) addieren können. Weiterhin zeichnen sich die Geräte zur Positionsbestimmung durch zu lange Messzeiten von bis zu mehreren Minuten aus, was die Entfernungsbestimmung mobiler Ob¬ jekten zu ungenau oder nicht mehr möglich macht. Eine Übertragung von belie¬ bigen Daten ist, wie bereits erwähnt, über die satellitengestützten Systeme nicht möglich. Zudem besteht eine Abhängigkeit vom Betreiber, der die Genauigkeit und Verfügbarkeit einschränken sowie für die Nutzung Gebühren erheben kann.
Eine weitere Möglichkeit der Entfernungsmessung ist die Positionsbestimmung von Mobilfunkteilnehmern mit Hilfe mobiler Endgeräte, z. B. Mobiltelefonen für den Betrieb nach dem GSM-Standard. Allerdings wird die erreichbare Genauig-
keit der Positionsbestimmung von bestenfalls 60 m als sehr nachteilig einge¬ schätzt. Auch hier besteht eine Abhängigkeit vom Betreiber, der voranging für die Nutzung Gebühren erhebt.
Bei weiteren bekannten Verfahren und Systemen, die die Rundlaufzeit einer FoI- ge von Funkimpulsen zwischen zwei Senderempfängern messen (aktives Impuls¬ radar), sind eine Reihe von Nachteilen vorhanden. Bei den bekannten Rundlauf¬ zeitverfahren nach dem TOA-Prinzip (Time of Arrival), auch Zwei-Wege-Ver¬ fahren genannt, besteht eine sehr große Abhängigkeit der Genauigkeit der Posi¬ tionsbestimmung von der Genauigkeit der Taktgeneratoren zur Zeitmessung. Bei gleichzeitiger Übertragung von Daten ergeben sich zur reinen Impulslaufzeit im Medium relativ lange Rundlaufzeitabstände, die durch die Übertragungszeit der Datenrahmen bedingt sind. Ein typisches Verhältnis ist 1 :10.000. Sehr präzise Taktgeneratoren mit einer Genauigkeit von besser als ± 1ppm und damit kosten¬ intensive Bauteile sind notwendig um eine hohe Genauigkeit zu erzielen. Bei Ein- satz kostengünstiger Taktgeneratoren (± 50 ppm), wäre nur eine unzureichende Genauigkeit (ca. 10 m) erzielbar.
Die Erhöhnung der Genauigkeit wird aus diesem Grund auch durch verkürzte Rundlaufzeitabstände erreicht. Dies hat allerdings zur Folge, dass weniger bis gar keine zusätzlichen Daten übertragen werden können und spezielle Nachrich- tenprotokolle verwendet werden müssen. Standardisierte Nachrichtenprotokollβ können nicht verwendet werden, was in Bezug auf Wiederverwendbarkeit oder Erweiterungsfähigkeit von Standards einen weiteren wesentlichen Nachteil dieser Verfahren darstellt.
Die erzielbare Genauigkeit ist bei den bekannten Verfahren weiterhin abhängig von der kleinsten Einheit der Zeitmessung. Für eine Erhöhung der Genauigkeit werden daher sehr kleine Zeiteinheiten verwendet, was den Einsatz sehr schnel¬ ler Taktgeneratoren und Zeitzähler notwendig macht (30 cm Entfernung ent¬ spricht 1 ns Zeiteinheit bzw. 1 GHz Taktfrequenz). Derart schnellere Zeitzähler werden aber als sehr nachteilig eingeschätzt, da dies mit Erhöhung des Energie- Verbrauchs und der Kosten einer Realisierung einhergeht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abstandsbestimmung an¬ zugeben, dass sich innerhalb einer Reichweite der Größenordnung von 10 km durch eine im Vergleich mit bekannten Verfahren erhöhte Genauigkeit der Ab¬ standsmessung auszeichnet und dabei zugleich den Einsatz von herkömmlichen Quarz-Taktgeneratoren mit einem Fehler von bis ± 50 ppm ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abstandsbestim¬ mung anzugeben, dass sich innerhalb einer Reichweite der Größenordnung von 10 km durch eine im Vergleich mit bekannten Verfahren erhöhte Genauigkeit der Abstandsmessung auszeichnet und dabei die Verwendung von Taktgeneratoren mit vergleichsweise geringen Frequenzen im Bereich von etwa 100 MHz zur Zeitmessung in den beteiligten Senderempfängern ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abstandsbestim- mung anzugeben, dass sich innerhalb einer Reichweite der Größenordnung von 10 km durch eine im Vergleich mit bekannten Verfahren erhöhte Genauigkeit der Abstandsmessung auszeichnet und dabei zugleich einen geringen Energiebedarf auf Seiten der beteiligten Senderempfänger erzeugt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abstandsbestim- mung anzugeben, dass sich innerhalb einer Reichweite der Größenordnung von 10km durch eine im Vergleich mit bekannten Verfahren erhöhte Genauigkeit der Abstandsmessung auszeichnet und dabei zugleich eine kostengünstige Herstel¬ lung der zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Senderempfänger er¬ möglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abstandsbestim¬ mung anzugeben, dass in Verbindung mit bekannten, standardisierten Nachrich¬ tenprotokollen wie Bluetooth, WLAN oder ZigBee verwendet werden kann, ohne
dass die Sicherungsschicht dieser Protokolle (Schicht 2 nach dem ISGVOSI-Re- ferenzmodell) modifiziert werden muss.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung des räumlichen Abstandes zweier drahtlos kommunizierender Senderempfänger von einander innerhalb einer Reichweite der Größenordnung von 10 km bereit gestellt. Bei dem Verfahren der Erfindung initiieren (Engl.: set off) beide Sender¬ empfänger jeweils mindestens einen Signalrundlauf, wobei ein Signalrundlauf die nachfolgend beschriebenen Schritte umfasst:
a) Senden mindestens eines Anfragedatenrahmens, der eine Sequenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, von einem den Signalrundlauf initiierenden ersten Senderempfän¬ ger zu einem zweiten Senderempfänger an einem Anfrage-Sendezeitpunkt, b) Empfangen des Anfragedatenrahmens beim zweiten Senderempfänger an einem Anfrage-Empfangszeitpunkt, c) Senden eines Antwortdatenrahmens, der eine Sequenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, vom zweiten Senderempfänger zum ersten Senderempfänger an einem Ant¬ wort-Sendezeitpunkt, der einen jeweiligen Antwortzeitabstand vom Anfra¬ ge-Empfangszeitpunkt hat, und Erfassen (Engl: Detect) des jeweiligen Ant- wortzeitabstandes, d) Empfangen des Antwortdatenrahmens beim den Signalrundlauf initiieren¬ den ersten Senderempfänger und Erfassen eines dem Empfang des Ant¬ wortdatenrahmens zugeordneten Antwort-Empfangszeitpunktes relativ zum Anfrage-Sendezeitpunkt,
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Auswertung mit den Schritten:
e) Ermitteln (Engl: Ascertain) eines Rundlaufzeitabstandes zwischen dem je¬ weiligen Anfrage-Sendezeitpunkt und dem jeweiligen Antwort- Empfangszeitpunkt für jeden Signalrundlauf, wobei dieser Schritt jederzeit nach dem betreffenden Signalrundlauf durchgeführt werden kann,
f) Ermitteln einer Signallaufzeit zwischen den zwei Senderempfängern an¬ hand der ermittelten Rundlaufzeitabstände und der Antwortzeitabstände und g) Ermitteln des räumlichen Abstandes zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger durch Multiplikation der Signallaufzeit mit einer vorbe¬ kannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalimpulse.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Signalrundläufe so durchge¬ führt, dass die Antwortzeitabstände entweder identisch sind oder eine Differenz, im Falle der Durchführung mehr als eines von jedem Senderempfänger initiierten Signalrundlaufes eine mittlere Differenz aufweisen, deren Betrag maximal 200 Mikrosekunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zum einen durch seine Eigen¬ schaft als symmetrisches Mehrwegeverfahren aus. Dabei wirken zwei Symmet- rieaspekte in bisher unbekannter Weise vorteilhaft zusammen. Eine erster Sym¬ metrieaspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kombination eines ers¬ ten Signalrundlaufes, bei dem der erste Senderempfänger Start- und Zielpunkt ist, mit einem zweiten Signalrundlauf, der den zweiten Senderempfänger als Start- und Zielpunkt hat. Die beiden Senderempfänger können jeweils auch meh- rere Signalrundläufe initiieren. Das erfindungsgemäße symmetrische Mehrwege¬ verfahren macht die Abstandsbestimmung wesentlich unempfindlicher gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung als herkömmliche Verfahren zur Abstandsbestimmung. Weiterhin beeinträchtigen geringfügige Abweichungen der Leistungsparameter von Schaltkreisen, die in den beteiligten Senderempfängern verwendet werden (sogenannte Exemplar¬ streuungen), die Genauigkeit der Abstandsbestimmung nicht wesentlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich darüber hinaus durch einen zweiten Symmetrieaspekt aus, indem die Antwortzeitabstände beim ersten Sen¬ derempfänger und beim zweiten Senderempfänger entweder identisch sind oder eine Differenz aufweisen, deren Betrag maximal 200 μs ist. Ein Antwortzeitab¬ stand ist die Zeitdifferenz zwischen einem Empfangszeitpunkt eines Anfrageda¬ tenrahmens und dem Aussenden eines Antwortdatenrahmens in Antwort auf den
empfangenen Anfragedatenrahmen bei einem Senderempfänger. Der Antwort¬ zeitabstand ist bedingt durch die Bearbeitungszeit beim Senderempfänger, etwa im Zusammenhang mit der Prüfung des Anfragedatenrahmens. Weiterhin ist der Antwortzeitabstand bedingt durch die Länge eines empfangenen Anfragedaten- rahmens und durch Protokollvorschriften, die beispielsweise die Einhaltung eines Mindest- und eines maximalen Antwortzeitabstandes vorschreiben können. Schwankungen der Antwortzeitabstände werden durch schaltungsbedingte Ver¬ zögerungen der Realisierungen der Senderempfänger verursacht.
Buchstäblich identische Antwortzeitabstände sind technisch kaum möglich, weil kleinste Abweichungen der Antwortzeitabstände bei entsprechender Messgenau¬ igkeit stets nachzuweisen sind. „Identisch" meint im Zusammenhang dieser An¬ meldung gleiche Werte der Antwortzeitabstände im Rahmen der Messgenauig¬ keit, die einer jeweiligen konkreten Implementierung angemessen ist. Es kann beispielsweise in einer Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur eine relativ geringe Genauigkeit der Ortsbestimmung im Bereich von ± 2m gefor¬ dert sein. In einem solchen Fall ist für einen Vergleich der Antwortzeitabstände eine geringere Genauigkeit der Messgenauigkeit angemessen als bei einer ge¬ forderten Genauigkeit von ± 50cm. Im Rahmen einer solchen reduzierten Genau¬ igkeit können Antwortzeitabstände als identisch bewertet werden, die bei höherer Messgenauigkeit eine geringfügige Differenz aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass diese Erläuterung nur zur Auslegung des Begriffs „identisch" dienen soll. Ein Vergleich von Antwortzeitabständen ist bei der Durchführung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens nicht erforderlich. Ein solcher Vergleich kann zum Nach¬ weis einer Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen. Es ist auch denkbar, dass im Rahmen eines Ausführungsbeispiels ein solcher Vergleich vor¬ genommen wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Abstandsbestimmung bei einer Entfernung von 10 km mit einem durch Quarztoleranzen verursachten Fehler von nur ± 150 cm ermöglicht. Andere Fehlerquellen sind bei dieser Angabe nicht be- rücksichtigt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Differenz der Antwort- zeitabstände maximal 20 Mikrosekunden beträgt, kann unter Berücksichtigung aller Fehlerquellen, die neben dem durch Quarztoleranzen bedingten Fehler die Genauigkeit des Verfahrens der Erfindung beeinträchtigen können, in der Praxis bei der Abstandsbestimmung einer Entfernung von 10 km eine Genauigkeit von ca. ± 100 cm, für eine Entfernung von 1 km sogar ± 50 cm oder besser erreicht werden.
Für die im Verhältnis zur Einfachheit der erforderlichen technischen Mittel erzielte überraschend hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Kombination des Merkmals der von beiden Senderempfängern initiierten Signal¬ rundläufe mit dem Merkmal identischer oder nur im Rahmen einer Differenz von maximal 200 μs (im bevorzugten Ausführungsbeispiel maximal 20 Mikrosekun¬ den) auftretender Antwortzeitabstände von sehr großer, von der Fachwelt bisher nicht erkannter Bedeutung. Wie weiter unten anhand von Fehlerberechnungen und Ausführungsbeispielen näher dargestellt wird, wird durch dieses Merkmal der Fehler der Abstandsbestimmung gegenüber herkömmlichen Verfahren unemp¬ findlich gegenüber Ungenauigkeiten der Zeitmessung in den an der Abstands¬ messung beteiligten Senderempfängern. Es können daher relativ ungenaue Taktgeneratoren zur Zeitmessung eingesetzt werden, ohne dass dadurch die Genauigkeit der Abstandsbestimmung wesentlich verringert wird. Beispielsweise werden kommerziell übliche, sehr kostengünstige Schwingquarze mit einer Takt¬ genauigkeit von ± 50 ppm und aus Quarzoszillatortakten mit dieser Genauigkeit abgeleitete Taktgeneratoren eingesetzt, ohne dass durch deren Fehler eine nen¬ nenswerte Verschlechterung der Genauigkeit auftritt. Es wird so eine bisher mit derart einfachen Mitteln nicht für möglich gehaltene Genauigkeit der Abstandsbe¬ stimmung erzielt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Abstandsbestimmung mit der genannten Genauigkeit in kurzer Zeit. Eine Abstandsbestimmung benötigt einen Zeitaufwand von nur ca. 2 ms.
Das erfindungsgemäße Verfahren schreibt keine feste Reihenfolge zwischen dem ersten und dem zweiten Signalrundlauf vor. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren können die Schritte des Ermitteins des jeweiligen Rundlaufzeitabstan¬ des (Schritte e) und f)) entweder unmittelbar nach Abschluss eines jeweiligen Signalrundlaufs durchgeführt werden. Oder es wird gewartet, bis beide Signal¬ rundläufe abgeschlossen sind, bevor mit der Auswertung in den Schritten e) und f) begonnen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine gleichzeitige Übertragung beliebiger Daten zwischen mobilen und stationären Sendeempfängern, in einem Datenrahmen, der zugleich als Anfragedatenrahmen oder Antwortdaten rahmen die Daten für die Entfernungsmessung in Form mindestens eines Signalimpulses enthält.
Das Verfahren benötigt keine zusätzliche Infrastruktur. Es ist auch in Gebäuden verwendbar. Mit einem geschätzten Energiebedarf von etwa 360 μJ pro Ab¬ standsbestimmung im Falle einer Realisierung in einem integrierten Schaltkreis zeigt sich ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung. Denn aufgrund dieses geringen Energiebedarfs eignet sie sich zum Einsatz von batteriebetrieben Sen¬ derempfängern mit hoher Betriebsdauer.
Die Signalverarbeitung beim erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders ein¬ fach. Zur Abstandsbestimmung werden lediglich Grundrechenarten herangezo¬ gen. Die Abstandsbestimmung kann daher in einer einfachen arithmetischen Einheit oder in wenigen Taktzyklen auf einem Mikroprozessor ausgeführt werden. Sie ist daher auch sehr schnell, insbesondere unmittelbar nach Durchführung der Signalrundläufe verfügbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ebenfalls zur hochpräzisen und schnellen Positionsbestimmung, zur Geschwindigkeitsmessung und zur Be- schleunigungsmessung, wie weiter unten näher erläutert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Kommunikationsnetzwerken einge¬ setzt werden. Eine Verwendung geeigneter Nachrichtenprotokolle erlaubt eine sehr hohe Anzahl von Stationen auf begrenztem Raum, ohne die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu gefährden. Die Verwendung bekannter
Nachrichtenprotokolle ermöglicht die Fähigkeit, eine Abstandsbestimmung ad- hoc vorzunehmen, ohne dass eine vorherige Aushandlung von Verfahrens¬ parametern notwendig ist.
Vorschriften bekannter standardisierter Nachrichtenprotokolle wie eine Prüfsum- menberechnung und Verschlüsselung können die Zuverlässigkeit und Sicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöhen, wie weiter unten näher er¬ läutert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch eine Kombination mehrerer erfin¬ dungsgemäßer Abstandsmessungen zwischen mehr als zwei Senderempfängern über eine oder mehrere Zwischenstationen zu entfernten Stationen bei hoher Präzision eine Abstandsbestimmung auch über größere Entfernungen ermögli¬ chen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann überall dort eingesetzt werden, wo eine Kenntnis über einen Abstand oder eine Position oder eine Positionsveränderung von Personen, Tieren oder stationären und mobilen Objekten erforderlich ist. Ein Einsatz ist beispielsweise im Bereich drahtloser Datenübertragungsnetzwerke, der Gebäudeautomatisierung, der industriellen Automatisierung, der Material- und Warenlogistik, der Fahrzeug- und Personennavigation oder der Nah- und Fernerkundung möglich. Weitere Anwendungsbeispiele werden im P.ahmen der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele genannt.
Neben dem Begriff Rundlaufzeitabstand wird im Rahmen dieser Anmeldung mit gleicher Bedeutung auch der Begriff Rundlaufzeit bezeichnet. Auch wird neben dem Begriff Antwortzeitabstand der Begriff Antwortzeit mit gleicher Bedeutung verwendet. Wesentlich ist, dass es sich hierbei nicht um Zeitpunkte handelt, son- dem um Zeitdifferenzen. Der Rundlaufzeitabstand ist die Dauer eines Signalrund¬ laufes, also der Zeitabstand (die Zeitdifferenz) zwischen einem Anfrage- Sendezeitpunkt und einem Antwort-Empfangszeitpunkt innerhalb eines Signal¬ rundlaufes. Der Antwortzeitabstand ist die Zeitdifferenz zwischen einem Anfrage- Empfangszeitpunkt und einem Antwort-Sendezeitpunkt innerhalb eines Signal- rundlaufes.
Nachfolgend werden zusätzliche Merkmale von Ausführungsbeispielen des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Auch in den Ansprüchen sind Ausfüh¬ rungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Die Ausfüh¬ rungsbeispiele können, soweit sich nichts Gegenteiliges unmittelbar und eindeu- tig aus der Beschreibung oder den Ansprüchen ergibt, auch in Kombination mit einander realisiert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein vom zweiten Senderemp¬ fänger initiierter Signalrundlauf jeweils zeitlich nach einem vom ersten Sender¬ empfänger durchgeführter Signalrundlauf ausgeführt. Wesentlich ist, dass der zweite Senderempfänger einen Signalrundlauf initiiert, nachdem er den Antwort¬ datenrahmen an den ersten Senderempfänger gesandt hat. Es versteht sich, dass die Bezeichnung „zweiter" und „erster" Senderempfänger bei diesem Aus¬ führungsbeispiel austauschbar ist. Dieses Verfahren sieht keinen oder einen nur geringen zeitlichen Überlapp der Signalrundläufe vor. Ein geringer zeitlicher Ll- berlapp der Signalrundläufe kann dadurch entstehen, dass der zweite Sender¬ empfänger einen Signalrundlauf durch Aussenden eines entsprechenden zweiten Anfragedatenrahmens initiiert, bevor der erste Senderempfänger zuvor ausge¬ sandten ersten Antwortdatenrahmen empfangen hat. Da ein Abstand von 10km einer Signallaufzeit von 30 Mikrosekunden entspricht, ist mit einem solchen Über- läpp jedoch keine wesentliche Beschleunigung des Verfahrens erzielbar.
Das Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren bezeichnet. Bei Ausführung meh¬ rerer Signalrundläufe wird es als Mehrfach-doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren bezeichnet.
Bei einem hierzu alternativen Ausführungsbeispiel sind die von beiden Sender¬ empfängern initiierten Signalrundläufe an einander gekoppelt. Der zweite Sen¬ derempfänger mit dem Senden des zugleich einen Signalrundlauf initiiert, wobei der Antwortdatenrahmen, der einem vom ersten Senderempfänger initiierten ers¬ ten Signalrundlauf zugeordnet ist, zugleich den Anfragedatenrahmen eines vom zweiten Senderempfänger initiierten zweiten Signalrundlaufs bildet. Dadurch bil¬ det bei diesem Ausführungsbeispiel Schritt c) eines vom ersten Senderempfän-
ger initiierten Signalrundlaufs zugleich Schritt a) eines vom zweiten Senderemp¬ fänger initiierten Signalrundlaufs. Diese Verfahrensführung kann beispielsweise als Standardmerkmal vereinbart sein. Sie kann auch durch Aussendung eines besonderen, kombinierten Anfrage- und Antwortdatenrahmens kenntlich gemacht werden, der auf Empfängerseite entsprechend interpretiert und behandelt wird. Ein solcher Datenrahmen wird in dieser Anmeldung stets als „kombinierter Anfra¬ ge- und Antwortdatenrahmen" bezeichnet, um eine Verwechslung mit der eben¬ falls verwendeten Kurzschreibweise „Anfrage- und Antwortdatenrahmen" zu ver¬ meiden, die als „Anfragedatenrahmen und Antwortdatenrahmen" zu verstehen ist. Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass eine andere hier verwendete Kurzschreibweise, „Start- oder Antwortdatenrahmen", als „Anfragedatenrahmen oder Antwortdatenrahmen" zu interpretieren ist.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil einer besonders hohen Verfahrensökonomie. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sen- derempfänger wird nicht vier Mal, sondern nur drei Mal durchlaufen. Es werden weniger Schritte zur Abstandsbestimmung benötigt. Diese ökonomische Verfah¬ rensführung ist mit keinerlei Einbuße an Messgenauigkeit verbunden. Damit ein¬ her geht ein verringerter Energiebedarf für die Abstandsmessung, weil hierfür weniger Datenrahmen übersandt werden müssen.
Im einzelnen umfassen die zwei Signalrundläufe dieses Ausführungsbeispiels die nachfolgend einzeln aufgeführten Schritte.
Der erste Signalrundlauf hat die Schritte:
a1 ) Senden mindestens eines ersten Anfragedatenrahmens, der eine Se¬ quenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impuls- zeitabstand enthält, von einem den Signalrundlauf initiierenden ersten
Senderempfänger zu einem zweiten Senderempfänger an einem ersten Anfrage-Sendezeitpunkt,
b1 ) Empfangen des ersten Anfragedatenrahmens beim zweiten Sender¬ empfänger an einem ersten Anfrage-Empfangszeitpunkt,
c1/a2) Senden eines ersten Antwortdatenrahmens, der eine Sequenz von min¬ destens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, vom zweiten Senderempfänger zum ersten Senderempfänger an einem ersten Antwort-Sendezeitpunkt, der einen jeweiligen Antwort- zeitabstand vom ersten Anfrage-Empfangszeitpunkt hat und der zugleich den zweiten Anfrage-Sendezeitpunkt bildet,
d1/b2) Empfangen des ersten Antwortdatenrahmens beim den Signalrundlauf initiierenden ersten Senderempfänger und Erfassen eines dem Empfang des ersten Antwortdatenrahmens zugeordneten ersten Antwort- Empfangszeitpunktes relativ zum ersten Anfrage-Sendezeitpunkt.
Dabei bilden die Schritte c1 ) und d1 ) zugleich die ersten zwei Schritte des zwei¬ ten Signalrundlaufs, die daher zugleich auch als Schritte a2) und b2) bezeichnet werden können. An diese schließen sich zum Abschluss des zweiten Signalrund¬ laufs die folgenden Schritte an:
c2) Senden eines zweiten Antwortdatenrahmens, der eine Sequenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, vom ersten Senderempfänger zum zweiten Senderempfänger an einem zweiten Antwort-Sendezeitpunkt, der einen jeweiligen Ant¬ wortzeitabstand vom ersten Antwort-Empfangszeitpunkt hat,
d2) Empfangen des zweiten Antwortdatenrahmens beim den Signalrundlauf initiierenden zweiten Senderempfänger und Erfassen eines dem Emp¬ fang des zweiten Antwortdatenrahmens zugeordneten zweiten Antwort- Empfangszeitpunktes relativ zum ersten Antwort-Sendezeitpunkt, der, wie oben erwähnt, in diesem Ausführungsbeispiel zugleich den zweiten Anfrage-Sendezeitpunkt bildet.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als symmetrisches Drei-Wege-Verfahren oder kurz als Drei-Wege-Verfahren be¬ zeichnet. Nähere Einzelheiten dieses Ausführungsbeispiels werden ebenfalls im Zusammenhang mit der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei-
spiele erläutert. Es kann ebenfalls durch Fortführung der Signalrundläufe erwei¬ tert werden, was eine höhere Genauigkeit der Abstandsbestimmung ermöglicht.
Wird jeweils nur ein vom ersten Senderempfänger und ein vom zweiten Sender¬ empfänger initiierter Signalrundlauf durchgeführt, wird die Signallaufzeit Tprop zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger gemäß der Formel
11 oundAλ — 1 teply Bl ~f~ 1 ιouπdB2 — 1 reply42
Formel 1 : *P'°P
bestimmt. Diese Formel wird verwendet, wenn der erste und zweite Signalrund¬ lauf getrennt, oder, wie im zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel, gekoppelt durchgeführt werden. Sie ist also auf ein Doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren ebenso anwendbar wie auf ein Drei-Wege-Verfahren.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens initiiert jeder Senderempfänger mindestens zwei Signalrundläufe, bis der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger von einer An¬ zahl Anfrage- und Antwortdatenrahmen durchlaufen worden ist, die mindestens acht und ein Vielfaches von vier ist. Das , was bedeutet, dass mindestens vier und Vielfache von zwei Anfragedatenrahmen sowie mindestens vier und Vielfa¬ che von zwei Antwortdatenrahmen übertragen werden. Bei diesem Ausführungs¬ beispiel kann jeder Senderempfänger 2, 3, 4,..,n Signalrundläufe initiieren. Es sind dann entsprechend 4 Anfrage- und 4 Antwort-, 6 Anfrage- und 6 Antwort-, 8 Anfrage- und 8 Antwort-, 10 Anfrage- und 10 Antwortrahmen usw. möglich. Die Summe aller Rahmen ist immer ein Vielfaches von 4. Bei diesem Ausführungs¬ beispiel
werden zu den vom ersten Senderempfänger initiierten Signalrundläufen zusätzliche Rundlaufzeitabstände TrounιlAι mit i= 3, 5, 7,.., (n-2) von Trou„äA3 bis TroundA(n-2) ermittelt, wobei n>3 eine ungerade Zahl ist, und
werden zu den vom zweiten Senderempfänger initiierten Signalrundläufen zusätzliche Rundlaufzeitabstände TmundBk mit k= 4, 6, 8,.., (n-1 ) von Trou„,iB4 bis lnunm„-i) ermittelt,
wobei Antwortzeitabstände TrepιyAk, k= 2, 4, 6, 8, .., (n-1 ) von Trepiy42 bis TrepιyA(„-i), und TrepiyBi, i = 1 , 3, 5, 7, ..,(n-2). von Trep,yBj bis TrepιyB(„.2) auftreten, die eine mittlere Differenz gemäß der Formel
TieplyAl — TieplyBX + .. + TieplvΛ(n - 1) — TieplγB(n - 2)
Formel 2: A-/RepWro = n-\
aufweisen, deren Betrag maximal 200, bevorzugt jedoch maximal nur 20 Mikro- sekunden ist. Diese Formel bildet die einfache Differenz der Antwortzeitabstände im Fall nur je eines von jedem Senderempfänger initiierten Signalrundlaufes auf den Fall einer Vielzahl von Signalrundläufen ab.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden von beiden Senderempfängern nicht nur ein, sondern mehrere Signalrundläufe initiiert. Es handelt sich hierbei also um die schon oben erwähnte Variante eines mehrfach-doppelseitigen Zwei-Wege- Verfahrens. Die Signalrundläufe werden also nicht gekoppelt, sondern unabhän¬ gig von einander durchgeführt. Die Signallaufzeit zwischen dem ersten und dem zweiten Senderempfänger kann bei diesem Ausführungsbeispie! daher anhand der Vielzahl der ermittelten Rundlaufzeitabstände und der erfassten Antwortzeit¬ abstände mit erhöhter Genauigkeit bestimmt werden, was die Präzision der Ab- Standsbestimmung erhöht. Einzelheiten der Berechnung der Signallaufzeit wer¬ den weiter unten im Rahmen der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausfüh¬ rungsbeispiele erläutert.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die erfindungsgemäße Forde¬ rung nach einer Differenz der Antwortzeitabstände von maximal 200 (bevorzugt 20) Mikrosekunden entweder durch die Forderung ersetzt, dass eine mittlere Dif¬ ferenz gemäß der obenstehenden Formel einen Betrag aufweist, der maximal 200 (bevorzugt 20) Mikrosekunden ist. Diese Bedingung ist äquivalent mit der bei einer jeweils einmaligen Durchführung des ersten und zweiten Signalrundlaufs
geforderten Maximaldifferenz von 200 (bevorzugt 20) Mikrosekunden. In einer Verfahrensvariante werden beide Bedingungen zugleich erfüllt.
Es ist anzumerken, dass beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Vielzahl von Signalrundlauf-Paaren bei einem Paar Antwortzeitabstände auftreten kön- nen, deren Differenz einen Betrag von mehr als 200 oder, im bevorzugten Aus¬ führungsbeispiel, mehr als 20 Mikrosekunden aufweist. Dies wird dann jedoch durch eine geringere Differenz anderer Antwortzeitabstände bei anderen Signal¬ rundlauf-Paaren ausgeglichen und bildet daher eine Ausnahme. Wesentlich für die Genauigkeit der Abstandsbestimmung ist vorliegend die mittlere zeitliche Dif- ferenz der Antwortzeitabstände.
Auch bei der gekoppelten Durchführung der Signalrundläufe im Rahmen eines Ausführungsbeispiels, das ein symmetrisches n-Wege-Verfahren bildet, können die Signalrundläufe zur Erhöhung der Präzision der Abstandsbestimmung mehr¬ fach ausgeführt werden. Bei dieser Ausführungsform
- initiiert jeder Senderempfänger mindestens zwei Signalrundläufe , bis der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger von einer un¬ geraden Anzahl n>3 Anfrage- und Antwortdatenrahmen ) (also eine unge¬ rade Anzahl n>3 der Summe aller übertragenen Rahmen) durchlaufen wor¬ den ist, wobei alle zusätzlichen Rundlaufzeitabstände ermittelt und alle zu- sätzlichen Antwortzeitabstände erfasst werden,
werden nach wiederholter Durchführung der ersten Signalrundlauf- Schrittfolge zusätzliche Rundlaufzeitabstände rroHπrf/4( mit i= 3, 5, 7 (n-2), von TroundAs bis TroundA(„-2) ermittelt und
nach wiederholter Durchführung der zweiten Signalrundlauf-Schrittfolge zu- sätzliche Rundlaufzeitabstände Trmι„dBk, mit k = 4, 6, 8,..., (n-1 ), von Trouιu,B4 bis TroundB(n.}) ermittelt,
wobei Antwortzeitabstände TreplyAk, k= 2, 4, 6, 8,...,(n-1 ) von TrepιyA2 bis TrepiyA(n-i), TrepiyB» i= 1 , 3, 5, 7,...,(n-2) von Tre≠yBj bis TrepfyB(„-2) auftreten, die eine mittlere Differenz gemäß der Formel
TiephAl — TiephBl + .. + TieplγA(n - 1) — TιeplyB(π - 2)
Formel 3: ^RephAVG = 7Ä
aufweisen, deren Betrag maximal 200, bevorzugt maximal 20 Mikrosekunden ist. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht, wie schon oben im Fall der mehrfachen entkoppelten Durchführung von Signalrundlauf-Paaren im Rahmen des mehr¬ fach-doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens beschrieben, eine präzisere Ab¬ standsbestimmung und wird ebenfalls im Rahmen der detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter unten näher erläutert. Die Anfrageda¬ tenrahmen sind auch gleichzeitg Antwortdatenrahmen (Überlappung), so dass in diesem Ausführungsbeispiel immer eine ungerade Anzahl von Rahmen übertra¬ gen wird.
Bei den genannten Ausführungsbeispielen, die eine mehrfache Durchführung des ersten und zweiten Signalrundlaufs vorsehen, wird die Signallaufzeit Tprop gemäß der Formel
Formel 4 — TreplyBλ + TioundBl — TiepfyAl + .. + TιoundA{n - 2) — TιeplyB{n - 2) -H TιoundB(n ~ 1) ~ Tieρfy4(n 1) Ipiop —
n =2k + l,k <= N >l
ermittelt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die Signalrundläufe zeitlich ü- berlappend ausgeführt, wobei die Anfrage- und Antwortdatenrahmen eines vom ersten Senderempfänger initiierten Signalrundlaufes auf einem anderen Übertra¬ gungskanal übertragen werden als die Anfrage- und Antwortdatenrahmen eines
vom zweiten Senderempfänger initiierten Signalrundiaufes. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren schneller durchgeführt werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens betref¬ fen Varianten der Auswertung im Rahmen der Abstandsermittlung. Die nachfol- gend beschriebenen Varianten können jeweils mit allen vorstehend beschriebe¬ nen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. In einer ersten Variante ermittelt nur der erste, in einer zweiten Variante nur der zweite Senderempfänger den räumlichen Abstand. Der jeweils andere Senderempfänger übermittelt zuvor den auf seiner Seite ermittelten Rundlaufzeitabstand und den dort aufgetretenen Antwortzeitabstand. In einer dritten Variante ermitteln beide Senderempfänger den räumlichen Abstand und übertragen einander zuvor die jeweils ermittelten Rundlaufzeitabstände und aufgetretenen Antwortzeitabstände.
In einer vierten Variante ermittelt ein dritter Senderempfänger den räumlichen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger, und übertragen der erste und zweite Senderempfänger die ermittelten Rundlaufzeitabstände und Antwortzeitabstände zuvor alternativ oder zusätzlich an den dritten Senderemp¬ fänger. Dabei muss es sich nicht notwendigerweise um eine gezielte Übertra¬ gung an den dritten Senderempfänger handeln. Diese Variante kann auch so durchgeführt werden, dass der dritte Senderempfänger die Übermittlung der Rundlauf-, und Antwortzeitabstände zwischen erstem und zweitem Senderemp¬ fänger „mithört", wobei ihm somit die Rundlauf- und Antwortzeitabstände von beiden Senderempfänger mitgeteilt werden.
Denkbar ist auch, dass allein die Sende- und Empfangszeitpunkte zwischen den genannten Senderempfängern übertragen werden und anschließend die Rund- lauf und Antwortzeiten ermittelt werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthalten die übermittelten Anfrage- und Antwortdatenrahmen mehr als zwei Signalimpulse und werden auf Seiten eines jeweiligen Empfängers die Empfangszeitpunkte von mehr als zwei Signalimpul¬ sen eines jeweiligen Anfrage- oder Antwortdatenrahmens erfasst.
Die Erfassung der Empfangs- und Sendezeitpunkte der einzelnen Datenrahmen verwendet einen einheitlichen Referenzzeitpunkt im Datenrahmen, bezüglich dessen Zeitpunkte bestimmt werden. Beispielsweise wird der erste Signalimpuls, in einem anderen Beispiel der letzte Signalimpuls, in einem weiteren Beispiel ein beliebiger anderer Signalimpuls innerhalb jedes Datenrahmens als Referenz¬ punkt vereinbart oder festgelegt. Die Anzahl der Signalimpulse der einzelnen Da¬ tenrahmen kann dabei immer verscheiden sein, solange der Referenzzeitpunkt in allen Datenrahmen existiert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sendet der jeweilige Sender eines An- frage- oder Antwortdatenrahmens Signalimpulse des Datenrahmens zu Sende¬ zeitpunkten aus, die relativ zu einem Zeitraster, das durch den senderseitig vor¬ bestimmten Impulszeitabstand im auszusendenden Datenrahmen definiert ist, derart verschoben sind, dass die Signalimpulse im Mittel zu den durch das Zeit¬ raster vorgegebenen Rasterzeitpunkten ausgesendet werden. Ein derartiges Vorgehen wird nachfolgend auch als Dithering bezeichnet. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Abstandsbestimmung weiter erhöht werden, wie unten im einzelnen erläutert wird.
Dithering kann alternativ oder, besonders bevorzugt, zusätzlich auf Seiten eines jeweiligen Empfängers zur Erhöhung der Präzision der Abstandsbestimmung verwendet werden. Der Empfänger eines Anfrage- oder Antwortdatenrahmens verschiebt dabei Signalimpulse des empfangenen Datenrahmens relativ zu ei¬ nem Zeitraster, das durch den Impulszeitabstand der empfangenen Signalimpul¬ se definiert ist, derart, dass die verschobenen Signalimpulse im Mittel mit dem senderseitig vorbestimmten Impulszeitabstand empfangen werden.
Dabei ist vorzugsweise eine Streuung der Zeitverschiebung eines Signalimpulses des Datenrahmens auf Seiten des jeweiligen Senders oder des jeweiligen Emp¬ fängers größer ist als die Genauigkeit einer Zeitmessung auf Seiten des Empfän¬ gers. Im Falle eines sowohl vom jeweiligen Sender als auch vom jeweiligen Emp¬ fänger erzeugten Ditherings ist die Streuung der Summe der Zeitverschiebungen eines Signalimpulses auf Seiten des jeweiligen Senders und des jeweiligen Emp-
fängers größer ist als die Genauigkeit einer Zeitmessung auf Seiten des Empfän¬ gers. .
Bei Verwendung des Ditherings auf Seiten des Senders werden bei dem jeweili¬ gen Empfänger eines Datenrahmens vorzugsweise die Empfangszeitpunkte ei- ner Mehrzahl in einem empfangenen Anfrage- oder Antwortdatenrahmen enthal¬ tener Signalimpulse relativ zu einem durch den Impulszeitabstand der empfan¬ genen Signalimpulse und einen vereinbarten Referenzpunkt im Anfrage- oder Antwortdatenrahmen definierten Zeitraster erfasst und abgespeichert.
Dabei ermittelt der jeweils empfangende Senderempfänger nach Erfassung der Empfangszeitpunkte einen mittleren Empfangszeitpunkt bezüglich des Zeitras¬ ters.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ermittelt der jeweilige Empfänger bei der Bestimmung eines Empfangszeitpunktes eines Signalimpul¬ ses denjenigen Zeitpunkt, bei dem ein detektierter Signalimpuls einen maximalen Signalgewinn oder einen maximalen Wert einer Korrelation mit einem vorbe¬ stimmten Signalmuster aufweist.
Dabei startet der jeweilige Empfänger nach einer Bestimmung eines Empfangs¬ zeitpunktes eines Datenrahmens und vor einer nachfolgenden Bestimmung eines Empfangszeitpunktes eines nächsten Datenrahmens einen von ihm zur Bestim- mung von Sende- und Empfangszeitpunkten verwendeten Taktgenerator oder Oszillator neu.
Alternativ moduliert der jeweilige Empfänger während des Empfangs eines Da¬ tenrahmens einen von ihm zur Bestimmung von Sende- und Empfangszeitpunk¬ ten der Signalimpulse verwendeten Taktgenerator oder Oszillator in seiner Fre- quenz gemäß einer pseudozufälligen Sequenz.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden durch eine Mehrwegeausbrei¬ tung der Signalimpulse hervorgerufene Fehler reduziert, in dem der Empfänger bei Vorliegen einer auf eine Mehrwegeausbreitung eines einzelnen Signalimpul-
ses zurückgehenden Impulsfolge im Empfangssignal als Empfangszeitpunkt des Signalimpulses den frühesten Zeitpunkt innerhalb eines vorbestimmten Zeitfens¬ ters ermittelt, bei dem das Empfangssignal einen maximalen Wert annimmt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vereinbaren der erste und zweite Sen- derempfänger die Werte der Antwortzeitabstände vor Aussendung eines Anfra¬ gedatenrahmens.
Um die Abstandsbestimmung bei einer mehrfachen Durchführung der Abstands¬ bestimmung für Dritte unzugänglich zu machen, vereinbaren der erste und zweite Senderempfänger vor Aussendung eines Anfragedatenrahmens der ersten Durchführung eine Folge von unterschiedlichen Werten von Antwortzeitabstän- den und halten bei nachfolgenden Durchführungen jeweils den nächsten in der Folge vorgegebenen Antwortzeitabstand ein. Dabei variieren der erste und zwei¬ te Senderempfänger den Antwortzeitabstand vorzugsweise in Abhängigkeit von einer unbekannten pseudozufälligen Zahlenfolge.
Eine weitere Erhöhung der Geheimhaltung wird erzielt, indem der erste und zwei¬ te Senderempfänger während der Vereinbarung der Antwortzeitabstände oder der Folge von Antwortzeitabständen einander geheim verschlüsselte Nachrichten übertragen.
Vorzugsweise messen der erste und der zweite Senderempfänger den jeweils von ihnen verwendeten Antwortzeitabstand. Die gemessenen Antwortzeitabstän¬ de werden zur Abstandsbestimmung herangezogen. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Verfahrens der Erfindung sichergestellt.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zur Abstandsbestimmung verwendeten Signalimpulse zugleich als Informationssymbole verwendet.
Besonders bevorzugt ist weiterhin die Einbettung des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens in bekannte Übertragungsprotokolle der Schicht 2 des OSl-Referenzmodells.
Vorzugsweise wird dabei ein international standardisiertes Übertragungsprotokoll verwendet, das in weit verbreiteter Verwendung ist.
Bei einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Sig- nalimpulse durch Chirpimpulse gebildet. Dabei werden Chirpimpulse mit steigen¬ dendem oder fallendem Frequenzgang verwendet. Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit der Abstandsbestimmung ist es vorteilhaft, zwei komplementäre Ty¬ pen von Chirpimpulse zu verwenden, die eine identische Mittenfrequenz und Im¬ pulsdauer, jedoch einen gegenläufigen und um die Mittenfrequenz symmetri- sehen, beim einen Chirpimpuls-Typ steigenden und beim anderen Chirpimpuls- Typ fallenden Frequenzgang während der Impulsdauer aufweisen, wobei zur Ab¬ standsbestimmung die komplementären Chirpimpuls-Typen in einem Anfrage¬ oder Antwortdatenrahmen in jeweils gleicher Anzahl verwendet werden. Dabei betrifft die Forderung der Symmetrie um die Mittenfrequenz die komplementären Chirpimpuls-Typen im Vergleich, nicht den einzelnen Chirpimpuls-Typ.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Kalibrierungslauf durchgeführt, indem der erste oder der zweite oder beide Senderempfänger vor einem ersten Signalrundlauf im Rahmen der Abstandsbestimmung zum jeweils anderen Sen¬ derempfänger jeweils mindestens einen Signalrundlauf zur Bestimmung des Ab- Standes von einem oder von je einem mit vorbekanntem Abstand zum jeweiligen Senderempfänger angeordneten Kalibrier-Sender-Empfänger durchführen, der zusätzlich einen dem jeweiligen Senderempfänger bekannten oder jeweils zu ü- bermittelnden Antwortzeitabstand verwendet. Die Abstandsbestimmung vom Ka- librier-Senderempfänger folgt dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden der so ermittelte und der vorbekannte räumliche Ab¬ stand zum Kalibrier-Senderempfänger verglichen. Das Vergleichsergebnis wird im Rahmen der nachfolgenden Abstandsbestimmung zur Fehlerkorrektur ver¬ wendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden vorzugsweise vor Durchführung einer Abstandsbestimmung oder im Zeitabstand der Größenordnung einer Sekunde davor oder danach entweder eine aktuelle Temperatur am Ort eines jeweiligen
Senderempfängers oder eine aktuelle Versorgungsspannung eines jeweiligen
Senderempfängers oder sowohl die Temperatur als auch die Versorgungsspan¬ nung ermittelt.
Dabei speichern der erste oder der zweite oder beide Senderempfänger vor oder während der Durchführung der Kalibrierung das Vergleichsergebnis zur Ermitt- lung von für den jeweiligen Senderempfänger charakteristischen Fehlerdaten als Funktion entweder der Temperatur am Ort eines jeweiligen Senderempfängers oder als Funktion der aktuellen Versorgungsspannung eines jeweiligen Sender¬ empfängers oder als Funktion beider genannter Parametern ab. Weiterhin wer¬ den die ermittelten Fehlerdaten zur Bestimmung einer für den jeweiligen Sender- empfänger individuellen temperatur- und versorgungsspannungsabhängigen Fehlerkorrekturfunktion oder einer entsprechenden Fehlerkorrekturtabelle heran¬ gezogen, die im jeweiligen Senderempfänger abgespeichert werden. Schließlich werden im Rahmen einer nachfolgenden Abstandsbestimmung ermittelte Ab¬ standswerte durch Anwendung der Fehlerkorrekturfunktion oder durch Heranzie- hung eines in der Fehlertabelle enthaltenen Korrekturwertes korrigiert. Wenn die Entfernung nur auf Seiten eines einzigen Senderempfängers berechnet wird, muss der Korrekturwert zusätzlich zu den Signalrundlauf- und Antwortzeitabstän- den übertragen werden. Alternativ können die Signalrundlauf- und Antwortzeitab- stände bereits vor der Übermittlung korrigiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in weiteren Ausführungsbeispielen auch zur Geschwindigkeits- und Beschleunigungsmessung verwendet werden. Zur Geschwindigkeitsbestimmung wird vorzugsweise die Abstandsbestimmung nach einem vorbestimmbaren oder dynamisch veränderbaren Messzeitabstand wie¬ derholt. Dabei bedeutet die dynamische Veränderbarkeit des Messzeitabstands, dass der Messzeitabstand während der Durchführung der Geschwindigkeitsmes¬ sung geändert werden kann. Auf diese Weise kann bei einer sich häufig ändern¬ den Geschwindigkeit die Häufigkeit der Abstandsmessungen erhöht werden, um einen genaueren Verlauf der Geschwindigkeit beider Senderempfänger relativ zueinander zu bestimmen. Die Bestimmung eines Geschwindigkeitswertes erfolgt durch Bildung einer Abstandsdifferenz nach einander ermittelter Abstandswerte zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger und anschließende Bildung
eines Quotienten aus der Abstandsdifferenz und dem Messzeitabstand die Ge¬ schwindigkeit der Senderempfänger relativ zu einander.
Bei einer Beschleunigungsmessung mit einem vorbestimmbaren oder dynamisch veränderbaren Geschwindigkeits-Messzeitabstand zwei Geschwindigkeitswerte ermittelt.
Durch Bildung einer Geschwindigkeitsdifferenz nach einander ermittelter Ge¬ schwindigkeitswerte und anschließende Bildung des Quotienten aus der Ge¬ schwindigkeitsdifferenz und dem Messzeitabstand wird die Beschleunigung der Senderempfänger relativ zu einander ermittelt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Anzahl der von jedem Sender¬ empfänger initiierten Signalrundläufe in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Genauigkeit der Abstandsbestimmung gewählt.
Dabei wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Anzahl der Signalrundläufe in zusätzlicher Abhängigkeit von einer vorbestimmten Obergrenze der Zeitdauer der Durchführung der Abstandsbestimmung gewählt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird als Weiterbildung der erfin¬ dungsgemäßen Abstandsbestimmung ein Verfahren zur Bestimmung der Positi¬ on eines ersten Senderempfängers relativ zu mindestens einem zweiten Sender¬ empfänger innerhalb eines Abstandsbereiches der Größenordnung von 10 km bereitgestellt, bei zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem ersten und dem oder jedem zweiten Senderempfänger ein Verfahren nach einem der vorstehen¬ den Ansprüche verwendet wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Positionsbestimmungsverfahrens ergeben sich aus denen des Abstandsbestimmungsverfahrens des ersten Aspekts der Erfindung. Ausführungsbeispiele des Positionsbestimmungsverfahren weisen die zusätzlichen Merkmale der in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbei¬ spiele des erfindungsgemäßen Abstandsbestimmungsverfahrens entweder ein¬ zeln oder in Kombination auf.
Dabei erfolgt auf der Basis der Abstandsbestimmung die Bestimmung der Positi¬ onen eines Senderempfängers, wie bei Verfahren zur Positionsbestimmung all¬ gemein üblich, durch Tri- oder Multilateration mit Senderempfängern bekannter Positionen.
Durch Einflüsse von Temperatur, Versorgungsspannung und Exemplarstreuun¬ gen als auch der Mehrwegeausbreitung kann es zu Fehlern der Impulslaufzeiten kommen, die bei der Lateration ein mehrdeutiges Ergebnis der Position ergeben würden. Das erfindungsgemäße Abstandsbestimmungsverfahren kann diese Fehler reduzieren. Durch Verwendung zusätzlicher, redundanter Senderempfän- ger mit bekannter Position und anderer bekannter Verfahren der Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung können genauere Positionskoordina¬ ten ermittelt werden.
Dabei sind auch Fehler kompensierbar, die durch eine ungleichmäßige Vertei¬ lung der Ausbreitungseigenschaften des Mediums (inhomogene Mehrwegaus- breitung) entstehen, da die Abstandsmesswerte bei der Positionsbestimmung auffällig werden und entsprechend gewichtet berücksichtigt werden können. Die somit verbesserte Präzision der Positionskoordinaten von Senderempfängern kann dann wiederum zur verbesserten Berechnung der Entfernung zwischen zwei Senderempfängern verwendet werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Senderempfänger für eine drahtlose Kommunikation zur Bestimmung des räumlichen Abstandes zu einem zweiten Senderempfänger innerhalb eines Abstandsbereiches der Größenord¬ nung von 10 km mit dem Verfahren nach Anspruch 1 angegeben.
Der Senderempfänger hat eine Sendeeinheit, die ausgebildet ist, einen ersten Signalrundlauf durch Aussenden eines ersten Anfragedatenrahmens, der eine Sequenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitab¬ stand enthält, an einem ersten Anfrage-Sendezeitpunkt zu einem zweiten Sen¬ derempfänger zu initiieren.
Weiterhin hat der erfindungsgemäße Senderempfänger eine Empfangseinheit, die ausgebildet ist, den Empfang eines in Antwort auf den ersten Anfragedaten¬ rahmen vom zweiten Senderempfänger übersandten ersten Antwortdatenrah¬ mens zu überwachen und einen dem Empfang des ersten Antwortdatenrahmens zugeordneten ersten Antwort-Empfangszeitpunkt relativ zum ersten Anfrage- Sendezeitpunkt zu erfassen.
Erfindungsgemäß ist die Sendeeinheit zusätzlich ausgebildet,
nach Empfang eines einen zweiten Signalrundlauf initiierenden zweiten An¬ fragedatenrahmens vom zweiten Senderempfänger einen zweiten Antwort- datenrahmen, der eine Sequenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, mit einem Antwortzeitabstand von einem zugeordneten zweiten Anfrage-Empfangszeitpunkt des zweiten Anfragedatenrahmens an den zweiten Senderempfänger auszusenden,
nach Empfang eines einen ersten Signalrundlauf initiierenden ersten Anfra- gedatenrahmens von einem zweiten Senderempfänger einen ersten Ant¬ wortdatenrahmen, der eine Sequenz von mindestens zwei Signalimpulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, mit einem Antwortzeitab¬ stand relativ zu einem zugeordneten ersten Anfrage-Empfangszeitpunkt des ersten Anfragedatenrahmens an den zweiten Senderempfänger auszu- senden, und
auf den Empfang des ersten Anfragedatenrahmens vom zweiten Sender¬ empfänger hin einen zweiten Signalrundlauf durch Aussenden eines zwei¬ ten Anfragedatenrahmens, der eine Sequenz von mindestens zwei Signal¬ impulsen mit vorbestimmtem Impulszeitabstand enthält, an den zweiten Senderempfänger an einem zweiten Anfrage-Sendezeitpunkt zu initiieren,
Die Empfangseinheit ist erfindungsgemäß zusätzlich ausgebildet, den Empfang eines in Antwort auf den zweiten Anfragedatenrahmen vom zweiten Senderemp¬ fänger übersandten zweiten Antwortdatenrahmens zu überwachen und einen
dem Empfang des zweiten Antwortdatenrahmens zugeordneten zweiten Antwort- Empfangszeitpunkt relativ zum zweiten Anfrage Sendezeitpunkt zu erfassen,
Der erfindungsgemäße Senderempfänger ist schließlich ausgebildet, den ersten und den zweiten Antwortdatenrahmen mit einem vorbestimmten Wert des Ant- wortzeitabstandes relativ zum jeweiligen Anfrage-Empfangszeitpunkt mit einer zeitlichen Präzision auszusenden, bei der die Antwortzeitabstände auf Seiten des ersten und zweiten Senderempfängers in den zur Abstandsbestimmung durchge¬ führten Signalrundläufen entweder identisch sind oder eine Differenz, im Falle der Durchführung mehr als eines von jedem Senderempfänger initiieren Signal- rundlaufes eine mittlere Differenz aufweisen, deren Betrag maximal 200, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel maximal 20 Mikrosekunden ist.
Die Einhaltung der beschriebenen Präzision des vorbestimmten Antwortzeitab¬ stands erfordert keine Neukonstruktion von Taktgeneratoren oder Oszillatoren zur Generierung des Antwortzeitabstandes. Im Gegenteil, beispielsweise werden kommerziell übliche, sehr kostengünstige Schwingquarze mit einer Taktgenauig¬ keit von ± 50 ppm oder ± 20 ppm oder aus Quarzoszillatortakten abgeleitete Taktgeneratoren eingesetzt, ohne dass durch deren Fehler eine nennenswerte Verschlechterung der Genauigkeit auftritt. Es wird so eine bisher mit derart einfa¬ chen Mitteln nicht für möglich gehaltene Genauigkeit der Abstandsbestimmung erzielt. Die Einhaltung der beschriebenen Präzision erfordert jedoch, dass zur Abstandsbestimmung zwei Senderempfänger gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Kompensation von Fehlem, die durch Schwingquarze verursacht werden, durch eine symmetrische Abstands- messung, die von beiden beteiligten Senderempfängern veranlasst wird. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die insbesondere die für die Ab¬ standsmessung benötigte Energie und Kanalbandbreitereduziert, wird das erfin¬ dungsgemäße Verfahren vor einer Abstandsbestimmung, die lediglich einen ein¬ zelnen Signalrundlauf umfasst, durchgeführt. Bei diesem Verfahren wird zusätz- lieh ein Taktgeneratorfehler beider Senderempfänger ermittelt. Zur Ermittlung des Taktgeneratorfehlers können die Rundlaufmessungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens herangezogen werden. Für eine nachfolgende Abstandsbestimmung, die mindestens einen der beiden Senderempfänger der vorherigen Abstands¬ messung betrifft, wird abweichend von der erfindungsgemäßen Verfahrensfüh¬ rung nur ein einziger Signalrundlauf initiiert. Anschließend wird ein Auswerte- schritt zur Bestimmung des Abstandes aufgrund dieses einzelnen Signalrundlau¬ fes durchgeführt. Im Auswerteschritt dieser nachfolgenden Abstandsbestimmung wird eine Verfälschung auf der Grundlage des einzigen Signalrundlaufes vorläu¬ fig ermittelten Abstandswertes aufgrund des zuvor ermittelten Taktgeneratorfeh¬ lers des betreffenden Senderempfängers für die endgültige Ermittlung des Ab- standswertes herausgerechnet. Eine Taktdrift kann also mit dem zuvor berechne¬ ten und gespeicherten Wert beseitigt werden. Auf diese Weise wird es ermög¬ licht, dass bei einer Serie von Abstandsbestimmungen nicht alle Abstandsbe¬ stimmungen von beiden Senderempfängern Rundlaufmessungen initiierte Signal¬ rundläufe enthalten müssen, was zusätzlich zur Energieeinsparung auch eine Einsparung genutzter Kanalbandbreite mit sich bringt.
Dieses Ausführungsbeispiel hat zwar eine geringere Genauigkeit als die durch¬ gehende Wiederholung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese reduzierte Genauigkeit kann jedoch in einer Vielzahl von Anwendungen ausreichend sein. Das Verfahren erfordert die Einrichtung und Pflege einer Datenbank von Kristall- oder Taktgeneratorfehlern in einer der Senderempfänger-Stationen (beispiels¬ weise einer zentralen Ranging-Station). Anwendungen mit vielen Netzknoten und hoher Netzauslastung, bei denen die genutzte Bandbreite und die Batteriele¬ bensdauer von Bedeutung ist, werden vielfach eine zentrale oder koordinierende Einheit enthalten, die die Funktion der Ranging-Station übernehmen wird. Diese Ranging-Station wird üblicherweise auch die Anwendung mit einer Datenbank benötigter Informationen enthalten, beispielsweise eine Anwendung zum Verfol¬ gen (tracking) von Senderempfängern. Solche Stationen sind nicht in gleichem Maße einem Kostendruck unterworfen, wie mobile Geräte.
Da sich Kristallfehler aufgrund von Temperaturvariationen ändern können, führt die koordinierende Ranging-Station bevorzugt eine regelmäßige Aktualisierung der Datenbank mit Kristallfehlern durch. Alternativ kann eine solche Aktualisie¬ rung auch durch in einem mobilen Gerät gemessene Temperaturänderungen
veranlasst werden. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass die Temperaturänderun¬ gen typischerweise nur langsam erfolgen und kaum den gesamten für Schwing¬ quarze relevanten Temperaturbereich von - 4O0C bis 85°C innerhalb einer kurzen Zeit durchlaufen werden. Daher müssen Kristallfehlermessungen mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren nur relativ selten durchgeführt werden, und sind die in der Datenbank gespeicherten Fehlerwerte meist für eine längere Zeit gültig.
Typischerweise wird das Protokoll zur Durchführung eines Ranging zusammen mit anderen Funktionen, wie beispielsweise Sicherheitsfunktionen, auf einer hö¬ heren Protokollschicht angesiedelt sein. Dies begünstigt eine reibungslose Ko- Operation zwischen der Ranging-Funktionalität und einer Anwendung, wie bei¬ spielsweise der Tracking-Anwendung, bei der Pflege der Datenbank.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Senderemp¬ fängers beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass auch in den Ansprüchen Ausführungsbeispiele des Senderempfängers genannt sind. Weiterhin ergeben sich weitere Ausführungsbeispiele des Senderempfängers durch Implementie¬ rung der zusätzlichen Merkmale der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abstandsbestimmung sowie des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung. Die Umsetzung der dort beschriebenen Verfahrensmerkmale in elektronischen Schaltungen kann mittels bekannter Methoden des Hardware- oder Software-Designs erfolgen. Weiterhin ist anzumerken, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sowohl ein¬ zeln als auch in Kombination miteinander realisiert werden können, soweit aus der Beschreibung oder den Ansprüchen nichts gegenteiliges hervorgeht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Senderempfänger eine Auswerteeinheit, die mit der Sende- und der Empfangseinheit verbunden ist und ausgebildet ist zum Ermitteln eines Rundlaufzeitabstandes zwischen dem Anfra¬ ge-Sendezeitpunkt eines von der Sendeeinheit ausgesandten ersten oder zwei¬ ten Anfragedatenrahmens und dem Antwort-Empfangszeitpunkt eines vom zwei¬ ten Senderempfänger her empfangenen ersten oder zweiten Antwortdatenrah- mens.
Bei diesem Ausführungsbeispiel hat die Auswerteeinheit vorzugsweise eine Da¬ tenverbindung zum zweiten Senderempfänger und ist zusätzlich ausgebildet über die Sendeeinheit einen erfassten Antwortzeitabstand und einen ermittelten Rund¬ laufzeitabstand an den zweiten Senderempfänger zu übertragen oder über die Empfangseinheit einen erfassten Antwortzeitabstand und einen ermittelten Rund¬ laufzeitabstand auf Seiten des zweiten Senderempfängers zu empfangen und eine Signallaufzeit Tprop zwischen dem ersten und dem zweiten Senderempfänger anhand des oder der ermittelten Rundlaufzeitabstände und der Antwortzeitab- stände zu ermitteln und den räumlichen Abstand zwischen dem ersten und zwei- ten Senderempfänger durch Multiplikation der Signallaufzeit Tprop mit einer vorbe¬ kannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalimpulse zu bestimmen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Senderemp¬ fängers ist die Sendeeinheit ausgebildet, den zweiten Anfragedatenrahmen zur Initiierung des zweiten Signalrundlaufes nach dem ersten Antwortdatenrahmen an den zweiten Senderempfänger zu senden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinheit ausgebildet, am zwei¬ ten Anfrage-Sendezeitpunkt mit dem vorbestimmten Antwortzeitabstand relativ zu einem zugeordneten Empfangszeitpunkt des ersten Anfragedatenrahmens an den zweiten Senderempfänger einen kombinierten Anfrage- und Antwortdaten- rahmen auszusenden, der in einem einzigen Datenrahmen sowohl die Funktion eines ersten Antwortdatenrahmens als auch die Funktion eines zweiten Anfrage¬ datenrahmens vereint, und bei dem die Empfangseinheit ausgebildet ist, den Empfang eines in Antwort auf den kombinierten Anfrage- und Antwortdatenrah¬ men vom zweiten Senderempfänger übersandten zweiten Antwortdatenrahmens zu überwachen und einen dem Empfang des zweiten Antwortdatenrahmens zu¬ geordneten zweiten Antwort-Empfangszeitpunkt relativ zum zweiten Anfrage- Sendezeitpunkt zu erfassen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinheit ausgebildet, Anfra¬ gedatenrahmen und Antwortdatenrahmen mit jeweils mehr als zwei Signalimpul- sen auszusenden, und bei dem die Empfangseinheit ausgebildet ist, die Emp-
fangszeitpunkte von mehr als zwei Signalimpulsen eines jeweiligen Anfrage- oder Antwortdatenrahmens zu erfassen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinheit vorzugsweise ausgebildet, Signalimpulse eines Datenrahmens zu Sendezeitpunkten auszusenden, die rela- tiv zu einem Zeitraster, das durch den senderseitig vorbestimmten Impulszeitab¬ stand im auszusendenden Datenrahmen definiert ist, derart verschoben sind, dass die Signalimpulse im Mittel zu den durch das Zeitraster vorgegebenen Ras¬ te rzeitp unkten ausgesendet werden.
Dabei ist die Empfangseinheit vorzugsweise ausgebildet, Signalimpulse eines empfangenen Datenrahmens relativ zu einem Zeitraster, das durch den Impuls¬ zeitabstand der empfangenen Signalimpulse definiert ist, derart zu verschieben, dass die verschobenen Signalimpulse im Mittel mit dem senderseitig vorbestimm¬ ten Impulszeitabstand empfangen werden. Vorzugsweise ist die Empfangseinheit ausgebildet, nach Erfassung der Empfangszeitpunkte der Signalimpulse einen mittleren Empfangszeitpunkt bezüglich des Zeitrasters zu ermitteln.
Bei einem Ausführungsbeispiel mit besonders präziser Bestimmung von Emp¬ fangszeitpunkten ist die Empfangseinheit ausgebildet, denjenigen Zeitpunkt zu ermitteln und als Empfangszeitpunkt eines Signalimpulses zu erfassen, bei dem ein detektierter Signalimpuls einen maximalen Signalgewinn oder einen maxima- len Wert einer Korrelation mit einem vorbestimmten Signalmuster aufweist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Empfangseinheit ausgebildet, nach einer Bestimmung eines Anfrage- oder Antwort-Empfangszeitpunktes eines Anfrage- oder Antwortdatenrahmens und vor einer nachfolgenden Bestimmung eines Anfrage- oder Antwort-Empfangszeitpunktes eines nächsten Anfrage- oder Antwortdatenrahmens einen zur Bestimmung von Sende- und Empfangszeit¬ punkten verwendeten Taktgenerator oder Oszillator neu zu starten.
Vorzugsweise ist die Empfangseinheit ausgebildet, ein Empfangssignal auf das Vorliegen einer auf eine Mehrwegeausbreitung eines einzelnen Signalimpulses zurückgehenden Impulsfolge zu prüfen und bei Vorliegen einer solchen Impuls-
folge als Empfangszeitpunkt des Signalimpulses den frühesten Zeitpunkt inner¬ halb eines vorbestimmten Zeitfensters zu ermitteln, bei dem das Empfangssignal einen maximalen Wert annimmt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Senderempfänger ausgebildet, mit dem zweiten Senderempfänger die Werte der Antwortzeitabstände vor Aussen¬ dung eines Anfragedatenrahmens zu vereinbaren.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sen¬ derempfängers ist der ausgebildet, den Antwortzeitabstand zu messen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Senderempfängers ist ausgebildet, mit dem zweiten Senderempfänger eine Folge von unterschiedlichen Werten von Antwortzeitabständen zu vereinbaren und bei Durchführung jeder nachfolgenden Abstandsbestimmung jeweils den nächsten in der Folge vorgege¬ benen Antwortzeitabstand einzuhalten.
Besonders bevorzugt ist ein Senderempfänger, bei dem die Sendeeinheit ausge- bildet ist, die zur Abstandsbestimmung verwendeten Signalimpulse zugleich als Informationssymbole zu verwenden.
Weiterhin ist die Sendeeinheit besonders bevorzugt ausgebildet, erzeugte Signal¬ impulse in Form von Chirpimpulsen auszusenden und die Empfangseinheit aus¬ gebildet ist, aus empfangenen Chirpimpulsen senderseitig erzeugte Signalimpul- se zu rekonstruieren.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Sendeeinheit ausgebildet ist, zwei komplemen¬ täre Typen von Chirpimpulsen auszusenden, die eine identische Mittenfrequenz und Impulsdauer, jedoch einen gegenläufigen und um die Mittenfrequenz sym¬ metrischen, beim einen Chirpimpuls-Typ steigenden und beim anderen Chirpim- puls-Typ fallenden Frequenzgang während der Impulsdauer aufweisen, wobei zur Abstandsbestimmung die komplementären Chirpimpuls-Typen in einem An¬ frage- oder Antwortdatenrahmen in jeweils gleicher Anzahl verwendet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Senderempfängers mit Auswerteein¬ heit ist ausgebildet, die Abstandsbestimmung nach einem vorbestimmbaren oder dynamisch veränderbaren Messzeitabstand zu wiederholen, und bei dem die Auswerteeinheit ausgebildet ist, durch Bildung einer Abstandsdifferenz nach ein- ander ermittelter Abstandswerte zwischen dem ersten und zweiten Senderemp¬ fänger und anschließende Bildung eines Quotienten aus der Abstandsdifferenz und dem Messzeitabstand die Geschwindigkeit der Senderempfänger relativ zu einander zu ermitteln.
Zur Beschleunigungsmessung ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin- dungsgemäßen Senderempfängers ausgebildet, mit einem vorbestimmbaren o- der dynamisch veränderbaren Geschwindigkeits-Messzeitabstand zwei Ge¬ schwindigkeitswerte zu ermitteln, und bei dem die Auswerteeinheit ausgebildet ist, durch Bildung einer Geschwindigkeitsdifferenz nach einander ermittelter Ge¬ schwindigkeitswerte und anschließende Bildung des Quotienten aus der Ge- schwindigkeitsdifferenz und dem Messzeitabstand die Beschleunigung der Sen¬ derempfänger relativ zu einander zu ermitteln.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zur Bestim¬ mung des räumlichen Abstandes zwischen einem ersten erfindungsgemäßen Senderempfänger und einem zweiten erfindungsgemäßen Senderempfänger in- nerhalb eines Abstandsbereiches der Größenordnung von 10 km bereitgestellt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den oben be¬ schriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung, soweit sie nicht nachfolgend und in den Pa¬ tentansprüchen näher beschrieben sind, entsprechen den Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Senderempfängers.
Nachfolgend werden die zusätzlichen Merkmale weiterer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung haben beide Senderempfänger eine Auswerteeinheit, die mit der jeweiligen Sen-
deeinheit und der jeweiligen Empfangseinheit der Senderempfänger verbunden ist und ausgebildet ist, zum Ermitteln eines Rundlaufzeitabstandes zwischen dem Sendezeitpunkt eines von der Sendeeinheit ausgesandten ersten oder zweiten Anfragedatenrahmens und dem Empfangszeitpunkt eines vom zweiten Sender- empfänger her empfangenen ersten oder zweiten Antwortrahmens.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung hat einen dritten Senderempfänger, der eine Abstandsbestimmungseinheit mit einer Da¬ tenverbindung zum ersten und zum zweiten Senderempfänger aufweist. Der drit¬ te Senderempfänger ist ausgebildet, eine Datenverbindung zum ersten und zum zweiten Senderempfänger zur Übertragung von Rundlaufzeitabständen und Ant- wortzeitabständen an den dritten Senderempfänger. Weiterhin ist die Abstands¬ bestimmungseinheit ausgebildet, und
zum Ermitteln einer Signallaufzeit zwischen dem ersten und dem zweiten Senderempfänger anhand des oder der ermittelten Rundlaufzeitabstände und der Antwortzeitabstände und
zum Berechnen des räumlichen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger durch Multiplikation der Signallaufzeit Tprop mit einer vor¬ bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalimpulse.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung sind der erste und zweite Senderempfänger ausgebildet, den ersten und zweiten Sig¬ nalrundlauf mindestens zwei Mal durchzuführen, bis der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger von einer Anzahl Anfrage- und Antwortda¬ tenrahmen durchlaufen worden ist, die ein Vielfaches von vier ist, sowie alle zu¬ sätzlichen Rundlaufabstände zu ermitteln und Antwortzeitabstände zu erfassen, wobei der erste und zweite Senderempfänger ausgebildet sind, Antwortzeitab¬ stände TVepiyAk, k= 2, 4, 6, 8,..,(n-1 ) von TrepiyA2 bis TrepιyA(π-i ), und Trep,yBi, i = 1 , 3, 5, 7, ...,(n-2) von TrepiyBi bis TrepιyB(n_2) zu verwenden, die eine mittlere Differenz ge¬ mäß der Formel
TiepfyΛl — TtepbBλ + .. + TiephA(n - V) - Ti >eplyB(n - 2)
ΔT; ReplvΛFG IzL
aufweisen, deren Betrag maximal 200, bevorzugt maximal 20 Mikrosekunden ist. Die Auswerteeinheit des ersten Senderempfängers ist hierbei ausgebildet, nach wiederholter Durchführung der ersten Signalrundlauf-Schrittfolge zusätzliche Rundlaufzeitabstände TroundAl mit i= 3, 5, 7,...,(n-2) von TroundA3 bis TroundA(n-2) zu ermitteln, wobei n eine ungerade Zahl ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit des zweiten Senderemp¬ fängers weiterhin ausgebildet, nach wiederholter Durchführung der zweiten Sig¬ nalrundlauf-Schrittfolge zusätzliche Rundlaufzeitabstände TroundBk mit k= 4, 6, 8,..., (n-1 ) von TroundB4 bis TraundB(n-i) zu ermitteln.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäße Anordnung, bei die Senderempfänger zur Durchführung eines symmetrischen Drei-Wege- Verfahrens ausgebildet sind, ist jeder Senderempfänger vorzugsweise ausgebil¬ det, mindestens zwei Signalrundläufe zu initiieren, bis der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger von einer ungeraden Anzahl n>3 Anfrage- und Antwortdatenrahmen durchlaufen worden ist, sowie alle zusätzlichen Rund- laufabstände zu ermitteln und Antwortzeitabstände zu erfassen.
Bei dieser Anordnung werden
nach wiederholter Durchführung der ersten Signalrundlauf-Schrittfolge zu- sätzliche Rundlaufzeitabstände TroundAl mit i= 3, 5, 7 (n-2), von TroundA3 bis
TrOundA(n-2) ermittelt und
nach wiederholter Durchführung der zweiten Signalrundlauf-Schrittfolge zu¬ sätzliche Rundlaufzeitabstände TroundBk, mit k = 4, 6, 8 (n-1 ), von TroundB4 bis TroundB(n-i) ermittelt,
wobei Antwortzeitabstände TrepiyAk, k= 2, 4, 6, 8,...,(n-1 ) von TrepiyA2 bis
Tr6piyA(n-i), TrepιyB„ i= 1 , 3, 5, 7 (n-2) von TrepιyBi bis TrepιyB(n-2) auftreten, die eine mittlere Differenz gemäß der Formel
TieplyAl ~ TiephBl + .. + TιeplvΛ(n - 1) — TιeplyB(π - 2)
ΔΓ„ RepfyAVG
2
aufweisen, deren Betrag maximal 200, bevorzugt maximal 20 Mikrosekunden ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein zusätzlicher Kalibrier-Senderempfänger mit Auswerteeinheit vorgesehen, der mit vorbekanntem Abstand zum ersten oder zweiten Senderempfänger angeord- net ist und der einen dem bekannten oder jeweils zu übermittelnden Antwortzeit¬ abstand verwendet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste oder der zweite oder beide Sen¬ derempfänger ausgebildet, vor einem ersten Signalrundlauf im Rahmen der Ab¬ standsbestimmung zum jeweils anderen Senderempfänger mindestens ein Sig- nalrundlaufpaar zur Abstandsbestimmung vom Kalibrier-Sender-Empfänger durchführen.
Weiterhin sind der erste oder zweite Senderempfänger ausgebildet, den so ermit¬ telten und den vorbekannten räumlichen Abstand zum Kalibrier-Sender- Empfänger zu vergleichen und das Vergleichsergebnis im Rahmen der nachfol- genden Abstandsbestimmung zur Fehlerkorrektur zu verwenden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung sind der erste oder der zweite Senderempfänger oder beide Senderempfänger ausgebildet, während der Durchführung einer Abstandsbestimmung oder im Zeit¬ abstand der Größenordnung einer Sekunde davor oder danach entweder eine aktuelle Temperatur am Ort eines jeweiligen Senderempfängers oder eine aktuel¬ le Versorgungsspannung eines jeweiligen Senderempfängers oder sowohl die aktuelle Temperatur als auch die aktuelle Versorgungsspannung zu messen.
Durch die Verwendung von temperaturunempfindlichen Bauteilen, die insbeson¬ dere für die Detektierung der Impulse im Empfänger verwendet werden, können die negativen Einflüsse der Umgebungstemperatur oder Herstellungstoleranzen vermieden werden.
In der Praxis werden zur Kompression eines Impulses oft mechanische Oberflä- chenwellenfilter eingesetzt, die eine starke Temperaturabhängigkeit zeigen. Zu¬ dem existieren bei diesen Bauteilen exemplarabhängige Eigenschaften, die durch die mechanischen Toleranzen der Herstellung bedingt sind und unter¬ schiedliches zeitliches Verhalten hervorrufen. Die zeitlichen Fehler würden zu großen Ungenauigkeiten bei der Entfernungsmessung führen.
Bevorzugt wird daher das Wirkprinzip dieser analogen Bauteile beim erfindungs¬ gemäßen Senderempfänger in digitalen elektronischen Schaltungen verwirklicht, die wesentlich weniger Abhängigkeit von Temperatur und Herstellungstoleranzen aufweisen. Beispielsweise lässt sich die Kompression eines Chirpimpulses, wel- eher zur Übertragung von Informationssymbolen eingesetzt wird, im Empfänger mit einem einen digitalen Korrelator als elektronischer Schaltung realisieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Be¬ stimmung des räumlichen Abstandes zwischen einem ersten Senderempfänger und einem zweiten Senderempfänger gemäß der Erfindung ist in einem der Sen- derempfänger eine Datenbankeinheit vorgesehen, die ausgebildet ist, Taktgene¬ ratorfehler von Senderempfängern anhand einer zuvor durchgeführten Ab¬ standsbestimmung zu ermitteln und abzuspeichern. Der erste und der zweite Senderempfänger sind ausgebildet, nach Ermittlung ihrer Taktgeneratorfehler folgende Abstandbestimmungen abweichend von der erfindungsgemäßen Ver- fahrensführung mit nur einem einzigen Signalrundlauf und mit einem Auswerte¬ schritt durchzuführen. Die Auswerteeinheit der Senderempfänger ist ausgebildet, im Auswerteschritt eine Verfälschung eines nach dem einzigen Signalrundlauf vorläufig ermittelten Abstandswertes unter Zugriff auf den zuvor in der Daten¬ bankeinheit abgespeicherten Taktgeneratorfehlers des beteiligten Senderemp- fängers für die endgültige Ermittlung des Abstandswertes herauszurechnen. Mit dieser Anordnung wird die zuvor erläuterte Verfahrensführung realisiert, bei der
das erfindungsgemäße Verfahren in regelmäßigen Abständen durchgeführt wird, und zwischenzeitlich ein einfacheres Abstandsbestimmungsverfahren mit nur ei¬ nem einzigen Signalrundlauf durchgeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines 3-Wege-Verfahrens.
FIG. 2 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs des 3-Wege-Verfahrens der Figur 1.
FIG. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines ver- allgemeinerten n-Wege-Verfahrens, bei dem der Abstand zwischen zwei
Senderempfängern von einer ungeraden Anzahl von Datenrahmen durchlaufen wird.
FIG. 4 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs des n- Wege-Verfahrens der Figur 4.
FIG. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens zur Abstandsbestimmung in Form eines doppelseitigen Zwei- Wege-Verfahrens.
FIG. 6 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs des dop¬ pelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens der Figur 6.
FIG. 7 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines vierten Aus¬ führungsbeispiels, bei dem durch Wiederholung von Signalrundläufen ein mehrfach-doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren durchgeführt wird.
FIG. 8 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs des mehr¬ fach-doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens der Figur 8.
FIG. 9 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung eines fünften Ausführungsbei¬ spiels, bei dem senderseitig ein Dithering vorgenommen wird.
FIG. 10 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des empfängerseitigen Verhal¬ tens bei senderseitigem Dithering gemäß Figur 10.
FIG. 11 zeigt anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel einer Anordnung von zwei Senderempfängem mit inhärent umgesetztem Dithering.
FIG. 12 zeigt eine Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufes der Übertragung eines Impulses bei Verwendung der Senderempfänger- Anordnung der Fig. 11.
FIG. 13 zeigt zur weiteren Erläuterung der Senderempfänger-Anordnung der Fig. 11 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Zeitauflösung der einzel¬ nen Messungen.
FIG. 14 zeigt anhand eines Blockschaltbildes eine in einem integrierten Schal¬ tungsbaustein implementierte Ausführungsvariante eines erfindungsge- mäßen Senderempfängers mit externem Abstandsberechnungs- und
Anwendungsmodul.
FIG. 15 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Sender¬ empfängers mit einem integriertes Abstandsberechnungsmodul aus¬ zeichnet.
FIG. 16 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Sender¬ empfängers, der sich durch ein integriertes Abstandsberechnungs- und Anwendungsmodul auszeichnet.
FIG. 17 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Sender¬ empfängers mit einer Implementierung der Messung des Rundlaufzeit- abstandes und des Antwortzeitabstandes.
FIG. 18 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Sender¬ empfängers, der eine Messung des Rundlaufzeitabstandes und zusätz¬ lich eine Messung des Fehlers der Rundlaufzeitabstandes implemen¬ tiert.
FIG. 19 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines Sender¬ empfängers, der eine Steuerung zur Generierung des Antwortzeitab¬ standes und zusätzlich eine Messung des Fehlers der Antwortzeitab¬ standes implementiert.
Fig. 20 zeigt ein Blockschaltbild eines Senderempfängers, der ein Averaging- Verfahren implementiert.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden eine Anzahl bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die genannten Figuren näher beschrieben.
1. Drei-Wege-Verfahren zur Abstandsbestimmung
Nachfolgend wird als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figu¬ ren 1 und 2 ein 3-Wege-Verfahren zur Abstandsbestimmung zweier Senderemp¬ fänger beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der oben beschriebene erste und zweite Signalrundlauf gekoppelt. Es wird zunächst der zeitliche Ablauf der Signalrundläufe beschrieben. Anschließend wird im Einzelnen auf die Genau- igkeit der Abstandsmessung nach diesem Ausführungsbeispiel eingegangen.
1.1 Signalrundläufe im Drei-Wege- Verfahren
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des 3-Wege-Verfahrens zur Ab¬ standsbestimmung zwischen einem ersten Senderempfänger A und einem zwei¬ ten Senderempfänger B. Die Bezeichnung 3-Wege-Verfahren wurde gewählt, weil im Rahmen der Abstandsbestimmung insgesamt drei Datenrahmen übertra¬ gen werden.
Der Senderempfänger A überträgt einen ersten Datenrahmen 10 an den zweiten Senderempfänger B. Der Datenrahmen 10 besteht aus einer Sequenz von Sig¬ nalimpulsen mit bekannter Frequenz der Signalimpulse.
Der Datenrahmen 10 wird vom Senderempfänger B empfangen, geprüft und bei erfolgreicher Prüfung durch Aussenden eines zweiten Datenrahmens 12 zum ersten Senderempfänger A beantwortet. Der Aufbau des zweiten Datenrahmens entspricht dem des ersten Datenrahmens. Dies bedeutet nicht, dass die Daten¬ rahmen 10 und 12 identisch sein müssen. Sie weisen lediglich für die Zwecke der Abstandsbestimmung eine Sequenz von Signalimpulsen mit bekannter Impuls- frequenz auf. Es können mit den Datenrahmen jeweils unterschiedliche weiter Nachrichten übertragen werden.
Der erste Senderempfänger A prüft den empfangenen zweiten Datenrahmen 12 und sendet nach erfolgreicher Prüfung einen dritten Datenrahmen 14 zum zwei¬ ten Senderempfänger B. Anhand des zeitlichen Verlaufs dieser drei Übertra- gungsschritte zwischen dem ersten und zweiten Senderempfänger kann der Ab¬ stand zwischen den beiden Senderempfängern ermittelt werden, wie nachfolgend anhand von Figur 2 näher erläutert wird.
Figur 2 zeigt ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des zeitlichen Ablaufs des 3-Wege-Verfahrens der Figur 1. im Diagramm der Figur 2 sind zwei Zeitachsen 20 und 22 dargestellt, die den zeitlichen Verlauf der Sende- und Empfangsaktivi¬ täten des ersten Senderempfängers A auf der Zeitachse 20 und des zweiten Senderempfängers B auf der Zeitachse 22 darstellen. Zur Vereinfachung der Darstellung wird von jedem Datenrahmen der Figur 1 in Figur 2 lediglich ein Sig¬ nalimpuls gezeigt. Dies entspricht insofern den tatsächlichen Verhältnissen, als zur Bestimmung von Sende- und Empfangszeitpunkten ein Referenzpunkt inner¬ halb des Datenrahmens vereinbart sein muss. Ein geeigneter Referenzpunkt ist der Zeitpunkt der maximalen Amplitude eines bestimmten Signalimpulses des Datenrahmens, beispielsweise des ersten Signalimpulses (Rahmenanfang) oder des letzten Signalimpulses (Rahmenende). Es kann zwischen den Senderemp- fängern A und B auch ein anderer Referenzpunkt vereinbart werden.
Zu einem Zeitpunkt TTAI sendet der erste Senderempfänger A den ersten Daten¬ rahmen 10 an den zweiten Senderempfänger B. Dieser empfängt den ersten Da¬ tenrahmen 10 in Form eines Empfangssignals 10' nach einer durch den Abstand zwischen den Senderempfängern A und B und die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums bedingten Signallaufzeit Tprop. Empfangene Datenrahmen wie der Datenrahmen 10' werden als solche im Rahmen dieser Beschreibung der Klar¬ heit halber vom gesendeten Datenrahmen allein deswegen durch einen Hoch¬ strich unterschieden, weil es sich hierbei um Empfangssignale handelt, die sich aufgrund von Mehrfachausbreitung, Signalabschwächungen und ähnlichen be- kannten Effekten vom jeweils ausgesendeten Datenrahmen unterscheiden kön¬ nen. Im Idealfall unterscheiden sich ein gesendeter und ein empfangener Daten¬ rahmen nicht.
Der zweite Senderempfänger B sendet nach Prüfung des empfangenen Daten¬ rahmens 10' den zweiten Datenrahmen 12 an den ersten Senderempfänger A. Der Zeitabstand zwischen dem Empfangszeitpunkt TRBi des ersten Datenrah¬ mens 10' und dem Sendezeitpunkt TTBi des zweiten Datenrahmens 12 ist der Antwortzeitabstand TrepiyB. Der erste Senderempfänger A empfängt den zweiten Datenrahmen 12 nach der Signallaufzeit Tprop in Form eines Empfangssignals 12' zu einem Empfangszeitpunkt TRAI . Der Zeitabstand zwischen dem ersten Sende- Zeitpunkt TTAI und dem Empfangszeitpunkt TRAI auf Seiten des Senderempfän¬ gers A bildet einen ersten Rundlaufzeitabstand TrountiA1.
Der erste Senderempfänger A antwortet auf den Empfang des zweiten Daten¬ rahmens 12 mit dem dritten Datenrahmen 14. Dabei vergeht zwischen dem Ein¬ gang des Empfangssignals 12' zum Zeitpunkt TRA1 und dem Aussenden des drit- ten Datenrahmens 14 zum Zeitpunkt TTA2 ein Zeitabstand TrepιyA2- Nach einer Sig¬ nallaufzeit Tprop erreicht der dritte Datenrahmen 14 den zweiten Senderempfän¬ ger B zu einem Empfangszeitpunkt TRB2-
Zwischen dem Aussenden des zweiten Datenrahmens 12 und dem Empfang des dritten Datenrahmens 14 beim zweiten Senderempfänger B findet also ein zwei- ter Signalrundlauf statt, der insgesamt eine Zeitdauer TroundB2 benötigt.
Ein wesentliches Merkmal des vorliegenden Verfahrens ist, dass der erste Sig¬ nalrundlauf beim ersten Senderempfänger A beginnt und endet, während der zweite Signalrundlauf beim zweiten Senderempfänger B beginnt und endet. Wei¬ terhin ist eine wesentliches Merkmal des hier beschriebenen Ausführungsbei- spiels, dass die Antwortzeitabstände TrepιyBi und TrepiyA2 identisch sind oder eine Differenz aufweisen, deren Betrag maximal 20 μs ist. Die Antwortzeitabstände können bedingt sein durch Antwortzeiten, die in Übertragungsprotokollen festge¬ legt sind, durch die Länge bzw. Dauer der übertragenen Datenrahmen sowie durch geräteinterne Verzögerungen, welche durch die Rahmenprüfung oder an- derweitige Prozesse innerhalb eines Senderempfängers entstehen.
Aus den Rundlaufzeitabständen TroundAi und TroundB2 wird nach Abzug der bekann¬ ten Antwortzeiten eine mittlere Signallaufzeit im Übertragungsmedium ermittelt. Hierzu wird folgende Formel herangezogen:
L roundAX — 1 replyBX 4" L roundBl — 1 replyAl Iprop = -
Formel 5: 4
Aus der gemäß Formel (6) ermittelten mittleren Signallaufzeit Tprop wird anhand einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Datenrahmen im Übertra¬ gungsmedium zwischen den Senderempfängern A und B der Abstand d wie folgt ermittelt:
Formel 6: d =cTprop .
Bei der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, dass der Abstand zwi¬ schen den Senderempfängern A und B sich während der Messung nicht ändert. Dies ist in guter Näherung auch bei bewegten Senderempfängern eine gültige Annahme. Auch wird zur Vereinfachung der Darstellung von fehlerlosen Rund¬ laufzeitabständen Tround und Antwortzeitabständen Trepιy ausgegangen. In der Praxis rechnet man natürlich mit fehlerbehafteten Werten und ermittelt das erfin¬ dungsgemäße Verfahren den Abstand trotz fehlerbehafteter Werte mit der oben erläuterten Genauigkeit. Hier gemachte Angaben zur Genauigkeit basieren auf
einer Fehleranalyse, die fehlerhafte Rundlauf- und Antwortzeitabstände berück¬ sichtigt.
1.2 Genauigkeit der Abstandsbestimmung
Zum Zwecke der nachfolgenden Darstellung werden die in der oben stehenden Formel (2) verwendeten Symbole ohne Änderung ihrer Bedeutung in ihren Indi¬ zes vereinfacht. Die vereinfachte Formel (2') lautet mit gleicher Bedeutung wie Formel 2:
11 onndA — 1 replyB H~ 11 oundB — 1 replyA
Formel 6': ip>°p = :
Taktgeneratoren beider Senderempfänger A und B, die zur Messung der Rund- laufzeitabstände und Bestimmung der Antwortzeiten verwendet werden, weisen in aller Regel aufgrund von Realisierungsvarianten der Schaltungen, Tempera¬ tureinflüssen, Herstellungstoleranzen und Alterung Fehler auf.
Dadurch kommt es zu einer Abweichung der Taktfrequenz der Taktgeneratoren von ihrer Nominalfrequenz. Durch die Nominalfrequenzabweichungen an beiden Senderempfängern werden fehlerbehaftete Rundlaufzeitabstände ( T
iowuu'
t T,
υιmdB' ) gemessen. Zusätzlich werden fehlerbehaftete Antwortzeiten
i,
epivB ) generiert. Daraus ergibt sich für die errechnete Impulslaufzeit bzw. die daraus berechnete Entfernung der relative Fehler E
tAB gemäß der nachstehen¬ den Formel 7:
_, , N 1 rotmdA 1 replyB + 11 oundB — liephA lprop{i + LtAB) =
Formel 7: 4
Die Nominalfrequenzabweichungen werden als relative Abweichungen bzw. Zeit¬ fehler (EtA und EtB) der gemessenen oder generierten Zeiten von den tatsächli¬ chen Zeitabständen gemäß Formel 8 bis Formel 11 folgendermaßen dargestellt:
Formel 8: TroundÄ = TmundA (1 + EtA )
Formel 9: TreplyA, = TreplyA (1 + EtA )
Formel 10: TmmdB, = TwundB{\ + EtB )
Formel 1 1 : TreplyB, = Tre≠yB (1 + EtB )
Der Fehler der Impulsiaufzeit bzw. der Entfernung (E^B) wird wie folgt bestimmt:
7-τ i / τ-> 1 / 7-τ -* repfyA — 1 replyB , .
Formel 12: £/Λß ^y2 EtA + Y2 EtB H (ßrö - ß^)
Um die Einflüsse der Impulslaufzeit bzw. der Entfernung besser abschätzen zu können, wird von folgenden zwei Fällen der Nominalfrequenzabweichungen (Zeitfehler) ausgegangen.
a) Die relativen Zeitfehler sind beide gleich groß (EtA = EtB).
b) Die relativen Zeitfehier sind im Betrag gleich groß, allerdings mit unter¬ schiedlichem Vorzeichen (EtA = - EtB).
Im Fall a) entspricht der relative Fehler der Entfernung dem arithmetischen Mittel der relativen Zeitfehler gemäß der nachstehenden Formel 13:
Formel 13: EuB =Y2 Ea + Y2 Em
Letztere sind in der Praxis sehr klein. Beispielsweise weisen kommerziell übliche und sehr preiswerte Schwingquarze einen Fehler von weniger als ± 0,005 % über einen Temperaturbereich von - 40 bis 85 0C auf. Daher ergibt sich ein sehr klei¬ ner Fehler der Entfernungsmessung. Die Präzision der Entfernungsmessung ist
in diesem Fall außerdem unabhängig von den absoluten Rundlauf- und Antwort¬ zeiten - die Zeitfehler wirken sich nur auf die Impulslaufzeit aus.
Im Fall b) ist der relative Fehler im wesentlichen abhängig vom Verhältnis der Antwortzeitdifferenz (TrepiyA - TrepιyB) zu der vierfachen Impulslaufzeit (siehe For- mel 14).
An dieser Stelle zeigt sich ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ver¬ fahrensführung: Durch die erfindungsgemäße Einhaltung von sehr kleinen Ant¬ wortzeitdifferenzen wird die Präzision der Entfernungsmessung verbessert. Die Präzision der Entfernungsmessung ist im Fall identischer Antwortzeitabstände unabhängig von den absoluten Rundlauf- und Antwortzeitabständen. Der Idealfall identischer Zeitabstände wird durch die Einhaltung einer maximalen Differenz der Antwortzeitabstände von maximal 20 Mikrosekunden hinreichend genau angenä¬ hert. Während die obere Grenze von 20 Mikrosekunden das derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiel darstellt, ist darauf hinzuweisen, dass mit dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren auch bei Einhaltung einer Differenz der Antwortzeitabstände von maximal 200 Mikrosekunden noch eine für viele Anwendungsfälle hinrei¬ chend genaue Entfernungsmessung durchgeführt werden kann.
Zur Verdeutlichung der Gültigkeit dieser Feststellungen wurde anhand eines Bei- spielsystems der Einfluss der Antwortzeitdifferenzen auf die Präzision der Entfer¬ nungsmessung an Hand von konkreten Zahlenwerten für unterschiedliche Ent¬ fernungen (dAß) und unterschiedliche Antwortzeitdifferenzen (ΔTrepιy = TrepiyA - Trepiyß) berechnet. Es wurden bei einer Gruppe von Konstellationen mit verschie¬ denen Paaren von relativen Zeitfehlerwerten (EtA, Ete), die im Intervall EtA = -50..0..5O ppm und EtB = -50..0..5O ppm liegen, die Fehler der Entfer¬ nungsmessung anhand von Formel 15 berechnet. Anschließend wurde das Paar mit dem jeweils größten Fehler der Entfernungsmessung ΔdAB ermittelt. Diese jeweils maximalen Fehler der Entfernungsmessung ΔdAß sind in der nachfolgen¬ den Tabelle in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem ersten und zweiten
Senderempfänger sowie von der Differenz der Antwortzeitabstände ΔTrepιy darge¬ stellt.
Die vorstehende Tabelle zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren bis zur Differenz der Antwortzeitabstände ΔTrepιy von 20 μs und einem Abstand zwischen den Senderempfängern A und B von 10 km eine erstaunlich genaue Abstands¬ bestimmung mit einem durch Quarztoleranzen verursachten Fehler von nur ± 50 cm ermöglicht. Jedoch wird auch bei einer Differenz der Antwortzeitabstän¬ de ΔTrepiy von 200 μs und einem Abstand zwischen den Senderempfängern A und B von 10 km oder weniger eine für viele Anwendungsfälle ausreichende Ge¬ nauigkeit erzielt. Die Genauigkeit von + 150 cm reicht beispielsweise in der Rege! aus festzustellen, in welchem Raum eines Gebäudes sich eine Person befindet. Wenn beispielsweise Protokollvorschriften die Einhaltung der bevorzugten Diffe¬ renz der Antwortzeitabstände von 20 MikroSekunden erschweren, können zur Erhöhung der Genauigkeit der Entfernungsmessung auch Taktgeneratoren mit engeren Toleranzen verwendet werden, bei denen die relativen Zeitfehlerwerte (EtA, EtB ) beispielsweise im Intervall EtA = -20..0..2O ppm und Etß = -20..0..2O ppm liegen. Derartige Taktgeneratoren sind jedoch in Anbetracht der Gesamtkosten eines Senderempfängersystems kaum teurer.
2. n-Wege-Verfahren
Nachfolgend wird anhand der Figuren 3 und 4 als zweites Ausführungsbeispiel eine Verallgemeinerung des oben beschriebenen 3-Wege-Verfahrens beschrie¬ ben. Bei dem hier beschriebenen n-Wege-Verfahren wird der Abstand zwischen zwei Senderempfängern von einer ungeraden Anzahl n Datenrahmen durchlau- fen.
Zunächst wird der Ablauf des Verfahrens geschildert. Anschließend wird die Ge¬ nauigkeit dieses n-Wege-Verfahrens mathematisch abgeleitet.
2.1 Signalrundläufe im n-Wege-Verfahren
Das n-Wege-Verfahren stellt im wesentlichen eine Verallgemeinerung des un- ter 1. beschriebenen 3-Wege-Verfahrens dar.
Ein Datenrahmen 30 wird von einem ersten Senderempfänger A ausgesendet und von einem zweiten Senderempfänger B empfangen. Dieser Datenrahmen wird dort geprüft und nach erfolgreichem Abschluss der Prüfung mit einem Ant¬ wortzeitabstand ein zweiter Datenrahmen 32 zum ersten Senderempfänger A gesendet.
Der erste Senderempfänger A prüft den zweiten Datenrahmen 32 und sendet einen dritten Datenrahmen, ebenfalls mit einer Verzögerung eines Antwortzeitab¬ standes zum zweiten Sendeempfänger B. Auf diese Folge von Datenrahmen können beliebig viele Datenrahmenpaare übertragen werden. Exemplarisch sind in Figur 3 die Datenrahmen 34, 36, und 38 dargestellt. Dabei werden insgesamt n Datenrahmen übertragen. Die Datenrahmen 36 und 38 sind n Fig. 3 durch eine geschweifte Klammer als Datenrahmenpaar 40 zusammengefasst und gestrichelt gezeichnet, um zu symbolisieren, dass eine mehrfache Wiederholung der Aus¬ sendung solcher Datenrahmenpaare im Rahmen des vorliegenden Ausführungs- beispiels stattfinden kann. Die Antwortzeitabstände T
repι
yAk, k= 2,4,6,8,..,(n-1 ) von TreptyA2 bis T
repiyA(
n-i), und T
repfy
Bi, i = 1 ,3,5,7, ..,(n-2) von J
replyBi bis T
reptyB(„.
2) weisen eine mittlere Differenz gemäß der Formel
1) — TieplvB(n - 2)
auf, deren Betrag maximal 20 Mikrosekunden ist. In einer Variante dieses Verfah¬ rens sind zusätzlich die Antwortzeitabstände Trep,yA2 und TrepfyB1 entweder iden¬ tisch oder eine weisen Differenz auf, deren Betrag maximal 20 Mikrosekunden ist.
Aus der Messung der Rundlaufzeit dieser Nachrichtenfolge wird ähnlich dem 3-Wege-Verfahren die gesamte Impulslaufzeit im Übertragungsmedium ermittelt.
Figur 4 zeigt in analoger Darstellung zu Figur 2 den zeitlichen Ablauf des Verfah¬ rens wiederum unter Darstellung nur eines Impulses für jeden Datenrahmen.
Die Berechnung der des arithmetischen Mittelwertes der Signallaufzeit TprOp er¬ folgt anhand der nachstehenden Formel:
Formel 15:
- 2) + TroιιndB(n - I) - TιeρlyA(n - 1)
n =2k + \,k e N >\
Aus der Signallaufzeit Tprop kann wiederum die Entfernung berechnet werden.
Da die Gesamtrundlaufzeit Tr0Und beim n-Wege-Verfahren ebenfalls nicht direkt gemessen wird, werden wieder die direkt gemessenen Teil-Rundlaufzeitabstände (Tr0UndAi > Tr0UndB2, ■■, TroundA(n_2), TroundB(n-i) ) verwendet. Die Antwortzeiten (TrepιyA2, TrepiyBi , ■■> TrepiyA(n-i), TrepιyB(n-2)) beider Senderempfänger müssen dabei bekannt sein.
2.2 Genauigkeit des n-Wege-Verfahrens
Wird die Summe der Differenzen der Antwortzeiten (T
repι
yA2, T
repι
yBi , ■-, T
repiyA(n-i)
> T
rePiy
B(
n-
2)) erfindungsgemäß sehr klein gehalten oder ist sie gleich Null
wj
r(j d
urcη di
βS
βS Symmetrische
n-Wege-Verfahren wie beim oben beschriebenen 3-Wege-Verfahren der Vorteil einer unerwartet hohen Genauigkeit der Entfernungsmessung erzielt. Dies wird nachfolgend näher erläutert.
Durch die oben unter 1.2 schon erläuterten relativen Zeitfehler auf Seiten der Senderempfänger A und B ergibt sich für die ermittelte Impulslaufzeit bzw. die daraus berechnete Entfernung der relative Fehler EtAB gemäß Formel 16:
Formel 16:
Bei Berücksichtigung der Fehler EtA und Etß gemäß Formel 17 bis Formel 20
Fo Pl 1 7
"
n =2k + \, k G N
p_
rm_ι -ι q. TioundBn — TioundBnQ. + EtB),
k 6 N > 0
kann der Fehler der Signallaufzeit bzw. der Entfernung bestimmt werden:
Formel 21 :
. , TeplyA2 - TιeplyB\ + .. + TιephA(π - \) — TιephB(n - 2) EtAB = X2 EtA + Y2 EtB -\ (EtB - EtA) 2(n - X)Tpwp
Die Summe der Antwortzeitdifferenzen
( TrepfyAl — TreplyBλ + .. + TreplyA(n - 1) — Treply(n - 2) =∑ ATreply )
«-1 ergibt geteilt durch deren Anzahl ( 2 ) einen Mittelwert ^iePl>MG für die Antwort¬ zeiten gemäß der nachstehenden Formel 22:
Formel 22:
Dadurch lässt sich der Fehler der Signallaufzeit folgendermaßen vereinfacht dar¬ stellen (Formel 23):
-f i / -n 1 / T-" Al ieplyAVG , „ „ λ
EtAB - X2 EtA + X2 EtB H (ElB - EtA)
Formel 23: 4TP'°P
Zur Abschätzung der Fehlereigenschaften werden wieder zwei Fälle der Zeitfeh- ler betrachtet. Identisch zum 3-Wege-Verfahren entspricht der relative Fehler der
Entfernung dem arithmetischen Mittel der relativen Fehler EtA und EtB (siehe
Formel 13), falls beide Fehler gleich groß sind (E1A = EtB). Ähnlich zum 3-Wege-
Verfahren ist bei betragsgleichen Fehlem mit unterschiedlichen Vorzeichen
(EtA = - Etß) der Fehler im wesentlichen abhängig vom Verhältnis des Mittelwertes der Antwortzeitdifferenzen zu der vierfachen Signallaufzeit gemäß Formel 24:
Die Präzision der Entfernungsmessung ist beim n-Wege-Verfahren verglichen mit dem 3-Wege-Verfahren ebenfalls unabhängig von den absoluten Rundlauf- und Antwortzeitabständen. Der Fehler wird mit zunehmender Entfernung kleiner.
In praktischen Realisierungen von Senderempfängern können die Antwortzeitdif¬ ferenzen, wie bereits erwähnt, sehr klein gehalten, aber bedingt durch Abtastfeh-
ler der digitalen Systemkomponenten oft nicht vermieden werden. Werden jedoch die Antwortzeiten bei einer n-Wege-Messung gleichmäßig variiert bzw. gestreut, wird der Mittelwert der Antwortzeitdifferenzen sehr klein (Δ.T,e Pι} AVG → Q^ ^3 aucn negative Differenzen auftreten können. Dies wird in praktischen Realisierungen dadurch angenähert, dass die Abtastfehler zufällig auftreten. Tendenziell ist der Mittelwert der Differenzen der Antwortzeitabstände wesentlich kleiner als die Dif¬ ferenz Antwortzeitabstände beim 3-Wege-Verfahren:
ΔΓ l.eplvAVG T ι,eplv4 - T l,eplγB
(vergleiche Formel und Formel 23). Damit fällt der relative Fehler der Entfernung kleiner aus als beim 3-Wege-Verfahren, und das n-Wege-Verfahren erweist sich somit als ebenfalls genau für die Entfernungsmessung.
3. Doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren
Anhand der Figuren 5 und 6 wird nachfolgend als drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abstandsbestimmung ein doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren beschrieben.
3.1 Signalrundläufe beim doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahren
Zur Durchführung eines ersten Signalrundlaufs wird ein erster Datenrahmen 42 von einem ersten Senderempfänger A ausgesendet und von einem zweiten Sen¬ derempfänger B in Form eines empfangenen Datenrahmens 42' empfangen.
Dieser empfangene Datenrahmen 42' wird auf Seiten des Senderempfängers 42 geprüft und bei Erfolg mit einem Antwortzeitabstand zum Empfang des ersten Datenrahmens 42' ein erster Folgedatenrahmen in Form eines zweiten Daten¬ rahmens 44 zum ersten Senderempfänger A gesendet. Der Empfang des zwei¬ ten Datenrahmens 44 beim ersten Senderempfänger A in Form eines Empfangs- Signals 44' schließt den ersten Signalrundlauf ab.
Zur Durchführung eines zweiten Signalrundlaufs sendet der zweite Sendeemp¬ fänger B einen dritten Datenrahmen 46 an den ersten Senderempfänger A, der wiederum den empfangenen dritten Datenrahmen 46' prüft und einen zweiten Folgedatenrahmen in Form eines vierten Datenrahmens 48 mit einem Antwort- zeitabstand zum Empfang des dritten Datenrahmens 46' zum zweiten Sende¬ empfänger (B) sendet. Der Empfang des ausgesendeten vierten Datenrahmens 48 beim zweiten Senderempfänger B in Form eines Empfangssignals 48' schließt den zweiten Signalrundlauf ab.
Das Verfahren wird so durchgeführt, dass die Antwortzeitabstände TrepιyA2 und TrepiyBi auf Seiten des ersten und zweiten Senderempfängers entweder identisch sind oder eine Differenz aufweisen, deren Betrag maximal 20 Mikrosekunden ist.
Dieser von beiden Senderempfängern je einmal gestartete Zwei-Wege-Nach¬ richtenaustausch zur Abstandsbestimmung in zwei unterschiedlichen Signalrund¬ läufen wird als doppelseitiges Zwei-Wege-Verfahren bezeichnet. Dabei können die beiden Signalrundläufe im selben Übertragungskanal nacheinander ausge¬ führt werden, oder der Austausch kann bei Verwendung von zwei getrennten Nachrichtenkanälen zeitgleich oder zeitlich überlappend erfolgen.
Aus den Messungen der Rundlaufzeitabstände der Nachrichtenfolgen werden nach Abzug der bekannten Antwortzeiten die Impulslaufzeiten im Übertragungs- medium ermittelt.
Die jeweiligen Impulslaufzeiten werden folgendermaßen berechnet (siehe Formel 25 und Formel 26):
i roundAX — 1 >epiyii\ ipropA —
Formel 25: 2
1 roiindBl — L replyÄl ipropB —
Formel 26: 2
Die berechneten Impulslaufzeiten (TpropA, TprOpB) werden anschließend gemittelt (siehe Formel 27) und aus der gemittelten Impulslaufzeit wird dann die Entfer¬ nung berechnet.
„_, LpiopA ~t~ lpiopB lpiop = -
Formel 27: l
Die Berechnung kann durch Einsetzten von Formel 25 und Formel 26 in Formel 27 folgendermaßen zusammengefasst werden (siehe Formel 28).
11 oundA — 11 eplyB + 1 ioundB — I ?eph 4 1 ptop —
Formel 28:
Die Berechnung gemäß dieser Formel 28 ist somit identisch zum 3-Wege- Verfahren. In gleicher weise wie dort lässt sich aus der Impulslaufzeit der räumli- che Abstand der beiden Senderempfänger A und B berechnen.
3.2 Genauigkeit des doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens
Da die Berechnung der Impulslaufzeit des doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens identisch zum 3-Wege-Verfahren ist (vergleiche Formel 28), und die Berücksich¬ tigung der Fehler in gleicher Weise wie beim 3-Wege-Verfahren erfolgen kann (Formel 8 bis Formel 11 ), ergibt sich für den relativen Fehler der Impulslaufzeit bzw. Entfernung die gleiche Funktion wie beim 3-Wege-Verfahren (siehe Formel 12). Damit ist das doppelseitige Zwei-Wege-Verfahren als Alternative des 3-Wege-Verfahrens mit identischen Fehlereigenschaften einsetzbar, was das wesentliche Merkmal dieses Verfahrens darstellt.
4. Mehrfach-doppelseitiges-Zwei-Wege-Verfahren
Nachfolgend wird anhand der Figuren 7 und 8 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei dem durch Wiederholung von Signalrundlaufpaaren und ein Mehrfach-doppelseitiges-Zwei-Wege-Ver- fahren durchgeführt wird.
4.1 Signalrundläufe
Zu Beginn eines ersten Signalrundlaufs 50 wird ein erster Datenrahmen 52 von einem ersten Senderempfänger A ausgesendet und von einem zweiten Sender¬ empfänger B empfangen. Dieser empfangene Datenrahmen 52' wird dort geprüft und bei Erfolg ein Folgedatenrahmen in Form eines zweiten Datenrahmens 54 mit einem Antwortzeitabstand TrepiyBi zum Empfang des ersten Datenrahmens 52' zum ersten Senderempfänger A gesendet. Der Empfang des zweiten Datenrah¬ mens 54 beim ersten Senderempfänger A beendet den ersten Signalrundlauf 50.
Zu Beginn eines zweiten Signalrundlaufs 56 sendet der zweite Senderempfänger B einen dritten Datenrahmen 58 zum ersten Senderempfänger A. Dieser emp¬ fangene Datenrahmen 58' wird dort geprüft und bei Erfolg ein Folgedatenrahmen in Form eines vierten Datenrahmens 60 mit einem Antwortzeitabstand TrepiyA2 zum Empfang des dritten Datenrahmens 58' zum zweiten Senderempfänger B gesendet. Der Empfang des vierten Datenrahmens 60 beim zweiten Senderemp- fänger B beendet den zweiten Signalrundlauf 56.
Der bis hierher beschriebene doppelseitige Zwei-Wege-Nachrichtenaustausch wird insgesamt n-1-fach ausgeführt. Das Verfahren wird so durchgeführt, dass die Antwortzeitabstände TrepιyAk, k= 2,4,6,8.,,(n-1 ) von TreplyA2 bis Trep,yA(n.lh und T,ePiyB„ i = 1 ,3,5,7..,(n-2) von TrepiyBi bis Υrepιy^n-2, auftreten, die eine mittlere Diffe- renz gemäß der Formel
TieplyAl — TreplyBλ + .. + TreplyA(n - 1) — TιeplyB(n - 2) ^^ReplyAVG ~ ~n-[
2
aufweisen.
Die Signalrundläufe können nacheinander im selben Übertragungskanal stattfin¬ den. Alternativ können bei Verwendung von zwei oder mehreren getrennten Nachrichtenkanälen zwei oder mehr Signalrundläufe zeitgleich oder zeitlich über¬ lappend durchgeführt werden. Bei der sequentiellen Variante ist die Richtung der
Zwei-Wege-Nachrichtenfolgen nicht an eine bestimmte Reihenfolge gebunden. Die einzelnen Nachrichtenfolgen sind voneinander unabhängig.
Aus den jeweiligen gemessenen Rundlaufzeitabständen und den bekannten Antwortzeitabständen werden die Impulslaufzeiten von beiden Seiten (siehe Formel 29 und Formel 30) berechnet.
TioimdBy — lieplyΛy . .
Formel 30: TP,OPBV = , y =2k, x < n, k e N > 0
Die Impulslaufzeiten (TpropAx, TpropBy) werden anschließend gemittelt (siehe Formel 31) und aus der gemittelten Impulslaufzeit wird dann die Entfernung berechnet.
TpiopAX + TpropBl + .. + TpiopΛ(n - 2) + TpιopB(n - 1) Formel 31 : lp>°p = ; —
(n -1)
Die Berechnung kann durch Einsetzen von Formel 29 und Formel 30 in Formel 31 folgendermaßen zusammengefasst werden (siehe Formel 32).
Formel 32:
TroundΛ — TreplyBl + TimmdBl — TιeplyA2 + .. + Tioimdiπ - 2) — TιeplyB(ιι - 2) + TioundS.» - 1) — TreplyAn - 1) Ipiop =
2(H-I) n =2k + l,k e N>\
Die Berechnung ist somit identisch zum oben beschriebenen n-Wege-Verfahren, dessen einer Spezialfall das oben beschriebene 3-Wege-Verfahren ist.
Da die Summe der Differenzen der Antwortzeiten (TrepιyA2, TrepiyBi . ■■> TrepiyA(n-i),
Tr
ePiy
B(n-
2)) gemäß der Erfindung bei der Verfahrensführung sehr klein gehalten wird bzw. völlig verschwindet ( T,e
PiyA2 - T,e
PiyBi + .. + T
rephA(n
- D -> 0 ) k
arm
man von einem symmetrisch mehrfach doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahren sprechen.
4.2 Genauigkeit des Mehrfach-doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens
Da auch hier die Berechnung der Impulslaufzeit des mehrfach-doppelseitigen Zwei-Wege-Verfahrens identisch zum n-Wege-Verfahren ist (vergleiche Formel 32 und Formel 15), und die Berücksichtigung der Fehler in gleicher Weise wie beim n-Wege- Verfahren erfolgen kann (Formel 17 bis Formel 20), ergibt sich für den relativen Fehler der Impulslaufzeit bzw. Entfernung die gleiche Funktion wie beim n-Wege-Verfahren (siehe Formel 22). Damit ist das mehrfach-doppelseitige Zwei-Wege-Verfahren als Ersatz des n-Wege-Verfahrens mit identischen Fehler¬ eigenschaften einsetzbar, was das wesentliche Merkmal dieses Verfahrens dar¬ stellt.
5. Dithering und Avering
Nachfolgend wird als fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver- fahrens anhand der Figuren 9 bis 13 eine auf alle vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele anwendbare Methode beschrieben, mit der die Genauigkeit der Abstandsbestimmung weiter erhöht werden kann.
Die Kapazität C eines Übertragungskanals, also die Informationsmenge, die in einer bestimmten Zeit übertragen werden kann, wird durch das Shannon'sche Theorem der Kanalkapazität bestimmt (siehe Formel 33).
Formel 33: C=B log 2(1 + 53VR)
Dabei bezeichnet B die Bandbreite des Kanals und SNR das Signal-zu-Rausch- Verhältnis. Dadurch kann in einer bestimmten Zeit T die Informationsmenge / ü- bertragen (siehe Formel 34) werden.
Formel 34: I=BT log 2(1 + 57VR)
Die Genauigkeit eines Wertes einer Größe, der als Information übertragen wird, ist proportional zur Informationsmenge, die zur Übertragung des Wertes zur Ver¬ fügung steht, beispielsweise in Form verfügbarer Nachkommastellen. Da die zur Verfügung stehende Bandbreite B und Ausgangsleistung, die das Signal-zu- Rausch-Verhältnis SNR bestimmt, aus verschiedenen Gründen wie beispielswei¬ se aufgrund gesetzlicher Regulierungen begrenzt sind, lässt sich die Informati¬ onsmenge nur dadurch erhöhen, dass die Zeitdauer der Übertragung T erhöht wird, vgl. Formel 34. Daher ist es naheliegend, zur genauen Ermittlung der An¬ kunftszeit (ToA = Time of Arrival) eines Datenrahmens die Ankunftszeiten so vie- ler Impulse wie möglich zu Grunde zu legen und damit die Informationsmenge zu erhöhen.
Mit Bezug auf Fig. 9 besteht ein zu sendender Datenrahmen a aus einer Se¬ quenz von Impulsen a1, a2, a3 bis an mit bekannter Impulsfrequenz, die sich in einer bekannten Impulsperiode T1 widerspiegelt.
Beim dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel durchgeführten Dithering sind die Impulsperioden jedoch nicht konstant. Einzel-Impulse b1 bis bn eines nach dem Dithering-Verfahren übertragenen Datenrahmens b weisen jeweils eine zeit¬ liche Abweichung AT1, auf, j= 1 , 2, ..., n,.
Im Idealfall sind die Abweichungen ΔT,, völlig gleichmäßig verteilt, und die Sum- me der Abweichungen ist gleich Null:
Formel 35: Aτ>1 + AT'2 + ATύ + ■■ + ATm → °
Nachfolgend wird anhand von Fig. 10 ein in Kombination mit dem Dithering durchgeführtes Averaging beschrieben. Beim Averaging werden Differenzen der Ankunftszeiten ΔT|RX| einzelner empfangener Impulse b1 \ b2' bis bn' relativ zu den jeweils nächstliegenden Rasterpunkten eines festgelegten Zeitrasters R ge¬ messen. Das Raster R entspricht der Impulsperiode T1 und besitzt dabei einen festen Bezug (synchron) zum Zeitraster (Taktgenerator) der Empfangseinrichtung eines Senderempfängers.
Dabei wird dem Raster ein beliebiger detektierter Impuls des Datenrahmens als Referenzpunkt (tToA') zugeordnet, und das Raster wird einmal pro Datenrahmen so genau wie möglich auf die Impulssequenz justiert. Die erzielbare Genauigkeit der Justierung ist abhängig vom Zeitraster/Taktgenerator der Empfangseinrich- tung.
Da die Abweichungen im Rahmen des Ditherings sehr viel kleiner als die Impuls¬ periode T1 dimensioniert sind, wird eine eineindeutige Zuordnung der Rasterpunk¬ te zu den detektierten Impulsen gewährleistet. Die Messungen der Abweichun¬ gen (AT1RX1) werden akkumuliert und anschließend arithmetisch gemittelt (siehe Formel 36). Da beim Dithering die Summe aller Abweichungen im Idealfall Null ergibt entspricht der Mittelwert ΔTIRXAVG der Differenz der genauen Ankunftszeit des Datenrahmens (tToA) zu dem Referenzpunkt (W)-
ATiRX] + ATiRX 2 + .. + ATiRXn
Formel 36: AT.RXΛVG =
Die im folgenden beschriebenen zusätzlichen Verfahrensmerkmale sind beson¬ ders geeignet bei der Verwendung eines Dithering- und Averaging-Verfahrens in Verbindung mit dem Verfahren der Erfindung:
a) Da die sendeseitig eingefügten Abweichungen die zur Verfügung beste¬ hende Impulsdauer bestimmt und nur wenig Verlust von Bandbreite mit die- sem Verfahren einhergehen soll, betragen die Abweichungen senderseitig nur einen kleinen Bruchteil der Impulsperiode.
b) Das Dithering kann beim Senden, beim Empfangen oder bei beiden Pro¬ zessen gleichzeitig eingefügt werden. Letztere Variante trägt insbesondere zur einfachen Verbesserung der Gleichverteilung des Ditherings bei. Dabei ist gleichverteiltes Rauschen der Übertragungsstrecke sowie der Sender¬ und Empfängerschaltung dem Verfahren förderlich, da es die Gleichvertei¬ lung des Ditherings verbessert.
c) Die Differenz aus größter positiver und negativer Abweichung muss größer also die Messauflösung auf der Empfängerseite sein, um eine Verteilung über mindestens zwei unterschiedliche Quantisierungsstufen (Messauflö¬ sung) zu erreichen. Die effizienteste Lösung ist daher ein Dithering, bei dem die Differenz der Abweichungen größer ist als die Messauflösung Tr auf der Empfängerseite (siehe Formel 38), aber wesentlich kleiner als die Impulsperiode T1.
Formel 38: Tr < AT, m∞- Δ7Ϊ mm « T,
d) Des weiteren können alle Impulse oder nur ein Teil der Impulse eines Da- tenrahmens dem Dithering unterworfen werden.
5.2 Senderempfänger mit Dithering/Averaging
In praktischen Ausführungsvarianten von Senderempfängern ist das Dithering bereits inhärent. Aus verschiedenen Gründen, die Vorteile für die Realisierung erbringen, werden digitale Module miteinander verschaltet, die mit unterschiedli- chen Taktfrequenzen betrieben werden. Niedrige Taktfrequenzen sind zum Bei¬ spiel dort sinnvoll, wo das zeitliche Verhalten mit diesen Taktfrequenzen ausrei¬ chend ist, aber den Vorteil des geringen Stromverbrauchs erbringen. Hohe Takt¬ frequenzen werden dort eingesetzt, wo ein schnelles zeitliches Verhalten der Schaltung erforderlich ist. In der Regel kommen die niedrigeren Taktfrequenzen zum Einsatz, um die Verarbeitung der Daten der Nachrichtenrahmen (Kodierung, Dekodierung) durchzuführen. Diese Taktfrequenzen betragen nur ein kleines viel¬ faches der Datenrate bzw. der Impulsfrequenz. Für die Synthese und die Detek- tierung der einzelnen Impulse (Nachrichtensymbole) kommen Taktfrequenzen zum Einsatz, die dem mehrfachen der Bandbreite des Impulses im Basisband oder auf einer Zwischenfrequenz entsprechen müssen, um die gewünschten Ei¬ genschaften der Schaltungen zu ereichen. Werden die Takte aus verschiedenen Quellen abgeleitet, sind die verschiedenen Taktfrequenzen nicht synchronisiert. Die Frequenzen können zudem so dimensioniert werden, dass das kleinste ge¬ meinsame Vielfache gegen unendlich geht. Am Übergang eines Signals von ei- ner Taktdomäne in die andere entsteht dadurch ein Abtastfehler, der eine zufälli-
ge Verteilung aufweist. Diese zufälligen Abweichungen erzeugen ein „Jittern" bzw. „Dithern" der gesendeten Impulse und wird allgemein als unerwünschter Effekt betrachtet.
Für die Realisierung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sen- derempfängers und einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Abstandsbestim¬ mung gereicht jedoch dieser Effekt zum besonderen Vorteil, weil er ohne weitere Maßnahmen das Dithering der Impulse in der Sende- als auch in der Empfang¬ seinrichtung von Senderempfängem realisiert.
Weitere Schaltungsmaßnahmen zur Implementierung des Ditherings sind nicht notwendig, können aber im Rahmen dieser Erfindung zusätzlich realisiert wer¬ den.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel einer Implementierung einer Anordnung von zwei Sen¬ derempfängem mit inhärentem Dithering und veranschaulicht die Übertragung eines Nachrichtenrahmens in eine Richtung.
Ein Senderempfänger TRX1 als Sender und der Senderempfänger TRX2 als Empfänger fungieren. Im Senderempfänger TRX1 wird ein Rahmen generiert, also kodiert, und die zu sendenden Signalimpulse (nachfolgend auch kurz als Impulse bezeichnet) werden mit einer Impulsfrequenz von einem Modul TXDL erzeugt und ausgesendet. Ein zu sendender Impuls 72 wird von einem Modul TXDH abgetastet und als digitales Basisbandsignal synthetisiert.
Durch ein Modul TX wird das Basisbandsignal in ein analoges Signal umgewan¬ delt, verstärkt und anschließend über eine Antenne 74 abgestrahlt. Dabei basiert die Impulsfrequenz auf einer Zeitbasis, die ein Modul GL verwendet. Das Modul GL leitet ein daraus resultierendes Taktsignal CKL1 an das Modul TXDL.
Das Modul TXDH wird jedoch mit einem Taktsignal CKH 1 versorgt, das in einem Modul GH erzeugt wird und das auf einer unabhängigen und gegenüber dem Modul GL unsynchronisierten Zeitbasis basiert. Dadurch entsteht ein systemati-
scher Abtastfehler, der im statistischen Mittel der Hälfte der Periode von CKH 1 entspricht.
Empfangsbezogene Module des Senderempfängers TRX1 sind gestrichelt ge¬ zeichnet und werden nicht näher erläutert. Ihre Funktion ergibt sich aus der nach- folgenden Beschreibung der empfangsbezogenen Module eines zweiten Sender¬ empfängers TRX2.
Im zweiten Senderempfänger TRX2 wird ein über dessen Antenne 76 einge¬ strahlter Impuls in einem Modul RX verstärkt und zu einem Basisbandsignal 78 digitalisiert. In einem Modul RXDH1 wird das Basisbandsignal 78 mit einem Takt CKH2 abgetastet, und es erfolgt die Detektierung eines Impulses, z.B. durch digi¬ tale Korrelation.
Durch die digitale Abtastung im Modul RXDH 1 entsteht ein weiterer systemati¬ scher Abtastfehler, der im statistischen Mittel der Hälfte der Periode des Taktsig¬ nals CKH2 entspricht. Durch Abtastung eines detektierten Impulses 80 durch ein Modul RXDL mit einem Takt CKL2 entsteht wiederum ein Abtastfehler, der je¬ doch bedingt durch eine niedrige Taktfrequenz an CKL2 vermessen wird. Dazu wird erneut ein von einem dem Modul RXDH1 nachgeschalteten Modul RXDL abgetasteter Impuls 82 von einem weiteren Modul RXDH2 mit dem Takt an CKH2 abgetastet, wodurch ein weiterer zeitlicher Abtastfehler des empfangenen Impulses entsteht. Der Abtastfehler des Moduls RXDL wird mit einem Modul CNTH abgezählt.
Die Taktfrequenz des Taktsignals CKL2 basiert auf einer Zeitbasis, die ein Mo¬ dul GL verwendet, welches das Modul RXDL mit einem Taktsignal versorgt. Die Module RXDH, RXDH2 und CNTH werden mit dem Taktsignal CKH2 versorgt, das in einem Modul GH erzeugt wird und das auf einer zum Modul GL unabhän¬ gigen, unsynchronisierten Zeitbasis basiert. Die Module RXDH und CNTH mes¬ sen die Ankunftszeit des empfangenen Impulses mit dem Takt CKH2, wodurch die Messgenauigkeit der Ankunftszeit der Periode dieses Taktes entspricht.
Insgesamt werden die einzelnen Impulse durch Überlagerung der insgesamt drei Abtastfehler systematisch auf der Zeitachse verschoben. Dabei können die Sen¬ derempfänger so konstruiert und eingerichtet werden, dass das Verhältnis der Frequenzen CKL1 zu CKH1 bzw. CKL2 zu CKH2 eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Abtastfehler erzeugt. Die Frequenzen CKH1 und CKH2 sind aus Gründen der konstruktiven Vereinfachung identisch ausgelegt, werden aber in der Phase und Frequenz nicht synchronisiert und können daher zueinander so geringfügig verschoben werden, dass ebenfalls eine möglichst gleichmäßige Ver¬ teilung der Abtastfehler entsteht. Die Taktfrequenzen von CKL1 und CKL2 sind identisch ausgelegt, aber ebenfalls unsynchronisiert und weisen in der Praxis ge¬ ringfügige Abweichungen zueinander auf (z.B. Quarztoleranzen), können aber auch zufällig synchron zueinander sein.
Zusätzlich weisen alle Taktfrequenzen in der Praxis unsystematische, zufällige Phasenfehler auf. Wie bereits erwähnt, kann Rauschen in den Senderempfän- gern und auf der Übertragungstrecke zu weiteren geringfügigen zeitlichen Ver¬ schiebungen der Impulse führen.
Alle diese Maßnahmen und Effekte führen zu einer Überlagerung von systemati¬ schen und zufälligen Effekten und damit zu einer sehr gut zufällig verteilten Zeit¬ verschiebung der einzelnen Impulse. Zudem führt die Überlagerung zu einem Dithering, welches die Bedingung nach Formel 40 annähert.
Fig. 12 zeigt den zeitlichen Ablauf der Übertragung eines Impulses bei Verwen¬ dung der Senderempfänger-Anordnung der Fig. 11. Die Zeitdifferenzen ΔTTX, ΔTRX1 und ΔTRX2 entsprechen dabei den systematischen Abtastfehlern. Die mit einem Stern (*) gekennzeichneten Zeiten sind von der Phasenkonstellation der verschiedenen Takte unabhängige Verzögerungen, deren Werte bekannt sind.
Eine weitere Verbesserung der Gleichverteilung des Ditherings kann dadurch erzielt werden, dass zwischen der Übertragung von zwei Nachrichtenrahmen die
Taktgeneratoren GH neu gestartet werden oder dass die Taktgeneratoren wäh- rend der Übertragung mit einer pseudozufälligen Sequenz frequenzmoduliert
werden. Dabei erfolgt die Frequenzmodulation in einem sehr schmalen Bereich. Zusätzlich können zwischen den Entfernungsmessungen die Taktgeneratoren GL neu gestartet werden.
5.3 Genauigkeit der Abstandsbestimmung bei Verwendung von Dithering und Averaging
Da die Auflösung der einzelnen Messungen von ΔTlRXl , vgl. Fig. 13, in der Praxis durch die dafür zur Verfügung stehende Taktfrequenz technisch begrenzt ist, wird die Messung der einzelnen Impulse einem Fehler unterworfen.
Die Begrenzung ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Machbarkeit einer Reali- sierung zu verbessern (z.B. durch maximal mögliche Taktfrequenzen abhängig vom Herstellungsprozess einer Realisierung), die Stromaufnahme zu reduzieren und die Kosten des Bauteils (z.B. Verwendung eines kostengünstigen Designs) gering zu halten. Da die Unsicherheit der Quantisierung statistisch ΛA Tr beträgt, wird zum Messwert ΔTlRXl dieser Betrag dazu addiert.
Bei einer endlichen Anzahl von Messwerten (ΔTlRXl) ergibt sich auf Grund der o- ben genannten Messfehler der absolute Fehler ETOA der gemessenen Ankunfts¬ zeit (siehe Formel 39).
Formel 39: tτoA+ ETOA =ITOA '- ATIRXAVG
Dabei ist der Fehler ETOA bei angenommenen ideal gleichmäßig verteilten Ab- weichungen der Impulse, wie hinlänglich bekannt, in folgender Weise abhängig von der Anzahl der durchgeführten Messungen n und der Einzelmessauflösung Tr (siehe Formel 40).
Formel 40: ^ ≤ ± -^ n
Da in der Praxis die ideale Gleichverteilung der Abweichungen der detektierten Impulse sehr unwahrscheinlich bzw. nur mit aufwendigen Realisierungen er¬ reichbar wäre, fällt der Fehler ETOA entsprechend größer als nach Formel 40 aus.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele beschrieben, deren zusätzli- che Merkmale auf die oben beschriebenen verschiedenen Varianten des Verfah¬ rens zur Abstandsbestimmung angewendet werden können, um dessen Genau¬ igkeit, Sicherheit oder Protokolleinbettung zu verbessern.
6. Peak-Detektion
Die Genauigkeit der Bestimmung eines Empfangszeitpunktes kann durch geeig- nete Peak-Detektions-Verfahren verbessert werden. Nachfolgend wird zunächst ein digitales Korrelationsverfahren beschrieben. Anschließend wird ein analoges Kompressionsverfahren beschrieben.
6.1 Peak-Detektion durch digitale Korrelation
Bei diesem Verfahren wird der Impuls, von dem die Ankunftszeit gemessen wird, von einem digitalen Korrelator (sog. sliding correlator) detektiert. Dabei wird das empfangene Signal digital quantisiert und in der Regel über die Dauer eines Nachrichtensymbols gespeichert. Die gespeicherten Werte werden dann kontinu¬ ierlich mit einem zu erwartenden Muster verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird als digitaler Zahlenwert dargestellt. Zur Detektierung eines Impulses kann dieser Zahlenwert gegen einen Schwellwert verglichen werden (fixed threshold), oder es wird der größte erreichte Zahlenwert in einem Zeitfenster ausgewählt. Die letztere Möglichkeit wird für die Messung des Empfangszeitpunkts herange¬ zogen, da sie am genauesten den Zeitpunkt mit dem besten Signalgewinn ermit¬ telt.
6.2 Peak-Detektion durch analoge Kompression
Hier wird das Empfangssignal mit einer elektronischen oder mechanischen Schaltung (mechanischer Oberflächenwellefilter) analog so aufsummiert (komp-
rimiert), dass zu einem bestimmten Zeitpunkt das empfangene Signal als analo¬ gen Impuls darstellt. Dabei ist die analoge Kompression so ausgelegt, dass sie mit der Spitze des analogen Impulses genau den Zeitpunkt (konstante Verzöge¬ rung kann eingeschlossen sein) mit dem besten Signalgewinn ermittelt. Die ana- löge Spannung kann mit einer Referenzspannung verglichen werden (Kompara- tor). Durch Messung und Mittelung der Zeiten der Überschreitung und Unter¬ schreitung des Schwellwertes des analogen Komparators kann die Spitze des analogen Impulses zeitlich am genauesten ermittelt werden, insofern der analoge Impuls ein symmetrische Form besitzt.
7. Qualifizierung und Identifizierung von Signalimpulsen
Nachfolgend werden Maßnahmen beschrieben, mit denen sichergestellt werden kann, dass empfängerseitig detektierte Signalimpulse für eine Abstandsbestim¬ mung vorgesehen sind. Zu diesen Maßnahmen gehört ein Gating-Verfahren, eine Plausibilitätsprüfung, eine Integritätsprüfung sowie eine Identifikation empfange- ner Signalimpulse.
7.1 Gating
Die detektierten Impulse eines Datenrahmens erzeugen ein kurzzeitiges Signal welches sich mit der bekannten Impulsperiode für die nachfolgenden Impulse wiederholt. Da die Impulsperiode beim Empfänger bekannt ist, kann nach der Synchronisation auf einen beliebigen Impuls ein Raster mit der bekannten Im¬ pulsfrequenz festgelegt werden. An den Rasterpunkten (Zeitpunkt der nachfol¬ gend zu erwartenden Impulse) lassen kurze Zeitfenster die detektierten Impulse zu der Messeinrichtung für die Ankunftszeit hindurch, während in den Zeiträumen zwischen den Fenstern die detektierten Impulse blockiert bzw. herausgefiltert werden. Somit können Impulse, die durch Störer, Rauschen und Mehrwegeaus¬ breitung detektiert werden, ausgeblendet werden, was die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Entfernungsmessung weiter erhöht. Fallen mehrere Impulse in das Zeitfenster, wird immer der erste Impuls detektiert, die nachfolgenden Impul¬ se werden ebenfalls ausgeblendet. Dabei betragen die Zeitfenster nur einen Bruchteil der Impulsperiode, um eine gute Filterwirkung gegen die genannten
Störer zu erreichen. Sie müssen aber eine gewisse Mindestdauer aufweisen, da die Impulssynchronisation einem gewissen Fehler unterworfen ist und die einzel¬ nen Impulsabstände auf Grund des verwendeten Dithering-Verfahrens nicht kon¬ stant sind.
7.2 Plausibilitätsprüfung
Die Prüfung der Ankunftszeit der Impulse von empfangenen Datenrahmen auf Plausibilität macht sich bekannte Einrichtungen und Verfahren vorhandener Nachrichtenprotokolle zu Nutzen und ist daher vorteilhaft ohne großen Aufwand realisierbar. Die Datenrahmen besitzen protokollbedingt bestimmte Datenfelder, die zur Prüfung der empfangenen Datenrahmen verwendet werden. Dabei erfolgt die Prüfung auf bestimmte Kodes, wodurch die Datenrahmen sowohl als zulässig und gültig eingestuft werden können, als auch klassifiziert werden können. Alter¬ nativ oder zusätzlich kann über Signaturen in den Nutzdatenbereichen (Payload) von Datenrahmen eine Prüfung der Gültigkeit auf der Anwendungsebene (höhere Protokollschichten oder Anwendungsschicht ) erfolgen. Ist die Plausibilitätsprü¬ fung von Datenrahmen erfolgreich, können damit auch die Ankunftszeiten der einzelnen Impulse, die als Nachrichtensymbole verwendet werden, als plausibel betrachtet werden.
7.3 Integritätsprüfung
Die Prüfung, ob detektierte Impulse auch wirklich vom Sender ausgesendet wur¬ den, kann durch Integritätsprüfung der Datenrahmen erfolgen. Dabei werden in vorhandenen Nachrichtenprotokollen über bestimmte Felder der Datenrahmen Prüfsummen erzeugt und an die Datenrahmen angehangen (CRC). Im Rahmen¬ dekoder des Empfängers wird dann beispielsweise die Prüfsumme für die tat- sächlich empfangenen Felder neu berechnet und mit der empfangenen Prüf¬ summe verglichen. Bei Erfolg der Prüfung kann dann mit einer sehr hohen statis¬ tischen Sicherheit (besser als 1010 ) festgestellt werden, ob die Impulse unver¬ fälscht empfangen wurden. Durch Mitbenutzung dieser hinlänglich bekannten Einrichtung von vorhandenen Nachrichtenprotokollen kann effizient die Zuverläs- sigkeit und Genauigkeit der Entfernungsmessung verbessert werden, da nur die
wirklich gesendeten Impulse der Datenrahmen zur Bestimmung der Ankunftszeit herangezogen werden.
7.4 Identifikation der Signalimpulse
Die Zugerhörigkeit von Impulsen zu einem Senderempfänger und damit zu einer bestimmten Position kann über die eineindeutige Identifikation der Datenrahmen erfolgen. Dabei werden die Adressfelder (z.B. IEEE Stationsadressen) vorhande¬ ner Nachrichtenprotokolle mitverwendet, die eine eindeutige Zuordnung (Her¬ kunft) einer Nachricht zu einem Senderempfänger gewährleisten. Die Ankunfts¬ zeiten der Impulse können somit eineindeutig einem bestimmten Senderempfän- ger zugeordnet werden und es wird somit die Zuverlässigkeit der Entfernungs¬ messung ohne zusätzlichen Aufwand verbessert.
8. Austausch der Messdaten zur Abstandsbestimmung
Zur Berechnung der Impulslaufzeit und daraus der Entfernung müssen bestimm¬ te Messwerte zwischen den kooperierenden Senderempfängern ausgetauscht werden.
Eine Möglichkeit ist der Austausch der Sende- und Empfangszeitpunkte der Nachrichtenrahmen, aus denen dann die Rundlauf- und Antwortzeiten und dar¬ aus wiederum die Impulslaufzeiten und die Entfernungen berechnet werden kön¬ nen. Alternativ ist auch ein Austausch der bereits in den Senderempfängem er- mittelten Rundlauf- und Antwortzeitabstände möglich.
Dabei können die Zeitmesswerte symmetrisch ausgetauscht werden, wodurch die Entfernung in beiden kooperierenden Senderempfängern berechnet werden kann oder es wird nur die einseitige Übertragung durchgeführt, wenn die Berech¬ nung der Entfernung in einem der Senderempfänger ausreichend ist. Dabei kön- nen die Zeitmesswerte sowohl öffentlich (von jedem Senderempfänger in der Reichweite empfangbar) oder geheim (nur den beiden kooperierenden Sender¬ empfängern verständlich) übertragen werden.
8.1 Austausch der Sende- und Empfangszeitpunkte (ToA)
Zur Berechnung der Rundlauf- und Antwortzeiten, aus denen anschließend die Impulslaufzeit bzw. Entfernung berechnet wird, können die gemessen Empfangs¬ und Sendezeitpunkte der Nachrichtenrahmen übermittelt werden. Dabei werden die Zeitwerte in einem vorher festgelegten oder später ausgehandelten Format übermittelt. Die Übermittlung hat den Vorteil, dass nicht jeder Senderempfänger für die Berechnung der Rundlauf- bzw. Antwortzeiten ausgerüstet sein muss. Ist die Kenntnis der Entfernung nicht nur zwischen den kooperierenden Senderemp¬ fängern sinnvoll und erwünscht, kann die Übermittlung der gemessen Empfangs- und Sendezeitpunkte zum Beispiel als Rundspruch (Broadcast) effizient (Einspa¬ rung von Bandbreite des Nachrichtenkanals, Einsparung von elektrischer Ener¬ gie) erfolgen. Die gemessenen Zeiten können bereits auf Grund der Verfälschung durch äußere Einflüsse (z. B. Temperatur) vor der Übermittlung korrigiert werden. Alternativ kann die Korrektur auch in dem Senderempfänger vorgenommen wer- den, der die Berechnung der Rundlauf- und Antwortzeiten durchführt. Dazu müs¬ sen entweder die Korrekturwerte zusätzlich übertragen werden oder bereits be¬ kannt sein. Die optionale Verwendung einer „ewigen" Zeitskala hat zudem den Vorteil, dass die Messwerte leicht eineindeutig zu den jeweiligen Nachrichten¬ rahmen zugeordnet werden können.
8.2 Übermittlung der Rundlauf- und Antwortzeitabstände
Zur Berechnung der Impulslaufzeit und daraus der Entfernung können alternativ die Rundlauf- und Antwortzeitabstände übermittelt werden. Dabei erfolgt die Ü- bermittlung der Zeitwerte in einem vorher festgelegten oder später ausgehandel¬ ten Format.
Ist die Kenntnis der Entfernung nicht nur zwischen den kooperierenden Sender¬ empfängern sinnvoll und erwünscht, kann die Übermittlung der Rundlauf- und Antwortzeiten zum Beispiel ebenfalls als Rundspruch erfolgen. Die Berechnung der Rundlauf- und Antwortzeiten aus den gemessen Empfangs- und Sendezeit¬ punkte der Nachrichtenrahmen muss bei dieser Variante nur einmalig durchge- führt werden. Die ermittelten Zeiten können ebenfalls auf Grund der Verfälschung
durch äußere Einflüsse vor der Übermittlung korrigiert werden. Alternativ kann die Korrektur auch in dem Senderempfänger vorgenommen werden, der die Be¬ rechnung der Entfernung durchführt. Dazu müssen entweder zusätzlich die Kor¬ rekturwerte übertragen werden, oder diese sind bereits bekannt. Bei den übermit- telten Zeiten ist allerdings die Zuordnung zu bestimmten Nachrichtenrahmen notwendig, die zusätzlich zu den Zeitwerten übermittelt werden muss (z. B. durch Nummerierung der Nachrichtenrahmen).
8.3 Übermittlung der Impulslaufzeit oder der Entfernung
Wird die Berechnung der Impulslaufzeit bzw. der Entfernung nur in einem von zwei kooperierenden Senderempfängern vorgenommen, ist es möglich, diese berechneten Ergebnisse zu übermitteln. Dies hat den Vorteil, dass der Rechen¬ aufwand, wenngleich er relativ gering ist, nur einmalig ausgeführt werden muss. Zudem müssen nur bestimmte Senderempfänger entsprechend ausgerüstet sein. Ist die Kenntnis der Entfernung nicht nur zwischen den kooperierenden Sender- empfängern sinnvoll und erwünscht, kann die Übermittlung der Entfernung zum Beispiel ebenfalls als Rundspruch erfolgen (siehe 5.3.1 ). Zudem muss die Be¬ rechnung der Entfernung nur einmalig durchgeführt werden.
9. Maßnahmen zum Schutz und zur Erhöhung der Sicherheit des Verfahrens
9.1 Autorisierung der Entfernungsmessung
Die Messung von Entfernungen setzt kooperierende Senderempfänger für den Nachrichtenaustausch voraus. Die Entfernungsmessung kann aber abhängig von einer bestimmten Situation erlaubt oder gesperrt werden. Eine Sperrung ist zum Beispiel notwendig, um die „Privatsphäre" einer bestimmten Benutzergruppe zu gewährleisten oder die Verkehrsdichte des Übertragungskanals steuern zu kön- nen. Das Prüfverfahren in einem Senderempfänger, welches die Erlaubnis zur Entfernungsmessung erteilt und somit in die Kooperation mit einem anderen Senderempfänger einwilligt, kann vorher ausgehandelt oder von vornherein fest¬ gelegt sein. Dabei werden im Prüfverfahren hinlänglich bekannte Verfahren der Authentifizierung verwendet. Die Authentifizierung kann beispielsweise über Sta-
tionsadressen, Signaturen, verschlüsselte Signaturen oder verschlüsselte Nach¬ richten erfolgen. Zur Erhöhung der Sicherheit des Verfahrens können Einmalsig¬ naturen und/oder Einmalschlüssel verwendet werden. Nach erfolgreicher einsei¬ tiger oder auch gegenseitiger Authentifizierung kooperieren dann die Sender- empfänger in den einzelnen Schritten, wie dem Nachrichtenaustausch und dem Austausch der Messdaten der Entfernungsmessung (z. B. Rundlauf- und Ant¬ wortzeiten). Eine einfache Möglichkeit, das Prüfverfahren in den Nachrichtenaus¬ tausch der Entfernungsmessung zu integrieren, ist die Verwendung von ver¬ schlüsselten Nachrichten, die einen geheimen, aber auf beiden Seiten bekannten Schlüssel verwenden. Nur wenn die Entschlüsselung eines ersten Datenrah¬ mens bei einem Senderempfänger erfolgreich war, sendet dieser den zweiten (verschlüsselten) Datenrahmen usw. bis ein Nachrichtenaustausch beispielswei¬ se nach einem der verwendeten Mehr-Wege-Verfahren zustande kommt.
9.2 Verschlüsselte Übertragung im Rahmen der Abstandsbestimmung
Ebenfalls dem Schutz der Privatsphäre und dem Schutz vor Abhören der Daten der Entfernungsmessung dient der Einsatz eines entsprechenden Verschlüsse¬ lungsverfahrens mit hoher Sicherheit. Zum Beispiel können hinlänglich bekannte Substitutions- und Transpositionsverfahren sowie daraus kombinierten Verfahren verwendet werden. Lange Schlüssellängen (mind. 128 Bit) und der Einsatz von Einmalschlüsseln gewährleisten den entsprechenden Schutz des Verfahrens. Das vorhandene Verschlüsselungsverfahren eines für die Entfernungsmessung verwendeten Nachrichtenprotokolls kann dafür genutzt werden. Dabei können für die Entfernungsmessung folgende Daten ausgetauscht werden: Sende- und Empfangszeitpunkte, Antwort- und Rundlaufzeitabstände, berechnete Impulsver- zögerungszeiten oder daraus errechnete Entfernungen. Die Daten können zwi¬ schen den kooperierenden Senderempfängern geheim ausgetauscht werden, oder in bestimmten Anwendungen auch öffentlich übertragen werden, um zum Beispiel einem beliebigen Senderempfänger die Möglichkeit zu geben, Kenntnis¬ se über die Entfernungen zwischen verschiedenen anderen Senderempfängern zu sammeln. Dies ist zum Beispiel da sinnvoll, wo sich die Entfemungsinformati- onen zwischen den Senderempfängern eines Netzwerkes möglichst schnell und effizient verbreiten sollen. Durch Verwenden eines geheimen aber gemeinsamen
Schlüssels können beispielsweise alle „eingeweihten" Senderempfänger diese Informationen abhören. Ist keinerlei Schutz dieser Informationen notwendig, kön¬ nen diese auch optional unverschlüsselt übertragen werden.
9.3 Geheime Antwortzeitabstände
Wie in den Verfahren dieser Erfindung dargestellt, müssen die Antwortzeiten Trepiy zur Berechnung der Entfernung bekannt sein. Dazu werden die ermittelten, exakten Antwortzeiten oder nur die Abweichung von einer festgelegten Antwort¬ zeit dem kooperierenden Senderempfänger für die Berechnung der Entfernung übermittelt. Die Abweichungen von der festgelegten Antwortzeit sind in prakti- sehen Realisierungen nicht vermeidbar und daher in gewissen Toleranzgrenzen erlaubt. Die Festlegung der Toleranzen der Antwortzeit ist abhängig von der ge¬ wünschten Genauigkeit der Entfernungsmessung und diese wiederum von der Differenz der Antwortzeitabstände oder deren Mittelwerten. Dabei kann die Ant¬ wortzeit oder deren Abweichung verschlüsselt übertragen und somit einem drit- ten Senderempfängern unzugänglich gemacht werden, was einen gewissen Schutz der Entfernungsbestimmung bietet. Da die Antwortzeit aber in gewissen Toleranzgrenzen bekannt sein könnte, zum Beispiel durch eine bekannte allge¬ meingültige Festlegung in einer Realisierung, durch Vermessung von Realisie¬ rungen mit einer vorher unbekannten aber fest implementierten Antwortzeiten (z. B. dem gleichen Typ der integrierten Schaltung) oder durch Abhören von Nach¬ richten von Senderempfängern mit bekannter Entfernung und anschließender Korrelation oder Berechnung der Antwortzeit, könnte die Entfernung mit gewisser Genauigkeit erfolgreich bestimmt werden (z. B. entsprechen ± 100 ns Toleranz der Antwortzeit einer zu überwindenden Distanz eines Impulses von ± 30 m). Sind die Abweichungen zudem noch gleichmäßig verteilt, könnte durch Abhören des Nachrichtenaustauschs über einen längeren Zeitraum und anschließender Mittelung der zeitlichen Messungen die Entfernung wieder mit hoher Genauigkeit bestimmt werden (Bei Kenntnis der Realisierung oder Abhören des Nachrichten¬ austauschs über eine bekannte Entfernung wäre ebenfalls der Mittelwert der Antwortzeit bekannt). Daher wird mit diesem Verfahren die Antwortzeit zusätzlich in noch größeren Schritten, als die durch die Toleranzen bereits verursacht, vom Anwender derart verändert, dass die Streuung der Antwortzeitabweichungen un-
gleichmäßig (asymmetrisch zum Mittelwert) erfolgt. Es kann in einer geschlosse¬ nen Benutzergruppe eine geheime Antwortzeit festgelegt oder ausgehandelt und jederzeit abgeändert werden. Optional ist es möglich, die Antwortzeiten nach ei¬ nem vorher vereinbarten Schema zu verändern. Zusätzlich können auch die Antwortzeiten nach einem zufälligen oder pseudozufälligen Muster geändert wer¬ den und diese dann der kooperierenden Station durch verschlüsselte Übermitt¬ lung bekannt gemacht werden. Dabei ist lediglich zu beachten, dass sich die Antwortzeitdifferenzen während einer Entfernungsmessung innerhalb der Tole¬ ranzgrenzen befinden.
10. Maßnahmen zur Verbesserung der Kompensation von Temperatur- und Ver- sorgungsspannungsvariationen
10.1 Komplementäre Signalimpulse
Abweichungen der Trägerfrequenz im Sender zu der Selektionsfrequenz im Emp¬ fänger können bei bestimmten Modulationsverfahren Abweichungen der An- kunftszeit der detektierten Symbole bewirken. Da die Senderempfänger in Phase und Frequenz nicht synchronisiert sind und für das Verfahren dieser Erfindung auch nicht synchronisiert bzw. gegenseitig aufeinander kalibriert werden müssen, sind Abweichungen der Frequenzen der Senderempfänger (Frequenzoffseteffekt) nicht auszuschließen. Zwar können die Mischfrequenzen, die aus den Träger- und Selektionsfrequenzen abgeleitet werden, in der Praxis mit guter Präzision von einer lokalen Referenzfrequenz (Quarzoszillator) abgeleitet und kalibriert werden, doch sind die Referenzfrequenzen ebenfalls Abweichungen (z. B. Quarztoleranzen) unterworfen. Ein Vorzug dieser Erfindung ist die geringe Aus¬ wirkung der Quarztoleranzen, so dass industriell verfügbare Quarztypen einge- setzt werden können. Dieser Vorteil darf auch durch den hier beschriebenen Ef¬ fekt nicht aufgehoben werden. Des weiteren bewirken beispielsweise Tempera¬ turänderungen in einer Schaltungsrealisierung (z. B. durch Veränderung der Um¬ gebungstemperatur oder durch Eigenerwärmung) eine geringfügige Änderung der abgeleiteten bzw. kalibrierten Mischfrequenzen, die zu der signifikanten Än- derungen der Ankunftszeit der detektierten Symbole führen können. Zur Kom¬ pensation dieses Effekts werden daher sogenannte komplementäre Impulse ein-
gesetzt. Die komplementären Impulse haben die Eigenschaft, zeitliche Abwei¬ chungen der detektierten Impulse mit gleichem Betrag, jedoch mit zueinander entgegengesetztem Vorzeichen zu bewirken. Als komplementäre Impulse kön¬ nen zum Beispiel monoton steigende und fallende Chirpimpulse verwendet wer- den, die eine identische Mittenfrequenz und die gleiche Dauer aufweisen. Bei einer paritätischen Anzahl von detektierten komplementären Impulsen ist damit die Summe der zeitlichen Abweichungen immer Null. Da in der Regel die ver¬ schiedenen, komplementären Impulse als unterschiedliche Informationssymbole verwendet werden und mit den Informationssymbolen Daten dargestellt werden, hängt die Verteilung und das Mengenverhältnis der komplementären Impulse zu¬ einander von der Dateninformation ab, die übertragen werden soll. Ein beliebiger Datenrahmen besteht daher aus einem unbestimmten Mengenverhältnis der komplementären Impulse mit unbekannter Verteilung. Bei Averaging-Verfahren dieser Erfindung erfolgt eine Mittelung der Ankunftszeiten einer bestimmten An- zahl von detektierten Impulsen. Beim Einsatz der komplementären Impulse muss zusätzlich gewährleistet werden, dass eine paritätische Mittelung (der Ankunfts¬ zeiten) der komplementären Impulse erfolgt. Dies wird bei dieser Erfindung da¬ durch erreicht, dass die verschiedenen Impulse identifiziert werden und die An¬ kunftszeiten den entsprechenden Impulsen zugeordnet werden. Durch Addition der gleichen Anzahl der jeweiligen Ankunftszeiten und Teilen durch die Gesamt¬ anzahl der gemessenen Ankunftszeiten erfolgt die geforderte paritätische Mitte¬ lung und damit die Kompensation des Frequenzoffseteffekts. Da, wie bereits er¬ klärt, die Verteilung und das Mengenverhältnis der komplementären Impulse von der Information selbst abhängen, kann diese für die paritätische Mittelung un- günstig ausfallen. Dies kann jedoch optional im Rahmen dieser Erfindung da¬ durch verbessert werden, dass die Daten vor dem Senden nach einem pseudo¬ zufälligen Muster substituiert werden und nach dem Empfangen diese Substituti¬ on wieder rückgängig gemacht wird (sog. Scrambling). Dadurch wird erfahrungs¬ gemäß eine bessere Gleichverteilung von Informationssymbolen und damit un- terschiedlichen Impulsen erreicht. In der Regel ist das Scrambling bei existieren¬ den Nachrichtenprotokollen bereits vorhanden, so dass es für diesen Zweck mit¬ genutzt werden kann. Zusätzlich kann die Anzahl der paritätisch zu messenden Empfangszeitpunkte auch während des Betriebs eines Senderempfängers ange- passt werden, um eine hohe Erfolgsrate der paritätischen Mittelung zu erreichen.
Dabei kann das Erreichen der erforderlichen Anzahl dem Benutzer nach Emp¬ fang eines Datenrahmens angezeigt werden, sodass eine neue erforderliche An¬ zahl für den Empfang des nächsten Datenrahmens neu eingestellt werden kann
10 2 Charakteπsierungstabellen und -funktionen
Wie hinlänglich bekannt haben Realisierungen von elektronischen Schaltungen die Eigenschaft, das zeitliche Verhalten elektrischer Signale abhangig von äuße¬ ren Bedingungen zu beeinflussen Dabei kommen sowohl Einflüsse in Betracht, die wahrend der Herstellung einer Schaltungsrealisierung (z B integrierte Schal¬ tung) die Eigenschaften dieser beeinflussen, als auch sich ändernde Einflüsse wahrend des Betriebes der Schaltungsrealisierung Die Einflüsse wahrend der Herstellung sind als toleranzbedingte Exemplarstreuungen bekannt, wahrend sich die äußeren Einflüsse wahrend des Betriebes sich als Temperatur- und Ver- sorgungsspannungsabhangigkeit auswirken Dadurch können bei einer bestimm¬ ten Temperatur und Versorgungsspannung konstante aber unterschiedliche zeit- liehe Verzogerungen in den einzelnen Gerateexemplaren auftreten, die zu signifi¬ kanten Abweichungen der Messung der Empfangszeitpunkte der Impulse fuhren und damit die Genauigkeit der Entfernungsmessung negativ beeinträchtigen
Dieses Detail der Erfindung verwendet sogenannte Charakteπsierungstabellen und/oder -funktionen, die die Einflüsse der Temperatur und Versorgungsspan- nung eines Exemplars auf das zeitliche Verhalten messen oder anderweitig bestimmen Die Charaktensierungstabellen und/oder -funktionen werden dabei einem Exemplar fest zugeordnet und können z B in der Realisierung (z B im PROM/Flash-Speicher der integrierten Schaltung oder in der Steuersoftware des jeweiligen Gerätes) abgespeichert werden Zusätzlich können die Temperatur und die Versorgungsspannung in der Realisierung gemessen werden und aus den abgespeicherten Charakterisierungsinformationen genaue schaltungsbeding¬ te Verzogerungszeiten bei der Berechnung der Impulsverzogerungszeit und da¬ mit der Entfernung berücksichtigt werden Dabei können die Charakterisierungs¬ informationen einmalig bei der Herstellung oder im Betrieb durch einen Kalibne- rungsvorgang (z B durch bekannte Entfernung zweier Senderempfanger) der Schaltungsrealisierungen bzw Gerate gewonnen und abgespeichert werden
10.3 Verwendung von Senderempfänger-Paaren
Das Detail dieser Erfindung besteht in der Kompensation der Einflüsse von Tem¬ peratur und Versorgungsspannung durch Ermittlung dieser Einflüsse über eine bekannte Entfernung. Dabei werden in einem Gerät zur Entfernungsmessung zwei Senderempfänger mit jeweils separater Antenne installiert. Der Abstand der Antennen zueinander ist bekannt und aus der berechneten Impulslaufzeit zwi¬ schen den beiden Senderempfängern und der tatsächlichen Entfernung kann die Größe der schaltungsbedingten Verzögerungszeiten ermittelt werden. Dabei werden beide Senderempfänger im Gerät konstruktiv so angeordnet und das Ge- rät räumlich so installiert, dass sie der gleichen Umgebungstemperatur ausge¬ setzt sind. Zusätzlich werden beide Senderempfänger aus der gleichen Versor- gungsspannungsquelle (z. B. Batterie) betrieben. Durch Mittelung der schal¬ tungsbedingten Verzögerungszeiten, verursacht im Sender und im Empfänger der Übertragungsstrecke zwischen dem Senderempfängerpaar, und Berücksich- tigung dieser Verzögerungszeiten bei der Ermittlung einer unbekannten Entfer¬ nung zu einem Senderempfängerpaar oder einzelnen Senderempfänger können die temperatur- und versorgungsspannungsabhängigen Verzögerungszeiten kompensiert werden und somit die Präzision der Entfernungsmessung weiter verbessert werden. Weiterhin eignet sich dieses Verfahren zur Kompensation der Effekte durch die Mehrwegeausbreitung unter der Annahme, dass die Einflüsse der Mehrwegeausbreitung auf die Entfernungsmessung zwischen den Sender¬ empfängern des Paars mit bekannter Entfernung identisch zu Senderempfängern mit anderer, unbekannter Entfernung sind. Diese Möglichkeit der Kompensation der Mehrwegeausbreitung kann vorrangig da eingesetzt werden, wo die Ausbrei- tungseigenschaften des Mediums zwischen beliebigen Positionen der Sender¬ empfänger nahezu identisch sind (z. B. in homogenen geschlossenen Räumen wie Röhren, Tunnels, Hallen, Hangars etc.).
11. Mehrfachmessungen
Alle dargestellten Verfahren können auch für Mehrfachmessungen der Rundlauf- zeitabstände mit anschließender Mittelung eingesetzt werden. Dabei werden die
ermittelten Impulslaufzeiten oder Entfernungen gesammelt und anschließend a- rithmetisch gemittelt.
1 prop\ \ 1 propl 4" .. T lpropn
Formel 41 : h™p =
Formel 42: d = n
Alternativ dazu können auch die Rundlauf- und Antwortzeiten akkumuliert und anschließend durch die Anzahl der Messungen geteilt werden. Formel 43 zeigt die Berechnung der akkumulierten Rundlauf- und Antwortzeiten zu einer arithme¬ tisch gemittelten Impulslaufzeit an Hand des 3-Wege-Verfahrens.
Formel 43:
TπplyAl +TiΕptym + TnplyÄ2 +TtφtyB2+..+TrφlyJn + TnpfyBn
12. Verwendung zur Abstandsbestimmung über größere Entfernungen
Das erfindungsgemäße Verfahren zielt auf eine Abstandsbestimmung im Bereich bis 10 km. Es kann jedoch auch im Rahmen eines Verfahrens zur Abstandsbe- Stimmung über größere Entfernungen verwendet werden.
Die Reichweite einer Nachrichtenübertragung bzw. maximale Entfernung zwi¬ schen zwei Senderempfängern ist aus verschiedenen Gründen begrenzt, wo¬ durch nur Entfernungen bis zu einer gewissen Grenze direkt bestimmt werden können. Die Begrenzung der Reichweite ergibt sich meist aus gesetzlichen Be- Stimmungen (z. B. maximale Ausgangsleistung des Senders) und aus techni¬ schen wie wirtschaftlichen Gründen (kostengünstige Senderempfänger).
Eine Erhöhung der Reichweite der Entfernungsmessung kann dadurch erreicht werden, dass in einem Netzwerk von Senderempfängem kürzere Zwischenent¬ fernungen gemessen werden, die Zwischenentfernungen an den Senderempfän¬ ger eines Endpunktes einer längeren Entfernungsmessung, wo zwischen den Endpunkten keine direkte Nachrichtenübertragung möglich wäre, übermittelt werden und dort die Zwischenergebnisse mit einer Funktion zu der gesamten Entfernung berechnet werden.
Dabei können verschiedene Ansätze für die Umsetzung dieser Funktion verwen¬ det werden. Eine erste einfache Möglichkeit ist die Bildung der Summe der Zwi- schenergebnisse für die Gesamtentfernung unter der Annahme, dass alle Sen¬ derempfänger sich auf einer Geraden befinden.
Eine Erweiterung dieser Möglichkeit ist die Ermittlung von mehreren Summen, die durch unterschiedliche Wegstrecken zwischen den Endpunkten entstehen können. Anschließend kann durch Vergleich der Summen die kleinste Entfernung als die genauest mögliche Schätzung ausgewählt werden. Dieses Verfahren ist in der Praxis besser geeignet, da sich die Senderempfänger sehr unwahrscheinlich alle auf einer Geraden befinden werden.
Die genaueste Möglichkeit zur Bestimmung der Entfernung über mehrere Sen¬ derempfänger hinweg, ist die Verwendung der an sich bekannten Lateration und Angulation zu Berechnung. Dabei werden die Entfernungen zwischen den Sen¬ derempfängern ermittelt, die eine eineindeutige geometrische Abbildung der räumlichen Anordnung der Endpunkte und von benötigten Zwischenpunkten er¬ lauben. Dann kann mit Hilfe der Lateration und Angulation die direkte Entfernung zwischen den Endpunkten berechnet werden. Das Verfahren kann dabei sowohl für Anordnungen von Senderempfängern auf einer Fläche (zweidimensional) o- der im Raum (dreidimensional) angewandt werden.
13. Nutzbarmachung standardisierter Nachrichtenprotokolle
Vorhandene Nachrichtenprotokolle können im Rahmen dieser Erfindung zur Ver¬ besserung von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Entfernungsmes¬ sung gezielt nutzbar gemacht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Übertragung von beliebigen Anwendungsdaten und die gleichzeitige Entfernungsmessung zwischen zwei Senderempfängern. Zum anderen sind die in den Nachrichtenprotokollen festge¬ legten Verfahren und Mechanismen zur Datenübertragung gleichzeitig der Ver¬ besserung der Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit der Entfernungsmes¬ sung dienlich.
Die Nachrichtenprotokolle, die für das Verfahren eingesetzt werden können, sind zum Beispiel in öffentlichen Standards internationaler Organisationen (z. B. IE¬ EE), kommerzieller Interessenverbände (z. B. Bluetooth) oder als private Indust¬ riestandards (z. B. nanoNET) festgelegt. Die allgemeine Kenntnis, die Verbrei¬ tung und das Vorhandensein bewährter und leistungsstarker Verfahren und Me- chanismen in vorhandenen Nachrichtenprotokollen erhöhen die Akzeptanz eines integrierten Verfahrens der Entfernungsmessung und vereinfachen die Verbrei¬ tung der Verfahren und deren Implementierung in praktische Realisierungen (Senderempfänger) wesentlich. Zum Teil werden für bestimmte Anwendungen durch Bestrebungen von Organisationen bestimmte Nachrichtenprotokollstan- dards vorgeschrieben. Durch die Erfindung kann die Entfernungsmessung leich¬ ter in diese Anwendungen integriert werden.
Die in den Standards festgelegten Vereinbarungen der Schicht ISO/OSI-1 (Bit¬ übertragungsschicht, PHY) können, falls geeignet, weiterverwendet werden. Die Schicht ISO/OSI-2 (Sicherungsschicht, MAC/Data Link Layer) ist dem Verfahren sehr dienlich und es existieren genügend geeignete Nachrichtenprotokolle, die unverändert die integrierte Entfernungsmessung ermöglichen. Alle höheren Schichten nach dem ISO/OSI-Modell sind mit dem Verfahren einsetzbar, insbe¬ sondere die Schicht ISO/OSI-6 (Darstellungsschicht, Presentation Layer) ist dem Verfahren dienlich.
Es wird dadurch ein effizientes und integriertes Verfahren ermöglicht, welches keine zusätzliche Bandbreite des Übertragungskanals für die Entfernungsmes¬ sung erfordert. Zusätzlich werden die Schaltungsteile einer Realisierung, die zur Datenübertragung notwendig sind, für die Entfernungsmessung mitverwendet, was kostengünstige und stromsparende Senderempfänger ermöglicht.
Durch die Wiederverwendbarkeit der Schichten ISO/OSI-2 und aufwärts können zudem existierende Standards leicht erweitert werden. Dadurch wird ein effizien¬ ter Standardisierungsprozess ermöglicht, da unter Umständen nur die Bitübertra¬ gungsschicht neu festgelegt werden muss. Zusätzlich erlauben bereits vorhan- denes Wissen und existierende Designs die kostengünstige und zeitsparende Erweiterung von Realisierungen mit diesem Verfahren (Design-Re-Use). Zur Op¬ timierung des Verfahrens können bestimmte Schichten existierender Nachrich¬ tenprotokolle derart erweitert werden, dass die Erweiterung nicht im Widerspruch zum bisherigen Standard steht (z. B. Erweiterung des Kommandosatzes des Link Protokoll Managers der Schicht ISO/OSI-2). Eine Abwärtskompatibilität zu den bereits existierenden Nachrichtenprotokollen bleibt erhalten.
Im Falle der uneingeschränkten Weiterverwendbarkeit eines Standards ein¬ schließlich der Bitübertragungsschicht (z.B. der private Industriestandard nano- NET) ist lediglich eine Erweiterung der Realisierungen (z.B. integrierte Schaltun- gen) erforderlich. Die bereits existierenden Realisierungen sind weiterhin zur ausschließlichen Datenübertragung einsetzbar.
13.1 Nutzbarmachung von Schicht-2-Protokollen
Der Nachrichtenaustausch nach dem Drei- oder und n-Wege-Verfahren kann mit einem Zeitschlitzverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA) der Siche- rungsschicht, also der Schicht 2 im ISO/OSI-Referenzmodell, durchgeführt wer¬ den. Dabei werden in äquidistanten Zeitabständen Nachrichtenrahmen zwischen zwei kooperierenden Senderempfängern ausgetauscht und die jeweiligen Sende- und Empfangszeitpunkte gemessen und daraus die Rundlauf- und Antwortzeit- abstände bestimmt. Die äquidistanten Zeitabstände können zur Erfüllung der
Symmetrieanforderung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Hinblick auf die Antwortzeitabstände nutzbar gemacht werden.
Zwischen den Nachrichtenrahmen kann zusätzlicher Nachrichtenverkehr erlaubt sein, zum Beispiel die Übertragung von Bestätigungspaketen (Acknowledge- Packets) auf die für die Verfahren verwendeten Nachrichtenrahmen als Datenpa¬ kete.
Der Nachrichtenaustausch nach dem doppelseitigen und mehrfach-doppel¬ seitigen Zwei-Wege-Verfahren kann mit dem vielfach verbreiteten Fehlerkorrek¬ turprotokoll realisiert werden. Dabei werden als Bestätigung für korrekt empfan- gene Datenpakete Bestätigungspakete zurückgesendet, die in der Regel einen vorgegeben Abstand zu den Datenpaketen besitzen. Dabei fungieren beide Pa¬ kete als Nachrichtenrahmenpaar nach diesen Verfahren. Sind die Paketabstände während einer Messung konstant, wird auch die Symmetrieforderung dieses Ver¬ fahrens erfüllt.
13.2 Einsatz von Nachrichtenprotokollen zum Austausch der Messwerte
Für die Berechnung der Entfernung ist ein Austausch der Zeitmesswerte der Bit¬ übertragungsschicht (z. B. ermittelte Rundlauf- und Verzögerungszeiten) mit dem kooperierenden Senderempfänger notwendig. Zusätzlich können die berechne¬ ten Entfernungen mit anderen Senderempfängern ausgetauscht werden.
Dabei kann der Austausch der Daten zwischen den Sicherungsschichten der Senderempfänger erfolgen oder aber die Zeitwerte werden als Daten der An¬ wendungsschicht übermittelt.
Bei der ersten Variante ist die Erweiterung oder Einführung eines Link-Protokoll- Managers der Sicherungsschicht notwendig. Der Link-Protokoll-Manager ermög- licht beispielsweise die Steuerung des Datenflusses der Anwendungsdaten auf der Ebene der Sicherungsschicht oder die Aushandlung des verwendeten Schlüssels für die chiffrierte Datenübertragung. Durch die Definition neuer Kom-
mandos kann die Übertragung der Zeitmesswerte ausgehandelt werden, als auch die Übertragung der Zeitmesswerte selbst erfolgen.
Der Link Protokoll Manager kann unter Umständen in seinem Kommandosatz so erweitert werden, dass er abwärtskompatibel zum bestehenden Kommandosatz bleibt. Dadurch ist der Einsatz von Senderempfängern, die nicht den erweiterten Link-Protokoll-Manager besitzen, zur reinen Datenübertragung ohne Entfer¬ nungsmessung weiterhin möglich.
Bei der Variante der Übermittlung die Zeitwerte als Daten der Anwendungs¬ schicht, kann die Sicherungsschicht unverändert eingesetzt werden, allerdings muss eine Zuordnung der Nachrichtenrahmen der Sicherungsschicht zu den Zeitmesswerten der Bitübertragungsschicht bis zur Anwendungsschicht hin erhal¬ ten bleiben. Da sich nach dem ISO/OSI-Modell zwischen der Anwendungsschicht und der Sicherungsschicht zusätzliche Schichten befinden und in diesen Schich¬ ten eine Pufferung und Fragmentierung von Nachrichtenrahmen vorgenommen werden kann, ist die Zuordnung von Zeitmesswerten zu den Nachrichtenrahmen der Anwendungsschicht nicht immer eineindeutig. Dieses Problem kann dadurch umgangen werden, dass die Anwendungsschicht sich direkt auf der Sicherungs¬ schicht befindet und damit eine eineindeutige Zuordnung erhalten bleibt. Diese Möglichkeit ist vor allen sehr einfachen Systemen vorbehalten, die zum Beispiel keine Netzwerk- (ISO/OSI-3, Network Layer) und keine Transportschicht (ISO/OSI-4, Transport Layer) verwenden oder wo bestimmte Eigenschaften die¬ ser Schichten in einer nicht ISO/OSI-konformen Sicherungsschicht mit integriert sind.
Alternativ kann die Zuordnung auch über sogenannte Service-Interfaces herge- stellt werden, die eine direkte und zeitlich eineindeutige Verknüpfung zwischen der Anwendungsschicht und der Sicherungsschicht ermöglichen.
13.3 Nutzbarmachung von Nachrichtenprotokollen zum Schutz und zur Siche¬ rung der Abstandsmessung
Zum Schutz und zur Sicherheit des Verfahrens können die Verschlüsselung als auch deren unterstützende Mechanismen (z. B. Schlüsselaushandlung) vorhan¬ dener Nachrichtenprotokolle verwendet werden. Dies umfasst den Schutz vor Abhören durch Verschlüsselung der Daten, die zur Entfernungsmessung mit Senderempfängem ausgetauscht werden, und den Schutz vor unautorisierter Nutzung der Entfernungsmessung. Die Autorisierung der Nutzung der Entfer¬ nungsmessung kann mit den Autorisierungs- und Authentifizierungsmechanis- men der verwendeten Nachrichtenprotokolle erfolgen.
Die Verschlüsselung kann in den unterschiedlichen Schichten nach dem ISO/OSI-Modell durchgeführt werden. In der Praxis erfolgt die Verschlüsselung meist in der Sicherungsschicht, in der Darstellungsschicht oder in beiden Schich¬ ten gleichzeitig. In den meisten vorhandenen Nachrichtenprotokollen ist die Ver¬ schlüsselung in der Sicherungsschicht (z. B. IEEE 802.11 , WEP) vorgesehen. In der Regel sind in den existierenden Standards sehr leistungsfähige Verschlüsse- lungsverfahren vorgesehen.
Die Autorisierungs- und Authentifizierungsmechanismen sind meist in der Dar¬ stellungsschicht oder Sicherungsschicht vorhanden. Sie können zusätzlich oder alternativ in jeder anderen Schicht des verwendeten Nachrichtenprotokolls als auch in der Anwendungsschicht vorhanden sein.
Der Einsatz der Verschlüsselung und der Autorisierungsmechanismen für die Entfernungsmessung benötigen in der Regel keine zusätzliche Bandbreite des Übertragungskanals. Die Einrichtungen müssen in praktischen Realisierungen nicht zusätzlich eingebaut werden, da sie für die Übertragung der Anwendungs¬ daten bereits vorhanden sind.
14. Ausführungsbeispiele von Senderempfängern
Anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren werden verschiedene Ausfüh¬ rungsbeispiele für erfindungsgemäße Senderempfänger und deren Komponenten beschrieben.
14.1 Baustein mit externem Abstandsberechnungs- und Anwendungsmodul
In einer in Fig. 14 dargestellten ersten Ausführungsvariante eines erfindungsge¬ mäßen Senderempfängers sind in einem integrierten Schaltungsbaustein 100 (Integrated Circuit Device), auch kurz als Baustein bezeichnet, mehre Module zusammengefasst und als integrierte Schaltung realisiert. Ein externes CALC/APP-Modul 102 ist mit dem integrierten Baustein 100 über logische An¬ schlüsse Trep!y , Tround und CTRL/DATA 104, 106 und 108 verbunden. Dabei können die logischen Anschlüsse in einer gemeinsamen seriellen oder parallelen Benutzerschnittstelle zusammengefasst sein.
Ein analoger Sender 110 (TX) moduliert die zu sendenden Signalimpulse auf ei¬ ne Trägerfrequenz und gibt sie verstärkt auf eine externe Antenne 112. Ein ana¬ loger Empfänger 114 führt eine Verstärkung, Demodulation und Detektion von auf die Antenne 112 eingestrahlten Funkimpulsen durch.
Ein Basisband/MAC-Modul 116 (MAC = Medium Access Controller) führt eine Kodierung von zu sendenden und eine Dekodierung von empfangenen Daten¬ rahmen durch, welche aus einer Sequenz von Funk-Signalimpulsen bestehen.
Das Basisband/MAC-Modul 116 prüft auch empfangene Datenrahmen. Durch die Prüfung der Datenrahmen im Basisband/MAC-Modul 116 wird die physikalische Zuordnung der empfangenen Impulse zu bestimmten Senderempfängern gesi- chert und ein Referenzpunkt für die Messung der Rundlaufzeitabstände und Ge¬ nerierung der Antwortzeit festgelegt, beispielsweise ein Impuls am Rahmenende. Weiterhin erfolgt die Prüfung an Hand von den durch die Impulse dargestellten Daten, von denen wiederum die Plausibilität an Hand von Signaturen geprüft, die Integrität der Daten mittels Prüfsummen gesichert und die Identifikation an Hand von eineindeutigen Senderempfängeradressen sichergestellt wird.
Optional werden zur sicheren Übermittlung der Protokoll- und Nutzdaten, ein¬ schließlich der auszutauschenden Informationen der Entfernungsmessung zwi¬ schen Senderempfängern, die Daten im Basisband/MAC-Modul 116 verschlüs¬ selt bzw. entschlüsselt. Das Basisband/MAC-Modul 116 steuert zusätzlich den
Zugriff auf den verwendeten Nachrichtenkanal nach einem vereinbarten Schema. Dabei können existierende Nachrichtenprotokolle eingesetzt werden, wie z.B. öffentliche oder private Standards.
Im Basisband/MAC-Modul 116 erfolgt nach erfolgreicher Prüfung eines empfan- gen ersten Datenrahmens weiterhin auch die Generierung eines zu sendenden zweiten Datenrahmens, der auch als Folgedatenrahmen bezeichnet wird. Dabei wird der Folgedatenrahmen nach einer genau definierten zeitlichen Verzögerung, dem Antwortzeitabstand, relativ zum Empfangszeitpunkt des ersten Datenrah¬ mens gesendet. Der Antwortzeitabstand ist über einen am Anschluss Trepιy' 104 anliegenden Wert einstellbar und veränderbar.
Weiterhin wird der Rundlaufzeitabstand zwischen dem Sendezeitpunkt eines ers¬ ten Datenrahmens und dem Empfangszeitpunkt des Folgedatenrahmens gemes¬ sen und ein Wert für diese Zeit über den Anschluss Tround' 106 ausgegeben.
Das externe CALC/APP-Modul 102 tauscht über den Anschluss CTRL/DATA 108 Steuerinformationen mit dem Basisband/MAC-Controller 116 aus, überträgt über diesen Anschluss die zu sendenden und empfangenen Protokoll- und Nutzdaten und berechnet aus den Werten für die Rundlaufzeitabstände {Tround) und die Antwortzeiten (Trepιy) die Impulslaufzeiten, woraus wiederum die Entfernungen zwischen zwei kommunizierenden Senderempfängern berechnet werden können. In diesem Modul 102 können zusätzlich Anwendungen der drahtlosen Daten¬ übertragung und Entfernungsmessung integriert sein.
14.2 Integriertes Abstandsberechnungsmodul
Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Senderempfängers, der sich durch ein integriertes Abstandsberechnungsmodul auszeichnet. Die nachfolgen- de Darstellung konzentriert sich auf Unterschiede des Senderempfängers der Fig. 15 gegenüber dem der Fig. 14. Dabei werden für gegenüber dem Ausfüh¬ rungsbeispiel der Fig. 14 funktionell gleichwertige Module gleiche Bezugszeichen verwendet.
In der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsvariante ist in einem Baustein 120 als integrierte Schaltung zusätzlich zum Basisband/MAC-Modul 116 , dem analogen Sender 110 und dem analogen Empfänger 114 ein CALC-Modul 122 für die Be¬ rechnung der Entfernung vorgesehen. Im Unterschied zur ersten Variante ist die Abstandsberechnung in der vorliegenden Variante also in Baustein 120 integriert.
Die Funktion der analogen Sender- und Empfängermodule und des Basis- band/MAC-Moduls ist identisch zur ersten Ausführungsvariante. Nachfolgend werden die Unterschiede zur ersten Variante näher erläutert.
Über einen Anschluss d' 124 werden im CALC-Modul 122 berechnete Werte für die Entfernung an ein externes Anwendungs-(APP-)Modul 126 übermittelt. Das APP-Modul 126 tauscht über den Anschluss CTRL/DATA 108 Steuerinformatio¬ nen sowie Protokoll- und Nutzdaten mit dem Basisband/MAC-Modul 116 aus. Zusätzlich kann das APP-Modul 126 die Abstandsberechnung im CALC-Modul 122 über den Anschluss CTRL/DATA 108 initiieren, oder die Entfernungsberech- nung kann mit dem internen Basisband/MAC-Modul 116 über einen internen Bus CTRL/DATA 128 synchronisiert werden.
Im APP-Modul 126 können wiederum zusätzlich Anwendungen der drahtlosen Datenübertragung und Entfernungsmessung integriert sein. Auch in der vorlie¬ genden zweiten. Ausführungsvariante können die logischen Anschlüsse d' 124 und CTRL/DATA 108 in einer gemeinsamen seriellen oder parallelen Benutzer¬ schnittstelle zusammengefasst sein.
14.3 Integriertes Abstandsberechnungs- und Anwendungsmodul
Fig. 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Senderempfängers, der sich durch ein integriertes Abstandsberechnungs- und Anwendungsmodul auszeich- net. Die nachfolgende Darstellung konzentriert sich auf Unterschiede des Sen¬ derempfängers der Fig. 16 gegenüber dem der Fig. 14 und 15. Dabei werden für gegenüber dem Ausführungsbeispielen der Fig. 14 und 15 funktionell gleichwer¬ tige Module gleiche Bezugszeichen verwendet.
In der Ausführungsvariante der Fig. 16 ist das CALC/APP-Modul 102 (Fig. 14) zusätzlich zum Basisband/MAC-Modul 120, dem analogen Sender 1 10 und dem analogen Empfänger 114 in einem Baustein als integrierte Schaltung 130 reali¬ siert.
Optional ist ein externer Anschluss 132 für die Anwendungssteuerung und die Anwendungsdaten vorhanden (z. B. Mensch-Maschine-Benutzerschnittstelle, Anschluss für Sensoren und Aktoren). Die Funktion der analogen Sender- und Empfängermodule 110 und 114 und des Basisband/MAC-Moduls 116 ist auch in dieser Variante identisch zur ersten Ausführungsvariante. Die Funktion des integ- rierten CALC/APP-Moduls 102 ist ebenfalls identisch zur ersten Ausführungsva¬ riante.
15. Implementierung der Messung des Rundlaufzeitabstandes und des Antwort¬ zeitabstandes
In einer in Fig. 17 dargestellten allgemeinen Ausführungsvariante eines Sender- empfängers wird über einen Steuereingang Command 140 die Generierung ei¬ nes Nachrichtenpakets durch Kodierung von Protokoll- und Nutzdaten im Basis¬ band/MAC-Modul 142 zu einer Sequenz von digitalen Impulsen 144 initiiert. Im Sendermodul 146 werden die Impulse moduliert, verstärkt und über die Antenne 148 abgestrahlt.
Ebenfalls über die Antenne 148 werden empfangene Impulse zum Empfänger¬ modul 150 weitergeleitet, dort verstärkt, demoduliert und zum Zeitpunkt des stärksten Signals der Impulse detektiert.
Eine Sequenz von digitalen Impulsen 144 wird im Basisband/MAC-Modul 142 als Datenrahmen durch Dekodierung der Protokoll- und Nutzdaten detektiert. Dabei werden im Basisband/MAC-Modul 142 die Rundlaufzeitabstände von einem je¬ weiligen gesendeten ersten Datenrahmen zu einem jeweiligen empfangenen Folgedatenrahmen gemessen und über einen Anschluss Tround' 152 Werte für diese Zeit ausgegeben.
Ein Status-Steuerausgang 154 zeigt die Gültigkeit der Werte für den Tr0Und- Anschluss 152 an.
Der Antwortzeitabstand von einem Empfangszeitpunkt eines ersten Datenrah¬ mens bis zum Sendezeitpunkt eines Folgedatenrahmens wird über einen Trepιy- Anschluss 156 als Wert festgelegt.
In einer speziellen Ausführungsvariante wird zusätzlich eine Zeitdifferenz zwi¬ schen einem tatsächlichen Antwortzeitabstand und einem eingestellten Antwort¬ zeitabstand über den am Trepιy-Anschluss 154 angelegten Wert gemessen. Diese Zeitdifferenz ist bei der speziellen Ausführung durch den Abtastfehler der detek- tierten Impulse zwischen Empfängermodul 150 und Basisband/MAC-Modul 142 bedingt. Werte für die Zeitdifferenzen werden an einem in dieser speziellen Aus¬ führungsvariante zusätzlich vorgesehenen ΔTΛep,y -Anschluss 158 ausgegeben und die Gültigkeit wird über den Status-Steuerausgang 154 angezeigt.
16. Implementierung einer Steuerung der Rundlaufzeitmessung
Fig. 18 zeigt in einem vereinfachten Blockschaltbild einen Senderempfänger, der eine Messung des Rundlaufzeitabstandes implementiert. Der Senderzweig des Senderempfängers der Fig. 18 umfasst ein Sendermodul (TX) 172, das ein- gangsseitig mit einem Modul FRAME-CODEC 162 und ausgangsseitig mit einer Antenne 173 verbunden ist. Das Modul FRAME-CODEC 162 ist Bestandteil des oben beschriebenen Basisband/MAC-Moduls 116. Der Empfängerzweig des Senderempfängers der Fig. 18 umfasst ein eingangsseitig mit der Antenne 173 verbundenes analoges Empfangsmodul (RX) 170, dem im Signalfluss digitale Module RXDH 174 und RXD 176 nachgeschaltet sind. Das Modul RXD 176 ist ausgangsseitig mit einem Eingang des Moduls FRAME-CODEC 162 verbunden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Senderempfängers der Fig. 18 bei der Steuerung einer Rundlaufzeitmessung näher beschrieben. Hier erfolgt die Mes¬ sung des Rundlauflaufzeitabstandes mit einem Zählermodul 160, das auch als CNT-Modul 160 bezeichnet wird. Das CNT-Modul 160 ist ebenfalls Bestandteil des oben beschriebenen Basisband/MAC-Moduls 116.
Das Zählermodul 160 wird beim Aussenden eines ersten Nachrichtentrahmens zum Beginn eines Signalrundlaufs vom FRAME-CODEC-Modul 162 zurückge¬ setzt und gestartet. Das FRAME-CODEC-Modul 162 führt ebenfalls die Kodie¬ rung der Datenrahmen zu einer Sequenz von digitalen Impulsen durch.
Nach Aussenden des Datenrahmens erwartet das FRAME-CODEC-Modul 162 einen empfängerseitig einen auch als Folgedatenrahmen bezeichneten zweiten Datenrahmen in Form einer Sequenz von digitalen Impulsen. Das Zählermodul 160 wird nach der Detektion eines Folgedatenrahmens gestoppt und der beim Stoppen erreichte Zählwert liegt danach unverändert an einem CNTround-Anschluss 164 des Zählermoduls 160 an.
Während oder nach dem Empfang des Folgedatenrahmens erfolgt die Dekodie¬ rung und Prüfung des Folgedatenrahmens durch das FRAME-CODEC-Modul 162.
Das Modul FRAME-CODEC 162 detektiert dabei sowohl für das Rücksetzen und Starten als auch das Stoppen des Zählermoduls 160 einen Referenzzeitpunkt anhand eines vorbestimmten Referenzpunktes im Datenrahmen. Der Zeitpunkt, an dem die Rundlaufzeit-Messung beginnt wird von einem Referenzpunkt in Form eines bestimmten Impulses oder einer bestimmten Position im Nachrichten¬ rahmen abgeleitet. Dies kann eine beliebige, aber in allen Nachrichtenrahmen einheitliche Position sein. Es bietet sich an, den Detektionszeitpunkt der Rah¬ mensynchronisation zu verwenden, der vom FRAME-CODEC-Modul 162 erzeugt wird. Dieser Referenzpunkt ist in allen Nachrichtenrahmen verfügbar und einein¬ deutig, sowohl beim Senden, als auch beim Empfang. Daher wird dieser Refe¬ renzpunkt auch zum Beenden der Rundlaufzeitmessung verwendet.
Die Synchronisation mit der Entfernungsberechnungseinheit erfolgt über die Steueranschlüsse Command 166 und Status 168. Über den Command-Steuer- anschluss 166 wird dabei eine neue Rundlaufzeitmessung aktiviert, und der Sta- tus-Steueranschluss 168 signalisiert das Vorhandensein und die Gültigkeit des Folgedatenrahmens und eines neuen Messwertes für einen Rundlaufzeitabstand CNTround.
In der vorliegenden Realisierung werden die Module FRAME-CODEC 162 und CNT 160 mit einem gemeinsamen Takt CK versorgt und arbeiten somit synchron.
Nachfolgend wird näher erläutert, wie mit der beschriebenen Schaltung die Auf¬ lösung der Messung des Rundlaufzeitabstandes durch Messung und Berücksich- tigung eines Abtastfehlers verbessert wird. Ein vom analogen Empfangsmodul (RX) 170 detektierter Impuls (a) wird im RXDH-Modul 174 mit einem Takt CKH abgetastet. Der Abtastfehler entspricht im statistischen Mittel der halben Perio¬ dendauer des an CKH anliegenden Takts. Durch eine Abtastung des detektierten und abgetasteten Impulses (b) im RXD-Modul 176 entsteht ein weiterer, aller- dings wesentlich größerer zeitlicher Fehler, da der Takt CK eine wesentlich grö¬ ßere Periodendauer als der Takt CKH besitzt. Durch Messung und Berücksichti¬ gung dieser Zeit wird eine bessere Auflösung des Rundlaufzeitabstandes er¬ reicht. In der Praxis sind Taktfrequenzen von ca. 100 -200 MHz mit einer Genau¬ igkeit von ±200 ppm ausreichend, da diese Präzision aufgrund des speziellen Mehrwegeverfahren der vorliegenden Erfindung genügt. Die Auflösung kann durch oben beschriebene Dithering- und Averagingverfahren weiter erhöht wer¬ den.
Es gibt bei der Realisierung der Messung des Abtastfehlers zwei Ausführungsva¬ rianten. In einer ersten Ausführungsvariante wird ein zweites Zählermodul (CNTH) 178 durch einen mit dem Takt CKH abgetasteten Impuls (b) über einen Anschluss 180 gestartet. Der mit dem Takt CK abgetastete und verzögerte Emp¬ fangsimpuls (c) bewirkt das Anhalten des zweiten Zählermoduls (CNTH) 178 ü- ber einen Anschluss 182, dessen Zählwert nach dem Anhalten unverändert an einem CNTH^ound -Anschluss 184 anliegt.
In einer zweiten alternativen Ausführungsvariante wird das zweite Zählermodul (CNTH) 178 durch den abgetasteten und verzögerten Empfangsimpuls (c) über einen Anschluss 182 gestartet. Ein nachfolgender detektierter and mit dem Takt CKH abgetasteter Impuls (b) bewirkt das Anhalten des zweiten Zählermoduls (CNTH) 178 über einen Anschluss 180, dessen Zählwert nach dem Anhalten e- benfalls unverändert an einem -Anschluss 186 anliegt.
Das Modul FRAME-CODEC 162 kann dabei die Messung des Abtastfehlers für einen bestimmten Impuls oder mehrere Impulse eines Datenrahmens oder eine bestimmte Position oder in einem bestimmten Zeitbereich des Datenrahmens über eine Steuerverbindung 184 aktivieren. Die Steuerverbindung 184 erlaubt zusätzlich das Rücksetzen des zweiten Zählermoduls 178.
Die Synchronisation mit der Entfernungsberechnungseinheit erfolgt dabei mit den Steueranschlüssen Command 166 und Status 168. Zusätzlich signalisiert der Status-Anschluss 168 das Vorhandensein und die Gültigkeit eines neuen Mess¬ wertes für den Abtastfehler CNTH^oun(J der Rundlaufzeit Tmmd. Die Berechnung der Rundlaufzeit Tromd erfolgt aus den Ausgabewerten, CNTH^ound und CNTrour)d, der Zählermodule und den Perioden der Taktfrequenzen an CK und CKH, wobei zusätzlichen schaltungsbedingten Verzögerungen berücksichtigt werden müssen.
17. Implementierung einer Steuerung zur Generierung des Antwortzeitabstandes
Fig. 19 zeigt einen Senderempfänger, der eine Steuerung zur Generierung des Antwortzeitabstandes implementiert. In seiner Struktur gleicht der Senderemp¬ fänger der Fig. 19 in vielen Elementen dem der Figur 18. Daher werden hier für gegenüber Fig. 18 gleiche Module gleiche Bezugszeichen verwendet.
Fig. 19 zeigt jedoch, wie nachfolgend näher erläutert wird, einige für die Steue¬ rung der Generierung des Antwortzeitabstandes relevante Ein- und Ausgänge der Module des Senderempfängers, die in Fig. 18 nicht dargestellt sind. Umge¬ kehrt zeigt Fig. 18 einige für die Steuerung der Rundlaufzeitmessung relevante Ein- und Ausgänge der Module des Senderempfängers, die in der vorliegenden Fig. 19 nicht dargestellt sind. Mit den jeweiligen Ein- und Ausgängen sind in den jeweiligen Modulen implementierte Funktionen verknüpft, die in der vorstehenden Beschreibung der Fig. 18 und in der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 19 erläutert sind.
Da sich die Rundlaufzeitmessung und Antwortzeitgenerierung zeitlich nicht über¬ lappen, können die Implementierungen der Fig. 18 und 19 zu einer gemeinsamen Schaltung kombiniert werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Sen-
derempfängers implementiert daher eine Kombination der beiden Ausführungs¬ beispiele der Fig. 18 und 19 miteinander.
Beim Senderempfänger der Fig. 19 erfolgt die Generierung der Antwortzeit mit dem CNT- oder Zählermodul 160. Die Module CNT 160 und FRAME-CODEC 162 sind auch hier Bestandteil des oben schon erläuterten Basisband/MAC- Moduls 116.
Das Zählermodul 160 wird beim Empfang eines Anfragedatenrahmens zum Be¬ ginn eines Signalrundlaufs vom FRAME-CODEC-Modul 162 zurückgesetzt und gestartet. Dabei übernimmt das FRAME-CODEC-Modul 162 während oder nach dem Empfang die Dekodierung und Prüfung des aus einer Sequenz von digitalen Impulsen bestehenden Datenrahmens.
Das Zählermodul 160 wird nach Ablauf bzw. Erreichen eines über einen Anschluß CNTrepiy 190 angelegten Wertes für den Antwortzeitabstand gestoppt, und es erfolgt das Aussenden eines Antwortdatenrahmens, wobei das FRAME- CODEC-Modul 162 die Kodierung des Datenrahmens zu einer Sequenz von digi¬ talen Impulsen übernimmt.
Das Modul FRAME-CODEC 162 detektiert für das Rücksetzen und Starten des Zählermoduls 160 nach Empfang eines Anfragedatenrahmens im Rahmen eines Signalrundlaufes von einem anderen Senderempfänger einen vorbestimmten Re- ferenzpunkte im jeweiligen Datenrahmen. Dabei ist, wie bereits beschrieben, ein einheitlicher Referenzpunkt in den Datenrahmen festgelegt, an dem die Antwort¬ zeit-Generierung beginnt.
Wird, wie bereits beschrieben, der Zeitpunkt der Rahmensynchronisation für das Starten des Zählermoduls 160 verwendet, muss der Wert CNTrepiy für den Ant- wortzeitabstand entsprechend verkürzt werden, damit das Senden des Folgeda¬ tenrahmens rechtzeitig beginnen kann.
Die Dekodierung und Prüfung des empfangenen Anfragedatenrahmens muss in jedem Fall vor Beginn des Sendens des Folgedatenrahmens abgeschlossen
sein. Dies wird durch eine angemessene Dimensionierung der Antwortzeit und den Einsatz entsprechend schneller Dekodier- und Prüfschaltungen gewährleis¬ tet. War die Prüfung erfolgreich, und signalisiert das Zählermodul 160 dem FRA- ME-CODEC-Modul 162 den Ablauf des Antwortzeitabstandes, wird ein Folgeda- tenrahmen als Sequenz von digitalen Impulsen generiert.
Die Synchronisation mit der Entfemungsberechnungseinheit erfolgt über die Steueranschlüsse Command 166 und Status 168. Über den Command- Steueranschluss 166 wird der Empfang eines Datenrahmens erlaubt und die Ge¬ nerierung von Folgedatenrahmen aktiviert. Der Status-Steueranschluss 168 sig- nalisiert der Entfemungsberechnungseinheit, dass ein Datenrahmen empfangen wurde und dass, bei dessen erfolgreicher Prüfung, ein Folgedatenrahmen ge¬ sendet wurde.
In der vorliegenden Realisierung werden das Modul FRAME-CODEC 162 und das Zählermodul 160 von einem gemeinsamen Taktsignal CK versorgt und arbei- ten somit synchron.
Nachfolgend wird näher erläutert, wie mit der beschriebenen Schaltung die Auf¬ lösung der Generierung des Antwortzeitabstandes durch Messung und Berück¬ sichtigung eines Abtastfehlers verbessert wird. Ein von einem analogen Emp¬ fangsmodul (RX) 170 detektierter Impuls (a) wird in einem RXDH-Modul 174 mit einem Takt CKH abgetastet. Der Abtastfehler entspricht im statistischen Mittel der halben Periodendauer des an CKH anliegenden Takts. Durch eine Abtastung des detektierten und abgetasteten Impulses (b) im RXD-Modul 176 entsteht ein weiterer, allerdings wesentlich größerer zeitlicher Fehler, da der Takt CK eine wesentlich größere Periodendauer als der Takt CKH besitzt. Durch Messung und Berücksichtigung dieser Zeit, wird eine bessere Auflösung des tatsächlichen Antwortzeitabstandes erreicht. In der Praxis sind Taktfrequenzen von ca. 100 - 200 MHz mit einer Genauigkeit von ± 200 ppm ausreichend, da diese Präzision aufgrund des speziellen Mehrwegeverfahren der vorliegenden Erfindung genügt. Die Auflösung kann durch oben beschriebene Dithering- und Averagingverfahren weiter erhöht werden
Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 18 gibt es bei der Realisierung der Messung des Abtastfehlers zwei Ausführungsvarianten. In einer ersten Ausführungsvarian¬ te wird ein zweites Zählermodul (CNTH) 178 durch einen mit dem Takt CKH ab¬ getasteten Impuls (b) über einen Anschluss 180 gestartet. Der mit dem Takt CK abgetastete und verzögerte Empfangsimpuls (c) bewirkt das Anhalten des zwei¬ ten Zählermoduls (CNTH) 178 über einen Anschluss 182, dessen Zählwert nach dem Anhalten unverändert an einem CNTH^eply -Anschluss 184 anliegt.
In einer zweiten alternativen Ausführungsvariante wird das zweite Zählermodul (CNTH) 178 durch den abgetasteten und verzögerten Empfangsimpuls (c) über einen Anschluss 182 gestartet. Ein nachfolgender detektierter and mit dem Takt CKH abgetasteter Impuls (b) bewirkt das Anhalten des zweiten Zählermoduls (CNTH) 178 über einen Anschluss 180, dessen Zählwert nach dem Anhalten e- benfalls unverändert an einem CNTH^epιy -Anschluss 186 anliegt.
Das Modul FRAME-CODEC 162 kann dabei die Messung des Abtastfehlers für einen bestimmten Impuls oder mehrere Impulse eines Datenrahmens oder eine bestimmte Position oder in einem bestimmten Zeitbereich des Datenrahmens über eine Steuerverbindung 184 aktivieren. Die Steuerverbindung 184 erlaubt zusätzlich das Rücksetzen des zweiten Zählermoduls 178.
Die Synchronisation mit der Entfernungsberechnungseinheit erfolgt dabei bei der Antwortzeitgenerierung mit den Steueranschlüssen Command 166 und Status 168. Zusätzlich signalisiert der Status-Anschluss 168 das Vorhandensein und die Gültigkeit eines neuen Messwertes für den Abtastfehler
der Antwort¬ zeit T
repι
y. Die Berechnung der Antwortzeit T
repi
y erfolgt aus dem Ausgabewert CNTH
Δrepiy des Zählermoduls, dem angelegten Wert für die Antwortzeit CNT
repiy und den Perioden der Taktfrequenzen an CK und CKH, wobei zusätzlichen schaltungsbedingten Verzögerungen berücksichtigt werden müssen.
18. Implementierung des Averaging
Fig. 20 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiel eines Senderempfängers mit implementiertem Averaging. In der Figur sind nur die für das Averaging wesentlichen Module dargestellt.
Ein Averaging wird grundsätzlich durchgeführt, indem zunächst mehrere mit ho- her Auflösung gemessene zeitliche Fehler addiert werden, die durch die Abtas¬ tung empfangener Impulse eines Datenrahmens im FRAME-CODEC-Modul 162 entstehen, und anschließend durch die Anzahl der addierten Fehlerwerte geteilt wird. Der so erhaltene Fehler-Mittelwert wird für eine präzise Messung des Rund¬ laufzeitabstandes und für eine exakte Bestimmung des Antwortzeitabstandes verwendet.
Bei der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die über¬ tragenen Datenrahmen komplementäre Chirpimpulse enthalten. Das Averaging wird für die zwei komplementären Impulstypen paritätisch ausgeführt, das heißt, es wird eine gleiche Anzahl der jeweiligen Impulstypen berücksichtigt. Dabei kann die Anzahl der zu addierenden zeitlichen Fehler vorgegeben werden. Die gesamte Schaltung ist nicht sehr zeitkritisch und kann damit kostengünstig reali¬ siert werden, da die Addition lediglich mit der Impulsfrequenz (max. 10 MHz) durchgeführt werden muss.
Für mit hoher Auflösung gemessene zeitlichen Fehler detektierter Impulse eines empfangenen Datenrahmens werden die Zählerausgaben CNTH^ouncJ 192 der
Rundlaufzeitmessung (vgl. Fig. 18) oder
186 der Antwortzeitgenerie- rung (vgl. Fig. 19) verwendet. Je nach Situation wird entweder der Ausgang 192 oder der Ausgang 186 an einen ersten Eingang 200 eines Addieres 202 geleitet.
Das Ergebnis der Addition wird in ein Summenregister 204 geschrieben und ist an einem ∑cNTHΔωunc/ΣcNTHΔrepiy -Ausgang 206 als Wert auslesbar.
Die Verfügbarkeit des im Summenregister 204 enthaltenen Wertes wird vom FRAME-CODEC-Modul 162 über dessen Status-Anschluss 168 angezeigt. Dafür kann die Statusinformation der Rundlaufzeitmessung und Antwortzeitgenerierung verwendet werden.
Die Anzahl der zu addierenden Werte wird über einen PULSECNT-Anschluss 208 vorgegeben. Die Anzahl der bereits berücksichtigten Werte wird über Zähler CNT1 210 und CNT2 212 erfasst und mit der zu berücksichtigenden Anzahl ge¬ mäß dem am PULSECNT-Anschluss anliegenden Wert in zwei Vergleichern 214 und 216 verglichen. Ist die erforderliche Anzahl noch nicht erreicht, bilden Signa¬ le CPULSET1 und CPULSET2 über eine Signallogik 218 ein an deren Ausgang 220 anliegendes Steuersignal (add) zum Aufsummieren neuer Zählerausgaben CNTHfrOund bzw. CNTHfrepiy der Rundlaufzeitmessung bzw. Antwortzeitabstand- generierung.
Die Signale CPULSET1 (1 1 ) und CPULSET2 (12) entsprechen jeweils zwei de- tektierten unterschiedlichen, komplementären Impulsen und werden zeitlich ver¬ zögert, da die Zählerausgaben CNTH^Ound ^2 und CNTH^epιy 186 erst eine ge¬ wisse Zeit nach der Detektion der Impulse zur Verfügung stehen.
Die Signale CPULSET1 und CPULSET2 schließen sich gegenseitig aus, treten also nicht gleichzeitig auf. Da die Summenbildung für jeden Datenrahmen neu erfolgt, muss das FRAME-CODEC-Modul 162 die das Summenregister 204 und die Zähler 210 (CNT1 ) und 212 (CNT2) mit Beginn eines neuen Datenrahmens über einen Steuerausgang 222 mit einem Steuersignal (reset) zurücksetzen.
Eine Summenbildung über die Empfangszeitpunkte einer gleichen Anzahl der jeweiligen Impulstypen erfolgt durch die Berücksichtigung der jeweils identischen Anzahl der Impulse über die Zähler CNT1 und CNT2. Ob die erforderliche gleiche Anzahl komplementärer Impulstypen berücksichtigt wurde, wird mit Hilfe eines NAND-Gatters 224, an dessen Eingänge die Ausgänge der beiden Vergleicher 214 und 216 geleitet sind, über einen ∑valid-Anschluss 226 angezeigt.
Für die Berechnung der Rundlauf- und Antwortzeitabstände müssen die berech¬ neten Summen am ∑cNTHΔroun</ΣcNTHΔrepiy -Ausgang 206 vorher durch die Anzahl der addierten Werte geteilt werden. Die entsprechenden Berechnungsmittel sind in Fig. 20 nicht dargestellt. Sie können als Verarbeitungsmodul im Senderemp¬ fänger oder als externes Modul, z.B. in Form eines Softwaremodul eines an den Senderempfänger extern angeschlossenen Microcontrollers bereitgestellt sein.
Die Berechnung des gemittelten Empfangszeitpunktes der Nachrichtenrahmen, die der Rundlauf- und Antwortzeit zu Grunde gelegt werden, erfolgt gemäß den nachstehenden Formeln:
Formel 44' ΔTroimdAVG = H1CNTH hround
2 • tlPULSECNT ■ fcKH 2
Formel 45: ΔTreplyAVG = ΣCNlΗ&repfy
2 ■ ΠPULSECNT ■ /CKH 2
19. Berechnung der Rundlauf- und Antwortzeitabstände
Unter Bezugnahme auf die Fig. 18 bis 20 wird nachfolgend erläutert, wie Rund¬ lauf- und Antwortzeitabstände berechnet werden.
Die Berechnung der Rundlaufzeitabstände erfolgt mit Hilfe der Zählerausgabe CNTround am Ausgang 164 des Zählers 160 und des gemittelten Abtastfehlers der Rundlaufzeit ATromdAVG, wobei schaltungsbedingte Verzögerungen der Sender¬ und Empfängerschaltungen, T7x und TRXϊ zusätzlich berücksichtigt werden müs¬ sen. Abhängig von der verwendeten Realisierungsvariante muß der gemittelte Abtastfehler der Rundlaufzeit Δ.TromdAVG gemäß der folgenden Formel entweder addiert oder abgezogen werden.
Formel 46' Tround = CNTmimd + kATrowidAVG + TTX + TRX; k = ~ 1, 1
Die Berechnung der Antwortzeitabstände erfolgt mit dem angelegten Wert für CNTrepiy am Anschluss 190 und dem gemittelten Abtastfehler der Antwortzeit ΔTrepιyAVG, wobei die schaltungsbedingten Verzögerungen der Sender- und Emp- fängerschaltungen, T7x und TRX, zusätzlich berücksichtigt werden müssen. Ab¬ hängig von der verwendeten Realisierungsvariante muss der gemittelte Abtast¬ fehler der Antwortzeit ΔTrepιyArG addiert oder abgezogen werden.
FOrmel 47' Treply = CNTreply + kATreplyA VG + TTX + TRX; k = — 1, 1
/CK