DE102023123993A1 - Locating method for locating at least one object using wave-based signals and locating system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ortungsverfahren zur Lokalisierung wenigstens eines Objekts unter Verwendung wellenbasierter Signale bei dem von dem Objekt ein Wellenfeld ausgeht und das von dem Objekt ausgehende Wellenfeld von einem oder mehreren Empfängern empfangen wird, in jedem Empfänger unter Verwendung einer oder mehrerer Empfangsantennen des oder der Empfänger, wenigstens ein Messsignal gebildet wird, das von der räumlichen und/oder zeitlichen Verteilung des Wellenfeldes abhängig ist und/oder dessen Phasen- und/oder Amplitudenverlauf durch die Signallaufzeit von dem Objekt zum jeweiligen Empfänger charakteristisch beeinflusst ist, wobei unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes und dem Messsignal eine Position des Objekts ermittelt wird.The present invention relates to a location method for locating at least one object using wave-based signals, in which a wave field emanates from the object and the wave field emanating from the object is received by one or more receivers, in each receiver using one or more receiving antennas of the receiver(s), at least one measurement signal is formed which is dependent on the spatial and/or temporal distribution of the wave field and/or whose phase and/or amplitude curve is characteristically influenced by the signal propagation time from the object to the respective receiver, wherein a position of the object is determined using an artificial neural network and the measurement signal.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ortungsverfahren zur Lokalisierung wenigstens eines Objekts unter Verwendung wellenbasierter Signale bei dem von dem Objekt ein Wellenfeld ausgeht und das von dem Objekt ausgehende Wellenfeld von einem oder mehreren Empfängern empfangen wird, in jedem Empfänger unter Verwendung einer oder mehrerer Empfangsantennen des oder der Empfänger, wenigstens ein Messsignal gebildet wird, das von der räumlichen und/oder zeitlichen Verteilung des Wellenfeldes abhängig ist und/oder dessen Phasen- und/oder Amplitudenverlauf durch die Signallaufzeit von dem Objekt zum jeweiligen Empfänger charakteristisch beeinflusst ist.The present invention relates to a location method for locating at least one object using wave-based signals, in which a wave field emanates from the object and the wave field emanating from the object is received by one or more receivers, in each receiver using one or more receiving antennas of the receiver(s), at least one measurement signal is formed which is dependent on the spatial and/or temporal distribution of the wave field and/or whose phase and/or amplitude curve is characteristically influenced by the signal propagation time from the object to the respective receiver.
Bekannt ist folgender Stand der Technik:
- [BSLG22]
.BRÜCKNER, STEFAN ; SIPPEL, ERIK ; LIPKA, MELANIE ; GEISS, JOHANNA ; VOSSIEK, MARTIN: Phase Difference Based Precise Indoor Tracking of Common Mobile Devices Using an Iterative Holographic Extended Kalman Filter. In: IEEE Open Journal of Vehicular Technology Bd. 3 (2022), S. 55-67 - [
.LiSV00] LIPKA, MELANIE ; SIPPEL, ERIK ; VOSSIEK, MARTIN: Locating method for localizing at least one object using wave-based signals and locating system - [PRDG17]
.PAVLENKO, T. ; REUSTLE, C. ; DOBREV, Y. ; GOTTINGER, M. ; JASSOUME, L. ; VOSSIEK, M.: Design and Optimization of Sparse Planar Antenna Arrays for Wireless 3-D Local Positioning Systems. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation Bd. 65 (2017), Nr. 12, S. 7288-7297 - [ScHV23]
.SCHUESSLER, CHRISTIAN ; HOFFMANN, MARCEL ; VOSSIEK, MARTIN: Super-Resolution Radar Imaging With Sparse Arrays Using a Deep Neural Network Trained With Enhanced Virtual Data. In: IEEE Journal of Microwaves Bd. 3 (2023), Nr. 3, S. 980-993 - [SGBG21]
.SIPPEL, ERIK ; GEISS, JOHANNA ; BRÜCKNER, STEFAN ; GRÖSCHEL, PATRICK ; HEHN, MARKUS ; VOSSIEK, MARTIN: Exchanging Bandwidth With Aperture Size in Wireless Indoor Localization - Or Why 5G/6G Systems With Antenna Arrays Can Outperform UWB Solutions. In: IEEE Open Journal of Vehicular Technology Bd. 2 (2021), S. 207-217 - [SHBU21]
.SCHÜßLER, CHRISTIAN ; HOFFMANN, MARCEL ; BRÄUNIG, JOHANNA ; ULLMANN, INGRID ; EBELT, RANDOLF ; VOSSIEK, MARTIN: A Realistic Radar Ray Tracing Simulator for Large MIMO-Arrays in Automotive Environments. In: IEEE Journal of Microwaves Bd. 1 (2021), Nr. 4, S. 962-974 - [Sipp22]
.SIPPEL, ERIK: Holographic 3D Indoor Localization, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), 2022 - [SLGH20]
.SIPPEL, ERIK ; LIPKA, MELANIE ; GEIß, JOHANNA ; HEHN, MARKUS ; VOSSIEK, MARTIN: In-Situ Calibration of Antenna Arrays Within Wireless Locating Systems. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation Bd. 68 (2020), Nr. 4, S. 2832-2841 - Aus [SGBG21] ist bekannt, dass die Lokalisierungsgenauigkeit von „Phase-difference-of-arrival-“ (PDOA) Systemen direkt von einer Aperturgröße von Empfängerarrays im Verhältnis zu einem Messabstand abhängt.
- [BSLG22]
.BRÜCKNER, STEFAN ; SIPPEL, ERIK ; LIPKA, MELANIE ; GEISS, JOHANNA ; VOSSIEK, MARTIN: Phase Difference Based Precise Indoor Tracking of Common Mobile Devices Using an Iterative Holographic Extended Kalman Filter. In: IEEE Open Journal of Vehicular Technology Vol. 3 (2022), pp. 55-67 - [
.LiSV00] LIPKA, MELANIE ; SIPPEL, ERIK ; VOSSIEK, MARTIN: Locating method for localizing at least one object using wave-based signals and locating system - [PRDG17]
.PAVLENKO, T. ; REUSTLE, C. ; DOBREV, Y. ; GOTTINGER, M. ; JASSOUME, L. ; VOSSIEK, M.: Design and Optimization of Sparse Planar Antenna Arrays for Wireless 3-D Local Positioning Systems. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation Vol. 65 (2017), No. 12, pp. 7288-7297 - [ScHV23]
.SCHUESSLER, CHRISTIAN ; HOFFMANN, MARCEL ; VOSSIEK, MARTIN: Super-Resolution Radar Imaging With Sparse Arrays Using a Deep Neural Network Trained With Enhanced Virtual Data. In: IEEE Journal of Microwaves Vol. 3 (2023), No. 3, pp. 980-993 - [SGBG21]
.SIPPEL, ERIK ; GEISS, JOHANNA ; BRÜCKNER, STEFAN ; GRÖSCHEL, PATRICK ; HEHN, MARKUS ; VOSSIEK, MARTIN: Exchanging Bandwidth With Aperture Size in Wireless Indoor Localization - Or Why 5G/6G Systems With Antenna Arrays Can Outperform UWB Solutions. In: IEEE Open Journal of Vehicular Technology Vol. 2 (2021), pp. 207-217 - [SHBU21]
.SCHÜßLER, CHRISTIAN ; HOFFMANN, MARCEL ; BRÄUNIG, JOHANNA ; ULLMANN, INGRID ; EBELT, RANDOLF ; VOSSIEK, MARTIN: A Realistic Radar Ray Tracing Simulator for Large MIMO Arrays in Automotive Environments. In: IEEE Journal of Microwaves Vol. 1 (2021), No. 4, pp. 962-974 - [Sipp22]
.SIPPEL, ERIK: Holographic 3D Indoor Localization, Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg (FAU), 2022 - [SLGH20]
.SIPPEL, ERIK ; LIPKA, MELANIE ; GEIß, JOHANNA ; HEHN, MARKUS ; VOSSIEK, MARTIN: In-Situ Calibration of Antenna Arrays Within Wireless Locating Systems. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation Vol. 68 (2020), No. 4, pp. 2832-2841 - It is known from [SGBG21] that the localization accuracy of phase-difference-of-arrival (PDOA) systems directly depends on an aperture size of receiver arrays in relation to a measurement distance.
Bekannte winkelbasierte PDOA-Lokalisierungsansätze funktionieren für große Empfängerarrays nicht, da sich ein zu ortender Sender im Nahfeld eines Empfängers bzw. eines Empfängerarrays befindet. Dies widerspricht der Annahme ebener Empfangswellen von Winkelschätzern. Diese gilt aufgrund der von dem Sender emittierten Kugelwellen nur für kleine Raumbereiche, insbesondere in einem Fernfeld, und somit für kleine Empfängerarrays. Ein Nahfeld wird oft als Fresnel-Region bezeichnet, in der die Fresnel-Näherung, jedoch nicht die Fraunhofer-Näherung, gilt. Ein Fernfeld wird oft als Fraunhofer-Region bezeichnet. Hier gilt die Fraunhofer-Näherung.Known angle-based PDOA localization approaches do not work for large receiver arrays because a transmitter to be located is in the near field of a receiver or a receiver array. This contradicts the assumption of plane reception waves of angle estimators. Due to the spherical waves emitted by the transmitter, this only applies to small spatial regions, especially in a far field, and thus to small receiver arrays. A near field is often referred to as a Fresnel region, in which the Fresnel approximation, but not the Fraunhofer approximation, applies. A far field is often referred to as a Fraunhofer region. Here the Fraunhofer approximation applies.
Weiterhin werden Empfängerarrays für die Winkelschätzung typischerweise mit Empfangsantennen voll besetzt, wobei die gesamte Fläche deckend mit Empfangsantennen, meist im Abstand der halben Wellenlänge, besetzt ist, was für große Empfängerarrays sehr aufwands- und kostenintensiv wird. Zur Ortung mit großen Empfängerarrays werden daher häufig mit Empfangsantennen dünn besetzte Empfängerarrays genutzt. Diese werden als „Sparse Array“ bezeichnet, wie dies aus [PRDG17] bekannt ist.Furthermore, receiver arrays for angle estimation are typically fully populated with receiving antennas, whereby the entire area is covered with receiving antennas, usually at a distance of half the wavelength, which is very laborious and costly for large receiver arrays. For location with large receiver arrays, receiver arrays sparsely populated with receiving antennas are therefore often used. These are referred to as "sparse arrays", as is known from [PRDG17].
Folglich ist für präzise PDOA-basierte Ortungssysteme die Auswertung von Rohdaten, zum Beispiel komplexer Amplituden des Messsignals, ohne Winkelschätzung notwendig.Consequently, precise PDOA-based positioning systems require the evaluation of raw data, such as complex amplitudes of the measurement signal, without angle estimation.
Bekannt ist aus [BSLG22], [LiSV00] und [Sipp22], dass sich die Position durch die rekursive Auswertung der Phasendifferenzen zwischen den räumlich verteilten Empfangsantennen der Empfängerarrays effizient ermitteln lässt. Dies geschieht meistens durch die Anwendung rekursiver Filter, insbesondere dem Extended-Kalman-Filter in Form des Holographic-Extended-Kalman-Filter (HEKF), wie dies aus [BSLG22] bekannt ist.It is known from [BSLG22], [LiSV00] and [Sipp22] that the position can be determined efficiently by recursively evaluating the phase differences between the spatially distributed receiving antennas of the receiver arrays. This is usually done by applying recursive filters, in particular the extended Kalman filter in the form of the holographic extended Kalman filter (HEKF), as is known from [BSLG22].
Die Metrik ist hierbei implizit immer „Least-Squares“. Eine Positionsschätzung der Position des Senders nimmt somit implizit normalverteiltes additives Rauschen bzw. „Additive White Gaussian Noise“ (AWGN) an. Eine Positionsschätzung erfolgt folglich durch Invertierung des Phasenmessmodells.The metric is always implicitly “least squares”. A position estimate of the position of the The transmitter therefore implicitly assumes normally distributed additive noise or “Additive White Gaussian Noise” (AWGN). Position estimation is therefore carried out by inverting the phase measurement model.
Die größte Herausforderung bei der Lokalisierung eines Senders in einem Raum besteht, neben der Implementierung der Hardware, in der Störung durch Mehrwegeausbreitung eines wellenbasierten Signals über die reflektierende Umgebung, welche sich dem Signal auf der Sichtlinie bzw. der „Line-of-Sight“ (LOS) überlagert, wie dies aus [Sipp22] hervorgeht.The biggest challenge in locating a transmitter in a room, besides the implementation of the hardware, is the interference caused by multipath propagation of a wave-based signal via the reflective environment, which superimposes the signal on the line-of-sight (LOS), as shown in [Sipp22].
Dabei ist eine Performanz von direkter „Least-Squares“-Lokalisierung degradiert, da eine AWGN-Annahme inkorrekt ist.The performance of direct least-squares localization is degraded because an AWGN assumption is incorrect.
Bei starken Mehrwegeausbreitungen scheitern die meisten Lokalisierungsansätze, insbesondere bei der Lokalisierung in drei Dimensionen.In the case of strong multipath propagation, most localization approaches fail, especially when localizing in three dimensions.
Eine direkte Extraktion von Phasen aus komplexwertigen Messungen zur Anwendung im HEKF ist bei starken Mehrwegeausbreitungen nicht mehr möglich.A direct extraction of phases from complex-valued measurements for application in HEKF is no longer possible in cases of strong multipath propagation.
Zur Unterdrückung der Mehrwegeausbreitung in Lokalisierungssystemen existieren bereits unterschiedliche Ansätze, z.B. die Nutzung von Multiple-Signal-Classification (MUSIC), „Compressed Sensing“, „Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariant Techniques“ etc.Different approaches already exist to suppress multipath propagation in localization systems, e.g. the use of multiple signal classification (MUSIC), “compressed sensing”, “estimation of signal parameters via rotational invariant techniques”, etc.
Diese trennen das LOS-Signal und das Signal durch Mehrwegeausbreitung auf dem gleichen Hypothesenraum, also Abstand oder Winkel, um den LOS zu isolieren und dann den Winkel und/oder Abstand des LOS zum Lokalisieren zu nutzen.These separate the LOS signal and the signal by multipath propagation on the same hypothesis space, i.e. distance or angle, to isolate the LOS and then use the angle and/or distance of the LOS for localization.
Für physikalisch große Empfänger, welche für präzise PDOA-Ortung notwendig sind, ergeben sich für den LOS und die Mehrwegeausbreitung unterschiedlich geformte Wellenfronten, da die Fernfeldnäherung nicht mehr oder nur noch eingeschränkt zutrifft. Eine Trennung des LOS-Signal und der Mehrwegeausbreitung mit bekannten Methoden auf dem gleichen Hypothesenraum ist nicht möglich.For physically large receivers, which are necessary for precise PDOA positioning, differently shaped wave fronts result for the LOS and the multipath propagation, since the far-field approximation no longer applies or only applies to a limited extent. It is not possible to separate the LOS signal and the multipath propagation using known methods on the same hypothesis space.
Bekannt ist, dass Empfängerarrays zur avisierten Nutzung kalibriert werden, wie dies aus [SLGH20] bekannt ist. Dies bezieht sich sowohl auf empfängereigene Parameter wie bspw. Antennenphasen und/oder -dämpfungen, Antennenkopplung, relative Antennenpositionen etc., als auch die globale Position der Empfänger innerhalb des Messumgebung.It is known that receiver arrays are calibrated for intended use, as is known from [SLGH20]. This refers both to receiver-specific parameters such as antenna phases and/or attenuations, antenna coupling, relative antenna positions, etc., as well as the global position of the receiver within the measurement environment.
Bekannt ist aus [LiSV00], dass zumindest implizit ein ideal kalibriertes Messsystem angenommen wird.It is known from [LiSV00] that at least implicitly an ideally calibrated measurement system is assumed.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein oben genanntes Verfahren, insbesondere im Hinblick auf die Auswertung des Messsignals zu verbessern.Against this background, the present invention is based on the object of improving an above-mentioned method, in particular with regard to the evaluation of the measurement signal.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the method having the features of
Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass unter Verwendung eines künstlichen neuronalen Netzes und dem Messsignal eine Position des Objekts ermittelt wird.Accordingly, the invention provides that a position of the object is determined using an artificial neural network and the measurement signal.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Messsignal durch das künstliche neuronale Netz zur Ermittlung und/oder Bestimmung der Position des Objektes verwendet wird.Preferably, the measurement signal is used by the artificial neural network to detect and/or determine the position of the object.
Es erfolgt vorzugsweise eine PDOA-basierte Lokalisierung mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes. Vorzugsweise werden dabei von mehreren Empfängern PDOA-Messungen an räumlich verteilten Empfangsantennen durchgeführt, um ein Objekt bzw. einen Sender zu lokalisieren.Preferably, PDOA-based localization is carried out using an artificial neural network. Preferably, PDOA measurements are carried out by several receivers on spatially distributed receiving antennas in order to localize an object or a transmitter.
Das Wellenfeld umfasst vorzugsweise elektromagnetische Wellen oder wird durch diese gebildet.The wave field preferably comprises electromagnetic waves or is formed by them.
Das Wellenfeld ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass es einem, insbesondere beliebigen, Kommunikationsstandard, zum Beispiel dem Bluetooth-, WLAN-, 5G und/oder 6G-Standard, entspricht.The wave field is preferably designed such that it corresponds to a, in particular any, communication standard, for example the Bluetooth, WLAN, 5G and/or 6G standard.
Das Objekt umfasst oder bildet vorzugsweise einen Sender, der dazu ausgebildet ist, das Wellenfeld auszusenden. Der Sender kann ein Bluetooth-, WLAN-, 5G und/oder 6G-Sender sein.The object preferably comprises or forms a transmitter that is designed to emit the wave field. The transmitter can be a Bluetooth, WLAN, 5G and/or 6G transmitter.
Der oder die Empfänger sind vorzugsweise Empfängerarrays mit mehreren Empfangsantennen.The receiver(s) are preferably receiver arrays with multiple receiving antennas.
Unter einer Lokalisierung kann auch eine Ortung oder eine Positionsbestimmung verstanden werden.Localization can also be understood as locating or determining a position.
Vorzugsweise erfolgt mittels des künstlichen neuronalen Netzes eine Invertierung eines Messmodells. Vorzugsweise sind nur wenig bis keine Vorannahmen über das Messmodell erforderlich.Preferably, an inversion of a measurement model is carried out using the artificial neural network. Preferably, only few or no prior assumptions about the measurement model are required.
Vorzugsweise wird ein künstliches neuronales Netz für PDOA-basierte Ortung mit großen Empfängerarrays verwendet.Preferably, an artificial neural network is used for PDOA-based positioning with large receiver arrays.
Das künstliche neuronale Netz wird vorzugsweise nicht zur Winkelschätzung verwendet, sondern schätzt und/oder ermittelt vorzugsweise direkt die Position des Objekts bzw. des Senders. Die gemessenen Rohdaten bzw. Messsignale können hierfür vorverarbeitet werden.The artificial neural network is preferably not used for angle estimation, but rather estimates and/or determines the position of the object or transmitter directly. The measured raw data or measurement signals can be preprocessed for this purpose.
Vorzugsweise erfolgt eine Nutzung bzw. Verwendung maschinellen Lernens zur PDOA-basierten Lokalisierung.Preferably, machine learning is used for PDOA-based localization.
Das künstliche neuronale Netz kann Effekte durch Abschattung einzelner Empfänger bzw. Empfängerarrays berücksichtigen.The artificial neural network can take into account effects caused by shadowing of individual receivers or receiver arrays.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus dem Phasen- und/oder Amplitudenverlauf des Messsignals oder nur aus dem Phasenverlauf des Messsignals die Position des Objekts ermittelt wird.Preferably, it is provided that the position of the object is determined from the phase and/or amplitude curve of the measurement signal or only from the phase curve of the measurement signal.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nur aus gemessenen Phasendifferenzen von mindestens zwei Empfangsantennen die Position des Objekts ermittelt wird.Preferably, the position of the object is determined only from measured phase differences of at least two receiving antennas.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus dem Messsignal eine Sample-Kovarianzmatrix erstellt und in das künstliche neuronale Netz eingegeben wird.Preferably, a sample covariance matrix is created from the measurement signal and input into the artificial neural network.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nur Phasenmesswerte in das künstliche neuronale Netz eingegeben werden.Preferably, only phase measurement values are input into the artificial neural network.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass nur gemessene Phasendifferenzen von mindestens zwei Empfangsantennen in das künstliche neuronale Netz eingegeben werden.Preferably, only measured phase differences from at least two receiving antennas are input into the artificial neural network.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Phasen und/oder Amplituden bzw. deren äquivalente komplexe Zahlen in das künstliche neuronale Netz eingegeben werden.Preferably, phases and/or amplitudes or their equivalent complex numbers are input into the artificial neural network.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass Sample-Kovarianzmatrizen in das künstliche neuronale Netz eingegeben werden.Preferably, sample covariance matrices are input into the artificial neural network.
Insbesondere können die Phasendifferenzen zwischen Empfangsantennenpaaren ermittelt und/oder die Phase und/oder die Amplitude von Einzelkanälen errechnet und dem künstlichen neuronalen Netz eingegeben werden. Dem Fachmann ist vorzugsweise bekannt, dass sich Phase und/oder Amplitude bzw. deren Verlauf äquivalent durch komplexe Zahlen beschreiben lassen.In particular, the phase differences between receiving antenna pairs can be determined and/or the phase and/or the amplitude of individual channels can be calculated and entered into the artificial neural network. The person skilled in the art is preferably aware that the phase and/or amplitude or their course can be described equivalently by complex numbers.
Weiterhin können aus komplexwertigen Empfangsdaten bzw. Messsignalen, Sample-Kovarianzmatrizen erstellt werden. Die Sample-Kovarianzmatrizen können dem künstlichen neuronalen Netz eingegeben werden. Die Sample-Kovarianzmatrizen können dem künstlichen neuronalen Netz nach Real- und/oder Imaginärteil und/oder Amplitude und/oder Phase eingegeben werden.Furthermore, sample covariance matrices can be created from complex-valued received data or measurement signals. The sample covariance matrices can be entered into the artificial neural network. The sample covariance matrices can be entered into the artificial neural network according to real and/or imaginary part and/or amplitude and/or phase.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das künstliche neuronale Netz, insbesondere vor der Verwendung des künstlichen neuronalen Netzes zur Ermittlung der Position des Objekts, durch reale und/oder simulierte Messdaten eingelernt wird.Preferably, it is provided that the artificial neural network is taught using real and/or simulated measurement data, in particular before using the artificial neural network to determine the position of the object.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die realen und/oder simulierten Messdaten eine Mehrwegeausbreitung umfassen.Preferably, the real and/or simulated measurement data include multipath propagation.
Das künstliche neuronale Netz kann aufgrund dessen Flexibilität den Effekt einer Mehrwegeumgebung bzw. Mehrwegeausbreitung mitberücksichtigen.Due to its flexibility, the artificial neural network can take into account the effect of a multipath environment or multipath propagation.
Unter einer Mehrwegeausbreitung ist vorzugsweise zu verstehen, dass Wellen des Wellenfeldes nicht direkt auf einer geraden oder im Sinne der Wellenoptik geraden Sichtlinie, sondern indirekt, also nicht direkt, bspw. über eine oder mehrere Oberflächen, die die Wellen jeweils reflektieren, zwischen dem Objekt und dem jeweiligen Empfänger verlaufen und/oder übermittelt werden.Multipath propagation is preferably understood to mean that waves of the wave field do not travel and/or are transmitted directly on a straight line of sight or, in the sense of wave optics, a straight line of sight, but indirectly, i.e. not directly, for example via one or more surfaces that reflect the waves, between the object and the respective receiver.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei mindestens einem Empfänger vor dem Einlernen des künstlichen neuronalen Netzes ein oder mehrere Parameter des Empfängers nicht oder nur teilweise kalibriert werden und/oder einer oder mehrerer der Parameter im künstlichen neuronalen Netz mit eingelernt werden.Preferably, it is provided that, in at least one receiver, one or more parameters of the receiver are not calibrated or are only partially calibrated before the artificial neural network is taught in and/or one or more of the parameters are taught in the artificial neural network.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei mindestens einem Empfänger vor dem Einlernen des künstlichen neuronalen Netzes eine Position und/oder eine Orientierung des Empfängers nicht oder nur teilweise kalibriert werden. Vorzugsweise erfolgt eine Kalibrierung der globalen Informationen der Empfänger, also im Gesamtortungssystem.Preferably, it is provided that a position and/or an orientation of at least one receiver is not calibrated or is only partially calibrated before the artificial neural network is taught. Preferably, the global information of the receiver is calibrated, i.e. in the overall positioning system.
Das künstliche neuronale Netz kann Fehler bei der Kalibrierung eines Empfängers bzw. Empfängerarrays korrigieren oder ganz ohne vorherige Kalibrierung verwendet bzw. genutzt werden.The artificial neural network can correct errors in the calibration of a receiver or receiver array or can be used without prior calibration.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass keine oder nur fehlerbehaftete Vorinformationen über mindestens eine Anordnung, Position, Orientierung, Phasenoffsets und/oder Antennenkopplung mindestens einer Antenne, insbesondere einer Empfangsantenne, bei mindestens einem Empfänger vorhanden sind. Vorzugsweise erfolgt eine Kalibrierung der lokalen Information und/oder der empfängerspezifischen Parameter der einzelnen Empfänger.Preferably, no or only erroneous prior information about at least one arrangement, position, orientation, phase offsets and/or antenna coupling of at least one antenna, in particular a receiving antenna, is available at at least one receiver. Preferably, the local information and/or the receiver-specific parameters of the individual receivers are calibrated.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Effekt einer Mehrwegeausbreitung mit eingelernt wird.Preferably, the effect of multipath propagation is also taught in.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens ein Empfänger so groß ist, dass sich das Objekt im Nahfeld des Empfängers befindet.Preferably, at least one receiver is large enough so that the object is in the near field of the receiver.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens ein Empfänger dünn mit Empfangsantennen besetzt ist.Preferably, at least one receiver is sparsely equipped with receiving antennas.
Das künstliche neuronale Netz kann effizient mit dünn besetzten Empfängerarrays bzw. mit Empfängerarrays mit wenigen räumlich verteilten Empfangsantennen umgehen.The artificial neural network can efficiently handle sparsely populated receiver arrays or receiver arrays with few spatially distributed receiving antennas.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zusätzliche Sensorwerte, insbesondere einer Inertialsensorik, eine Dopplerauswertung, einer magnetfeldbasierten Positionsbestimmung, eines optischen Sensors und/oder eines Ultraschallsensors für die Ermittlung der Position berücksichtigt werden.Preferably, additional sensor values, in particular an inertial sensor, a Doppler evaluation, a magnetic field-based position determination, an optical sensor and/or an ultrasonic sensor are taken into account for determining the position.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das künstliche neuronale Netz ein „Recurrent Neural Network“ ist oder umfasst.Preferably, the artificial neural network is or comprises a “recurrent neural network”.
Geeignet sind prinzipiell alle Arten künstlicher neuronaler Netze. Das künstliche neuronale Netz kann ein „Feedforward Neural Network“, ein „Convolutional Neural Networks“ und/oder ein „Recurrent Neural Network“ sein oder umfassen.In principle, all types of artificial neural networks are suitable. The artificial neural network can be or include a “feedforward neural network”, a “convolutional neural network” and/or a “recurrent neural network”.
Vorzugsweise ist das künstliche neuronale Netz ein Transformer-Netzwerk, insbesondere ein „Recurrent Neural Network“. Ein „Recurrent Neural Network“ stellt vorzugsweise eine vielversprechende Variante dar, da ein „Recurrent Neural Network“ ein Gedächtnis aufweist, in welchem sich ein Systemzustand entsprechend einem HEKF speichern lässt.Preferably, the artificial neural network is a transformer network, in particular a recurrent neural network. A recurrent neural network is preferably a promising variant, since a recurrent neural network has a memory in which a system state can be stored according to a HEKF.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Wellenlänge einer Welle des Wellenfelds kleiner ist als die maximale Distanz zweier Punkte innerhalb eines Raumes, in dem das Objekt lokalisiert werden soll.Preferably, the wavelength of a wave of the wave field is smaller than the maximum distance between two points within a space in which the object is to be localized.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die maximale Distanz zweier Punkte innerhalb eines Raumes, in dem das Objekt lokalisiert werden soll, größer ist als der größte Eindeutigkeitsbereich, der sich durch die Phasendifferenzen zwischen den Empfangsantennenpaaren einzelner Empfänger ergibt.Preferably, the maximum distance between two points within a space in which the object is to be localized is greater than the largest uniqueness range resulting from the phase differences between the receiving antenna pairs of individual receivers.
Die Erfindung betrifft auch ein Ortungssystem mit wenigstens einem Empfänger für die Ermittlung der Position wenigstens eines Objektes und mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention also relates to a positioning system with at least one receiver for determining the position of at least one object and with means for carrying out the method according to the invention.
Das Ortungssystem kann ein Messsystem sein oder umfassen.The positioning system can be or include a measuring system.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „ein“ und „eine“ nicht zwingend auf genau eines der Elemente verweisen, wenngleich dies eine mögliche Ausführung darstellt, sondern auch eine Mehrzahl der Elemente bezeichnen können. Ebenso schließt die Verwendung des Plurals auch das Vorhandensein des fraglichen Elementes in der Einzahl ein und umgekehrt umfasst der Singular auch mehrere der fraglichen Elemente. Weiterhin können alle hierin beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombiniert oder voneinander isoliert beansprucht werden.At this point, it should be noted that the terms "a" and "an" do not necessarily refer to exactly one of the elements, although this is a possible embodiment, but can also refer to a plurality of the elements. Likewise, the use of the plural also includes the presence of the element in question in the singular and, conversely, the singular also includes several of the elements in question. Furthermore, all features of the invention described herein can be combined with one another as desired or claimed in isolation from one another.
Weitere Vorteile, Merkmale und Effekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren, in welchen gleiche oder ähnliche Bauteile durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Hierbei zeigen:
-
1 : ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
2 : ein Ablaufdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. -
3 : eine Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ortungssystems.
-
1 : a flow chart of an embodiment of a method according to the invention. -
2 : a flow chart of a further embodiment of a method according to the invention. -
3 : a sketch of an embodiment of a locating system according to the invention.
In
Das Einlernen des künstlichen neuronalen Netzes für eine PDOA-basierte Ortung ist besonders herausfordernd, da die relative räumliche Verteilung der Empfänger und die auftretende Mehrwegeausbreitung sich in jedem Aufbau umgebungsbedingt unterscheiden. Das künstliche neuronale Netz wird daher vorzugsweise für jede räumliche Konstellation der Empfänger neu eingelernt.Learning the artificial neural network for PDOA-based positioning is particularly challenging because the relative spatial distribution of the receivers and the multipath propagation that occurs differ in each setup depending on the environment. The artificial neural network is therefore preferably re-learned for each spatial constellation of the receivers.
Zum Einlernen des künstlichen neuronalen Netzes stehen vorzugsweise durch eine Referenzmessung erzeugte Messdaten als „Ground-Truth“-Daten zur Verfügung.To train the artificial neural network, preferably by reference measurement data generated by the measurement are available as “ground truth” data.
Das Einlernen kann anhand realer Messdaten mit Vorinformation erfolgen. Dies kann aufwendig sein, aber dafür können Kalibrierfehler der Empfänger bzw. Empfängerarrays und/oder falsch angenommene Anordnungen bzw. Positionen der Empfänger kompensiert werden und der Einfluss von Mehrwegeausbreitungen reduziert werden.The learning can be carried out using real measurement data with prior information. This can be complex, but calibration errors of the receivers or receiver arrays and/or incorrectly assumed arrangements or positions of the receivers can be compensated and the influence of multipath propagation can be reduced.
Das Einlernen kann anhand realer Messdaten mit limitierter Vorinformation erfolgen. Vorzugsweise sind alle oder einzelne empfängerspezifischen Parameter, insbesondere die relativen Antennenpositionen und/oder die Antennenphasenoffsets und/oder die Antennenkopplung, insbesondere jeweils der Empfangsantenne oder der Empfangsantennen, vorab kalibriert, während die globalen Positionen und Ausrichtungen des oder der Empfänger, insbesondere der Empfangsantenne oder der Empfangsantennen, nicht bekannt sind. Es liegt also vorzugsweise ein teilweise kalibriertes Messsystem bzw. Ortungssystem vor.The learning can be carried out using real measurement data with limited prior information. Preferably, all or individual receiver-specific parameters, in particular the relative antenna positions and/or the antenna phase offsets and/or the antenna coupling, in particular of the receiving antenna or antennas, are calibrated in advance, while the global positions and alignments of the receiver or receivers, in particular of the receiving antenna or antennas, are not known. A partially calibrated measuring system or location system is therefore preferably available.
Das Einlernen kann anhand realer Messdaten ohne Vorinformation erfolgen. Vorzugsweise wird das künstliche neuronale Netz dabei eingelernt, ohne die Anordnung bzw. Position des Empfängers oder der Empfänger und/oder die Antennenpositionen, die Antennenphasenoffsets und/oder die Antennenkopplung, insbesondere jeweils der Empfangsantenne oder der Empfangsantennen der Empfänger, relativ zueinander vorab zu kennen. Es liegt also vorzugsweise kein ideal kalibriertes Messsystem bzw. Ortungssystem vor.The learning can be carried out using real measurement data without prior information. The artificial neural network is preferably learned without knowing in advance the arrangement or position of the receiver or receivers and/or the antenna positions, the antenna phase offsets and/or the antenna coupling, in particular of the receiving antenna or antennas of the receivers, relative to one another. There is therefore preferably no ideally calibrated measuring system or location system.
Das Einlernen kann dadurch erfolgen, dass das gesamte Messsystem zunächst kalibriert wird und das künstliche neuronale Netz dann anhand der ermittelten Anordnung bzw. Positionen der Empfänger simulativ mithilfe eines einfachen AWGN-Simulationsmodels ohne Mehrwegeausbreitung eingelernt wird. Dadurch erfolgt in vorteilhafter Weise ein einfaches Einlernen mit geringem Messaufwand und sehr umfangreichen Datensatz bzw. Einlern- oder Trainingsdatensatz.The learning can be done by first calibrating the entire measuring system and then simulating the artificial neural network based on the determined arrangement or positions of the receivers using a simple AWGN simulation model without multipath propagation. This advantageously enables simple learning with little measurement effort and a very extensive data set or learning or training data set.
Das Einlernen kann dadurch erfolgen, dass das gesamte Messsystem zunächst kalibriert wird und die tatsächliche Messumgebung in einer Simulationsumgebung nachgebaut wird. Das künstliche neuronale Netz wird sodann mithilfe der Simulationsumgebung eingelernt. Dadurch erfolgt im Vergleich zu einem Einlernen anhand realer Messdaten ein einfaches Einlernen mit geringem Messaufwand und sehr umfangreichem Datensatz. Der Einfluss von Mehrwegeausbreitung kann dabei mindestens teilweise mit eingelernt werden. Mit diesem Ansatz wurden gute Erfolge in „Radar Imaging Systemen“ erzielt. Die Messumgebung ist dabei vorzugsweise bekannt und/oder wird mit eingemessen.The learning can be done by first calibrating the entire measuring system and then recreating the actual measuring environment in a simulation environment. The artificial neural network is then learned using the simulation environment. In comparison to learning using real measurement data, this makes learning simple with little measurement effort and a very extensive data set. The influence of multipath propagation can be learned at least partially. This approach has been successful in "radar imaging systems". The measuring environment is preferably known and/or is measured.
Das Einlernen kann dadurch erfolgen, dass das Messsystem zunächst kalibriert wird und das künstliche neuronale Netz mit sich verändernden Mehrwegebedingungen simulativ eingelernt wird. Hierfür bietet es sich an, das künstliche neuronale Netz mit unterschiedlichen Raumgeometrien, z.B. aus Datenbanken, einzulernen bzw. zu trainieren. Im Vergleich zum Einlernen anhand realer Messdaten erfolgt dabei in vorteilhafter Weise ein einfaches Einlernen mit geringem Messaufwand. Durch die sich verändernden zufälligen Mehrwegebedingungen kann ein gegenüber Mehrwegeausbreitung robustes künstliches neuronales Netz, welches insbesondere mit sich verändernden Umgebungsbedingungen zurechtkommt, erzeugt werden.The learning can be done by first calibrating the measuring system and simulating the artificial neural network with changing multipath conditions. For this purpose, it is advisable to learn or train the artificial neural network with different spatial geometries, e.g. from databases. In comparison to learning using real measurement data, this is an advantageous way of learning with little measurement effort. The changing random multipath conditions can be used to create an artificial neural network that is robust against multipath propagation and can cope with changing environmental conditions in particular.
Das Einlernen kann dadurch erfolgen, dass eine Kombination aus einem oben genannten Einlernen mittels realer Messdaten und einem oben genannten Einlernen mittels Simulationen erfolgt.The teaching can be carried out by a combination of the above-mentioned teaching using real measurement data and the above-mentioned teaching using simulations.
In
Ausgehende von Schritt S1 erfolgt in Schritt S15 ein Einlernen mit „Ground-Truth“-Daten, wobei in Schritt S5 eine Verlustfunktion ermittelt wird.Starting from step S1, a learning process with ground truth data takes place in step S15, whereby a loss function is determined in step S5.
Das Ortungssystem weist einen Sender 10 und zwei Empfänger 40 mit jeweils mehreren Empfangsantennen auf. Die Empfänger sind damit Empfängerarrays.The positioning system has a
Der Sender 10 emittiert ein wellenbasiertes Signal bzw. ein Wellenfeld mit Wellen. Der Sender 10 bzw. das Objekt weist eine Sendeantenne auf.The
Das Signal bzw. Wellen des Wellenfeldes werden einerseits direkt über die direkte LOS 20 und andererseits über Mehrwegausbreitungen 30 von den zwei Empfängern 40 empfangen, welche jeweils acht Empfangsantennen aufweisen.The signal or waves of the wave field are transmitted directly via the
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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