用于确定从发射器至接收器的距离的装置
阅读说明：本技术 用于确定从发射器至接收器的距离的装置 (Device for determining the distance from a transmitter to a receiver ) 是由 A·克雷布斯 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于确定从发射器(6)至接收器(8)的距离的装置,其中,发射器和接收器设置为用于经由无线电信道(10)进行通信。所述装置具有至少一个测量单元(2),所述测量单元设置为用于测量所述无线电信道的接收电平值和飞行时间测量值。所述装置还具有处理单元(4),所述处理单元设置为用于将接收电平值和飞行时间测量值的所测量的值对与接收电平值和飞行时间测量值的所存储的值对进行比较,其中,接收电平值和飞行时间测量值的所存储的值对分别与发射器至接收器的相应一个距离相配设,并且所述处理单元设置为用于基于比较结果来确定发射器至接收器的距离。(The invention relates to a device for determining the distance from a transmitter (6) to a receiver (8), wherein the transmitter and the receiver are arranged for communication via a radio channel (10). The device has at least one measuring unit (2) which is provided for measuring a reception level value and a time-of-flight measurement value of the radio channel. The device also has a processing unit (4) which is provided for comparing the measured value pairs of the reception level value and the time-of-flight measurement value with stored value pairs of the reception level value and the time-of-flight measurement value, wherein the stored value pairs of the reception level value and the time-of-flight measurement value are each associated with a respective one of the transmitter distances to the receiver, and for determining the transmitter distance to the receiver based on the comparison result.)
技术领域
本发明涉及一种用于确定从发射器至接收器的距离的装置。
背景技术
在各种应用情况中，可能需要确定在发射器与接收器之间的距离。在此已知的是，基于信号接收电平值(received signal strength indicator，RSSI，接收信号强度指示)来估计距离。在此，可以通过实验室试验或通过数学换算来为每个RSSI值配设一个距离值。如果接收器测量到某个RSSI值，则所述接收器由此出发：到发射器的距离与在实验室试验中在相同的RSSI值的情况下所存在的距离相似。
然而，在发射器中可能发生与信道有关的衰减。在发射器与接收器之间的无线电信道的这种与信道有关的衰减可能使RSSI值改变并且由此阻碍RSSI值与距离值之间的成功换算。与信道有关的衰减在此强烈取决于环境条件和发射器或接收器的用户行为。因此，基于这种换算的关于距离的预测仅是对距离的不准确估计。恰是当发射器和/或接收器是移动设备、例如智能手机时，用户特定的行为可能导致真实距离与估计距离的强烈偏差。如果用户例如在口袋中携带其移动设备，则RSSI值可能强烈地减小，使得在真实距离与估计距离之间存在大于100m的估计误差。
与此相对，如果仅进行飞行时间测量，则仅能在直至20m的小范围内确定距离。
发明内容
因此本发明的任务是，对于在发射器与接收器之间较大范围的距离能实现更准确的估计。
所述任务通过一种根据权利要求1的用于确定从发射器至接收器的距离的装置来解决。
在此，发射器和接收器设置为用于经由无线电信道通信。为了与至今的系统相比改善确定距离的准确性，所述装置具有至少一个测量单元，所述测量单元设置为用于测量无线电信道的接收电平值(received signal strength indicator，RSSI，接收信号强度指示)和飞行时间测量值(time of flight：ToF，飞行时间)。在飞行时间测量中测量在发射出信号直至接收到信号之间的时间间隔。对接收电平值或RSSI值的测量能以不同的方式进行并且经常仅包含不准确的与所接收的信号能量的关系。然而理想地，对RSSI值的测量包含所接收的有用信号的功率。
所述装置还包括处理单元，所述处理单元设置为用于将接收电平值和飞行时间测量值的所测量的值对与接收电平值和飞行时间测量值的所存储的值对进行比较。在此，接收电平值和飞行时间测量值的所存储的值对分别与发射器至接收器的相应一个距离相配设。所述处理单元还设置为用于基于比较结果来确定发射器至接收器的距离。
在至今的系统中仅使用一个RSSI值、即唯一一个接收电平值以用于确定从发射器至接收器的距离，不同于至今的系统，在这里提出的装置使用两个不同的值、即接收电平值和飞行时间测量值。通过所述两个不同的值能够改善距离确定。特别是当RSSI值由于与信道有关的衰减而受到影响时，仍然能够通过所配属的飞行时间测量值对在发射器与接收器之间的距离实施准确的确定。飞行时间测量值可以用作用于接收电平值的修正因数。
根据一种实施方式，所述所存储的值对是发射器特定的。以这种方式能够实现：在存储这些值对时考虑发射器的特定特性、特别是影响发射器特性的用户行为。因此能够进一步改善对距离的确定，因为在确定距离时也注意到所述发射器特定的行为。
根据另一种实施方式，所述处理单元设置为用于确定发射器的身份。如果在确定距离以及测量接收电平值和飞行时间测量值之前确定发射器的身份，则可以直接基于接收电平值和飞行时间测量值的发射器特定的值对来确定比较。特别是，可以为不同的发射器存储接收电平值和飞行时间测量值的相应的值对，其中，为了确定距离而基于发射器的身份选择相应数量的值对。
为了确定发射器的身份，处理单元可以设置为用于从发射器接收验证信息。所述验证信息可以通过合适的无线电协议在发射器与接收器之间交换。例如，可以将所述验证信息作为加密密钥在发射器与接收器之间交换。
根据另一种实施方式，所述测量单元设置为用于与对飞行时间测量值的测量同时地实施对接收电平值的测量。在此，同时或者至少在时间上紧密相邻地实施对各值的测量。以这种方式可以对于发射器确定接收电平值和飞行时间测量值的在相同的或基本上相同的时间出现的测量值对。
测量单元还可以设置为用于对接收电平值和飞行时间测量值的值对实施n次测量。这些n次的测量可以被处理单元使用，以便确定和存储发射器特定的用于接收电平值和飞行时间测量值的值对的概率关系。所述概率关系可以例如通过直方图、统计平均值、最小值计算/最大值计算或类似方式来确定。
通过在接收电平值与飞行时间测量值之间建立这种发射器特定的概率关系，可以统计地检测和评价用于相应的发射器的无线电信道的设备特定的和用户特定的特性以及发射器所停留在的环境条件的影响。因此，随着对接收电平值和飞行时间测量值的测量次数的增加，处理单元能够以更高的准确性确定或估计接收器距发射器的距离。
根据另一种实施方式，所述处理单元设置为用于在第一范围(例如直至20m)内计算在发射器与接收器之间的距离，并且所述处理单元设置为用于基于所存储的概率关系在第二范围(例如20至100m)内估计在发射器与接收器之间的距离。因此，通过由接收电平值和飞行时间测量值组成的组合能够在更大的距离范围上进行确定。飞行时间测量值可以用于在直至约20m的附近范围内确定距离。通过接收电平值，飞行时间测量的测量范围可以通过将概率关系外推到更大的范围上而扩展到更大的范围、例如扩展到直至约100m的范围上。
为了进一步改善对距离的确定，所述处理单元可以设置为用于以预先确定的间隔或连续地调整所存储的概率关系。以这种方式可以对发射器特性的改变(例如当用户将发射器置于壳体中或从壳体中移出时)在未来进行考虑以用于确定距离。
对距离的确定或估计可以在使用当前测量的接收电平值和飞行时间测量值以及所存储的发射器特定的接收电平值和飞行时间测量值以及接收电平值和飞行时间测量值的所存储的概率统计的情况下确定。在此，可以使用外推函数、例如泰勒近似，以便基于当前的值和所存储的值来估计：当前距离是哪个。特别是当仅对于附近范围已经存储了确定的值时，可以通过这样的外推函数在更大的范围、例如在仅存在RSSI值的范围内也确定距离。
通过例如直方图可以对于发射器的当前RSSI值估计，特定的距离以何种概率存在。附加地，可以使用用于直方图的统计显著性的质量评定标准。通过所述质量评定标准可以将各值对于距离而言归入为不重要的或重要的。如果存在具有多个值对的多个测量，则因此改善对距离的估计。在此，所述装置可以实施为自学习系统。
所述测量单元还可以设置为用于经由超宽带连接(UWB)来实施对接收电平值的测量，和/或所述测量单元设置为用于经由BLE连接来实施对飞行时间测量值的测量。通过将在直至20m范围内的两种测量进行组合，可以将这些测量换算为对于20m至100m的范围的距离。在飞行时间测量与RSSI测量之间的0m至20m的重叠范围可以通过函数关系来近似并且外推用于20m至100m的值范围。以这种方式，可以实施超过20m的距离测量。
根据另一种实施方式，所述发射器是移动设备，和/或所述接收器是机动车。例如可以使用所述装置以便解锁机动车，其中，使用发射器(即移动设备)至接收器(即机动车)的距离以便确定用户是否已经位于机动车的作用范围内并因此应当解锁所述机动车。移动设备例如可以是移动电话、智能电话、掌上电脑、平板电脑等。此外，可以基于对发射器至接收器的距离的确定来对接收器进行调节。如果接收器是机动车，则例如所述机动车可以基于距离确定来进行个性化的调节、例如座椅调节等。
此外，提出一种用于确定从发射器至接收器的距离的方法，其中，发射器和接收器设置为用于经由无线电信道进行通信。所述方法具有如下步骤：测量无线电信道的接收电平值和飞行时间测量值；将所测量的接收电平值和飞行时间测量值的值对与所存储的接收电平值和飞行时间测量值的值对进行比较，其中，所存储的接收电平值和飞行时间测量值的值对分别与发射器至接收器的相应一个距离相配设；并且基于比较结果确定发射器至接收器的距离。
对于所提出的装置所描述的各实施方式和特征相应地适用于所提出的方法。
此外提出一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有程序代码，该程序代码构成为用于在计算机上促使实施如上阐述的方法。
计算机程序产品、例如计算机程序单元例如可以作为存储介质、例如存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD或以可下载的文件的形式由网络中的服务器提供或供应。这例如可以在无线通信网中通过传输具有计算机程序产品或计算机程序单元的相应的文件来实现。
本发明的其他可能的实施方案也包括之前或在下文中关于各实施例描述的特征或实施形式的未明确提及的组合。在此，本领域内技术人员也可将单个方面作为改进或补充而添加给本发明的相应的基本形式。
其它优点和有利的实施方式在说明书、附图和权利要求中给出。在此，特别是在说明书和在附图中给出的各特征组合是纯示例性的，从而各特征也可以单独地或通过其它方式组合地存在。
附图说明
下面应当借助在附图中示出的实施例更详细地描述本发明。在此，各实施例和在各实施例中示出的组合仅是示例性的并且不应限定本发明的保护范围。所述保护范围仅通过所附的权利要求限定。
在附图中：
图1示出具有用于确定在发射器与接收器之间的距离的装置的系统的示意性框图；
图2示出在一次测量之后对两个发射器的距离估计的图表；以及
图3示出在100次测量之后对两个发射器的距离测量的图表。
具体实施方式
下面，相同的或功能上相同作用的元件以相同的附图标记表示。
图1示出具有发射器6和接收器8的系统100。发射器6和接收器8可以经由无线电信道10通信。发射器6例如可以是移动设备、如智能手机。接收器8例如可以是机动车或机动车的一部分。
为了确定在发射器6与接收器8之间的距离，设置有装置1。装置1例如可以与接收器8集成在机动车中。基于在发射器6与接收器8之间的距离可以对接收器8或与所述接收器连接的设备、例如机动车实施调节。所确定的距离可以用于，当发射器6相对于接收器8位于限定的距离范围内时，解锁机动车。
为了确定在发射器6与接收器8之间的距离，装置1具有一个或多个测量单元2。测量单元2设置为用于测量在发射器6与接收器8之间的无线电信道10的接收电平值和飞行时间测量值。在飞行时间测量中，测量在发射出信号直至接收到信号之间的时间间隔。理想地，对接收电平值或RSSI值的测量包含所接收的有用信号的功率。
基于这对测量值，处理单元4可以确定在发射器6与接收器8之间的距离。为此，将所测量的由接收电平值和飞行时间测量值组成的值对与接收电平值和飞行时间测量值的已经存储的值对进行比较。所存储的值对分别与发射器6至接收器8的相应一个距离相配设。基于比较结果，处理单元可以确定发射器6至接收器8的距离。
特别是，装置1可以作为自学习系统使用。在这种情况下，测量单元2连续地或者以确定的间隔同时地或者基本上同时地测量接收电平值和飞行时间测量值。处理单元4可以基于这些n次的测量来确定发射器特定的用于接收电平值和飞行时间测量值的值对的概率关系并且存储所述关系。如果测量到新的飞行时间测量值和接收电平值，则处理单元4可以进一步细化所述概率关系。随着对接收电平值和飞行时间测量值的测量次数的增加，处理单元4能够以更高的准确性确定接收器8到发射器6的距离。
通过在接收电平值与飞行时间测量值之间建立这种发射器特定的概率关系，可以统计地检测和估计用于相应的发射器6的无线电信道10的设备特定的和用户特定的特性以及发射器6所停留在的环境条件的影响。
这在图2和图3中示出，其中，图2一方面将第一发射器至接收器和第二发射器至接收器的实际距离作为曲线S1、S2示出，并且还示出在对RSSI值和接收电平值进行一次测量之后对发射器S1的预测VS1和对发射器S2的预测VS2。
围绕曲线S1和S2描绘的圆示出对于发射器S1和发射器S2测量的接收电平值。如可以看到的那样，接收电平值测量围绕实际距离S1、S2强烈地波动。基于对接收电平值和飞行时间测量值的仅一次测量，相应的预测VS1、VS2虽然是可能的，不过所述预测仅直至约15至20m的距离是准确的。在更大的距离范围内，预测VS1、VS2变得非常不准确。
然而，对距离的估计随着测量次数的增加变得更准确，如在图3中在100次测量之后所示的那样。在这里也示出实际的距离曲线S1、S2。预测VS1、VS2在这里明显接近实际的曲线。如通过圆示出的那样，对接收电平值的测量围绕实际的曲线S1、S2强烈地变化。然而，因为接收电平值总是与飞行时间测量值共同测量并且整合到概率关系中，所以能够对于其它的接收电平值而言改善预测。可以说，飞行时间测量值用作用于接收电平值的修正因数。
此外，通过由接收电平值和飞行时间测量值组成的组合能够在更大的距离范围上进行确定，如也在图2和图3中所示的那样。对于大于20m的距离，通过将概率关系外推来将对距离的估计扩展到更大的范围上。在所述更大的范围内仅能够测量接收电平值。然而在这里，对距离的通过外推的估计也随着对由接收电平值和飞行时间测量组成的值对的测量次数的增加而改善，如通过预测VS1、VS2变得明显的那样。
因此，通过在这里提出的装置能够在使用两个不同的值、即飞行时间测量值和接收电平值的情况下改善对在发射器与接收器之间的距离的确定。在此，对距离的确定随着测量次数的增加而变得更准确。
附图标记列表
1 装置
2 测量单元
4 处理单元
6 发射器
8 接收器
10 无线电信道
100 系统
S1、S2 发射器
VS1、VS2 预测