连续实时跟踪至少一个运动物体的位置的方法及相关发射器和接收器

摘要

本发明涉及用于实时连续地定位位于限定的多维空间中的至少一个移动物体的方法，包括至少一个移动发射器模块，该发射器模块设置在至少一个移动物体上，该发射器模块的信号由固定的接收器－和信号处理网络接收并集中处理。由发射器模块发射的信号是在一个频带范围内利用时分多路复用方法发射的电磁波；其特征在于：频带作为单个信道，用于使定位精确性最大化；在发射器(Sp、Sb)和接收器(E1、…、En)之间的通信过程基于具有低互相关性的突发发射和非同步伪随机模式的伪随机时分多路复用的原理，本方法具有高位置分辨率和几毫秒的时间分辨率，可在任何时间和任何地点连续定位一个或多个移动物体。本发明还涉及实现该方法的相应发射器和接收器。

说明书

相关申请

本发明要求2002年10月28日申请的德国专利申请文件10250243.9、2002年10月29日申请的102 50 500.4和2002年11月14日申请的102 52 934.5的优先权。因此上述发明的内容也清楚地结合在本发明的内容中。

技术领域

本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的在一个规定的多维空间里对至少一个运动物体的位置进行连续的实时跟踪的方法，以及如权利要求20的前序部分所述的相关的装置。

背景技术

很久以来，各种不同的利益集团均渴望能够研究或者说理解运动的物体或者说运动过程中的人，而这种研究是以地点和时间上来说均精确的表明物体位置为前提的。对此尤其感兴趣的有游戏用球，尤其是在商业球类例如在三维空间里高加速度的足球以及网球或高尔夫球。问题包括：谁最后碰到了游戏的物体、是如何碰到的以及在什么方向上使之继续加速，这可能根据游戏种类对于游戏的结局是十分重要的。在高速体育运动中例如网球、高尔夫球、足球和类似运动中使用的游戏装置可以加速到极高的速度，因此测定运动时的物体就要求各种细分的技术。以前所使用的技术装备-主要是照相机-并不适合于上述要求或者不太适合；即使是以前熟知的借助于不同的发射器和接收器的组合来测定位置的方法也在位置数据的空间分辨率方面、所需的发射器/接收器部件的可操纵性方面以及尤其是分析处理借助于发射器/接收器系统所得到的数据的方面还有很大的空间(发展余地)，因此还不可能对由这些数据所得出的结果做出最快可能的评价。

在EP 700 525 B1中描述了一种用于定位在一个预定范围内的运动物体的系统。具体来说，是指蜂窝电话的位置测定，但其中这些范围至少间隔0.5至20英里。这些电话导航的主要问题是：导航过程要使用尽可能小部分的容量，因为该容量被用于完成这种电话的主要任务即语音传输。在蜂窝电话的情况下，发射器按照TDMA(时分多路复用)原理共享相同的频率，但其先决条件是发射器是被同步或者被初始化的，在发射的信号之间不存在干涉。因此得出对于这种技术的边界条件，它们基本上不同于当一个游戏球的定位任务应该在一个少量平方米的场地里完成时所产生的边界条件。此外受到关注的是提供一种高精度的系统，这种系统是坚固的，因而适合于在一个游玩的和高加速度的物体中运动。因此就排除了一种用来按照比例缩放在EP 700 525 B1中所示的技术用以适应于本文中的使用目的的可能性，因为其不会导致提高在同样坚固的系统中的精度，尤其是在三维空间里。

EP 514 511 B1也描述了采用无线电话的定位的系统，但是采用了蜂窝移动无线电话系统中通话传输方法的另外一种可选的标准。该说明书集中于发现那些满足根据一种无线信号电平标准的一种特定标准的蜂窝，将所选出的蜂窝传输到那个蜂窝。该文中同样也使用了一种电磁波的迅速发射，就是所谓突发发射。原则上说由于这些问题，本发明所提出的技术并不适合于解决同样如结合EP 700525 B1所提出的在一个场地里一个球的厘米级精度的定位问题。

在E.克拉码(E.Kramar)的著作“定位和导航的无线电系统”，(Funksysteme fuer Ortung und Navigation)(1973，柏林联合公司斯图加特出版(Verlag Berliner Union GmbH Stuttgart)，第91至92页中)指出：直接放大式接收机用作定位接收器(例如欧来加(Omega)系统)，用于确定一个运动物体的位置。

在DE 44 09 178 A1里说明了通过测定渡越时间而定位的基本原理。但是在涉及到提高精度的时候，这并不有利于解决在一个限定多维空间里连续地实时跟踪一个运动物体的位置的任务。

在US 6041 046里描述了一种TDMA系统，它包括有许多用户站，它们与基站通信。为此同样也传输发射脉冲。但是由该说明书中并不能得出推论，即借助于其可以解决在一个规定的多维空间如一个游戏场地里对一个运动物体尤其是一个游戏球的位置的连续实时跟踪问题。

DE 200 04 174 U1公开了一种游戏装置，尤其是一种球，在这球的内腔里装了一个发射器。这种系统的技术基于在发射器和接收器之间电磁波的反射，该技术并不适合于解决所提出的问题。为了借助于反射过程进行通信设置有这种技术的发射和接收元件。

在EP 0 880 712 B1中同样也描述了一种用于定位的系统。它同样也不适合用于实时地在厘米级范围内测定一个运动物体的位置。

下述技术也是已知的其它导航或定位系统，但这些技术并不适合于前述的应用范围，因为它们或者不适合于反射和带有阻尼特性的环境，或者根据接收条件对位置的说明并不能足够准确地符合前述应用的要求。

包括：

GPS(全球卫星定位系统)类型的系统：一个移动接收器同时接收来自至少三个发射器的信号；接收器可以从“到达时间(Time-of-Arrival)”(TOA)的差确定其位置。对于上面所述的应用，每个接收器都必须配备一个发射器，它继续地将其位置信息传递给中央计算机。另外，在移动接收器模块中完成整个导航计算，这对应于高计算能力和较大存储容量的复杂信号处理。US-A5,438,518中就公布了这样一种系统，为了保证定位的更高精确度，与被观察的区域关联的信号特征以数字形式另外集中储存，且接收信号的信号特征与存储的信息有关联。缺点是系统较大，几乎不能实现系统的微型化(参见DE 100 53 959 Al，WO 02/037134A)。

雷达系统：用(主动)应答器或线缆终端进行渡越时间测量。在球场边上的一个发射器发出一个脉冲，它被运动着的物体接收并且在一定时间之后反射回一个反射信号。从信号的总的渡越时间可以确定发射器和运动物体之间的距离，参见US-A 4,660,039。这种技术的缺点是很难同时对许多物体进行高时间分辨率跟踪。

定向天线：通过具有非常高的定向作用的天线跟踪运动物体，其中它发出与接收天线对准的信号。若至少使用二个天线，可以通过天线对准的角度来确定位置。该原理已在US-A 5,513,854中描述，用于在竞技场上对运动员定位。US-A 5,583,517中描述了一个基于同一原理的系统，其中，移动发射器将信号扩展到许多不同的载波上，所得到的信号在接收器里被重新组合，以阻止多路传播。不足之处在于：如果应用极高的频率(-＞光)，那么只获得一种适合的分辨率。

光学系统：通过多个摄相机对物体进行跟踪，可以自动地通过图形处理系统(模式识别)或者通过电磁技术(磁传感器)来进行跟踪。通过分析处理图像可以计算出位置。不足之处在于：如果物体没有被障碍物遮盖，光学系统只能确定位置。此外，当时不能即时自动地或在线地评估位置。

借助于“船”(Barken)或其它的场强测量：在体育场上分布有大量接收器(或发射器)(“船”)。信号的场强对应于在“船”和运动物体之间的距离。然后，从场强可以计算出位置。不足之处在于为获得高分辨率必须设置很多“船”。

由DE 100 54 282 A1已知用于确定一个物体的位置、方向和/或变形的方法及装置，其中在物体上设有一个或多个发射电磁信号的信号发生器。对信号发生器的进行控制，使得各个信号彼此可以区分，将这些信号传送到至少一个二维分辨的位置探测器(PSD)上，在那里转换成二维位置坐标，然后转换成与物体相关的位置、方向和/或变形的信息。该系统相当复杂，但是基本上仍然仅在二维方向上是起作用的。

发明内容

本发明的目的是提出一种可在一个具有很高的位置分辨率和至少为毫秒级的时间分辨率的规定的三维空间里对至少一个运动物体的位置进行连续实时的跟踪的方法，用于在任何时间和在任何地点对一个或多个运动物体和/或人的位置进行连续跟踪。

该目的通过具有权利要求1的特征的用于连续实时跟踪的一种方法以及具有权利要求20的特征的相关装置来实现。

使用频带作为唯一的通道等于说是所有发射器使用相同的频带，因此可以使用高数据传输速率和采样速率，以提高位置分辨率和时间分辨率，这对于检测甚至具有例如高达150km/h速度的物体是必要的。因此，对于发射器和接收器之间的通信过程，可以使用频带的可用带宽，以实现最大的精度。不过，本发明所包含的系统的构件应该是坚固、紧凑、便于操纵、尺寸尽可能小、且能抵抗例如机械的冲击或者化学的负荷例如体汗等。本发明的另一目的在于将这些构件整合在一个球里面。为了实现这个目的，通过伪随机时分多路复用的原理，利用低的互相关性和非同步的伪随机模式的突发发射实现发射器和接收器(E₁，…E_n)之间的通信过程。尤其，非同步通信过程允许有更坚固的构造尤其是高负载发射器，这是由于将现有技术中的同步化过程中所需要的所有部件去除了。当结合在一起时，该随机的时分多路复用和非同步随机模式显著增加了定位的精确度，避免了多路传输。但是，如果需要多个发射器用以检测运动员和球，例如对于一种足球游戏来说需要大约100个发射器，那么通过这种方式仅可以以相应的精度来检测和传输得到的大量数据。

因此，本发明涉及一种无线的基于无线电的系统，包括移动发射器模块，这些模块安装在所要分析的系统的移动物体上，而且其所发出的信号由一个固定的接收和信号处理网络来接收和集中处理。

因此，重要的一点是在发射器和接收器之间的通信过程通过J具有非同步伪随机模式的伪随机时分多路复用的机制利用低互相关性的突发发射来实现的，非同步伪随机模式可以理解为时分多路复用和码分多路复用的存取机制的一种组合(权利要求10)。在时分多路复用(TDMA)(见US-A 6,204,813)时，运动物体的发射器以时分多路复用发射，使得每个发射器也必须包含一个接收器，该接收器提供给发射器一个同步脉冲，该脉冲引出了突发发射的时刻。每个发射器使用不同的伪随机序列用于发射时刻，以使不同发射器将重叠或在其他时刻不重叠。TDMA使用一种很均匀的模式，它对于单个发射器来说具有相同的周期而且使周期同步。通过周期的“相移”达到发射器从不同时发射的效果。但是其前提再次是发射器是同步的。在码分多路复用(CDMA)中，正交扩展序列被用于发射器，以使发射器不必同步。但是当发射器在不同距离时，来自更远的发射器的信号被较近信号覆盖。

非同步伪随机模式的应用简化了发射器的结构，因为并不需要用于接收一个同步脉冲的接收器。不过，由于停止了同步过程，产生了随机模式的相互位移，这使得更难维持尽量少的几个发射器同时活动的情形，因为所有的发射器都使用相同的波段；也就是说找到相适合的随机序列变得困难了。这种在非同步发射器的情况下发生的发射信号之间的干涉问题不发生在移动电话的情况下，因为信号传输被初始化了(同步化)。但是根据本发明，这个问题通过应用低互相关性的序列来解决，这种序列可以使得通过发射器的识别序列实现信号的分离，在实际发生至少两个发射器同时发射信号的情况下，这种序列对应于突发发射的确定部分。由于高脉冲速率，如果不能测到某些值，系统可以在没有某些值的情况下轻松进行工作，总之，系统的高容量可以被应用传输信号，进行导航过程。

当伪随机模式通过发射器中的接收模块被整合到系统中并进而减少了在多个发射器时的重叠现象时，精确度可以进一步增加。

在根据权利要求15所述的一实施例中，所有的发射器接收数据是被检测和被存储的。从而，也可以根据需要根据存储的数据进行后处理，以便在一定条件下如非常重要的情况下可以相应地使用更准确的算法。

本发明的其它优点如附属的权利要求中所示。

附图说明

以下根据附图对本发明进行详细说明。其中：

图1：示出了具有接收器和发射器的一个运动场的俯视图；

图2：用于对突发发射采样的检索范围；

图3：接收器网络；

图4：不同发射器的发射序列；

图5：接收器结构的示意图；

图6：连接发射器和接收器的网络；

图7：突发发射产生示意图；

图8：接收器的示意图。

具体实施方式

附图说明了一种在一个规定的多维(此处为三维空间)内连续实时跟踪至少一个运动物体的位置的方法。在图1中示出以发射器Sb为特征的游戏对象形式的运动物体(此处为足球)以及以发射器Sp为特征的游戏者。尽管以足球比赛中的足球和游戏者的形式的运动物体为基础解释了本方法，但是应该指出，也可以考虑其它应用领域，只要在这些领域中涉及到以高定位精度和时间分辨率来检测运动物体也就是涉及到高速运动路径的检测。以下说明并不用于解释为本发明局限于运动应用领域。

如果只是指检测足球的运动，至少一个运动物体首先可以是足球里的发射器Sb。但是，为了分析游戏过程或者要研究运动员的运动，那么将运动员本身补充作为运动物体也是合理的，例如将发射器Sp设在防护装置中，以便能够检测到运动员的运动和运动方向。因而例如通过运动员移动路径或者运动员的速度和球的速度就可以获得直接的统计学上可以分析处理的数据。例如就可以计算：球离球门多远。根据这些数据甚至可以开发出新的视频游戏形式。此外，产生辅助措施，用于优化踢球策略和训练方案。由于数据是运动员特有的，因此可以建立客观的成绩数据库或者个人的训练方案。而且，也可以详细地考虑游戏用具的性能并使之优化。

其结果需要有一个大规模的网络，例如包括8个接收器E、E₁-E_n组成，构成了一个接收器网络RN，而且包括多达100个发射器S、Sb、Sp、S1-S6的渡越时间数据。此外需要有参考发射器R₁至R_n，以便例如对基础设施(die Infrastruktur)进行校准。由于运动物体此处例如足球可以以达到150km/h的速度运动，因此至少对于球发射器来说需要具有为0.5ms的高重复率的突发发射，这在球以150km/h运动时相当于2cm的位置分辨率。该突发发射包括所有对于发射器的识别和定位过程来说所必需的数据，对此还要继续深入。系统具有实时的高精确度，以连续实时地提供数据，例如用于支持裁判员和用于电视图像。但最终的决定仍由裁判员做出。

数据的传输最好在2.4GHz频带范围内传输，其中最好选用80GHz的带宽作为唯一的信道用于使得定位精度最大化。为此，在运动物体上装有一个移动发射器模块，其信号由静止接收器-和信号处理网络来接收并集中进行处理。由该发射模块所发射的信号是以时分多路复用方法发射的电磁波。为了提高传输可能性和定位精度在发射器S、Sp、Sb和接收器E₁-E_n之间按照使用了低互相关性和非同步伪随机模式的突发发射B的伪随机时分多路复用的原理来进行通信。定位精度也可以按如下方法改进：将相关原始数据存储起来并适当地应用到导航算法中。由于存储过程，例如可以改善精度(例如，通过迭代处理)或者使用更复杂的算法分析特别有意义的数据，例如射门。

为了获得与高精度渡越时间测量相对应的高位置分辨率，使用尽可能高带宽的信号。但是，由于可用的带宽受到限制，因此发射器必须按照码分多路复用和时分多路复用原理共享可供使用的频谱。由于接收时间优选不同步，因此发射器在随机的或伪随机的、偶然的时刻进行发射；这些发射时刻的序列与单独使用TDMA相反，是不同步的。每个发射器使用不同的伪随机序列用于发射时刻，以使不同的发射器重叠或者说在其他时刻不重叠。随机重叠是可接受的，如在图4中所示的那样。按照细部D_x所示，发射器S2、S2同时进行发射，而按照细部D_y则以非同时方式(时间变化的方式)发射。可能会出现这种类型的多重重叠，但是在合适的采样速率的基础上，为了提高发射器的坚固性及其紧凑结构这种多重重叠也可以是接受的。由于每个发射器的可用带宽确定精确度，每个发射器共享相同的频率，因此每个接收器可以使用全部带宽。“每个发射器都使用相同的频带”和“发射器是非同步的”的相结合同时使系统获得的所希望的精度和坚固性。

每个发射器在发射时刻只发送一个由接收器E₁-E_n探测的短突发发射B。图3所示的固定参考发射器R₁至R_n或者R_xl至R_xn用作为位置参考用于使系统的误差最小化并对其进行校准，其如移动物体上的至少一个移动发射器一样发射出识别码和接收器探测的用于确定它们的渡越时间的信号。参考信号通过在典型实施例中为250MHz的信号频率SF2而同步。此外，图6中的接收器也通过在图6中的典型实施例为25MHz的信号频率SF1而同步。按图3所示布置在一个接收器网络RN里的接收器因此通过时钟线13接收第一个信息，通过线路14获得一个时标并通过线路15获得电源供应。根据这些信息所检测到的数据和探测到的信号一起通过数据线路17传输给一个中央计算机单元CPU的数据端口DP，因而可以从求出的信号确定运动物体的位置。在图3附近的块R_xn表示一个矩阵，其中δtm_a是相对于每个接收的发射器ID的最后时标的时差，其中am_n表示为了实现控制器的硬判定/软判定的相关联性的质量信息。在比赛之前控制器C对接收器R_x的交替渡越时间校准并使接收器网络RN同步。借助于控制器C来计算R_x的相对交替传输时间的位置。

至少需要四个接收器，以便定位在三维空间里的一个物体。在各自的接收器中检测渡越时间差。位置测定的几何求解结果可以通过解一组双曲线方程来确定。参考信号通过线缆，最好是光纤来分发。发射器S、Sp、Sb的移动发射模块发射受时间限制的发射信号，作为突发发射B。突发发射B使用非同步伪随机模式被发送，这种模式是存取机制的时分多路复用和码分多路复用的组合，从而可以尽可能充分广泛利用已有的带宽。为了减少重叠，应用了伪随机模式，它们最好是质数序列。从而，更小的质数被分配用于更快运动的发射器也就是在实施例中配置给球中的发射器Sb，较达的质数分配给运动较慢的发射器Sp。

二个同时到达的随机信号的分离通过接收器来完成，为此接收器可允许未被检测到的单值。由于高的脉冲速率，所以这是可以实现的。非同步突发发射通过在发射器里的接收模块而完善其同步化。在HF前端接收的模拟接收信号在分析处理单元中被数字化，并相对于参考时刻确定每个发射器的信号的接收时刻。为了对所接收信号进行后处理，将所接收信号分成多个信号源(区分发射器)以及对瞬时移动序列的每个发射信号进行辨认，而这是通过应用采用了特定的方法的软件来进行的，该软件可以利用具有变量参数的多个算法。可以根据情况相互匹配和组合这些算法。

为了满足实时传输过程，发射器和接收器可使用硬件，用该硬件可以精确地检测到用于数据记录的触发时刻。此外，提供一分析处理单元，其具有用于处理同步信号的数字硬件，而该同步信号通过相应的接口被输入。

在系统转换到其正常的运行模式之前，在配置阶段获得重要的数据。这一点对于校准系统是必需的，以便考虑到例如光纤网络里的渡越时间。此时也进行系统检验，以便检测在其各个部分如接收器中可能出现的问题。在这个阶段之后，利用相关函数使得发射器进行同步化。发射器通常发射等时间间隔的数据包，进行定位。从而，同步化程序必须一次“找到”用于各个发射器的数据包，然后用特定的精确度预测下一个发射时刻，这是因为传输模式是已知的。相应地对触发逻辑进行控制，以便重新找到存储器里的数字化数据。根据存储器中的位置和在相关程序中所确定的与参考时刻的偏差值，程序根据渡越时间计算确定出图2所示的从预测的发射时刻t₀开始求出的距离。因此得出一个搜索范围S，在这范围内下一个信号必须出现。

用于求解导航方程的代数方法的缺点在于：它们取决于基础设施。接收器上的每次测量的几何形状和质量变化很大，在许多情况下提供的精度不够。因此，代数算法只用于初始化和监控其它算法。通过使用平均方法并取决于位置计算的频率，(精度)可以获得极大的改善。此外，可以通过考虑随机测量的质量的信息对位置精度进一步优化。在具体的实施例中，使用了KALMAN滤波器，它结合了二种示出的改进，并且通过使用用于运动的合适的预测模式允许另外对实际的情况加以考虑(了解状态)。

在被跟踪的物体为高动态的特殊情况下，例如，当球弹出球门时，就产生了在特殊情况下解决的问题。为了解决这些问题，必须采用附加的算法来获得高动态情况。为此将在要检测的位置之前和之后的运动状况进行比较。通过确定运动的两个阶段(之前，之后)之间的差，可确定动态状况。因此可以使用转动时间轴对这种状况进行相应的后处理。

为了进一步改善位置精度，使用了对各个空间坐标的曲线平滑化的方法。一方面，应用了一算法，该算法在允许某一特定时间延迟的情况下仍然适用于系统的实时范围中。曲线平滑化在特定的范围内进行。在已提前探测到的动态状况的情况下，根据不同条件而采用该方法。在这种情况下，曲线平滑化不超出该动态时刻，而是从两侧逼近于该时刻。所缺少的未进行平滑化的区域可以通过插值逻辑运算或数学性质进行补充。这样就大大改善了在动态情况下的位置精度。

为了优化这些算法，需要引入要平滑的空间坐标之间的结合，以提高在动态状况下的检测可靠性。

如果需要，可以使用用于后处理的方法，它们可以不受瞬时的计算时间约束并且也可以被外部使用。与实时算法相比，这提供了进一步的定位精度，这是因为可在较大的范围内使用进行曲线平滑化。同样在这些情况下确保了以适当的方式考虑所探测到的动态情况。

在接收器里以如下方式处理数据：

在获取阶段，使发射时刻序列同步。为此，使用了具有降低的时间分辨率的算法。目的仅仅在于估算将来发射时刻的时刻。

在跟踪模式下，继续以较高的精度检测突发发射并计算当前位置。只对估算出的或者以前计算出的发射或输入时刻的输入信号进行分析处理。此外还对下一个发射时刻的估算进行跟踪。

可选择地，在快速移动(zoom)模式下存储的数据也可以使用另外的计算法处理。在快速移动模式下，还可以处理例如相反的时间序列的数据，以便例如从两侧探测出一种不连续性(例如球在门柱上反弹)。

从而，接收器以高的采样频率检测数据并将它缓冲存储。根据所估算的发射时刻对相关的数据继续进行加工处理，并继续选择性地存储，以便使它可应用例如在快速移动模式的算法中。

可以通过数据后处理操作和外部传感器的结合例如在球中的加速度传感器或者通过图形数据来提高精度。该系统例如以秒周期提供所有在运行的发射器的位置数据。

例如，传输范围建议为2.4GHz频带，但原则上也可以使用较低频段中的其他频段，以保持低电流消耗状态。但是，在较低的作用距离和较高距离分辨率时也可以考虑使用在较高频率范围例如5.8GHz、9.4GHz、24GHz。由于接收器探测到由发射器发出的信号并确定出其渡越时间差，因此它们必须很准确地相互同步，这可以用一个高稳定参考信号通过时钟线13和在实施例中通过光纤来达到。接收的数据通过一个数据网络由接收器E₁-E_n提供给一个中央处理单元CPU，以计算出各个发射器的位置。这些数据包括渡越时间以及所接收信号的质量评估。在移动的发射器S、Sp、Sb和静止接收器E₁-E_n之间的反向信道对于定位本身来说不是必要的，但是可以改善定位，但另一方面，可能会提高系统的复杂程度，并进而提高了成本。

由于按照伪随机时分多路复用原理使用正交突发发射和非同步伪随机模式的传输过程，接收器可以将信号明显地分开。如果事实上两个发射器同时发出一个信号，那么“不希望的发射器”就作为噪声而出现。至少得出了一信噪比，可以不成问题地探测信号。

该方案的优点在于：发射器只是短时间有活动的，因此仅产生较小的电耗。发射器不一定是同步的，因而可以去除发射器侧的接收器模块，从而使发射器大大简化而且更加坚固。通过质数形式的伪随机序列，在发射周期内相同的发射器并不总是相互重叠，因此可以避免一个更远距离的发射器被近的发射器重叠的不利状况。因此根据统计(结果)可以消除“近-远”的问题。突发发射B的冲突概率减小。

发射信号可用以下公式描述：

s(t)＝g(t)e^j(2πf·t)

其中g(t)表示基带信号，f为载波频率。

不同的接收器的接收信号可用下式表示：

e_v(t)＝h(t)·(g(t-τ)e^{j(2πf·(t-τ))})

其中h(t)表示在传输信道中失真(阻尼、频率响应，…)，τ为发射器和接收器之间的渡越时间。

下面的方法可以用于确定渡越时间τ：

·只应用基带信号g(t).

·估算载波相位。

若要估算载波相位，就出现以下情况：

考虑(使用)ISM频带的情况下，载波频率为大约2.4GHz。因此周期为0.4ns。载波相位估算可以具有0.4ns的多值性(不确定性)。如果通过另外的方法实现比0.4ns更好的精度，那么也可以应用载体相位估算仅仅来提高精度。

接收器里的基带信号可由下式表示：

e_v(t)＝h(t)·(g(t-τ)e^{j(2πΔf·t+v)})

若在发射器中使用非同步振荡器，那么此处Δf表示频率偏移，_v是振荡器之间的相位移。

渡越时间τ可以通过相关(值)e_v(t)利用已知发射信号g(t)来确定。该相关值的精度是位置精度的一个关键参数。相关值的精度由信号的自相关过程的性能、用来计算相关的方法及干扰影响确定。

理论上，影响精确度的问题主要是多路传输或物体衰减，这是由于那些不直接地或者在从其目标反射后传输到接收器的信号引起。因此，最早的输入信号必须用在接收器E1-En里用于距离的计算，即使它可能不是最强的。利用如下事实可以在具体的实施例中更容易地实现(距离的计算)：知道了接收器中所有发射器的突发脉冲时间间隔，从而也知道接收器“预测”的发射信号的大约的时刻。

突发发射B持续25μs，其中包括5μs的保护期用于发射器输出级(末级)的开和关过程。发射器ID序列持续15μs并包含750bit。其余5μs传输250bit的数据。因此实现了50×10⁶比特/秒的数据速率。从而，例如ISM-频带在2.4GHz时可利用的总带宽的是80Hz的情况下，对于比特序列的HF传输，在基带宽过滤系统中的滚降因子α＝0.6。对于球来说突发重复频率为0.5ms，而运动员的发射器的重复频率为4ms。因此时间的利用率为67.5％。这使得除了异步的通过随机序列驱动的发射器控制以外，还可以通过具有前述的缺点的HF反向信道的同步发射器控制进行。结果得到最小位置分辨率，对于每个突发发射球可达到20mm而运动员发射器可达到44mm。

图7示出发射器模块的框图。模块包括时序控制单元80、数据发射生成单元81和突发发射生成单元82。时序控制单元80控制电路中的时序。它从突发发射生成单元82接收系统时钟脉冲，并触发数据发射生成单元81和突发发射生成单元82。发射数据在数据发射生成单元81生成，其中传感器数据也可以一起被处理。然后数据在突发发射生成单元82里被调制到高频载波。接着通过天线83发出突发发射。

数据发射生成单元81包括数据突发形成单元81a，发射器-ID-模块81b和传感器数据处理单元81c。数据突发形成单元81a处理由具有来自发射器-ID-模块81b的发射标志符的由传感器数据处理单元81c提供的传感器数据，发射标志符示出了每个发射器特有的比特序列，形成了继续传输至突发发射发生单元82的数据突发。在球发射器时，传感器数据来自加速传感器，在运动员发射器时，它可以包括例如医用数据。突发发射发生单元82包括参考振荡器82a，高频发生单元、调制器82b以及输出级82c。发射数据首先通过数据滤波器82d滤波，以减小带宽，以便使它能随后被调制器82d解调成高频载波。在BPSK调制过程后，信号被放大并接着在带通滤波器82e里滤波，以抑制边带发射。通过天线83使突发发射最终发射。时序控制单元80控制数据突发(帧)的生成时间并根据时分多路复用方法接入输出级82c。时钟脉冲发生器与参考发射器84相关，参考发射器84接收同步时钟脉冲84b且包括光纤接收器84c，并具有滤波器和时钟信号处理器84d和放大器84a，以及带有发射器Sp、Sb，这些发射器带有石英振荡器85a和晶体管以及石英85b。时钟信号同样也通过PIC 82j，PD & Divider 82k和包括低通滤波器的环路滤波器82i影响调制器82b。

图8示出接收器E的功能框图。通过天线90接收的高频信号转换成中频并在那里借助于A/D转换器被数字化。数字处理单元95获得各个发射器的所接收的发射信号的关于同步脉冲的时间间隔，该同步脉冲由包括LWL接收器的接收器模块94分配到接收器E中的所有部件中。此外这样发生的“原始渡越时间数据”还是有一种质量特点，在传输至中央计算机之前，它包括对应测量值的的接收场强或者有效性。接收的无线信号在通过带通滤波器之前用低噪声放大器放大。在重复放大和滤波过程后，在中频范围内进行混合。因为数字化过程通过再次(sub)抽样实现，进行可变的放大之前必须再进行一个滤波过程以获得A/D转换器中的恒定电平。然后，两个同步信号继续传至数字信号处理单元作为时钟脉冲，其中20MHz时钟脉冲SF2的采样频率也可以提供给A/D转换器。数字处理单元包括网卡95a，用于传输作为渡越时间数据96的数据率。频率放大器位于LWL接收器94a和HF部分91之间。

鉴于在高带宽中使用大约200MHz的采样速率，在各个接收器的基带部分92里，将提供的采样数值首先存储在具有环形缓冲结构的存储器里。为了使发射信号同步，首先在接收信号里寻找已知的发射周期，然后在存储器里的预定位置与发射模式相关联。这样可使准确地确定接收时刻。并联提供多个对于用于球和运动员的相关联过程的必要的多个计算单元。中央计算机用于通知所寻找到的发射模式。此时必须确保：即使在不利的形势下也还可以对所有信号进行评估。用于每个要分析处理的发射器信号的接收时刻与用于评定测量值的质量标记一起从相关单元传输，通过控制器PC和通过数据网络基础设施传输至中央计算机CPU。

在中央计算机CPU里来自接收器的所有测量值(发射器一接收时刻-质量标记)被集中在一起。借助于发射器识别编号使它的分类和分组，然后对每个发射器用相应的算法进行位置的计算。所求出的坐标可以通过规定的接口调用，然后可以继续进行分析处理。

由于可以利用传输到接收器的发射信号的精确的渡越时间差测量值来确定位置，因此需要两个参考信号，它们在系统里的中心位置例如在中央计算机CPU中产生，并被分配到所有的接收器以及中央计算机中。两个必须的频率信号的频率例如可以在范围15-25MHz以及150-250MHz内。信号为矩形波信号，以获得明确的时标，并且通过导线14传输到接收器。

参考发射器R₁-R_n用触发器和时钟脉冲信号工作，这些信号从信号网络输入。接收器最好是以同步频率工作的直接接收器。但也可以设计成简单的超外差接收器。此时也可使用中频，然后该频率在第二个混频级里和输出频率混合，但必须还要被低通滤波。这种方案的优点是完全自由地选择输出频率。在给定80MHz带宽时，需要的理论采样速率为160MHz。但是，可通过具有特征传输函数的模拟预滤波器来有效地确定带宽。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

符号说明

B 突发发射             CPU 中央计算机单元

DP 数据端口            DPE 数据处理和评估

Dx，Dy 细部X，Y        E₁-E_n  接收器(校准、译码，同步)

M_T 用于传输的介质例如以太网/无线电/RS485，…

R1-Rn，Rx1-n，R₁-R_n 参考发射器     RN 接收器网络

s 搜索范围                       S，S1-S6发射器

Sb 在移动目标物体里的发射器；

Sp 在运动物体里的发射器；        SDD 信号/数据分配器

SF1，SF2 同步频率LWL             T₀ 传输时刻

δtm_a 时间差                    am_n 信息质量

10 运动场                        11 16m空间

12 接收器网络                    13 时钟线

14 时标                          15 电源线

16 数据端口                      17 数据线

80 定时控制单元                  80a 时钟脉冲

81 发射数据发生单元              81a 数据突发形成单元

81b 发射器-ID-模块               81c 传感器数据处理单元

81d 数据滤波器                   82 突发发射发生单元

82a 振荡器                       82b 调制器

82c 输出级                       82d 数据滤波器

82e 滤波器                       82f 电位调节

82g 电阻器                       82i 环路滤波器

83 天线                    84a 放大器

84b 时钟信号处理           84c 光纤接收器

84d 同步时钟信号           85a 石英振荡器

90 天线                    91 E中的高频部分(HF部分)

92 基带部分                93 频率放大器

94 接收器模块              94a LWL接收器模块

95 控制装置                95a 网卡

96 渡越时间数据