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Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung,
die eine von einem Rundfunksatelliten oder dergleichen gesendete Satellitenfunkwelle
an einem Fahrzeug empfängt; im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Empfangseinrichtung,
die mittels der Satellitenfunkwelle gesendete Nachrichteninformationen verschiedenerlei
Inhalts empfängt und Richtungsinformationen für die Fahrzeugnavigation erhält.
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Für einen Kraftwagen wurden verschiedenerlei Navigationseinrichtungen
vorgeschlagen, die dem Fahrer Informationen über die Entfernung zum Bestimmungsort,
die Richtung und dergleichen liefern. In der letzten Zeit wurde eine Navigationseinrichtung
für einen Kraftwagen verlangt, die durch das Empfangen einer Satellitenfunkwelle
an dem Kraftwagen zusätzlich zu den Navigationsinformationen Nachrichteninformationen
verschiedenerlei Inhalts liefert, die von einem Satelliten gesendet werden.
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Bei den herkömmlichen Kraftwagen-Navigationseinrichtungen werden die
Richtungsinformationen wie diejenigen über die
Fahrtrichtung des
Kraftwagens mittels eines Laser-Kurskreisels als Richtungssensor erhalten. Bei dem
Kurskreisel wird jedoch der Absolutwert der Drehwinkelgeschwindigkeit gemessen und
dann zur Informationsermittlung integriert oder aufaddiert. Daher entstand ein großes
Problem durch aufaddierte Fehler.
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Bei der Gestaltung der vorstehend genannten Kraftwagen-Navigationseinrichtung
unter Verwendung eines Nachrichtensatelliten besteht ein Problem darin, an einem
Kraftwagen, der sich in beliebiger Richtung bewegt, die Satellitenfunkwelle von
einem vorgegebenen bestimmten Satelliten her wirkungsvoll zu empfangen. Für den
Empfang der Satellitenfunkwelle ist es üblich, eine Parabolantenne zu verwenden.
Wegen ihrer aerodynamischen Eigenschaften ist jedoch die Parabolantenne nicht als
Antenne zur Befestigung an einem Kraftwagen geeignet. Da sich ferner die Fahrtrichtung
des Kraftwagens häufig ändert, ändern sich die Empfangssignale sehr stark, falls
die Antenne an dem Kraftwagen fest angebracht ist; infolgedessen sind keine zufriedenstellenden
Empfangsbedingungen erzielbar. Daher wurde seit langem angestrebt, eine Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung
für Fahrzeuge zu entwickeln, die als Kraftwagen-Navigationseinrichtung geeignet
ist, mit der die Satellitenverbindung genutzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung
zu schaffen, die einen durchgehenden hochempfindlichen Empfang einer Satellitenfunkwelle
an einem Fahrzeug unter Verwendung von an dem Fahrzeug fest angebrachten Antennen
ermöglicht.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung
für ein Fahrzeug geschaffen, die eine
Antennengruppe aus mindestens
drei Richtantennen, die für das Empfangen der Satellitenfunkwelle von einem bestimmten
Satelliten her an dem Fahrzeug derart angebracht sind, daß ihre Empfangsrichtungen
in der Horizontalebene voneinander verschieden ausgerichtet sind, und eine Einrichtung
zum Wählen bzw. Suchen eines maximalen Empfangsausgangssignals aus diesen Antennen
der Antennengruppe aufweist.
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Erfindungsgemäß wird für den Empfang der Satellitenfunkwelle von einem
vorgegebenen bestimmten Satelliten her die Antennengruppe fest an dem Fahrzeug angebracht.
Die Antennengruppe besteht aus mindestens drei Antennen wie beispielsweise Mikrostreifenleitungsantennen
mit geringem Luftwiderstand und Richtcharakteristik. Die Empfangsrichtungen in der
Horizontalebene sind bei diesen Antennen in voneinander verschiedenen Richtungen
ausgerichtet. Aus den Empfangsausgangssignalen der Funkwelle des bestimmten Satelliten
wird das Ausgangssignal mit dem maximalen Pegel gewählt. Alternativ werden unter
Anderung der Phasen der Empfangsausgangssignale der Antennen die Ausgangssignale
derart zusammengesetzt bzw. gemischt, daß ein Maximum des zusammengesetzten Pegels
eingestellt wird. Die Funkwelle wird auf diese Weise durchgehend mit hoher Empfindlichkeit
empfangen. Aus den Pegeln der Empfangsausgangssignale oder aus der Kombination der
Phasen derselben an den Antennen wird die Einfallrichtung der Satellitenfunkwelle
in bezug auf die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ermittelt, so daß Richtungsinformationen
mit einem auf ein Mindestmaß herabgesetzten Summenfehler erzielbar sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung von Antennen bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 3 zeigt den Gesamtaufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung.
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Fig. 4 ist ein Schaltbild eines bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
verwendeten einstellbaren Phasenschiebers.
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In der Fig. 1, die eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung ist, ist mit 1 eine Antennengruppe mit
Antennen 1a, 1b und 1c bezeichnet. Jede Antenne ist eine flache Mikrostreifenleitungsantenne
aus einer mit Kupfer beschichteten Druckschaltungsplatine, an deren oberer Fläche
ein Antennenleitermuster ausgebildet ist und deren Rückfläche einen geerdeten Leiter
bildet. Gemäß Fig. 2 werden die Antennen 1a, 1b und 1c auf dem Dach eines Kraftwagens
derart fest angebracht, daß sie auf gleichartige Weise wie die Antenne 1a, die in
Vorwärtsrichtung ausgerichtet ist, jeweils in drei entsprechende Richtungen ausgerichtet
sind. Jede Antenne hat Richtcharakteristik und ist folgendermaßen ausgelegt: in
der Vertikalebene ist die Empfangsrichtung auf den jeweiligen Höhenwinkel eines
vorgeschriebenen bestimmten Satelliten ausgerichtet, während in der Horizontalebene
alle Richtungen durch eine Summe der Ausgangssignale der drei Antennen erfaßt werden
können.
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Die Empfangsausgangssignale der Antennen 1a, 1b und 1c dieser Antennengruppe
1 werden jeweils mit Verstärkern 2a, 2b bzw. 2c verstärkt und dann Eingangsanschlüssen
eines Relaisschalters 3 zugeführt. Die Ausgangssignale der Verstärker 2a, 2b und
2c werden auch jeweils über Gleichrichter 4a, 4b bzw. 4c, die durch Schottky-Sperrschichtdioden
gebildet sind, einer mit einem Mikroprozessor aufgebauten Steuerschaltung 5 zugeführt.
Die Steuerschaltung 5 erzeugt ein nachfolgend beschriebenes Richtungsinformationssignal
und ein Steuersignal, durch das selektiv die drei Eingangsanschlüsse des Relaisschalters
3 mit dem Ausgangsanschluß verbunden werden. Das mittels dieses Relaisschalters
gewählte Empfangsausgangssignal einer der Antennen der Antennengruppe 1 ist ein
Mikrowellensignal. Das Ausgangssignal wird daher einem Umsetzer 6 zugeführt, der
mit einem Frequenzumsetzer, einem Verstärker usw. aufgebaut ist. Dort wird das Signal
verstärkt, um die Obertragungsverluste in den nachgeschalteten Signalleitungen zu
kompensieren. Ferner wird die Frequenz des Signals auf eine niedrige Frequenz umgesetzt.
Das Signal wird dann als Nachrichteninformationssignal an einem Fernsehgerät im
Kraftwagen oder dergleichen angezeigt.
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Bei der vorstehend beschriebenen Gestaltung wird die Satellitenfunkwelle
aus dem bestimmten Satelliten mittels der Antennengruppe 1 empfangen. Die Empfangsausgangssignale
der Antennen 1a, 1b und 1c werden über die Verstärker 2a, 2b und 2c den Eingangsanschlüssen
des Relaisschalters 3 sowie auch den Gleichrichtern 4a, 4b und 4c zugeführt. Diese
Gleichrichter setzen die elektrischen hochfrequenten Leistungen der Empfangsausgangssignale
der Antennen la, 1b und 1c in zu den Leistungen proportionale Gleichspannungen um,
die der Steuerschaltung 5 zugeführt werden. Die Steuerschaltung 5 vergleicht die
Ausgangs-
signale der Gleichrichter 4a, 4b und 4c, wobei sie das
maximale Ausgangssignal wählt, die Antenne ermittelt, die das als maximal ermittelte
Ausgangssignal bzw. das maximale Empfangsausgangssignal liefert, und ein Steuersignal
erzeugt, durch das der Relaisschalter 3 so geschaltet wird, daß die Ausgangsschaltung
mit der bestimmten Antenne verbunden wird. Das Empfangsausgangssignal der durch
die Steuerschaltung 5 bestimmten Antenne wird aus dem Relaisschalter 3 dem Abwärts-Umsetzer
6 zugeführt und zu dem Nachrichteninformationssignal umgesetzt. Da aus den Empfangsausgangssignalen
der Antennengruppe 1 das maximale Signal gewählt wird, wird selbst bei einer Änderung
der Fahrtrichtung des Kraftwagens immer ein Empfang mit hoher Empfindlichkeit erzielt.
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Die Sendeleistung für die Funkwelle von einem synchronen bzw. geosynchronen
Nachrichtensatelliten ist konstant.
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Die Antennen 1a, 1b und 1c der Antennengruppe 1 sind an dem Kraftwagen
so angebracht, daß in der Horizontalebene ihre Richtwirkungen in voneinander verschiedenen
Richtungen ausgerichtet sind. Die Höhe des Empfangsausgangssignals einer jeweiligen
Antenne ist durch die Einfallrichtung der Satellitenfunkwelle in bezug auf die jeweilige
Antenne bestimmt. Daher ändert sie sich mit der Fahrtrichtung des Kraftwagens. Dadurch
ist die Kombination der Ausgangssignale der Gleichrichter 4a, 4b und 4c eindeutig
durch die Einfallrichtung der Satellitenfunkwelle in bezug auf die Antennengruppe
1 bzw. durch die Relativlage des Satelliten in bezug auf die Fahrtrichtung des Kraftwagens
bestimmt. Der Standort des geosynchronen Nachrichtensatelliten am Firmament bleibt
unverändert. Wenn daher die Kombination der Werte der erfaßten Ausgangssignale der
Gleichrichter 4a, 4b und 4c ermittelt wird, kann daraus die Richtung des bestimmten
Satelliten in bezug auf die Fahrtrichtung des Kraftwagens ermittelt werden
und
auch die Richtungsinformation wie diejenige über die Fahrtrichtung des Kraftwagens
gewonnen werden. Es ist offensichtlich, daß bei dieser Richtungsinformation kein
aufaddierter Fehler wie bei dem Stand der Technik auftritt.
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Die Fig. 3 zeigt schematisch die Gestaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung. Mit 7 ist eine Antennengruppe
bezeichnet, die der Antennengruppe 1 nach Fig. 1 gleichartig ist. Mit 8a, 8b und
8c sind verstellbare Phasenschieber bezeichnet, mit denen auf beliebige Weise die
Phasen der Empfangsausgangssignale von Antennen 7a, 7b bzw. 7c der Antennengruppe
7 verändert werden können.
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Jeder verstellbare Phasenschieber ist gemäß der Darstellung in Fig.
4 gestaltet und arbeitet folgendermaßen: zuerst wird das Eingangssignal mittels
einer 1800-Gabelschaltung bzw. eines 1800-Richtungskopplers 21 in zwei Signale aufgeteilt,
deren Werte bzw. Amplituden gleich sind, deren Phasen aber voneinander um 1800 abweichen.
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Diese beiden Signale werden durch 90°-Richtungskoppler 22 weiter in
der Weise aufgeteilt, daß Signale erhalten werden, die gleiche Amplituden, aber
jeweils unterschiedliche Phasenlagen 0°, 90°, 1800 und 2700 haben. Als nächstes
werden diese vier Signale durch Doppelgate-Feldeffekttransistor-Verstärker 23a,
23b, 23c und 23d mit einem wählbaren Verstärkungsfaktor verstärkt, wobei die Verstärkungsfaktoren
durch Steuern der Vorspannung der zweiten Gates verändert werden. Danach werden
die Signale mit einer Gleichtaktmischstufe 24 zusammengefaßt und an dem Ausgang
abgegeben. Falls daher beispielsweise die Verstärker 23c und 23d gesperrt werden
und die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 23a und 23b in geeigneter Weise verändert
werden, kann damit die Phasendifferenz des Ausgangssignals in bezug auf das Eingangssignal
von
0° bis 90° verändert werden. Auf gleichartige Weise kann diese
Phasendifferenz kontinuierlich von 0° bis 360° verändert werden. Mit 25 sind Steuereingangsanschlüsse
bezeichnet, die als Steuersignale Gleichspannungen aufnehmen, welche den zweiten
Gates der Doppelgate-Feldeffekttransistor-Verstärker 23a, 23b, 23c und 23d zugeführt
werden.
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Gemäß Fig. 3 werden die über die verstellbaren Phasenschieber 8a,
8b und 8c geleiteten Empfangsausgangssignale aus der Antennengruppe 7 jeweils mit
Verstärkern 9a, 9b bzw. 9c verstärkt. Dann werden die Signale mit einer Leistungsmischstufe
10 zusammengesetzt und als Nachrichteninformationssignal einem Fernsehgerät und
dergleichen in dem Kraftwagen zugeführt. Ferner wird das Ausgangssignal der Leistungsmischstufe
10 einer Steuerschaltung 11 zugeführt, die mit einem Mikroprozessor aufgebaut ist.
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Diese Steuerschaltung 11 erzeugt jeweils ein Steuersignal zum Steuern
der verstellbaren Phasenschieber 8a, 8b und 8c in der Weise, daß das Ausgangssignal
der Leistungsmischstufe 10 maximal wird. Ein mit einem Mikroprozessor aufgebauter
Einfallrichtungsdetektor 12 empfängt die aus der Steuerschaltung 11 den verstellbaren
Phasenschiebern 8a, 8b und 8c zugeführten Steuersignale, um daraus die Einfallrichtung
der Satellitenfunkwelle in bezug auf die Fahrtrichtung des Kraftwagens zu ermitteln,
wie es nachfolgend erläutert ist.
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Wenn bei der vorstehend beschriebenen Gestaltung die Antennengruppe
7 eine aus einer beliebigen Richtung einfallende Satellitenfunkwelle empfängt, haben
die Empfangsausgangssignale der Antennen 7a, 7b und 7c abhängig von deren Relativlage
unterschiedliche Werte bzw. Amplituden und Phasen. Das Ausgangssignal der Leistungsmischstufe
10, das sich aus der Kombination dieser Empfangs-
ausgangssignale
ergibt, kann durch geeignetes Einstellen der Phasen derselben an den verstellbaren
Phasenschiebern 8a, 8b und 8c maximiert werden. D.h., mit der Steuerschaltung 11
werden die Phasen der Empfangsausgangssignale an den verstellbaren Phasenschiebern
8a, 8b und 8c verschoben, um das Ausgangssignal der Leistungsmischstufe 10 bei verschiedenerlei
Kombinationen von Phasenverschiebungen zu überprüfen. Auf diese Weise werden die
Verschiebungswerte der verstellbaren Phasenschieber 8a, 8b und 8c derart festgelegt,
daß das Ausgangssignal der Leistungsmischstufe 10 maximal wird.
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Dies gewährleistet einen kontinuierlichen Empfang der Satellitenfunkwelle
mit hoher Empfindlichkeit.
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Ferner ist der Zusammenhang zwischen den Amplituden und Phasen der
Empfangsausgangssignale der Antennen 7a, 7b und 7c der Antennengruppe 7 in eindeutiger
Weise durch die Einfallrichtung der Satellitenfunkwelle aus dem bestimmten geosynchronen
Nachrichtensatelliten in bezug auf die Antennengruppe 7 bestimmt. Da die Antennengruppe
7 fest an dem Kraftwagen angebracht ist, besteht zwischen einer Kombination der
Phasenverschiebungen der verstellbaren Phasenschieber 8a, 8b und 8c, durch die das
Ausgangssignal der Leistungsmischstufe 10 maximal wird, und der Einfallrichtung
der Satellitenfunkwelle in bezug auf die Fahrtrichtung des Kraftwagens eine eindeutige
bzw.
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1 Zuordnung. Wenn die Kombination der Werte der Gleichspannungen,
die von der Steuerschaltung 11 den verstellbaren Phasenschiebern 8a, 8b und 8c als
Steuersignale zugeführt werden, mittels des (mit dem Mikroprozessor aufgebauten)
Einfallrichtungsdetektors erfaßt wird, kann daraus die Richtungsinformation über
die Richtung zu dem geosynchronen Nachrichtensatelliten, der einen Festpunkt darstellt,
in bezug auf die Fahrtrichtung des Kraftwagens ermittelt werden. Es ist ersichtlich,
daß
diese Richtungsinformation keinen aufaddierten Fehler enthält,
der bei dem Stand der Technik zu beobachten ist.
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Ferner haben die bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel
verwendeten Mikrostreifenleitungsantennen in der Flachausführung keine schwerwiegende
Auswirkung auf die aerodynamischen Eigenschaften des Kraftwagens, wenn sie auf dem
Dach des Kraftwagens angebracht sind.
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Die Antennen werden im Vergleich zu Parabolantennen durch den Metallkörper
des Kraftwagens weniger störend beeinflußt. Infolge der Bandpaßcharakteristik innerhalb
der Bandbreite der Satellitenfunkwelle tritt keinerlei störende Beeinflussung durch
andere Nachrichtenverbindungen auf.
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Obgleich bei dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel die Antennengruppen
aus jeweils drei Antennen gebildet sind, ist es vorteilhaft, wenn mehr als drei
Antennen vorgesehen werden.
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Falls die Mikrostreifenleitungsantennen in der Flachausführung verwendet
werden, kann an einem einzigen Substrat eine Vielzahl von Antennenelementen ausgebildet
werden.
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Eine jede Antenne wird zwar an dem bewegten Körper bzw.
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Fahrzeug in der Horizontalrichtung fest angebracht, jedoch kann nach
Bedarf für die Antennengruppe eine Höhenwinkel-Steuereinrichtung vorgesehen werden.
Damit wird dann der Höhenwinkel der Antennengruppe einstellbar.
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Dies ermöglicht einen hochempfindlichen Empfang auch dann, wenn das
Fahrzeug beispielsweise bei einer Bergfahrt Schräglage hat. Es ist auch möglich,
die Schräglage des Fahrzeugs aus den Ausgangssignalen der Antennengruppe zu erfassen.
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Es kann nicht nur die Funkwelle aus einem synchronen Nachrichtensatelliten
benutzt werden, sondern auch die Funkwelle aus einem Satelliten, der sich auf einer
bekannten Umlaufbahn am Firmament bewegt.
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Gemäß den vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen
Empfangseinrichtung werden mindestens drei Richtantennen in der Weise angeordnet,
daß ihre Empfangsrichtungen in der Horizontalebene voneinander verschieden sind.
Eine mit diesen Antennen gebildete Antennengruppe wird an festgelegten Stellen an
einem Fahrzeug befestigt. Wenn mittels dieser Antennengruppe die Funkwelle eines
vorgeschriebenen bzw. bestimmten Satelliten empfangen wird, bestehen unabhängig
von Änderungen der Richtung des Fahrzeugs an einer Antenne oder zwei Antennen der
Antennengruppe bessere Empfangsbedingungen als an den anderen bzw. der anderen.
Dieser Umstand wird dazu genutzt, als Nachrichteninformationssignal das maximale
Ausgangssignal aus den Empfangsausgangssignalen der Antennen zu wählen. Da unabhängig
von der Fahrtrichtung des Fahrzeugs selektiv die Antenne mit den besten Empfangsbedingungen
eingesetzt werden kann, kann die Satellitenfunkwelle kontinuierlich mit hoher Empfindlichkeit
empfangen werden. Ferner werden statt des Wählens der Antenne mit dem maximalen
Ausgangssignal die Empfangsausgangssignale der Antennen zusammengefaßt und hinsichtlich
ihrer Phasen verändert, um auf diese Weise ein Maximum des zusammengesetzten Ausgangssignals
zu erreichen. Auch wenn die Satellitenfunkwelle aus der Mittelrichtung zwischen
zwei benachbarten Antennen der Antennengruppe einfällt, werden die Empfangsausgangssignale
der Antennen zu einem Nachrichteninformationssignal zusammengefaßt. Damit kann das
Ausgangssignal der ganzen Antennengruppe mit maximalem Wirkungsgrad erhalten werden.
Dies gewährleistet unabhängig von der Fahrtrich-
tung des Fahrzeugs
immer einen hochempfindlichen Empfang der Satellitenfunkwelle. Ferner ist die Kombination
der Amplituden oder der Phasen der Empfangsausgangssignale der Antennen in der Antennengruppe
eindeutig durch die Einfallrichtung der Satellitenfunkwelle in bezug auf die Antennengruppe
bestimmt. Dieser Umstand wird dazu genutzt, aus dieser Kombination die Richtung
zu einem bestimmten Satelliten zu ermitteln. Auf diese Weise kann eine genaue Richtungsinformation
erzielt werden, die von dem aufaddierten Fehler frei ist, der bei dem Stand der
Technik zu beobachten ist, bei dem ein Laser-Kurskreisel benutzt wird.
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Es wird eine Satellitenfunkwellen-Empfangseinrichtung für ein Fahrzeug
wie einen Kraftwagen angegeben. Aus Ausgangssignalen für eine Satellitenfunkwelle,
die durch eine Antennengruppe mit mindestens drei Richtantennen wie Mikrostreifenleitungsantennen
empfangen wird, wird das Signal mit dem maximalen Pegel gewählt. Alternativ werden
die Phasen der Empfangsausgangssignale dieser Antennen so eingestellt, daß ein maximaler
Ausgangspegel der Empfangseinrichtung erreicht wird. Aus der Kombination der Pegel
oder der Phasen der Empfangsausgangssignale der Antennen wird die Einfallrichtung
der Satellitenfunkwelle in bezug auf die Fahrtrichtung des Fahrzeugs ermittelt.