WO2002097469A1

WO2002097469A1 - Vorrichtung sowie verfahren zum empfangen von von satelliten abgegebenen signalen

Info

Publication number: WO2002097469A1
Application number: PCT/EP2002/005593
Authority: WO
Inventors: Ralf Unger; Walter DÖLL; Thomas Junker; Dirk DRÖSSEL
Original assignee: Ralf Unger; Doell Walter; Thomas Junker; Droessel Dirk
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2002-12-05
Also published as: DE10125474A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung (1) und einem Verfahren zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, vorzugsweise GPS-Signalen, mit einer in Richtung der Satelliten ausgerichteten Antenne (2) und mit einer die empfangenen Signale verarbeitenden Ausweerteeinheit (3), soll die Empfangsqualität der Vorrichtung unabhängig von der Ausrichtung der Antenne (2) gesteigert werden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass mit der Auswerteeinheit (3) zusätzlich eine oder mehrere Antennen (2, 2' und/oder 2'') verbunden sind, die in unterschiedliche Empfangslagen ausgerichtet sind, und dass diejenige der Antennen (2, 2' und/oder 2'') mit der Auswerteeinheit (3) kommuniziert, deren Empfangssignale den höchsten Signalpegel im Vergleich mit den übrigen von den Antennen (2, 2' oder 2'') empfangenen Signalen aufweist oder dadurch, dass diejenige der Antennen (2, 2' oder 2'') mit der Auswerteeinheit (3) kommuniziert, deren Lageorientierung in Richtung der Satelliten ausgerichtet ist.

Description

Vorrichtung sowie Verfahren zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, vorzugsweise GPS-Signalen, mit einer in Richtung der Satelliten ausgerichteten Antenne und mit einer die empfangenen Signale verarbeitenden Auswerteeinheit.

In der EP 0 901 182 A2 ist eine solche Vorrichtung beschrieben, mittels der GPS- Signale von Satelliten empfangen werden sollen.

Als nachteilig bei dieser Vorrichtung hat es sich gezeigt, daß der Empfang der GPS- Satellitensignale davon abhängig ist, in welchem Winkel die Antenne ausgerichtet ist. Falls nämlich die GPS-Antenne nicht in Richtung der Satelliten zeigt, verschlechtert sich die Empfangsqualität erheblich, da GPS-Signale ausschließlich in einem bestimmten Winkelbereich zwischen den Satelliten und der GPS-Antenne von dieser empfangen werden können. Sobald die vom Satelliten ausgesandten GPS-Signale ungünstig an die GPS-Antenne gelangen, beispielsweise seitlich, ist die Empfangsqualität erheblich verschlechtert, so daß möglicherweise eine Positionsbestimmung mittels der schlecht empfangenen GPS-Signale nicht möglich ist. Des weiteren werden die Signale von Häusern, Bäumen oder dgl. abgeschirmt, so daß ebenfalls eine Verschlechterung der Empfangsqualität gegeben ist. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mittels der die Empfangsqualität der Signale unabhängig von der Ausrichtung der Antenne erfolgen kann.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bereit zu stellen, mittels dem zuverlässig gewährleistet ist, daß mindestens eine Antenne der Vorrichtung ausgewählt wird, deren Signalpegel ausreichend hoch ist, um eine Positionsbestimmung auf Grund der empfangenen Satellitensignale durchführen zu können.

Eine erste Alternative, die Aufgabe erfindungsgemäß zu lösen, besteht darin, dass mit der Auswerteeinheit zusätzlich eine oder mehrere Antennen verbunden sind, die in unterschiedliche Empfangslagen ausgerichtet sind, und dass diejenige der Antenne mit der Auswerteeinheit kommuniziert, deren Empfangssignal den höchsten Signalpegel im Vergleich mit den übrigen von den Antennen empfangenen Signalen aufweist.

Eine zweite Alternative, die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen, ist dadurch gegeben, daß mit der Auswerteeinheit zusätzlich eine oder mehrere Antennen verbunden sind, die in unterschiedliche Empfangslagen ausgerichtet sind, und daß diejenige der Antennen mit der Auswerteeinheit kommuniziert, deren Lageorientierung in Richtung des Satelliten ausgerichtet ist.

Die Zuschaltung der die von Satelliten ausgesandten Signalen aufnehmenden Antennen erfolgt vorteilhafterweise durch die nachfolgenden nacheinander ablaufenden Verfahrensschritte:

- Bestimmung des höchsten Signalpegels bezogen auf die Signale, die in jeder einzelnen Antenne empfangen werden, durch eine Auswerteeinheit,

- Ansteuerung der ausgewählten Empfangsantenne durch die Auswerteeinheit,

- Übermittlung der Empfangsignale von den Antennen an die Auswerteeinheit. Die richtige Auswahl der in den Himmel weisenden Antennen kann auch dadurch erfindungsgemäß durchgeführt werden,

- daß zunächst die Winkelausrichtung jeder einzelnen Empfangsantenne, bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem, durch die Auswerteeinheit bestimmt werden,

- daß die ausgewählte Empfangsantenne durch die Auswerteeinheit angesteuert werden

- und daß die Empfangssignale von den Antennen an die Auswerteeinheit übermittelt werden.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Als vorteilhaft hat es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, daß mindestens zwei Antennen, die in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sind, vorgesehen sind, so daß permanent zumindest eine Empfangsantenne mit den Satelliten in optimaler Wirkungsweise kommuniziert. Die Auswertung der

Empfangssignale durch die Auswerteeinheit, welche Antenne das Empfangssignal mit dem höchsten Signalpegel erreicht, kann entweder dadurch bewerkstelligt werden, daß die Auswerteeinheit jede einzelne Empfangsantenne abfragt und während der Abfrage die Signalpegel der Antennen mißt, oder aber daß Lagesensoren entweder an den Antennen oder an der Auswerteeinheit angebracht sind, mittels denen die Winkelausrichtung bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem sowohl der Antennen als auch der Auswerteeinheit bestimmbar ist, so daß mittels dieser Rückschlüsse über die Ausrichtung der Antennen gezogen werden können.

Falls die Antennen und die Auswerteeinheit nicht einen gemeinsamen Träger fest zugeordnet sind, ist es notwendig, daß an jeder Antenne und jeder Auswerteeinheit ein Lagesensor angebracht ist, so daß die Winkelausrichtung jedes einzelnen Bauteiles, bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem, bestimmt werden kann. Sind jedoch die Antennen und die Auswerteeinheit an einem gemeinsamen Träger, beispielsweise einem Container oder einem Schiff, angebracht, so kann ausschließlich an der Auswerteeinheit ein Lagesensor vorgesehen werden, da durch die Veränderung der Winkellage der Auswerteeinheit auch Rückschlüsse möglich sind auf die Änderung der Ausrichtung der jeweiligen Antenne, so daß die

Ansteuerung der gegen den Himmel weisenden Antenne aufgrund dieser Meßdaten vorzunehmen ist.

Mittels der Empfangserkennung jeder einzelnen Antenne ist gewährleistet, daß immer die Antenne, deren Empfangssignal den höchsten Signalpegel aufweist, mit der Auswerteeinheit elektrisch verbunden ist, so daß Störungen der

Empfangsqualität, beispielsweise auf Grund einer Positionsveränderung einer einzigen Antenne, ohne weiteres behoben werden können.

Als besonders vorteilhafte Anwendung für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind die Antennen und die Auswerteeinheit in einem Kleidungsstück, beispielsweise für Kinder, angeordnet. Somit kann eine Positionsbestimmung zur Unfall- oder Verbrechensverhütung der Kinder vorgenommen werden. Die derart georteten Signale werden von der Auswerteeinheit unmittelbar an ein GSM-Modem weitergeleitet, das dieses wiederum zu einer Sende-/Empfangsstation aussendet, so daß eine dauerhafte zuverlässige Positionsbestimmung des Kindes gewährleistet ist. Sobald daher das Kind einen vorgegebenen Weg verläßt, ist dies unverzüglich feststellbar und geeignete Hilfsmaßnahmen können in die Wege geleitet werden.

Auch im Logistikbereich, beispielsweise für den Transport von Containern und ähnlichen Frachtgütern, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden, so daß das Logistik-Unternehmen jederzeit Auskunft erteilen kann über den Standort und den bislang zurückgelegten Weg des jeweiligen Frachtgutes. Darüber hinaus können gefährliche oder wertvolle Frachten zuverlässig überwacht werden.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt, das nachfolgend näher erläutert wird. Im einzelnen zeigt:

Figur 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Empfangen von GPS-Signalen mit drei Antennen und einer Auswerteeinheit sowie an der Auswerteeinheit angebrachte Lagesensoren, Figur 2 ein Empfangsschaubild von zwei gegenüberliegend angeordneten

Empfangsantennen gemäß der Vorrichtung nach Figur 1 ,

Figur 3 eine erste Variante eines konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung gemäß

Figur 1 , in Seitenansicht,

Figur 4 eine zweite Variante eines konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung gemäß Figur 1 , in Seitenansicht und

Figur 5 die Anordnung der drei Antennen der Vorrichtung gemäß Figur 1 in einem Kleidungsstück eines Menschen.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, nämlich GPS-Signalen, mit drei Antennen 2, 2^' und 2^" sowie mit einer die empfangenen Signale verarbeiteten Auswerteeinheit 3 dargestellt. Die Ausrichtung der Antennen 2, 2^', 2^" ist schematisch; im konkreten Anwendungsfall sind die drei Antennen 2, 2^', 2^" in unterschiedlichen Empfangslagen ausgerichtet, so daß beispielsweise die Antenne 2 gegen den Himmel weist und die von den Satelliten abgegebenen Signale optimal empfängt. Somit weist die Antenne 2 zu einem bestimmten Zeitpunkt den höchsten Signalpegel der von den Satelliten abgegebenen Signalen auf.

Des weiteren ist der Auswerteeinheit 3 für jede Raumkoordinate x, y, z ein Lagesensor 4 zugeordnet, der beispielweise Drehungen oder sonstige Lageänderungen der Auswerteeinheit 3 zu einem ortsfesten vorgegebenen

Koordinatensystem 5 feststellen kann. Falls die Antennen 2, 2^' und 2^" sowie die Auswerteeinheit 3 auf einem gemeinsamen nachfolgend näher erläuterten Träger angeordnet sind, ist ein an der Auswerteeinheit 3 befestigter Lagesensor 4 ausreichend, denn sobald sich die Position der Auswerteeinheit 3 verändert, dreht sich somit auch die Lage des gemeinsamen Trägers, so daß auch eine andere der Antennen 2, 2^' oder 2^" in Richtung des Himmels, also in Richtung der die Signale abgebenden Satelliten, ausgerichtet wird. Diese Winkeländerung hat zur Folge, daß die Auswerteeinheit 3 über eine Weiche 11 oder einen Verteiler mit der nunmehr in Richtung der Satelliten weisenden Antenne 2^' kommuniziert. Solche Lagesensoren 4 können auch unmittelbar an jeder Antenne 2, 2^', 2^" angebracht sein. Darüber hinaus kann alternativ oder zusätzlich, insbesondere dann, wenn die Antennen 2, 2^' und 2^" nicht mit der Auswerteeinheit 3 auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, ein Programm, das in der Auswerteeinheit 3 abgespeichert ist, vorgesehen sein, dessen Aufgabe darin besteht, die einzelnen Antennen 2, 2^' und 2^" nach deren jeweiligen momentanen Signalpegel der Satellitensignale abzufragen. Die Abfrage der Signalpegel erfolgt in einem vorgegebenen zeitlichen Intervall durch die Auswerteeinheit 3, so daß für jeden Abfragezyklus der Signalpegel, also die Empfangssignale, die jede einzelne Antenne 2, 2^' und 2^" in diesem zeitlichen Moment empfängt, gemessen wird, so daß die von der Antenne 2 aufgenommenen Empfangssignale, die den höchsten Signalpegel im Vergleich mit den übrigen von den Antennen 2 und 2^" empfangenen Signalen aufweist, ausgewählt wird. Somit kommuniziert die Auswerteeinheit 3 über die Weiche 11 bzw. den Verteiler mit der Antenne 2.

In Figur 2 ist ein Schaubild gezeigt, dessen Maßeinheit logarithmisch in Dezibel angegeben ist. Im Zentrum des Schaubildes ist die Vorrichtung 1 dargestellt, wobei in die obere Hälfte des Schaubildes eine der Antennen 2 und in die untere Hälfte des Schaubildes die Antennen 2^' angeordnet ist. Es wird angenommen, daß beide Antennen 2 und 2^', die von den Satelliten abgegebenen GPS-Signale empfangen. Der aufgezeigte Verlauf des Schaubildes zeigt, daß der Wirkungsgrad der beiden Antennen 2 und 2^' vertikal, also in Richtung des Himmels am besten ist, da in diesem Bereich der höchste Signalpegel gegeben ist.

Horizontal vermindert sich der Signalpegel um mehr als die Hälfte, so daß beide der eingesetzten Antennen 2 und 2' einen ausreichenden Signalpegel nicht mehr aufweisen.

In Figur 3 ist eine konstruktive Möglichkeit eines Aufbaus der Vorrichtung 1 , wie in Figur 2 eingesetzt, dargestellt. Dabei sind die oberen und unteren Antennen 2 und 2 auf einer jeweils getrennt angeordneten Leiterplatte 13 befestigt. Die Leiterplatten 13 beziehen ihre Energie aus einem gemeinsamen Akkumulator 14, mit dem diese elektrisch verbunden sind. Die Ausrichtung der beiden Antennen 2 und 2^' ist, wie in Figur 2, gezeigt, entgegensetzt ausgerichtet. Die Auswerteeinheit 3 ist jeweils auf einer der Leiterplatten 13 angebracht und benötigt im Betriebszustand genauso wie die Antennen 2 und 2^' keine Energie. In Figur 4 ist eine weitere Variante eines konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung 1 zu entnehmen, die insbesondere dann zum Einsatz gelangt, wenn die Bauhöhe der zu verwendenden Vorrichtung 1 möglichst gering auszufallen hat. In dieser Konstruktionsvariante sind die beiden Antennen 2 und 2^' auf der gemeinsamen Auswerteeinheit 3, die mit einer Leiterplatte 13', die mit Energie von einem Akkumulator 14 versorgt wird, verbunden.

Des weiteren sind auf der Leiterplatte 13' zwei Modems 15 angebracht, die mit der nicht dargestellten Auswerteeinheit 3 elektrisch gekoppelt sind. Die Modems 15 sind für ein Zellular- oder Bündelfunknetz, vorzugsweise nach dem GSM- Standard, ausgelegt. Somit ist es möglich, die von den Antennen 2 oder 2^' empfangenen GPS- Signale von der Auswerteeinheit 3 zu verarbeiten und die daraus errechnete Position mittels des GSM-Modems 15 an eine Empfangsstation weiterzuleiten. Somit kann an der Empfangsstation die Position der Vorrichtung 1 exakt verfolgt und die zurückgelegte Wegstrecke der Vorrichtung 1 kann bildlich auf einer Landkarte nachvollzogen werden.

In Figur 5 ist ein konkreter Anwendungsfall für den Einsatz der Vorrichtung 1 gezeigt. Hierbei ist die Vorrichtung 1 in einem Bekleidungsstück 16 angebracht. Die Positionen der einzelnen Bauteile der Vorrichtung 1 in dem Bekleidungsstück 16 sind unterschiedlich. So sind die drei Antennen 2, 2^' und 2" auf der Schulter, auf der Vorder- und auf der Rückseite des Bekleidungsstückes 16 in senkrechter Ausrichtung zu der Körperoberfläche des Menschen angeordnet. Die Auswerteeinheit 3 befindet sich an beliebiger zentraler Stelle im Bekleidungsstück 16 und ist elektrisch über die Weiche 11 mit den drei Antennen 2 verbunden.

Mittels der Vorrichtung 1 gemäß Figur 4 kann demnach beispielsweise die Position eines Kindes, das das Bekleidungsstück 16 trägt, bestimmt und verfolgt werden. Dies dient der Unfall- und Verbrechensverhütung. Bewegt sich nämlich der das Kleidungsstück 16 tragende Mensch aufrecht, empfängt die auf der Schulter des Menschen im Bekleidungsstück 16 angeordnete Antenne 2 die von den Satelliten abgegebenen Signale und kommuniziert daher mit der Auswerteeinheit 3, die diese Signale verarbeitet und an das GSM-Modem zum weiteren Versenden weiterleitet. Fällt der Mensch auf den Bauch bzw. auf den Rücken ist sowohl die Antenne 2 auf der Schulter als auch die auf den Boden weisende Antenne 2^' außer Betrieb oder vice versa, denn diese beiden Antennen 2 und 2^' können die von den Satelliten abgegebenen Signale aufgrund von Absorptionen nicht mehr in ausreichendem Maße empfangen. Jedoch ist dann die Antenne 2^" in Richtung der Satelliten ausgerichtet, so daß die von den Satelliten ausgestrahlten Signale mit dem höchsten Signalpegel empfangen werden. Eine Unterbrechung der von den Satelliten ausgestrahlten Empfangssignale ist daher nicht gegeben, so daß eine dauerhafte und zuverlässige Positionsbestimmung durchgeführt werden kann.

Dies ist beispielsweise auch für Logistikprobleme zur Bestimmung, an welchem exakten Ort sich eine Lieferung, beispielsweise ein Container oder ein sonstiges Frachtgut befindet, einsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung (1) zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, vorzugsweise GPS-Signalen, mit einer in Richtung der Satelliten ausgerichteten Antenne (2) und mit einer die empfangenen Signale verarbeitenden Auswerteeinheit (3),

dadurch gekennzeichnet,

daß mit der Auswerteeinheit (3) zusätzlich eine oder mehrere Antennen (2, 2^' und/oder 2^") verbunden sind, die in unterschiedliche Empfangslagen ausgerichtet sind, und daß diejenige der Antennen (2, 2^'oder 2^") mit der

Auswerteeinheit (3) kommuniziert, deren Empfangssignale den höchsten Signalpegel im Vergleich mit den übrigen von den Antennen (2, 2^'oder 2^") empfangenen Signalen aufweist.

2. Vorrichtung (1) zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, vorzugsweise GPS-Signalen, mit einer in Richtung der Satelliten ausgerichteten Antenne (2) und mit einer die empfangenen Signale verarbeitenden Auswerteeinheit (3),

dadurch gekennzeichnet.

daß mit der Auswerteeinheit (3) zusätzlich eine oder mehrere Antennen (2, 2^' und/oder 2^") verbunden sind, die in unterschiedliche Empfangslagen ausgerichtet sind, und daß diejenige der Antennen (2, 2^'oder 2^") mit der Auswerteeinheit (3) kommuniziert, deren Lageorientierung in Richtung der Satelliten ausgerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Antenne (2, 2^' und/oder 2^") und/oder der Auswerteeinheit (3) Lagesensoren (4) zugeordnet sind, mittels denen die Winkelausrichtung der Antennen (2, 2^' und 2^") und / oder der Auswerteeinheit (3), bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem, bestimmbar sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß zwischen den Antennen (2, 2^' und/oder 2^") und der Auswerteeinheit (3) ein mit diesen elektrisch verbundene Weiche (11) oder ein Verteiler vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Antennen (2, 2^' und/oder 2^") und / oder die Auswerteeinheit (3) auf einem gemeinsamen Träger (13, 13') angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Träger (13, 13') als Leiterplatte ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Antennen (2, 2^') auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte (13, 13') montiert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Auswerteeinheit (3) mit einem Modem (15) verbunden ist und daß die Auswerteeinheit Daten zur Versendung an das Modem (15) weiterleitet.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche,

dad urch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung (1) als kompaktes Modul in einem Kleidungsstück (16), einem Armband, an einem Frachtcontainer oder dgl. angebracht ist, und daß die Antennen (2, 2^'und/oder 2") an unterschiedlichen Positionen im Kleidungsstück (16), an einer Person oder an dem Frachtcontainer arretiert sind.

10. Verfahren zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, vorzugsweise GPS-Signalen, zur Bestimmung der Positionskoordinaten und zur Anwendung in einer Vorrichtung (1), insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die nachfolgenden nacheinander ablaufenden Verfahrensschritte:

- Bestimmung des jeweiligen höchsten Signalpegels, bezogen auf die Signale, die in jeder einzelnen Antenne (2, 2', 2") empfangen werden durch eine Auswerteeinheit (3),

- Ansteuerung der ausgewählten Empfangsantenne (2, 2^', 2^") durch die Auswerteeinheit (3),

- Übermittlung der Empfangssignale von den Antennen (2, 2', 2") an die Auswerteeinheit (3).

11.Verfahren zum Empfangen von von Satelliten abgegebenen Signalen, vorzugsweise GPS-Signalen, zur Bestimmung der Positionskoordinaten und zur Anwendung in einer Vorrichtung (1), insbesondere nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die nachfolgenden nacheinander ablaufenden Verfahrensschritte:

- Bestimmung der Winkelausrichtung von einer Vielzahl von

Empfangsantennen (2, 2^', 2^") bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem durch eine Auswerteeinheit (3),

- Ansteuerung der ausgewählten Empfangsantenne (2, 2', 2") durch die Auswerteeinheit (3).