WO2008017617A1 - Device and method for locating a target object - Google Patents

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WO2008017617A1
WO2008017617A1 PCT/EP2007/057876 EP2007057876W WO2008017617A1 WO 2008017617 A1 WO2008017617 A1 WO 2008017617A1 EP 2007057876 W EP2007057876 W EP 2007057876W WO 2008017617 A1 WO2008017617 A1 WO 2008017617A1
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WO
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target object
distance
signal
transmission signal
positions
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PCT/EP2007/057876
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Daniel Evers
Sebastian Kunkel
Claus Seisenberger
Leif Wiebking
Thomas Zander
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01S13/74Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/75Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
    • G01S13/751Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal
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    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • G01S13/32Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G01S13/343Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using sawtooth modulation

Definitions

  • the present invention relates to a device for radio-based location of a target object, in particular an RFID transponder according to claim 1 and a method for radio-based location of a target object according to claim 8.
  • Transponder systems used to locate RFID transponders.
  • a first possibility is to determine the distance of a transponder to the base station by means of a location system based on field strength measurements.
  • locating systems which operate according to the SDMA method (space division multiple access). The removal of a transponder is obtained via the alignment of a highly concentrated transmitting / receiving antenna, in which the maximum of the reception level for determining the direction in which the transponder is located in relation to the antenna, is evaluated.
  • systems for the one-dimensional distance measurement of a backscatter transponder are in use, which are based on the transit time measurement of a reflected radio signal modulated by the transponder. It is the object of the present invention to provide an apparatus and a method for multi-dimensional location of a target object with only one antenna.
  • An advantage of the invention is that a multi-dimensional location of a target object with only one antenna is possible. This is achieved by moving the measuring device with the antenna and measuring during movement at at least two different positions. In addition, the spatial distance between the two measurement positions is determined and from this data an at least two-dimensional location of the target object is performed.
  • a target object storage angle is determined for locating the target object, which defines a direction of the target object with respect to the measuring device.
  • the location of the target object is carried out taking into account a frequency spacing of two frequency maxima in a mixed signal from receive and transmit signal.
  • a (relative) distance of the target object to the measuring device is determined on the basis of phase differences at the points of the frequency maxima of a response signal of the target object.
  • the measuring device in each case performs a distance measurement to the target object at the two measuring positions and determines a target object stacking angle. Due to the different distances and the relative distance between the two measuring positions.
  • the direction of the movement of the measuring device between two positions is detected and taken into account in locating the target object. This allows a more accurate detection of the target object.
  • a theoretical model is used to calculate the measuring position or to calculate the movement of the measuring device.
  • the theoretical model preferably uses measured values of an experimentally performed movement curve of the measuring device.
  • Figure 1 shows an embodiment of a radio-based system for two-dimensional positioning
  • Figure 2a shows a first embodiment of a one-dimensional distance measurement
  • FIG. 2b shows a spectrum of the baseband for the first embodiment of a one-dimensional distance measurement
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a one-dimensional distance measurement
  • Figure 4 is a graphical representation of the spectrum of the baseband according to the second embodiment for one-dimensional distance measurement
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of a two-dimensional position determination
  • FIG. 6 shows the course of the phase difference over the distance range of a wavelength
  • FIG. 7 shows the system components according to the exemplary embodiment according to FIG. 5;
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment for two-dimensional position determination with an extended unambiguity range.
  • Radio-based systems are technical systems that use transmitters and receivers of electromagnetic waves. These include, for example, radar waves used, for example, in the range of 500 MHz to 100 GHz, or waves used for RFID (Radio Frequency Identification), which are used, for example, in the range of 800 MHz to 2.4 GHz. Transmit signals and response signals are such electromagnetic waves.
  • radar waves used, for example, in the range of 500 MHz to 100 GHz
  • RFID Radio Frequency Identification
  • Transmit signals and response signals are such electromagnetic waves.
  • a target deviation angle ⁇ z is an angle in a horizontal x, y plane or a vertical y, z plane at the horizontal plane between a main direction of the y-axis set by a moving direction of the base station , and a projection of the line from the base station to the target object in the horizontal plane or at the vertical plane between the main axis of the base station lying on the y-axis and a projection of the line from the base station to the target object in the vertical plane.
  • the determination is carried out in each case in a simple manner by means of trigonometry.
  • the radio-based system it is possible to locate target objects, in particular transponders, which operate on the principle of modulated backscatter, with the aid of a frequency-modulated radio signal emitted by the base station.
  • the one-dimensional distance measurement takes place via a
  • Runtime measurement of the electromagnetic radio signal from the transmitter via the transponder back to the receiver is realized with a movement of the measuring device with the single antenna with the aid of a phase evaluation. From the measurement of the phase information acquired at several positions of the signal reflected by the transponder, it is possible to deduce the respective storage angle ⁇ z of the transponder. In this case, the measuring positions of the antenna are at a distance dj from one another. For two- or three-dimensional positioning only a corresponding movement of the base station with the antenna is required. By means of the acquired distance values, the exact spatial position of the transponder is determined.
  • the distance r z of a target object or target reflector located in an observation area of a radar receiver is determined, for example, from a measurement of the signal propagation time t L from the transmitter to the reflector and back to the receiver.
  • a transmission signal for example a linearly modulated in its frequency high-frequency signal (FMCW signal, are used frequency modulated continuous wave signal.
  • FMCW signal frequency high-frequency signal
  • the elevation or the z coordinate can be determined.
  • a transponder in order to distinguish a transponder to be located unambiguously from other interference targets in the detection range of the radar or radio-based system. which applies the principle known as modulated backscatter of the transmit signal.
  • the signal reflected by the transponder is also given a modulation in that the backscatter cross section or the reflection behavior of the transponder antenna is periodically varied with a modulation frequency f moc .
  • a frequency spacing ⁇ F between two maxima in the spectrum of the baseband of a transmitted transmission signal of the antenna superposed with a simultaneously received response signal is determined. Due to the transponder modulation causes the signal components originating from the transponder in the spectrum in a higher frequency band, by (f mo d) are moved. Above and below the modulation frequency f moc ⁇ of the transponder, two maxima arise whose mutual frequency difference .DELTA.F is proportional to the distance r z of the transponder from the base station.
  • a maxima detection algorithm is used. From the determined frequency difference ⁇ F the distance of the transponder can be calculated according to the following formula:
  • C Q denotes the speed of light
  • T the ramp duration
  • B the frequency deviation of the FMCW transmission signal
  • Target object to an antenna determined on the basis of maximum phase differences.
  • a maximum phase difference is the difference of the phase values at the frequency locations at which the abovementioned maxima occur. Lying two
  • distance differences ⁇ r-j_ of adjacent measuring positions to the target object or transponder can each be determined on the basis of a difference of maximum phase differences by means of the different measuring positions of the antenna. Due to the high sensitivity of the phase, the smallest distance differences ⁇ r-j_ can be resolved via a phase evaluation. This property is used to determine an occurring path difference ⁇ r-j_ between antennas and thus the target offset angle ⁇ z .
  • the distance to the target object is advantageously much larger than the mutual distance of the measuring positions to each other, that is r z »d- j . It can thus be approximately assumed that the rays reflected from the target object to the antennas run parallel to one another.
  • the measuring positions are arranged along a horizontal and along a vertical. In this way, a three-dimensional location is possible.
  • the azimuth and, on the other hand, the elevation of a target object can be determined. Together with the measured distance, the x, y and z coordinates can be calculated.
  • the base station is moved with the antenna on a circle.
  • FIG. 1 shows, for example, the construction and the measured variables of a two-dimensional locating system.
  • the motion sensor 31 is designed, for example, as an acceleration sensor or magnetic field sensor which is able to determine a movement of the base station 1 both in terms of magnitude and direction.
  • the motion sensor is firmly connected to the base station.
  • the arithmetic unit 30 can process signals of the motion sensor 31 with the aid of a sensor model and then a value for the distance traveled by the base station 1 and an angle for the
  • the arithmetic unit 30 is designed in a further embodiment to use a movement model to determine the amount of movement and / or the direction of movement, i. check and specify the movement curve of the base station.
  • the distance of the base station 1 to the target object 2 is designated by r z .
  • the base station provides a device for radio-based locations.
  • the target offset angle ⁇ z is shown.
  • a transponder 2 is used as the target object 2.
  • the transponder 2 to be located can work passively, that is to say field-powered without its own power supply. These may also be semi-passive, that is they are provided with their own battery or accumulator. Depending on the movement curve of the antenna 3 with the base station 1 during a measuring process, a one-, two- or three-dimensional locating is possible.
  • the signal reflected by the transponder 2 can be evaluated sequentially by the base station 1 during the movement of the base station 1 at the individual measuring positions. The evaluation and the calculations are performed by the arithmetic unit 30.
  • the transponder 2 may have an antenna 3a.
  • a first device Ia for distance determination and a device Ib for determining the angle can be integrated in the base station 1.
  • FIG. 2A shows a first exemplary embodiment of a one-dimensional distance measurement.
  • a device and a method for radio-based positioning, in particular of RFID tags rests in particular on the radar technology.
  • a frequency-modulated electromagnetic transmission signal is emitted by the base station 1.
  • the distance of a target object 2 or target reflector located in the observation area of the base station 1 or of the radar receiver is determined from a measurement of the signal transit time t L from the transmitter to the reflector and back to the receiver.
  • a transmission signal for example, a linearly modulated in its frequency high-frequency signal (FMCW signal) is used.
  • FMCW signal frequency high-frequency signal
  • the signal delay tL and thus the distance of the reflector can be determined.
  • the evaluation of the frequency difference which is proportional to the distance of the target object 2, takes place in the frequency domain. In the baseband according to FIG. 2B of the spectrum, this results in a signal peak at the frequency which corresponds to the frequency difference.
  • 4 denotes the transmission signal, 5 the reception signal and 6 the difference frequency signal.
  • the received signal 5 may be referred to as a response signal 5.
  • ⁇ F denotes the frequency difference, fg the start frequency of the transmission signal 4, T the ramp duration and B the frequency deviation of the FMCW transmission signal 4.
  • the signal propagation time is represented by tL.
  • FIG. 2B shows the signal peak or the maximum at the frequency which corresponds to the frequency difference ⁇ F.
  • FIG. 3 shows a base station 1 with the antenna 3, via which a transmission signal 4 is sent to a transponder 2.
  • the transponder 2 has a modulator 7, which is modulated by means of a modulation signal 8.
  • the modulator 7 which is modulated by means of a modulation signal 8.
  • Transponder 2 an antenna 3a.
  • the transponder 2 sends back a received signal or a response signal to the base station 1.
  • the response signal is a modulated reflection signal 9.
  • modulated backscatter is used. From the Transponder 2 reflected signal is in this case a modulation, by means of a modulation signal 8, imprinted by the backscatter cross section or the reflection behavior of the transponder antenna 3a periodically with the modulation onsfrequenz f m od is varied.
  • the modulation can be active or passive, but an active design, that is an active amplification of the signal in the transponder 2 is not required.
  • the principle of modulated backscattering is extremely energy efficient, making it ideal for use in field-powered RFID transponders 2.
  • a modulation method for example, an amplitude or a phase modulation can be used. Other types of modulation can also be used.
  • transponders 2 based on modulated backscatter are used with particular advantage.
  • the transponder 2 used in this case can be passive.
  • a modulator 7 is fed from the radio field. It is therefore not a separate source of energy such as a battery or a battery on the transponder 2 required. There is an unreinforced backscatter.
  • a modulator 7 is supplied with an integrated energy source on the transponder 2.
  • an unreinforced backscatter is also an unreinforced backscatter.
  • Another embodiment is active transponder 2. According to this embodiment, an energy source for amplifier and modulator 7 on the transponder 2 is present. That is, the transmission signal 4 transmitted from the base station 1 is sent back intensified, or a response signal 5 is generated and transmitted.
  • the modulation causes the signal components originating from the transponder 2 to be shifted in the spectrum to a higher frequency band (by f mo d).
  • FIG. 4 shows by way of example the spectrum relevant for the distance evaluation.
  • the modulation frequency f mo d of the transponder 2 there are two maxima whose mutual frequency spacing ⁇ F is proportional to the deviation.
  • Distance z of the transponder 2 from the base station 1 is.
  • Signal components originating from non-modulating interference reflectors are at lower frequencies.
  • the signal components relevant for the distance determination of the transponder 2 can be filtered out. In this way, it is possible to distinguish between the signal reflected by the transponder 2 and signals originating from other non-modulating reflectors.
  • One possibility for evaluating the distance information is created by means of digital signal processing.
  • the spectrum is calculated via a Fourier transform (for example FFT), whereby methods such as weighting of the signal with a window function and zero-padding can be used to optimize the evaluation.
  • FFT Fourier transform
  • a maxima detection algorithm is used. From the determined frequency difference ⁇ F the distance of the transponder can be calculated according to the following formula:
  • C Q denotes the speed of light
  • T the ramp duration
  • B the frequency deviation of the FMCW transmission signal
  • the evaluation of the magnitude spectrum gives an amount value for the distance with an accuracy of approximately + 10 cm.
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of a two-dimensional position determination by the movement of the base station 2 with the antenna 3 and a movement sensor 31 on a movement curve with two measurement positions P1, P2. Only two measuring positions are shown, wherein during a measuring process at many measuring positions a measurement of the movement curve of the base station is carried out. During a measurement, many FMCW sweeps can be performed. The motion sensor 31 determines the distance d of the measurement positions.
  • the reading device with the base station and the antenna is moved on the measuring curve to a first measuring position Pl and then to a second measuring position P2.
  • the first and second measuring positions Pl, P2 have a distance d, which is detected by the motion sensor 31.
  • a transmission signal is transmitted by the base station and a response signal is obtained.
  • phase analysis method it is possible to evaluate the propagation time difference of the signals from the transmitter 1 to the transponder 2 and back to the antenna 3 at the two measurement positions Pl, P2 and from ⁇ to the target deviation angle for closing of the transponder. 2
  • the x and y position of the transponder 2 can thus be determined from the distance value r z determined above.
  • the phase of the signals received at the two measuring positions by the antenna is used.
  • the phase values at the locations of the two maxima in the spectrum are advantageously evaluated. For this purpose, one determines the phase at the frequency points at which the maxima occur and forms their difference:
  • the determined phase difference ⁇ is according to the following formula:
  • denotes the wavelength of the transmission signal.
  • FIG. 6 shows the course of the phase difference ⁇ over the distance range of a wavelength ⁇ .
  • FIG. 7 shows a further method which uses a base station 1 with an antenna 3 and a motion sensor 31 at two measuring positions P1, P2.
  • a target object 2 or transponder 2 is shown which has a modulator 7 modulated by means of a modulation signal 8 and an antenna 3a.
  • r - ⁇ _ and ⁇ 2 the respective distances of the two measuring positions Pl, P2 of the antenna 3 of the base station 1 to the antenna 3a of the transponder 2 are shown.
  • phase difference of the detected maxima of each of the antenna 3 of the base station 1 of the measurements at the two measuring positions Pl, P2 is determined:
  • the distance d of the measuring positions P1, P2 must be selected to be correspondingly small, specifically, the smaller the shorter the wavelength ⁇ .
  • the uniqueness range of the target delivery angle is too small, the following procedure can be used.
  • the extension of the uniqueness range is possible in the following way.
  • the uniqueness range can advantageously be achieved by means of a measuring method in which measurements are made at many closely spaced positions.
  • the base station 1 determines the phase differences of maxima at the measuring positions P1, P2, P3, as described above. In doing so, the sisstation 1 moves from the first measuring position Pl to the second measuring position P2 and then to the third measuring position P3. At each measuring position, the base station 1 performs a measurement.
  • a ⁇ 12 Aq) 1 - A ⁇ 2
  • a ⁇ 23 A ⁇ 2 - A ⁇ 3
  • ⁇ r] _2 the difference between the first and the second path length ri, T2 and with ⁇ r23 the difference between the second and third path length T 2 , r 3 is designated. From the determined path differences, the target deviation angle determined by two measurement positions results:
  • the target deposition angle ⁇ z can be determined as a function of the distance differences ⁇ r] _2 and ⁇ r23 determined by the three measurement positions P1, P2, P3:
  • a plurality of measurements of the distance are made using the transmission signals sent from the base station and the response signals received from the transponder. Due to the large number of measurements, a large number of values are available for the individual distances of the movement curve and the target object placement angles. In this way, due to further processing of the values for the distances and the target deviation angles with greater accuracy, the actual target deposition angles and the actual distance of the target object with respect to the base station can be calculated.
  • the base station is moved in one plane, preferably on a circular movement.
  • a large number of measurements are carried out with the base station.
  • a distance and a target deviation angle are determined.
  • the movement curve is detected by means of the movement sensor 31. From the detected motion curve and the measured distances and measured target deviation angles, a precise distance and a precise aiming angle with respect to a fixed position of the base station, for example the end position of the movement process, is calculated.
  • the measuring device is slowly swiveled in front of the body by an operator, wherein the pivoting process takes one or two seconds from an external ren left to an outer right position of a movement curve lasts.
  • an FMCW measurement method for determining the distance of the target object with a sweep duration ie a ramp duration at which the frequency is increased from a start value to a final value, of one millisecond theoretically 1000 measurements per second are possible.
  • 1000 distances and 1000 target drop angles could be calculated to establish an exact position of the target.
  • a problem with the motion detection with the motion sensor 31 is generated by the signal drift. However, this problem is minimized in the measurement process described, since a defined movement is performed, which regularly provides points for readjustment. At the short times, as mentioned 1 to 2 seconds for a measurement, the drift error is also relatively low.
  • the measuring method can be improved by a targeted three-dimensional movement of the measuring device in the room.
  • the basic principle is to use a base station with an antenna, to move the base station with the antenna and to perform measurements at several positions and to determine from the multiple measurements a relative spatial position of the target object to the base station.

Abstract

The invention relates to the method and a device (1) for the radio based location of a target object (2), having a transmitter for creating a transmission signal, a receiver for receiving a response signal, an antennae (3) being connected with the transmitter and the receiver, wherein the antennae (3) transmits the transmission signal of the sender and receives a response signal from the target object (2) to the transmission signal. The invention further comprises a motion sensor (31) for detecting a movement of the device, with a processing unit (30) being connected with the motion senor (31), the transmitter and the receiver, wherein the processing unit (30) transmits a transmission signal and a response signal to the transmission signal from the target object during a movement of the device at at least two different measuring positions (P1, P2), wherein the processing unit (30) detects the distance (r<SUB>1</SUB>, r<SUB>2</SUB>) each for the two measuring position (P1, P2), wherein the motion sensor (31) detects the spatial distance (3) of the two measuring positions (P1, P2) of the device (1), wherein the processing unit determines a direction from the spatial distance (d) of the two measuring positions (P1, P2) and the two measured distances (r<SUB>1</SUB>, r<SUB>2</SUB>) wherein the target object lies in relation to the device. Product: locating of labels, logistics, sensors and goods.

Description

Beschreibungdescription
Vorrichtung und Verfahren zur Ortung eines ZielobjektesDevice and method for locating a target object
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum funkbasierten Orten eines Zielobjektes, insbesondere eines RFID Transponders gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum funkbasierten Orten eines Zielobjektes gemäß Patentanspruch 8.The present invention relates to a device for radio-based location of a target object, in particular an RFID transponder according to claim 1 and a method for radio-based location of a target object according to claim 8.
Gemäß dem Stand der Technik existieren RFID-According to the state of the art, RFID
Transpondersysteme, die zur Ortung von RFID-Transpondern eingesetzt werden. Im Bereich Logistik, Materialverfolgung, Per- sonentracking oder dergleichen besteht ein großer Bedarf an derartigen Systemen, die in der Lage sind, neben der Identi- fikation ebenso eine lokale Position von Gütern und/oder Waren zu bestimmen und diese zu verfolgen.Transponder systems used to locate RFID transponders. In the field of logistics, material tracking, personal tracking or the like, there is a great need for such systems, which are able to identify and track a local position of goods and / or goods in addition to the identification.
Gemäß dem Stand der Technik werden verschiedene Ansätze zur eindimensionalen Ortung von RFID-Transpondern eingesetzt.According to the prior art, various approaches are used for the one-dimensional positioning of RFID transponders.
Eine erste Möglichkeit besteht in der Bestimmung der Entfernung eines Transponders zur Basisstation mittels eines auf Feldstärkemessungen basierten Ortungssystems. Gemäß einer weiteren Lösung sind Ortungssysteme bekannt, die nach dem SDMA-Verfahren (space division multiple access) arbeiten. Die Entfernung eines Transponders wird dabei über die Ausrichtung einer stark bündelnden Sende-/Empfangsantenne gewonnen, bei der das Maximum des Empfangspegels zur Festlegung der Richtung, in der sich der Transponder in Bezug auf die Antenne befindet, ausgewertet wird.A first possibility is to determine the distance of a transponder to the base station by means of a location system based on field strength measurements. According to another solution locating systems are known which operate according to the SDMA method (space division multiple access). The removal of a transponder is obtained via the alignment of a highly concentrated transmitting / receiving antenna, in which the maximum of the reception level for determining the direction in which the transponder is located in relation to the antenna, is evaluated.
Gemäß einer weiteren Lösung sind Systeme zur eindimensionalen Entfernungsmessung eines Back-Scatter-Transponders im Einsatz, die auf der Laufzeitmessung eines vom Transponder modu- lierten, reflektierten Funksignales basieren. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur mehrdimensionalen Ortung eines Zielobjektes mit nur einer Antenne bereitzustellen.According to a further solution, systems for the one-dimensional distance measurement of a backscatter transponder are in use, which are based on the transit time measurement of a reflected radio signal modulated by the transponder. It is the object of the present invention to provide an apparatus and a method for multi-dimensional location of a target object with only one antenna.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch das Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object of the invention is achieved by the device according to claim 1 and by the method according to claim 8. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine mehrdimensionale Ortung eines Zielobjektes mit nur einer Antenne möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Messvorrichtung mit der Antenne bewegt wird und während der Bewegung an mindestens zwei verschiedenen Positionen eine Messung durch- geführt wird. Zudem wird der räumliche Abstand zwischen den zwei Messpositionen ermittelt und aus diesen Daten eine mindestens zweidimensionale Ortung des Zielobjektes durchgeführt.An advantage of the invention is that a multi-dimensional location of a target object with only one antenna is possible. This is achieved by moving the measuring device with the antenna and measuring during movement at at least two different positions. In addition, the spatial distance between the two measurement positions is determined and from this data an at least two-dimensional location of the target object is performed.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zur Ortung des Zielobjektes ein Zielobjektablagewinkel ermittelt, der eine Richtung des Zielobjektes in Bezug auf die Messvorrichtung festlegt.In a further embodiment of the invention, a target object storage angle is determined for locating the target object, which defines a direction of the target object with respect to the measuring device.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Ortung des Zielobjekts unter Berücksichtigung eines Frequenzabstandes von zwei Frequenzmaxima in einem Mischsignal aus Empfangs- und Sendesignal durchgeführt.In a further embodiment, the location of the target object is carried out taking into account a frequency spacing of two frequency maxima in a mixed signal from receive and transmit signal.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine (relative) Entfernung des Zielobjektes zur Messvorrichtung anhand von Phasendifferenzen an den Stellen der Frequenzmaxima eines Antwortsignals des Zielobjektes ermittelt.In a further embodiment, a (relative) distance of the target object to the measuring device is determined on the basis of phase differences at the points of the frequency maxima of a response signal of the target object.
In einer weiteren Ausführungsform führt die Messvorrichtung an den zwei Messpositionen jeweils eine Entfernungsmessung zum Zielobjekt durch und ermittelt einen Zielobjektablagewin- kel aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen und aufgrund des relativen Abstandes zwischen den zwei Messpositionen.In a further embodiment, the measuring device in each case performs a distance measurement to the target object at the two measuring positions and determines a target object stacking angle. Due to the different distances and the relative distance between the two measuring positions.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Richtung der Bewe- gung der Messvorrichtung zwischen zwei Positionen erfasst und bei der Ortung des Zielobjekts berücksichtigt. Dadurch ist eine genauere Erfassung des Zielobjekts möglich.In a further embodiment, the direction of the movement of the measuring device between two positions is detected and taken into account in locating the target object. This allows a more accurate detection of the target object.
In einer weiteren Ausführungsform wird zur Berechnung der Messposition bzw. zur Berechnung der Bewegung der Messvorrichtung ein theoretisches Modell verwendet. Das theoretische Modell verwendet vorzugsweise Messwerte einer experimentell durchgeführten Bewegungskurve der Messvorrichtung.In a further embodiment, a theoretical model is used to calculate the measuring position or to calculate the movement of the measuring device. The theoretical model preferably uses measured values of an experimentally performed movement curve of the measuring device.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines funkbasierten Systems zur zweidimensionalen Ortung;Figure 1 shows an embodiment of a radio-based system for two-dimensional positioning;
Figur 2a ein erstes Ausführungsbeispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung;Figure 2a shows a first embodiment of a one-dimensional distance measurement;
Figur 2b ein Spektrum des Basisbands zum ersten Ausführungs- beispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung;FIG. 2b shows a spectrum of the baseband for the first embodiment of a one-dimensional distance measurement;
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung;FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a one-dimensional distance measurement;
Figur 4 eine graphische Darstellung des Spektrums des Basisbands gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zur eindimensionalen Entfernungsmessung;Figure 4 is a graphical representation of the spectrum of the baseband according to the second embodiment for one-dimensional distance measurement;
Figur 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimensiona- len Positionsbestimmung;FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of a two-dimensional position determination;
Figur 6 den Verlauf der Phasendifferenz über den Entfernungsbereich einer Wellenlänge; Figur 7 die Systemkomponenten gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5;FIG. 6 shows the course of the phase difference over the distance range of a wavelength; FIG. 7 shows the system components according to the exemplary embodiment according to FIG. 5;
Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur zweidimensionalen Positionsbestimmung mit erweitertem Eindeutig- keitsbereicht .FIG. 8 shows a further exemplary embodiment for two-dimensional position determination with an extended unambiguity range.
Funkbasierte Systeme sind technische Systeme, die von Anten- nen sendbare und empfangbare elektromagnetische Wellen verwenden. Dazu gehören beispielsweise Radarwellen, die beispielsweise im Bereich von 500 MHz bis 100 GHz verwendet werden, oder für RFID (Radio Frequency Identification) genutzte Wellen, die beispielsweise im Bereich von 800 MHz bis 2,4 GHz verwendet werden. Sendesignale und Antwortsignale sind derartige elektromagnetische Wellen.Radio-based systems are technical systems that use transmitters and receivers of electromagnetic waves. These include, for example, radar waves used, for example, in the range of 500 MHz to 100 GHz, or waves used for RFID (Radio Frequency Identification), which are used, for example, in the range of 800 MHz to 2.4 GHz. Transmit signals and response signals are such electromagnetic waves.
Es folgt ein eindimensionales Erfassen der Entfernung rz von der Basisstation zum Zielobjekt, und ein Erfassen mindestens eines Zielobjektablagewinkels αz .It follows a one-dimensional detection of the distance r z from the base station to the target object, and detecting at least one Zielobjektablagewinkels α z .
Ein Zielobjektablagewinkel αz ist ein Winkel in einer horizontalen x-, y- Ebene oder einer vertikalen y-, z- Ebene, und zwar bei der horizontalen Ebene zwischen einer auf der y- Achse liegenden Hauptwirkrichtung, die durch eine Bewegungsrichtung der Basisstation festgelegt wird, und einer Projektion der Linie von der Basisstation zum Zielobjekt in die horizontale Ebene oder bei der vertikalen Ebene zwischen der auf der y-Achse liegenden Hauptwirkrichtung der Basisstation und einer Projektion der Linie von der Basisstation zum Zielobjekt in die vertikale Ebene. Mittels eines Zielobjektablagewinkels αz in der horizontalen Ebene werden die x- und y- Koordinaten bestimmt. Mittels eines Zielobjektablagewinkels αz in der vertikalen Ebene wird die z- Koordinate bestimmt. Die Bestimmung erfolgt jeweils auf einfache Weise mittels Trigonometrie . Mit dem funkbasierten System ist es möglich, Zielobjekte, insbesondere Transponder, die nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung arbeiten, mit Hilfe eines von der Basisstation ausgesendeten frequenzmodulierten Funksignals zu orten. Die eindimensionale Entfernungsmessung erfolgt über eineA target deviation angle α z is an angle in a horizontal x, y plane or a vertical y, z plane at the horizontal plane between a main direction of the y-axis set by a moving direction of the base station , and a projection of the line from the base station to the target object in the horizontal plane or at the vertical plane between the main axis of the base station lying on the y-axis and a projection of the line from the base station to the target object in the vertical plane. By means of a Zielobjektablagewinkels α z in the horizontal plane, the x and y coordinates are determined. By means of a Zielobjektablagewinkels α z in the vertical plane, the z-coordinate is determined. The determination is carried out in each case in a simple manner by means of trigonometry. With the radio-based system, it is possible to locate target objects, in particular transponders, which operate on the principle of modulated backscatter, with the aid of a frequency-modulated radio signal emitted by the base station. The one-dimensional distance measurement takes place via a
Laufzeitmessung des elektromagnetischen Funksignals vom Sender über den Transponder zurück zum Empfänger. Die zwei- beziehungsweise dreidimensionale Ortung wird mit einer Bewegung der Messvorrichtung mit der einzigen Antenne unter Zuhilfe- nähme einer Phasenauswertung realisiert. Aus der Messung der an mehreren Positionen erfassten Phaseninformationen des vom Transponder reflektierten Signals, kann auf den jeweiligen Ablagewinkel αz des Transponders geschlossen werden. Dabei weisen die Messpositionen der Antenne einen Abstand dj von- einander auf. Zur zwei- beziehungsweise dreidimensionalen Ortung ist lediglich eine entsprechende Bewegung der Basisstation mit der Antenne erforderlich. Mittels der erfassten Entfernungswerte wird die exakte räumliche Position des Transponders bestimmt.Runtime measurement of the electromagnetic radio signal from the transmitter via the transponder back to the receiver. The two- or three-dimensional localization is realized with a movement of the measuring device with the single antenna with the aid of a phase evaluation. From the measurement of the phase information acquired at several positions of the signal reflected by the transponder, it is possible to deduce the respective storage angle α z of the transponder. In this case, the measuring positions of the antenna are at a distance dj from one another. For two- or three-dimensional positioning only a corresponding movement of the base station with the antenna is required. By means of the acquired distance values, the exact spatial position of the transponder is determined.
Die Entfernung rz eines sich in einem Beobachtungsgebiet eines Radarempfängers befindlichen Zielobjektes oder Zielreflektors wird beispielsweise aus einer Messung der Signallaufzeit tL vom Sender zum Reflektor und zurück zum Empfänger bestimmt. Als Sendesignal kann beispielsweise ein linear in seiner Frequenz moduliertes Hochfrequenzsignal (FMCW-Signal, frequency modulated continuous wave signal verwendet werden. Anhand der Entfernung rz und eines Zielobjektablagewinkel αz können mittels Trigonometrie x- und y- Koordinaten berechnet werden.The distance r z of a target object or target reflector located in an observation area of a radar receiver is determined, for example, from a measurement of the signal propagation time t L from the transmitter to the reflector and back to the receiver. As a transmission signal, for example a linearly modulated in its frequency high-frequency signal (FMCW signal, are used frequency modulated continuous wave signal. Based on the distance r z and a target deviation angle α z can x- means of trigonometry and y coordinates are calculated.
Wird in einer vertikalen Ebene der Zielobjektablagewinkel αz erfasst, kann die Elevation beziehungsweise die z- Koordinate ermittelt werden.If the target object storage angle α z is detected in a vertical plane, the elevation or the z coordinate can be determined.
Gemäß einer Ausgestaltung wird um einen zu ortenden Transponder eindeutig von anderen Störzielen im Erfassungsbereich des Radars beziehungsweise funkbasierten Systems zu unterschei- den, das Prinzip angewendet, das als modulierte Rückstreuung (modulated backscatter) des Sendesignals bekannt ist. Dem vom Transponder reflektierten Signal wird hierbei ebenso eine Modulation aufgeprägt, indem der Rückstreuquerschnitt bezie- hungsweise das Reflexionsverhalten der Transponderantenne periodisch mit einer Modulationsfrequenz fmocι variiert wird.According to one embodiment, in order to distinguish a transponder to be located unambiguously from other interference targets in the detection range of the radar or radio-based system. which applies the principle known as modulated backscatter of the transmit signal. The signal reflected by the transponder is also given a modulation in that the backscatter cross section or the reflection behavior of the transponder antenna is periodically varied with a modulation frequency f moc .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird zur Ermittlung der Entfernung rz ein Frequenzabstand ΔF zwischen zwei Maxima im Spektrum des Basisbands eines mit einem gleichzeitig empfangenen Antwortsignal überlagerten gesendeten Sendesignals der Antenne bestimmt. Aufgrund der Transpondermodulation wird bewirkt, dass die vom Transponder stammenden Signalanteile im Spektrum in ein höheres Frequenzband, um (fmod) verschoben werden. Ober- und unterhalb der Modulationsfrequenz fmocι des Transponders ergeben sich zwei Maxima, deren gegenseitiger Frequenzabstand ΔF proportional der Entfernung rz des Transponders von der Basisstation ist.In accordance with a further refinement, to determine the distance r z, a frequency spacing ΔF between two maxima in the spectrum of the baseband of a transmitted transmission signal of the antenna superposed with a simultaneously received response signal is determined. Due to the transponder modulation causes the signal components originating from the transponder in the spectrum in a higher frequency band, by (f mo d) are moved. Above and below the modulation frequency f moc ι of the transponder, two maxima arise whose mutual frequency difference .DELTA.F is proportional to the distance r z of the transponder from the base station.
Zur Bestimmung des Frequenzabstandes ΔF der beiden um die Modulationsfrequenz fmod auftretenden Maxima, wird ein Maxima- Detektionsalgorithmus verwendet. Aus der ermittelten Frequenzdifferenz ΔF kann die Entfernung des Transponders nach folgender Formel berechnet werden:To determine the frequency spacing ΔF of the two maxima occurring at the modulation frequency f m od, a maxima detection algorithm is used. From the determined frequency difference ΔF the distance of the transponder can be calculated according to the following formula:
= AF -T -C0 = AF -T -C 0
4 • B4 • B
Hierbei bezeichnet CQ die Lichtgeschwindigkeit, T die Rampendauer und B den Frequenzhub des FMCW-Sendesignals .Here, C Q denotes the speed of light, T the ramp duration and B the frequency deviation of the FMCW transmission signal.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die relative Entfernung r-j_ desAccording to one embodiment, the relative distance r-j_ of
Zielobjekts zu einer Antenne anhand von Maxima- Phasendifferenzen bestimmt. Eine Maxima-Phasendifferenz ist die Differenz der Phasenwerte an den Frequenzstellen, bei de- nen die vorstehend genannten Maxima auftreten. Liegen zweiTarget object to an antenna determined on the basis of maximum phase differences. A maximum phase difference is the difference of the phase values at the frequency locations at which the abovementioned maxima occur. Lying two
Messungen bei leicht unterschiedlichen Entfernungen vor, dann ist die Differenz (Änderung) der Maxima-Phasendifferenzen aus diesen beiden Messungen proportional zur Entfernungsänderung.Measurements at slightly different distances before, then is the difference (change) of the maximum phase differences from these two measurements proportional to the change in distance.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind mittels der verschie- denen Messpositionen der Antenne Entfernungsunterschiede Δr-j_ von benachbarten Messpositionen zum Zielobjekt beziehungsweise Transponder jeweils anhand einer Differenz von Maxima- Phasendifferenzen bestimmbar. Aufgrund der hohen Sensitivität der Phase können über eine Phasenauswertung kleinste Entfer- nungsdifferenzen Δr-j_ aufgelöst werden. Diese Eigenschaft wird genutzt, um eine auftretende Wegdifferenz Δr-j_ zwischen Antennen und damit den Zielablagewinkel αz zu bestimmen.According to a further embodiment, distance differences Δr-j_ of adjacent measuring positions to the target object or transponder can each be determined on the basis of a difference of maximum phase differences by means of the different measuring positions of the antenna. Due to the high sensitivity of the phase, the smallest distance differences Δr-j_ can be resolved via a phase evaluation. This property is used to determine an occurring path difference Δr-j_ between antennas and thus the target offset angle α z .
Anhand des Verhältnisses von Entfernungsunterschieden Δr-j_ zweier benachbarter Messpositionen der Antenne zu deren Abständen dj ist mindestens ein Zielobjektablagewinkel αz bestimmbar. Dabei ist der arcussinus dieses Verhältnisses gleich dem Zielobjektablagewinkel αz . Aus dem Winkel αz und der Entfernung rz kann schließlich die x- und y-Position des Zielobjekts errechnet werden:On the basis of the ratio of distance differences Δr-j_ two adjacent measurement positions of the antenna to their distances dj at least one Zielobjektablagewinkel α z can be determined. The arcussinus of this ratio is equal to the Zielobjektablagewinkel α z . From the angle α z and the distance r z , finally, the x and y position of the target object can be calculated:
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
Ist die Entfernung rz der Basisstation vom Zielobjekt wesent- lieh größer als gegenseitige Abstände dj von benachbartenIs the distance r z of the base station from the target object substantially greater than mutual distances dj from neighboring ones
Messpositionen zueinander, dann ist für eine zweidimensionale Positionsbestimmung die Entfernung zum Zielobjekt in vorteilhafter Weise viel größer als der gegenseitige Abstand der Messpositionen zueinander, das heißt rz » d-j . Es kann damit näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die vom Zielobjekt zu den Antennen reflektierten Strahlen parallel zueinander verlaufen.Measuring positions to each other, then for a two-dimensional position determination, the distance to the target object is advantageously much larger than the mutual distance of the measuring positions to each other, that is r z »d- j . It can thus be approximately assumed that the rays reflected from the target object to the antennas run parallel to one another.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Abstand dj benach- barter Messpositionen klein. Da eine Phasendifferenz bei einer Entfernungsänderung von Δr = λ/4 einen Winkelbereich von φ überstreicht, entsteht eine Mehrdeutigkeit des Maxima- Phasendifferenzverlaufes . Aufgrund dieser Mehrdeutigkeit ist eine eindeutige Entfernungsmessung nur im Bereich einer 1/4- Wellenlänge möglich, λ ist dabei die Wellenlänge des Sendesignals. Um einen möglichst großen Winkelbereich eindeutig erfassen zu können, muss der Abstand d-i der Messpositionen entsprechend klein gewählt werden, und zwar um so kleiner je kürzer die Wellenlänge λ ist.According to a further embodiment, the distance dj of adjacent measuring positions is small. Since a phase difference covers an angular range of φ with a change in distance of Δr = λ / 4, an ambiguity of the maximum Phase difference course. Because of this ambiguity, a clear distance measurement is possible only in the range of 1/4 wavelength, λ is the wavelength of the transmission signal. In order to be able to clearly detect the widest possible angular range, the distance di of the measuring positions must be selected to be correspondingly small, specifically the shorter the shorter the wavelength λ.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Messpositionen entlang einer Horizontalen und entlang einer Vertikalen angeordnet. Auf diese Weise ist eine dreidimensionale Ortung möglich. Es können einerseits der Azimut und andererseits die Elevation eines Zielobjektes bestimmt werden. Zusammen mit der gemessenen Entfernung können die x-, y- und z-Koordinaten berechnet werden. In einer weiteren Ausführungsform wird die Basisstation mit der Antenne auf einem Kreis bewegt.According to a further embodiment, the measuring positions are arranged along a horizontal and along a vertical. In this way, a three-dimensional location is possible. On the one hand, the azimuth and, on the other hand, the elevation of a target object can be determined. Together with the measured distance, the x, y and z coordinates can be calculated. In a further embodiment, the base station is moved with the antenna on a circle.
Figur 1 zeigt beispielsweise den Aufbau und die Messgrößen eines zweidimensionalen Ortungssystems. Es wird eine Basis- Station 1, eine Antenne 3, ein Bewegungssensor 31, eine Recheneinheit 30, ein Zielobjekt 2, beispielsweise ein Transponder dargestellt. Der Bewegungssensor 31 ist beispielsweise als Beschleunigungssensor oder Magnetfeldsensor ausgebildet, der in der Lage ist, eine Bewegung der Basissta- tion 1 sowohl dem Betrage nach als auch der Richtung nach zu ermitteln. Der Bewegungssensor ist fest mit der Basisstation verbunden. In einer Ausführungsform kann die Recheneinheit 30 Signale des Bewegungssensors 31 mit Hilfe eines Sensormodells aufbereiten und anschließend einen Wert für die von der Ba- sisstation 1 zurückgelegte Strecke und einen Winkel für dieFIG. 1 shows, for example, the construction and the measured variables of a two-dimensional locating system. A base station 1, an antenna 3, a motion sensor 31, a computing unit 30, a target object 2, for example a transponder, are represented. The motion sensor 31 is designed, for example, as an acceleration sensor or magnetic field sensor which is able to determine a movement of the base station 1 both in terms of magnitude and direction. The motion sensor is firmly connected to the base station. In one embodiment, the arithmetic unit 30 can process signals of the motion sensor 31 with the aid of a sensor model and then a value for the distance traveled by the base station 1 and an angle for the
Richtung der zurückgelegten Strecke ermitteln. Die Recheneinheit 30 ist in einer weiteren Ausführungsform ausgebildet, um mit einem Bewegungsmodell den Betrag der Bewegung und/oder die Richtung der Bewegung, d.h. die Bewegungskurve der Basis- Station zu überprüfen und zu präzisieren.Determine the direction of the distance covered. The arithmetic unit 30 is designed in a further embodiment to use a movement model to determine the amount of movement and / or the direction of movement, i. check and specify the movement curve of the base station.
Die Entfernung der Basisstation 1 zum Zielobjekt 2 ist mit rz bezeichnet. Die Basisstation stellt eine Vorrichtung zum funkbasierten Orten dar. Ebenso ist der Zielablagewinkel αz dargestellt. Im Folgenden wird als Zielobjekt 2 ein Transpon- der 2 verwendet. Die zu ortenden Transponder 2 können passiv, das heißt feldgespeist ohne eigene Stromversorgung arbeiten. Diese können ebenso semi-passiv sein, das heißt sie sind mit einer eigenen Batterie oder einem Akkumulator bereitgestellt. Je nach Bewegungskurve der Antenne 3 mit der Basisstation 1 während eines Messvorganges ist eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Ortung möglich. Zur Bestimmung einer Phaseninfor- mation kann das vom Transponder 2 reflektierte Signal von der Basisstation 1 während der Bewegung der Basisstation 1 an den einzelnen Messpositionen sequentiell ausgewertet werden. Die Auswertung und die Berechnungen werden von der Recheneinheit 30 durchgeführt. Der Transponder 2 kann eine Antenne 3a auf- weisen. Eine erste Einrichtung Ia zur Entfernungsbestimmung sowie eine Einrichtung Ib zur Winkelbestimmung können in der Basisstation 1 integriert sein.The distance of the base station 1 to the target object 2 is designated by r z . The base station provides a device for radio-based locations. Likewise, the target offset angle α z is shown. In the following, a transponder 2 is used as the target object 2. The transponder 2 to be located can work passively, that is to say field-powered without its own power supply. These may also be semi-passive, that is they are provided with their own battery or accumulator. Depending on the movement curve of the antenna 3 with the base station 1 during a measuring process, a one-, two- or three-dimensional locating is possible. In order to determine a phase information, the signal reflected by the transponder 2 can be evaluated sequentially by the base station 1 during the movement of the base station 1 at the individual measuring positions. The evaluation and the calculations are performed by the arithmetic unit 30. The transponder 2 may have an antenna 3a. A first device Ia for distance determination and a device Ib for determining the angle can be integrated in the base station 1.
Es ergeben sich folgende Vorteile aufgrund der erfindungsge- mäßen Ortsbestimmung von Zielobjekten. Es ist die Ortung von RFID-Marken möglich. Ebenso kann eine Ortung von passiven o- der semi-passiven funkabfragbaren Sensoren erfolgen. Eine zwei- oder dreidimensionale Ortung kann in einem einzigen Lesegerät erfolgen, da die Antenne 3 während des Messvorganges an verschiedene Messpositionen bewegt und diese Bewegung er- fasst wird. Auf diese Weise sind tragbare Handlesegeräte zur Ortung bereitstellbar. Bei der Verwendung von passiven und semi-passiven RFID-Marken ist der Energieaufwand im Transponder 2 gering, da kein aktives, verstärkendes Modulationsver- fahren verwendet wird. Ebenso kann der Datenstrom von RFID- Marken zur Ortung verwendet werden. Auf diese Weise ist keine zusätzliche Hardware an der RFID-Marke erforderlich. Ebenso sind vorteilhaft Standard RFID-Transponder 2 verwendbar, die nach dem Prinzip der modulierten Rückstreuung arbeiten.The following advantages result on the basis of the inventive determination of target objects. It is possible to locate RFID brands. Likewise, a location of passive or semi-passive funkabfragbaren sensors can be done. A two- or three-dimensional locating can be done in a single reading device, since the antenna 3 moves during the measuring process to different measuring positions and this movement is detected. In this way, portable handheld readers are available for locating. When using passive and semi-passive RFID tags, the energy expenditure in the transponder 2 is low since no active, amplifying modulation method is used. Similarly, the data stream of RFID tags can be used for location. In this way, no additional hardware is required at the RFID tag. Likewise, it is advantageous to use standard RFID transponders 2, which operate on the principle of modulated backscattering.
Figur 2A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur funkbasierten Ortung insbesondere von RFID-Marken be- ruht insbesondere auf der Radartechnik. Es wird ein frequenzmoduliertes elektromagnetisches Sendesignal von der Basisstation 1 ausgesendet. Die Entfernung eines sich im Beobachtungsgebiet der Basisstation 1 beziehungsweise des Radaremp- fängers befindlichen Zielobjekts 2 beziehungsweise Zielreflektors wird aus einer Messung der Signallaufzeit tL vom Sender zum Reflektor und zurück zum Empfänger bestimmt. Als Sendesignal wird beispielsweise ein linear in seiner Frequenz moduliertes Hochfrequenzsignal (FMCW-Signal) verwendet.FIG. 2A shows a first exemplary embodiment of a one-dimensional distance measurement. A device and a method for radio-based positioning, in particular of RFID tags rests in particular on the radar technology. A frequency-modulated electromagnetic transmission signal is emitted by the base station 1. The distance of a target object 2 or target reflector located in the observation area of the base station 1 or of the radar receiver is determined from a measurement of the signal transit time t L from the transmitter to the reflector and back to the receiver. As a transmission signal, for example, a linearly modulated in its frequency high-frequency signal (FMCW signal) is used.
Aus der Frequenzdifferenz zwischen momentan gesendetem und empfangenem Signal lässt sich die Signallaufzeit tL und damit die Entfernung des Reflektors ermitteln. Die Auswertung der Frequenzdifferenz, die der Entfernung des Zielobjekts 2 pro- portional ist, erfolgt im Frequenzbereich. Im Basisband gemäß Figur 2B des Spektrums ergibt sich hierbei ein Signalpeak bei der Frequenz, die der Frequenzdifferenz entspricht. Gemäß Figur 2A bezeichnet 4 das Sendesignal, 5 das Empfangssignal und 6 das Differenzfrequenzsignal. Das Empfangssignal 5 kann als Antwortsignal 5 bezeichnet werden. ΔF bezeichnet die Frequenzdifferenz, fg die Startfrequenz des Sendesignals 4, T die Rampendauer und B den Frequenzhub des FMCW-Sendesignals 4. Die Signallaufzeit ist mit tL dargestellt. Figur 2B zeigt den Signalpeak beziehungsweise das Maximum bei der Frequenz, die der Frequenzdifferenz ΔF entspricht.From the frequency difference between the currently transmitted and received signal, the signal delay tL and thus the distance of the reflector can be determined. The evaluation of the frequency difference, which is proportional to the distance of the target object 2, takes place in the frequency domain. In the baseband according to FIG. 2B of the spectrum, this results in a signal peak at the frequency which corresponds to the frequency difference. According to FIG. 2A, 4 denotes the transmission signal, 5 the reception signal and 6 the difference frequency signal. The received signal 5 may be referred to as a response signal 5. ΔF denotes the frequency difference, fg the start frequency of the transmission signal 4, T the ramp duration and B the frequency deviation of the FMCW transmission signal 4. The signal propagation time is represented by tL. FIG. 2B shows the signal peak or the maximum at the frequency which corresponds to the frequency difference ΔF.
Figur 3 zeigt eine Basisstation 1 mit der Antenne 3, über die ein Sendesignal 4 an einen Transponder 2 gesendet wird. Der Transponder 2 weist einen Modulator 7 auf, der mittels eines Modulationssignals 8 moduliert wird. Zudem weist derFIG. 3 shows a base station 1 with the antenna 3, via which a transmission signal 4 is sent to a transponder 2. The transponder 2 has a modulator 7, which is modulated by means of a modulation signal 8. In addition, the
Transponder 2 eine Antenne 3a auf. Der Transponder 2 sendet ein Empfangssignal beziehungsweise ein Antwortsignal zur Basisstation 1 zurück. Das Antwortsignal ist hier ein moduliertes Reflexionssignal 9. Um einen zu ortenden Transponder 2 eindeutig von anderen Störzielen im Erfassungsbereich des funkbasierten Systems beziehungsweise des Radars zu unterscheiden, wird ein Prinzip angewendet, das als modulierte Rückstreuung (modulated backscatter) bekannt ist. Dem vom Transponder 2 reflektierten Signal wird hierbei eine Modulation, mittels eines Modulationssignals 8, aufgeprägt, indem der Rückstreuquerschnitt beziehungsweise das Reflexionsverhalten der Transponderantenne 3a periodisch mit der Modulati- onsfrequenz fmod variiert wird. Die Modulation kann aktiv o- der passiv erfolgen, allerdings ist eine aktive Ausführung, das heißt eine aktive Verstärkung des Signals im Transponder 2 nicht erforderlich. Das Prinzip der modulierten Rückstreuung ist äußerst energieeffizient, so dass es sich hervorra- gend für die Verwendung in feldgespeisten RFID-Transpondern 2 eignet. Als Modulationsverfahren kann z.B. eine Amplitudenoder eine Phasenmodulation verwendet werden. Es können auch andere Modulationsarten eingesetzt werden. Zur mehrdimensionalen Ortsbestimmung werden besonders vorteilhaft auf modu- lierter Rückstreuung basierte Transponder 2 verwendet. Die dabei verwendeten Transponder 2 können passiv sein. In diesem Fall wird ein Modulator 7 aus dem Funkfeld gespeist. Es ist damit keine eigene Energiequelle wie beispielsweise eine Batterie oder ein Akku auf dem Transponder 2 erforderlich. Es erfolgt eine unverstärkte Zurückstreuung. Ebenso ist die Verwendung von semi-passiven Transpondern möglich. Dabei wird ein Modulator 7 mit einer auf dem Transponder 2 integrierten Energiequelle versorgt. Es erfolgt ebenso eine unverstärkte Zurückstreuung. Eine weitere Ausführungsform sind aktive Transponder 2. Gemäß dieser Ausgestaltung ist eine Energiequelle für Verstärker und Modulator 7 auf dem Transponder 2 vorhanden. Das heißt, das von der Basisstation 1 gesendete Sendesignal 4 wird verstärkt zurückgesendet beziehungsweise es wird ein Antwortsignal 5 generiert und ausgesendet.Transponder 2 an antenna 3a. The transponder 2 sends back a received signal or a response signal to the base station 1. Here, the response signal is a modulated reflection signal 9. In order to clearly differentiate a transponder 2 to be located from other interference targets in the detection range of the radio-based system or the radar, a principle known as modulated backscatter is used. From the Transponder 2 reflected signal is in this case a modulation, by means of a modulation signal 8, imprinted by the backscatter cross section or the reflection behavior of the transponder antenna 3a periodically with the modulation onsfrequenz f m od is varied. The modulation can be active or passive, but an active design, that is an active amplification of the signal in the transponder 2 is not required. The principle of modulated backscattering is extremely energy efficient, making it ideal for use in field-powered RFID transponders 2. As a modulation method, for example, an amplitude or a phase modulation can be used. Other types of modulation can also be used. For multidimensional location determination, transponders 2 based on modulated backscatter are used with particular advantage. The transponder 2 used in this case can be passive. In this case, a modulator 7 is fed from the radio field. It is therefore not a separate source of energy such as a battery or a battery on the transponder 2 required. There is an unreinforced backscatter. Likewise, the use of semi-passive transponders is possible. In this case, a modulator 7 is supplied with an integrated energy source on the transponder 2. There is also an unreinforced backscatter. Another embodiment is active transponder 2. According to this embodiment, an energy source for amplifier and modulator 7 on the transponder 2 is present. That is, the transmission signal 4 transmitted from the base station 1 is sent back intensified, or a response signal 5 is generated and transmitted.
Durch die Modulation wird bewirkt, dass die vom Transponder 2 stammenden Signalanteile im Spektrum in ein höheres Frequenzband (um fmod) verschoben werden.The modulation causes the signal components originating from the transponder 2 to be shifted in the spectrum to a higher frequency band (by f mo d).
Figur 4 zeigt beispielhaft das für die Entfernungsauswertung relevante Spektrum. Oberhalb und unterhalb der Modulationsfrequenz fmod des Transponders 2 ergeben sich zwei Maxima, deren gegenseitiger Frequenzabstand ΔF proportional der Ent- fernung rz des Transponders 2 von der Basisstation 1 ist. Signalanteile, die von nicht modulierenden Störreflektoren stammen, liegen bei niedrigeren Frequenzen. Mit Hilfe eines Bandpasses können die für die Entfernungsbestimmung des Transponders 2 relevanten Signalbestandteile herausgefiltert werden. Auf diese Weise ist eine Unterscheidung zwischen dem vom Transponder 2 reflektierten Signal und Signalen, die von anderen nicht modulierenden Reflektoren stammen, möglich. Eine Möglichkeit zur Auswertung der Entfernungsinformation ist mittels digitaler Signalverarbeitung geschaffen. Zunächst wird über eine Fourier-Transformation (zum Beispiel FFT) das Spektrum berechnet, wobei Verfahren wie Wichtung des Signals mit einer Fensterfunktion und Zero-Padding angewandt werden können, um die Auswertung zu optimieren. Zur Bestimmung des Frequenzabstandes ΔF der beiden um die Modulationsfrequenz fmod auftretenden Maxima wird ein Maxima-Detektions- algorithmus verwendet. Aus der ermittelten Frequenzdifferenz ΔF kann die Entfernung des Transponders nach folgender Formel berechnet werden:FIG. 4 shows by way of example the spectrum relevant for the distance evaluation. Above and below the modulation frequency f mo d of the transponder 2, there are two maxima whose mutual frequency spacing ΔF is proportional to the deviation. Distance z of the transponder 2 from the base station 1 is. Signal components originating from non-modulating interference reflectors are at lower frequencies. With the aid of a bandpass, the signal components relevant for the distance determination of the transponder 2 can be filtered out. In this way, it is possible to distinguish between the signal reflected by the transponder 2 and signals originating from other non-modulating reflectors. One possibility for evaluating the distance information is created by means of digital signal processing. First, the spectrum is calculated via a Fourier transform (for example FFT), whereby methods such as weighting of the signal with a window function and zero-padding can be used to optimize the evaluation. In order to determine the frequency spacing ΔF of the two maxima occurring around the modulation frequency f mod, a maxima detection algorithm is used. From the determined frequency difference ΔF the distance of the transponder can be calculated according to the following formula:
= AF . T C0 = AF. T C 0
4 • B4 • B
Hierbei bezeichnet CQ die Lichtgeschwindigkeit, T die Rampendauer und B den Frequenzhub des FMCW-Sendesignals .Here, C Q denotes the speed of light, T the ramp duration and B the frequency deviation of the FMCW transmission signal.
Die Auswertung des Betragsspektrums liefert einen Betragswert für die Entfernung mit einer Genauigkeit von etwa + 10 cm.The evaluation of the magnitude spectrum gives an amount value for the distance with an accuracy of approximately + 10 cm.
Figur 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimen- sionalen Positionsbestimmung durch die Bewegung der Basisstation 2 mit der Antenne 3 und einem Bewegungssensor 31 auf einer Bewegungskurve mit zwei Messpositionen Pl, P2. Es sind nur zwei Messpositionen dargestellt, wobei während eines Messvorganges an vielen Messpositionen eine Messung der Bewe- gungskurve der Basisstation durchgeführt wird. Während eines Messvorgangs können viele FMCW-Sweeps durchgeführt werden. Der Bewegungssensor 31 ermittelt den Abstand d der Messpositionen .FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of a two-dimensional position determination by the movement of the base station 2 with the antenna 3 and a movement sensor 31 on a movement curve with two measurement positions P1, P2. Only two measuring positions are shown, wherein during a measuring process at many measuring positions a measurement of the movement curve of the base station is carried out. During a measurement, many FMCW sweeps can be performed. The motion sensor 31 determines the distance d of the measurement positions.
Für eine zweidimensionale Positionsbestimmung wird das Lese- gerät mit der Basisstation und der Antenne auf der Messkurve an eine erste Messposition Pl und anschließend an eine zweite Messposition P2 bewegt. Die erste und zweite Messposition Pl, P2 haben einen Abstand d, der vom Bewegungssensor 31 er- fasst wird. An den Messpositionen Pl, P2 wird von der Basis- Station jeweils ein Sendesignal ausgesandt und ein Antwortsignal erhalten.For a two-dimensional position determination, the reading device with the base station and the antenna is moved on the measuring curve to a first measuring position Pl and then to a second measuring position P2. The first and second measuring positions Pl, P2 have a distance d, which is detected by the motion sensor 31. At the measuring positions P1, P2, a transmission signal is transmitted by the base station and a response signal is obtained.
Durch ein Phasenauswertungsverfahren ist es möglich, den Laufzeitunterschied der Signale vom Sender 1 zum Transponder 2 und zurück zur Antenne 3 an den zwei Messpositionen Pl, P2 auszuwerten und daraus auf den Zielablagewinkel αz des Transponders 2 zu schließen. Aus dem vorstehend ermittelten Entfernungswert rz kann damit die x- und y-Position des Transponders 2 bestimmt werden.By a phase analysis method, it is possible to evaluate the propagation time difference of the signals from the transmitter 1 to the transponder 2 and back to the antenna 3 at the two measurement positions Pl, P2 and from α to the target deviation angle for closing of the transponder. 2 The x and y position of the transponder 2 can thus be determined from the distance value r z determined above.
Ist die Entfernung zum Zielobjekt 2 viel größer als der Abstand der Messpositionen Pl, P2, das heißt ist rz » d, so kann man näherungsweise davon ausgehen, dass die vom Zielobjekt 2 zu den beiden Messpositionen reflektierten Strahlen parallel zueinander verlaufen. Diese Vereinfachung ist in Figur 5 dargestellt.If the distance to the target object 2 is much greater than the distance of the measuring positions Pl, P2, that is, r z »d, one can approximately assume parallel to one another that the reflected from the target object 2 to the two measurement positions rays. This simplification is shown in FIG.
Der Winkel αz zum Zielobjekt 2 lässt sich aus der Entfernungsdifferenz Δr]_2 = rl ~ r2 der beiden Strahlengänge bestimmen:The angle α z to the target object 2 can be determined from the distance difference Δr] _2 = r l ~ r 2 of the two beam paths:
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
Aus dem Winkel αz und der Entfernung rz kann schließlich die x- und y-Position des Zielobjekts errechnet werden:
Figure imgf000016_0001
From the angle α z and the distance r z , finally, the x and y position of the target object can be calculated:
Figure imgf000016_0001
Zur Bestimmung der Entfernungsdifferenz Δr]_2 wird die Phase der an den zwei Messpositionen von der Antenne empfangenen Signale herangezogen.To determine the distance difference Δr] _2, the phase of the signals received at the two measuring positions by the antenna is used.
Zur eindimensionalen Messung der Entfernung rz wird lediglich der Frequenzabstand ΔF der beiden im Spektrum detektierten Maxima genutzt. Für die zweidimensionale Positionsbestimmung und damit für die Bestimmung des Zielobjektablagewinkels αz werden vorteilhaft die Phasenwerte an den Stellen der beiden Maxima im Spektrum ausgewertet. Hierzu bestimmt man die Phase an den Frequenzstellen, bei denen die Maxima auftreten und bildet deren Differenz:For the one-dimensional measurement of the distance r z , only the frequency spacing ΔF of the two maxima detected in the spectrum is used. For the two-dimensional position determination and thus for the determination of the target object placement angle α z , the phase values at the locations of the two maxima in the spectrum are advantageously evaluated. For this purpose, one determines the phase at the frequency points at which the maxima occur and forms their difference:
/ / Maximum, rech t s / Maximum, l inks / A \/ / Maximum, right s / maximum, left / A \
Die ermittelte Phasendifferenz Δφ ist gemäß folgender Formel :The determined phase difference Δφ is according to the following formula:
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0002
proportional der Entfernung des Transponders 2 von der Basisstation 1. λ bezeichnet hierbei die Wellenlänge des Sendesignals .proportional to the distance of the transponder 2 from the base station 1. λ here denotes the wavelength of the transmission signal.
Figur 6 zeigt den Verlauf der Phasendifferenz Δφ über den Entfernungsbereich einer Wellenlänge λ. Die Phasendifferenz Δφ überstreicht einen Winkelbereich von 2π, bei der Entfernungsänderung von Δr = λ/4. Aufgrund dieser Mehrdeutigkeit des Maxima-Phasendifferenzverlaufes ist eine eindeutige Entfernungsmessung nur im Bereich einer viertel Wellenlänge mög- lieh. Jedoch können aufgrund der hohen Sensitivität der Phasensteigungskurve über eine Phasenauswertung kleinste Entfer- nungsdifferenzen aufgelöst werden. Diese Eigenschaft wird verwendet, um die auftretende Wegdifferenz Δr]_2 zwischen den zwei Messpositionen Pl, P2 der Antenne 3 und damit den Zielablagewinkel αz des Transponders 2 zu bestimmen.FIG. 6 shows the course of the phase difference Δφ over the distance range of a wavelength λ. The phase difference Δφ passes over an angular range of 2π in the range change of Δr = λ / 4. Because of this ambiguity of the maximum phase difference curve, a clear distance measurement is only possible in the region of a quarter wavelength. However, due to the high sensitivity of the phase slope curve, a very small amount of differences are resolved. This property is used to determine the occurring path difference Δr] _2 between the two measurement positions Pl, P2 of the antenna 3 and thus the target offset angle α z of the transponder 2.
Die Auswertung des (Maxima-Phasendifferenzen) Phasenverlaufs im Spektrum liefert eine Genauigkeit von ± 0,1 mm. Diese Entfernung kann allerdings nur relativ angegeben werden, da der Eindeutigkeitsbereich nur λ/4 « 31 mm beträgt (bei 2,4 GHz) .The evaluation of the (maxima-phase differences) phase characteristic in the spectrum delivers an accuracy of ± 0.1 mm. However, this distance can only be stated relatively, since the uniqueness range is only λ / 4 "31 mm (at 2.4 GHz).
Figur 7 zeigt ein weiteres Verfahren, das eine Basisstation 1 mit einer Antenne 3 und einen Bewegungssensor 31 an zwei Messpositionen Pl, P2 verwendet. Erneut ist ein Zielobjekt 2 beziehungsweise Transponder 2 dargestellt, der einen mittels eines Modulationssignals 8 modulierten Modulator 7 und eine Antenne 3a aufweist. Mit r-\_ und ∑2 sind die jeweiligen Abstände der zwei Messpositionen Pl, P2 der Antenne 3 der Basisstation 1 zur Antenne 3a des Transponders 2 dargestellt.FIG. 7 shows a further method which uses a base station 1 with an antenna 3 and a motion sensor 31 at two measuring positions P1, P2. Once again, a target object 2 or transponder 2 is shown which has a modulator 7 modulated by means of a modulation signal 8 and an antenna 3a. With r - \ _ and Σ2 the respective distances of the two measuring positions Pl, P2 of the antenna 3 of the base station 1 to the antenna 3a of the transponder 2 are shown.
Mit d ist der Abstand der zwei Messpositionen Pl, P2 bezeich- net. Zur Bestimmung des Zielablagewinkels αz wird nun folgendermaßen vorgegangen:D is the distance between the two measuring positions Pl, P2. To determine the target deviation angle α z , the procedure is now as follows:
Zunächst wird die Phasendifferenz der detektierten Maxima jeweils der Antenne 3 der Basisstation 1 der Messungen an den zwei Messpositionen Pl, P2 ermittelt:First, the phase difference of the detected maxima of each of the antenna 3 of the base station 1 of the measurements at the two measuring positions Pl, P2 is determined:
/4 2π/ 4 2π
2 = J/ 2 = J /
(6:(6:
wobei Δφ]_ die Phasendifferenz der detektierten Maxima derwhere Δφ] _ the phase difference of the detected maxima of
Messung an der ersten Messposition Pl und Δφ2 die Phasendifferenz der detektierten Maxima der Messung an der zweiten Messposition bezeichnet. Aus der Differenz der beiden Maxima-Phasendifferenzen Δφ]_2 = Δφ]_ - Δφ2 kann nun der Entfernungsunterschied Δr]_2 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden:Measurement at the first measurement position Pl and Δφ2 denoting the phase difference of the detected maxima of the measurement at the second measurement position. From the difference between the two maximum phase differences Δφ] _2 = Δφ] _ - Δφ2, the distance difference Δr] _2 can now be determined with high accuracy:
Ar12 = rλ - r2 = {Aφλ - Aφ2) ■
Figure imgf000018_0001
Ar 12 = r λ - r 2 = {Aφ λ - Aφ 2 ) ■
Figure imgf000018_0001
(7)(7)
Auf diese Weise lässt sich der Zielablagewinkel αz desIn this way, the target storage angle α z of
Transponders 2 nach folgender Formel berechnen:Calculate transponders 2 according to the following formula:
a, = arcsin ( 8 )
Figure imgf000018_0002
a, = arcsin (8)
Figure imgf000018_0002
, wobei d den Abstand der zwei Messpositionen beschreibt.where d describes the distance between the two measuring positions.
Aufgrund der Periodizität der Phasensteigungskurve mit 2π ist eine eindeutige Winkelmessung nur im Bereich Δφ]_2 = + π möglich. Der eindeutig erfassbare Winkelbereich αz^ej_ncl ergibt sich damit zu:Due to the periodicity of the phase slope curve with 2π, an unambiguous angle measurement is only possible in the range Δφ] _2 = + π. The uniquely detectable angular range α z ^ e j_ n cl thus results in:
«z,eind = ± <9>
Figure imgf000018_0003
"Z, eind = ± <9>
Figure imgf000018_0003
Um einen möglichst großen Winkelbereich eindeutig erfassen zu können, muss der Abstand d der Messpositionen Pl, P2 entsprechend klein gewählt werden, und zwar umso kleiner, je kürzer die Wellenlänge λ ist.In order to be able to clearly detect the widest possible angular range, the distance d of the measuring positions P1, P2 must be selected to be correspondingly small, specifically, the smaller the shorter the wavelength λ.
Ist der damit beschränkte Eindeutigkeitsbereich des Zielablagewinkels zu klein, lässt sich folgendes Verfahren anwenden. Die Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs ist auf folgende Weise möglich. Der Eindeutigkeitsbereich kann vorteilhaft mittels eines Messverfahrens erreicht werden, bei dem an vielen dicht beieinander liegenden Positionen gemessen wird.If the uniqueness range of the target delivery angle is too small, the following procedure can be used. The extension of the uniqueness range is possible in the following way. The uniqueness range can advantageously be achieved by means of a measuring method in which measurements are made at many closely spaced positions.
Fig. 8 zeigt ein Messverfahren, bei dem die Basisstation 1 die Phasendifferenzen von Maxima an den Messpositionen Pl, P2, P3, wie oben beschrieben, ermittelt. Dabei wird die Ba- sisstation 1 von der ersten Messposition Pl zur zweiten Messposition P2 und anschließend zur dritten Messposition P3 bewegt. An jeder Messposition führt die Basisstation 1 eine Messung durch.8 shows a measuring method in which the base station 1 determines the phase differences of maxima at the measuring positions P1, P2, P3, as described above. In doing so, the sisstation 1 moves from the first measuring position Pl to the second measuring position P2 and then to the third measuring position P3. At each measuring position, the base station 1 performs a measurement.
Die detektierten Phasendifferenzen der Maxima erfüllen folgende Gleichungen:The detected phase differences of the maxima satisfy the following equations:
Λ Λ
Ψl = 17 ' ri Ψl = 17 'ri
/4/ 4
Ψl = 17 ' r2 /4 Ψl = 17 'r2 / 4
/4 ( 10 ) / 4 (10)
Bildet man die Differenz der Maxima-Phasendifferenzen von der ersten und zweiten Messposition und von der zweiten und einer dritten Messposition:If the difference of the maximum phase differences from the first and second measuring position and from the second and a third measuring position is formed:
12 = Aq)1 - Aφ2 12 = Aq) 1 - Aφ 2
23 = Aφ2 - Aφ3 23 = Aφ 2 - Aφ 3
(11)(11)
so lassen sich daraus die Unterschiede der an den einzelnen Messpositionen zum Transponder 2 gemessenen Weglängen berechnen :In this way, the differences between the path lengths measured at the individual measuring positions relative to the transponder 2 can be calculated therefrom:
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
( 12 )(12)
wobei mit Δr]_2 der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Weglänge ri, T2 und mit Δr23 der Unterschied zwischen der zweiten und dritten Weglänge T2, r3 bezeichnet ist. Aus den ermittelten Wegdifferenzen ergibt sich der jeweils von zwei Messpositionen ermittelte Zielablagewinkel:where Δr] _2 the difference between the first and the second path length ri, T2 and with Δr23 the difference between the second and third path length T 2 , r 3 is designated. From the determined path differences, the target deviation angle determined by two measurement positions results:
Ar12 sin Qr12 = — —Ar 12 sin Qr 12 = - -
Ar, sin α,, = '12 ( 13 : c wobei mit c der Abstand zwischen der zweiten Messposition P2 und der dritten Messposition P3 bezeichnet ist.Ar, sin α ,, = '12 (13: c where c is the distance between the second measuring position P2 and the third measuring position P3.
Unter der Voraussetzung, dass rz » d, c ist, kann man davon ausgehen, dass sinα]_2 = si23 = sinαz ist. Nun subtrahiert man den von der zweiten und dritten Messposition P2,P3 ermittelten Wegunterschied Δr23 von Δr]_2 :Assuming that r z »d, c, one can assume that sinα] _2 = s i 23 = sinα z . Now one subtracts the path difference Δr23 from Δr] _2 determined by the second and third measuring positions P2, P3:
Ar12 - Ar23 = sin az • d - sin az • c = sinαz (d - c) (14)Ar 12 - Ar 23 = sin a z • d - sin a z • c = sinα z (d - c) (14)
Auf diese Weise lässt sich der Zielablagewinkel αz in Abhängigkeit der von den drei Messpositionen P1,P2,P3 bestimmten Entfernungsdifferenzen Δr]_2 und Δr23 ermitteln:In this way, the target deposition angle α z can be determined as a function of the distance differences Δr] _2 and Δr23 determined by the three measurement positions P1, P2, P3:
sin a = Ari2 ~ Ar23 (15) d - csin a = Ari 2 ~ Ar 23 (15) d - c
beziehungsweise mit den für die Entfernungsdifferenzen hergeleiteten Gleichungen in der Formor with the equations in the form derived for the distance differences
a, ( 1 6 )
Figure imgf000020_0001
a, (1 6)
Figure imgf000020_0001
darstellen .represent.
Für eine eindeutige Winkelmessung ergibt sich ebenso die Einschränkung auf den Phasenbereich Δφ]_2 - Δφ23 = ± π. Der damit maximal erfassbare Eindeutigkeitswinkel oc„ „, „^ = + arcs i n i λ For a clear angle measurement, the restriction to the phase range Δφ] _2 - Δφ23 = ± π results. The maximum detectable uniqueness angle oc "", " ^ = + arcs i ni λ
(d " c), ( 17 :(d " c), (17:
ist allerdings nicht mehr vom Abstand zweier Messpositionen, sondern vom Differenzabstand der zwei Paare von Messpositio- nen d - c abhängig. Auf diese Weise ist es möglich, den Winkelbereich für eine Zielortung auf jeden beliebigen Wert zwischen ± 90° einzustellen.However, it no longer depends on the distance between two measuring positions, but on the difference distance between the two pairs of measuring positions d - c. In this way it is possible to set the angle range for a target location to any value between ± 90 °.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform werden bei dem Be- wegungsvorgang der Basisstation 1 eine Vielzahl von Messungen der Entfernung mit Hilfe der von der Basisstation ausgesendeten Sendesignale und der vom Transponder empfangenen Antwortsignale durchgeführt. Aufgrund der Vielzahl der Messungen stehen eine Vielzahl von Werten für die einzelnen Abstände der Bewegungskurve und die Zielobjektablagewinkel zur Verfügung. Auf diese Weise kann aufgrund einer weiteren Verarbeitung der Werte für die Entfernungen und die Zielablagewinkel mit einer größeren Genauigkeit der tatsächliche Zielablagewinkel und der tatsächliche Abstand des Zielobjektes in Bezug auf die Basisstation berechnet werden.Depending on the selected embodiment, in the moving operation of the base station 1, a plurality of measurements of the distance are made using the transmission signals sent from the base station and the response signals received from the transponder. Due to the large number of measurements, a large number of values are available for the individual distances of the movement curve and the target object placement angles. In this way, due to further processing of the values for the distances and the target deviation angles with greater accuracy, the actual target deposition angles and the actual distance of the target object with respect to the base station can be calculated.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Basisstation in einer Ebene, vorzugsweise auf einer Kreisbewegung bewegt. Während des Bewegungsvorgangs werden eine Vielzahl von Mes- sungen mit der Basisstation durchgeführt. Bei den einzelnen Messungen wird jeweils eine Entfernung und ein Zielobjektablagewinkel ermittelt. Zusätzlich wird die Bewegungskurve mit Hilfe des Bewegungssensors 31 erfasst. Aus der erfassten Bewegungskurve und den gemessenen Entfernungen und gemessenen Zielobjektablagewinkeln wird eine präzise Entfernung und ein präziser Zielablagewinkel in Bezug auf eine festgelegte Position der Basisstation, beispielsweise der Endposition des Bewegungsvorganges berechnet.In a further embodiment, the base station is moved in one plane, preferably on a circular movement. During the movement process, a large number of measurements are carried out with the base station. For the individual measurements, a distance and a target deviation angle are determined. In addition, the movement curve is detected by means of the movement sensor 31. From the detected motion curve and the measured distances and measured target deviation angles, a precise distance and a precise aiming angle with respect to a fixed position of the base station, for example the end position of the movement process, is calculated.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Messvorrichtung von einer Bedienperson langsam vor dem Körper geschwenkt, wobei der Schwenkvorgang ein oder zwei Sekunden von einer äuße- ren linken zu einer äußeren rechten Position einer Bewegungskurve dauert. Bei einem FMCW-Messverfahren zur Bestimmung der Entfernung des Zielobjektes mit einer Sweepdauer, d.h. einer Rampendauer, bei der die Frequenz von einem Startwert auf ei- nen Endwert hochgefahren wird, von einer Millisekunde sind theoretisch 1000 Messungen pro Sekunde möglich. Somit stehen bei diesem Bewegungsvorgang über 1000 Messungen zur Verfügung. Somit könnten 1000 Entfernungen und 1000 Zielobjektablagewinkel berechnet werden, um eine genaue Position des Zielobjektes festzulegen.In a further embodiment, the measuring device is slowly swiveled in front of the body by an operator, wherein the pivoting process takes one or two seconds from an external ren left to an outer right position of a movement curve lasts. In an FMCW measurement method for determining the distance of the target object with a sweep duration, ie a ramp duration at which the frequency is increased from a start value to a final value, of one millisecond theoretically 1000 measurements per second are possible. Thus, over 1000 measurements are available during this movement process. Thus, 1000 distances and 1000 target drop angles could be calculated to establish an exact position of the target.
Ein Problem bei der Bewegungserfassung mit dem Bewegungssensor 31 wird durch die Signaldrift erzeugt. Dieses Problem ist jedoch in dem beschriebenen Messvorgang minimiert, da eine definierte Bewegung durchgeführt wird, die regelmäßig Punkte zum Nachjustieren bietet. Bei den kurzen Zeiten, wie erwähnt 1 bis 2 Sekunden für einen Messvorgang, ist der driftbedingte Fehler zudem relativ gering.A problem with the motion detection with the motion sensor 31 is generated by the signal drift. However, this problem is minimized in the measurement process described, since a defined movement is performed, which regularly provides points for readjustment. At the short times, as mentioned 1 to 2 seconds for a measurement, the drift error is also relatively low.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Messverfahren durch eine gezielte dreidimensionale Bewegung der Messvorrichtung im Raum verbessert werden.In a further embodiment, the measuring method can be improved by a targeted three-dimensional movement of the measuring device in the room.
Anstelle des beschriebenen FMCW-Messverfahrens können auch andere Verfahren eingesetzt werden, wobei das Grundprinzip des Messverfahrens beibehalten bleibt. Das Grundprinzip besteht darin, eine Basisstation mit einer Antenne zu verwenden, die Basisstation mit der Antenne zu bewegen und an mehreren Positionen Messungen durchzuführen und aus den mehreren Messungen eine relative räumliche Position des Zielobjektes zur Basisstation zu ermitteln. Instead of the described FMCW measuring method, other methods can also be used while maintaining the basic principle of the measuring method. The basic principle is to use a base station with an antenna, to move the base station with the antenna and to perform measurements at several positions and to determine from the multiple measurements a relative spatial position of the target object to the base station.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zum funkbasierten Orten eines Zielobjektes (2), insbesondere eines RFID Transponders, mit einem Sender zum Erzeugen eines Sendesignals, mit einem Empfänger zum Empfangen eines Antwortsignals, mit einer Antenne (3) , die mit dem Sender und mit dem Empfänger verbunden ist, wobei die Antenne (3) das Sendesignal des Senders ausstrahlt und ein Antwortsignal eines Zielobjektes (2) auf das Sendesignal empfängt, mit einem Bewegungssensor (31) zum Erfassen einer Bewegung der Vorrichtung, mit einer Recheneinheit (30), die mit dem Bewegungssensor (31), dem Sender und dem Empfänger verbunden ist, wobei die Recheneinheit (30) während einer Bewegung der Vorrichtung an mindestens zwei verschiedenen Messpositionen (Pl, P2) der Vorrichtung (1) mit der Antenne (3) jeweils ein Sendesignal sendet und ein Antwortsignal auf das Sendesignal von dem Zielobjekt empfängt, wobei die Recheneinheit (30) für die zwei Messpositionen (Pl, P2) jeweils eine Entfernung (ri, T2) des Zielobjektes ermittelt, wobei der Bewegungssensor (3) einen räumlichen Abstand (d) der zwei Messpositionen (Pl, P2) der Vorrichtung (1) ermittelt, wobei die Recheneinheit (30) aus dem Abstand (d) der zwei Messpositionen (Pl, P2) und den zwei gemessenen Entfernungen (ri, T2) eine Richtung ermittelt, in der sich das Zielobjekt in Bezug auf die Vorrichtung befin- det.A device (1) for radio-based location of a target object (2), in particular an RFID transponder, comprising a transmitter for generating a transmission signal, with a receiver for receiving a response signal, with an antenna (3) connected to the transmitter and to the Receiver, wherein the antenna (3) emits the transmission signal of the transmitter and receives a response signal of a target object (2) to the transmission signal, with a motion sensor (31) for detecting a movement of the device, with a computing unit (30), with the movement sensor (31), the transmitter and the receiver is connected, wherein the arithmetic unit (30) transmits a transmission signal during movement of the device at at least two different measuring positions (Pl, P2) of the device (1) with the antenna (3) and receiving a response signal to the transmission signal from the target object, wherein the arithmetic unit (30) for the two measurement positions (Pl, P2) each have a distance (ri, T 2 ) of the target object it determines, wherein the motion sensor (3) determines a spatial distance (d) of the two measuring positions (Pl, P2) of the device (1), wherein the arithmetic unit (30) from the distance (d) of the two measuring positions (Pl, P2) and the two measured distances (ri, T 2) determines a direction in which the target object in relation to the device befin- det.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (30) eine Richtung über einen Zielobjektablagewinkel ermittelt, der eine Richtung in wenigstens einer räumlichen Dimension beschreibt, in der sich das Zielobjekt (2) ausgehend von der Vorrichtung befindet . 2. Device according to claim 1, characterized in that the arithmetic unit (30) determines a direction over a Zielobjektablagewinkel that describes a direction in at least one spatial dimension in which the target object (2) is based on the device.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (30) die Entfernung des Zielobjektes (2) durch die Ermittlung eines Frequenzabstandes zwischen zwei Frequenzmaxima im Spektrum eines Mischsignals aus dem ausgesendeten Sendesignal und dem empfangenen Antwortsignal bestimmt.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the arithmetic unit (30) determines the distance of the target object (2) by determining a frequency difference between two frequency maxima in the spectrum of a mixed signal from the transmitted signal and the received response signal.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (30) eine Entfer- nung des Zielobjektes zur Vorrichtung anhand von einer4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the arithmetic unit (30) a distance of the target object to the device based on a
Phasendifferenz zwischen zwei Frequenzmaxima im Spektrum eines Mischsignals aus dem ausgesendeten Sendesignal und dem empfangenen Antwortsignal bestimmt.Phase difference between two frequency maxima in the spectrum of a mixed signal from the transmitted transmission signal and the received response signal determined.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (30) an den zwei Messpositionen (Pl, P2) jeweils eine Entfernung des Zielobjektes ermittelt und unter Berücksichtigung der Unterschiede der Entfernungen und des relativen Abstan- des der zwei Messpositionen (Pl, P2) einen Zielobjektablagewinkel bestimmt.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the arithmetic unit (30) at the two measuring positions (Pl, P2) each determined a distance of the target object and taking into account the differences of the distances and the relative distance of the two Measurement positions (Pl, P2) determines a Zielobjektablagewinkel.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor (31) die Richtung der Bewegung der Vorrichtung (1) zwischen den beiden Positionen er- fasst und die Recheneinheit (30) die Richtung der Bewegung bei der Berechnung des Zielobjektablagewinkels berücksichtigt .6. The device according to claim 5, characterized in that the motion sensor (31) detects the direction of movement of the device (1) between the two positions and the arithmetic unit (30) takes into account the direction of movement in the calculation of the Zielobjektablagewinkels.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der relativen Position die Recheneinheit (30) ein theoretisches Modell berücksichtigt, das auf einer vorgegebenen Bewegungskurve der Vorrichtung (1) beruht.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that for calculating the relative position, the computing unit (30) takes into account a theoretical model based on a predetermined movement curve of the device (1).
8. Verfahren zum funkbasierten Orten eines Zielobjektes, insbesondere eines RFID Transponders mit einer Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschritten: Bewegen der Vorrichtung,8. A method for radio-based location of a target object, in particular an RFID transponder having a device with the following method steps: Moving the device,
Senden eines Sendesignals und Empfangen eines Antwortsignals des Zielobjektes auf das Sendesignal mit einer Antenne an einer ersten und einer zweiten Messposition, Erfassen des Abstandes und der Richtung zwischen der ersten und der zweiten Messposition, wobei für die zwei Positionen jeweils eine Entfernung des Zielobjektes ermittelt wird, wobei aus dem räumlichen Abstand der zwei Messpositionen und den zwei Entfernungen eine Richtung ermittelt wird, in der sich das Zielobjekt in Bezug auf die Vorrichtung befindet .Transmitting a transmission signal and receiving a response signal of the target object to the transmission signal with an antenna at a first and a second measurement position, detecting the distance and the direction between the first and the second measurement position, wherein a distance of the target object is determined for the two positions, wherein, from the spatial distance of the two measuring positions and the two distances, a direction is determined in which the target object is in relation to the device.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des Zielobjektes durch die Ermittlung eines Frequenzabstandes zwischen zwei Frequenzmaxima im Basisband eines Spektrums eines Mischsignals aus dem gleichzeitig empfangenen moduliertes Antwortsignal und dem überlagerten gesendeten Sendesignal bestimmt wird.9. The method according to claim 8, characterized in that the distance of the target object is determined by determining a frequency spacing between two frequency maxima in the baseband of a spectrum of a mixed signal from the simultaneously received modulated response signal and the superimposed transmitted transmission signal.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung des Zielobjektes zur Vorrichtung anhand einer Phasendifferenz zwischen zwei Frequenzmaxima im Spektrum eines Mischsignals aus gesen- detem Sendesignal und empfangenen Antwortsignal bestimmt wird.10. The method according to any one of claims 8 or 9, characterized in that the distance of the target object to the device is determined based on a phase difference between two frequency maxima in the spectrum of a mixed signal of sent Sendesignal and received response signal.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den zwei Messpositionen jeweils eine Entfernung des Zielobjektes ermittelt und unter Berücksichtigung der Unterschiede der Entfernungen und des relativen Abstandes der zwei Messpositionen ein Zielobjektablagewinkel in Bezug auf die Vorrichtung bestimmt wird, der eine Richtung beschreibt, in der sich das Zielobjekt ausgehend von der Vorrichtung befindet.11. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that each determines a distance of the target object at the two measuring positions and, taking into account the differences in the distances and the relative distance of the two measuring positions, a Zielobjektablagewinkel is determined with respect to the device, the describes a direction in which the target object is located from the device.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Bewegung der Vorrichtung zwischen den zwei Messpositionen erfasst und bei der Berechnung des Zielobjektablagewinkels berücksichtigt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that the direction of movement of the device between the two measurement positions are detected and taken into account in the calculation of the Zielobjektablagewinkels.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Position des Zielobjektes ein theoretisches Modell berücksichtigt wird, das auf einer vorgegebenen Bewegungskurve der Vorrichtung beruht. 13. The method according to any one of claims 8 to 12, characterized in that for calculating the position of the target object, a theoretical model is taken into account, which is based on a predetermined movement curve of the device.
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