CN102138080A - 用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法 - Google Patents

用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法，具有至少一个附接到物体的发射器，所述发射器具有确定频率，具有接收器，其中发射器具有具备已知极化面的天线，接收器具有反时针方向和顺时针方向圆极化天线，接收器配备或连接到分析装置，该分析装置根据考虑确定频率的两个接收信号确定测量向两个相位测量值，根据所述两个信号计算距离和/或方向。在相反操作装置中，发射器具有两个圆极化天线，接收器具有具备已知极化面的天线。

Description

用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法。
背景技术
在导航学或计量学中重要的是知道空间中的移动物体相对于固定位置的距离或距离的变化和/或方向。当今，已知多种用于测定移动物体定位的方法。例如，借助于惯性传感器系统，即，通过磁场传感器、陀螺仪或加速度传感器，可测定物体的移动和方向，且这种方法和这种装置分别公开于EP1521165A2中。这种实施方式的缺点在于，实际上传感器的未知偏差或误差包含在测定变量中而导致位置和方向的测定结果的误差，且该误差随时间增加而增大。这种误差通常通过其他系统的维护测量来测定并修正。基于照相机的系统代表了用于测定物体的方向和位置的另外的出发点。在这方面，为待测物体施加至少三个标记，这些标记通过照相机来检测，且测定它们彼此关联地位置和方位，由此可以在空间中测定待测物体。采用这种方法的实例公开于DE69804128T2和WO99/21134中。
一种用于测量船舶定位的装置公开于GB2130040A中，该装置使用GPS系统。用旋转天线或由多个天线的组合通过切换得到的类似旋转天线来接收来自卫星的无线电信号，且通过天线的旋转周期和具有周期分布的相位测量、多普勒测量、振幅测量或距离测量的旋转周期之间的相位比较来测定信号入射方向。船舶定位可通过此方法并借助卫星位置和船舶自身的位置来测定。
发明内容
本发明的根本目标在于根据一种不同的测量原理提供一种用于测定距离和/或方向的装置和方法，该装置和方法可通过相对简单的计算得到具有令人满意的结果的。
该目的根据本发明通过独立权利要求的特征得以实现。
有利地进一步发展和改进可通过从属权利要求中阐述的特征得以实现。
根据本发明，在装置和方法中使用至少一个发射器和至少一个接收器，它们中的一个具有具备公知极化面的天线，且它们(发射器和接收器)中的另一个具有左旋圆极化天线和右旋圆极化天线。术语左旋天线和右旋天线旨在涵盖各种具备可以产生左旋极化和右旋极化的天线装置。通过接收到的两个信号和发射信号来确定相位，并将相位彼此比较。通过接收和发射信号之间的相位的不同分布来进行比较。因此获得两个接收器模块的两个测量相位值。这样的测量过程基于载波相位的纯计算。因此，采集测量值无需调制发射信号。但是，在诸多方面，对发射信号进行调制有利于提高精度和弹性，并允许随后的符号的可分性。
随后，可从测定的测量相位值来计算移动物体的距离和/或方向。如果不知道起始位置，则假设一个任意的起始位置，并确定距离变化和/或方向变化。因此也能借助于物体在至少某一时刻的已知位置和/或方向来确定绝对距离和/或方向。
可利用最简单的布局，即，发射器和接收器，来测定一维方向变化或距离变化，且随后将发射器时钟和接收器时钟彼此同步，或者测定时间差并通过本身公知的方法修正误差。在确定一维绝对定向优选实施例中可使用具有已知方向的参考发射器或对应的参考接收器。
如果发射器和接收器没有彼此同步，则必须提供另外的接收器，以便利用TDOA(到达时间差)消除未知的传送时间。
当应用根据本发明的方法时，通过至少一个接收器相对于已知频率的发射器的相位来测定两个接收信号的相位，且将两个接收信号的相位彼此比较。术语比较也旨在涵盖了中间过程，例如利用TDOA方法对具有非同步发射器/接收器的未知频率偏移的消除。
可以提供一种配置作为圆极化天线的一个简单实施例，其包括具备相移器的两个交叉的线性天线，优选为90°相移器。
根据所选择的系统，可以提供多维定位系统，其具有具备圆极化天线的多个接收器或发射器，其中，如果发射器和接收器之间不存在同步，则至少四个具有圆极化天线的接收器或发射器可配置在空间分布中，用于空间中的移动物体的三维方向的探测。
优选地，在具有两个圆极化天线的发射器中选择两个发射信号的信号形状，以便上述信号形状可在接收器处被识别出来。可以采用用于实现正交码序列的编码方法，例如用于CDMA(码分多址)方法中的编码方法。但是，也可使用不同的载波频率，它们是严格耦合的，即都来源于一个时钟脉冲源。交替使用传送通道的脉冲猝发调制的应用也可以想象，例如在使用TDMA(时分多址)方法时的情况。
附图说明
本发明的实施例示于附图中，并将在下文中更详细地说明。其中：
图1是根据本发明并根据第一实施例的装置的示意图；
图2是根据图1的进一步图示，其中发射天线的极化面围绕发射器/接收器的轴旋转；
图3是根据图1的具有参考发射器的示意图；
图4是根据本发明另一实施例的装置的示意图；以及
图5示出根据图4的装置，其中使用了附加的参考接收器。
具体实施方式
图1中从原理上示出根据本发明的装置，其用于测定在预设点移动物体的距离和/或方向。在这方面，移动物体具有发射器1，其位置相对于固定的发射器2可变化。发射器连接到天线3，天线3发射产生于发射器1中的发射信号，且天线3是线性极化的，即以已知的线性极化面发射。发射器1产生具有确定频率的任意信号，该信号优选是在具有确定频率f0的载波上调制的信号。在这方面，可根据具体情况选择调制类型。
接收器2连接到两个天线4、5，这两个天线4、5各自关联到接收模块(未示出)。天线4、5都是圆极化天线，天线4具有右旋圆极化，而天线5具有左旋圆极化。当然地可采用不同的天线构造来产生所期望的极化。两个接收器路径或接收器模块的不同之处仅在于两个天线的旋转场强矢量的旋转方向不同。未示出地，接收器2配备或连接到计算装置。
天线4、5接收发射器通过天线3发射的具有确定频率f0的发射信号，，且接收器2或计算单元相对于发射器1的确定频率f0的相位来确定两个接收信号的载波频率的相位。为了使这种比较成为可能，发射器和接收器的时钟脉冲必须彼此同步，即，时钟脉冲源必须彼此连接，并具有锁相。这可通过寻址相同的参考时钟脉冲实现，例如经由玻璃光纤网络或经由无线电或通过使用原子钟，并任选地进行后续的修正或控制。
通过将各个接收器模块的接收信号的相位与发射信号的相位比较而获得测量值，该测量值在下文称为测量相位值ΨRHCP和ΨLHCP(rad)。
当考虑发射器1的移动时可获得不同测量相位分布：
如果发射器1向接收器运动或远离接收器运动，则接收器2的两个模块的测定的测量相位值以相同方式变化。如果发射器1向接收器2移动所发出的发射信号的一个波长的距离，则接收器2的两个接收器模块都记录增加360°的相位。这些过程作为定位系统中的载波相位测量被公知。但是在这方面必须指出的是，相位在一个波长间隔中重复所以这里会产生不定性结果。
发射器天线围绕发射器/接收器轴旋转会致使线性极化的旋转。如果发射器1发生物理旋转，则极化面的定位会发生变化，其记录在接收器2中并转化成测量变量。极化面在接收天线上的入射角承载着要被测量的信息。当发射器1的已知极化面围绕发射器/接收器轴旋转时，如图2中所示，连接到天线4的接收器模块记录相位的增加，并在连接到天线5的接收器模块中记录相等的大的衰减。因此，如果ΦRHCP的数值增大，则
Figure BPA00001307166000051
的数值相应地减小。发射器1例如围绕图2中示出的旋转轴的旋转会改变总计360°的测量相位值的结果，而这两个测量值表现出与彼此相反。测量相位值的提高或降低取决于发射器1的旋转方向。因此，发射器1的旋转方向可借助测量相位值的变化来测定。因此对于已知旋转方向而言，可分别利用图1或图2中的装置来测定方向的变化，即相对方向。
可通过下式计算发射器1和接收器2之间的距离：
Figure BPA00001307166000052
这里，λ相当于由发射器1发出的以米为单位的信号的波长，且X0相当于距离补偿，也以米为单位，选择距离值X0以便x对应于实际测量距离。这两个测量相位值在第一测量值记录中是没有意义的，因为系统中的信号传播时间会影响该数值，例如电缆长度的影响。因此必须在最开始就确定数值x，并借助测量相位值来计算距离补偿x0。从此刻开始，接着定义x0，且随后借助相位测量来测定位置x。其总是相对于第一位置。在现在导航系统中，数值x0借由多个测量循环来估算，直至足够精确和可靠。可实现这种目的的算法在文献中是公知的。例如可进行基于多个测量值的简单的平均测定。卡尔曼滤波器同样可以评估状态值及其不定性。
如上所述，还应注意，在相位值的测量中，方程式的解同样是不确定的，这是因为测量相位值的2π不定性。但是这种不定性可通过所谓的相对测量相位值的相位展开来避免。
可通过下述方程式来计算图1和图2中的实施例中的一维的发射器1的方向：
Figure BPA00001307166000061
这里，Ω相当于以弧度为单位的旋转角度。方程式的解又可通过Ωo来修改，以便Ω对应于用作基准的坐标系中的旋转角。根据用于旋转的坐标系来选择这个方程式的正负号。
图3中，除了发射器1之外还提供参考发射器6，其在所选择的坐标系中具有已知的方向。这种参考发射器6配备线性极化天线7。可利用这种参考发射器来校准根据图1所示的装置，从而能够为已知坐标系确定绝对方向。如上所述，为此，接收器2通过其两个天线4和5接收由参考发射器6发出的发射信号，且如上所述，可以确定用于接收器2的两个接收器模块的测量相位值。在上述方程式中ΩRef＝Ω，与参考发射器的已知方向一起使用这两个测量值。因此，可以确定Ωo，且在要被定位的目标的维度中可以知道绝对方向。
如上所述，利用根据图1至3所示的装置可测量一维方向。例如，为了在有限空间内建立移动目标的三维定位系统，例如所谓的在运动场上追踪一个球，应将至少四个上述接收器2空间分布在运动场周围的不同点处，移动着的物体，这里为球，在该运动场中运动。设置于移动的物体上或其内的发射器1或者其振荡器与接收器网络的振荡器不同步，而四个接收器2则彼此同步。例如可通过连接到所有接收器2并从时钟脉冲发生器获取信号的玻璃光纤线路实现上述设置。由于缺少同步，所以必须使用TDOA(到达的时间差)方法来用于位置确定，以便消除方程式中的发射器的未知传输时间，所以基于此就需要至少四个接收器。
如上所述，可为各个接收信号确定测量相位值，并用它们来计算距离或距离变化以及旋转角度，以便可以确定发射器1的三维方向或空间中的移动目标的三维方向。
在上述实施例中，发射器1配备线性极化天线3，而接收器2则具备两个圆极化天线4、5。但是也能使以这种方式描述的测量系统具备“相反地”构造，即，根据图4和5所示，发射器8包括两个圆极化天线10、11，一个是右旋的，而另一个是左旋的。接收器9连接到具有已知极化面的天线12。这种系统例如可用于诸如GPS或伽利略的卫星导航系统中，而每个卫星都配备具有两个发射天线的发射器8。当然可能地是，可提供两个耦合的发射器来替代具有两个发射器模块的发射器，该两个耦合发射器都连接到相应的天线10、11。
通过两个发射模块由发射器8产生的发射信号必须可被接收器9识别，但是如果它们使用相同的载波频率它们必须具有相同的频率，或两个发射信号的频率必须被严格耦合。用于两个发射信号的载波频率例如可与共用时钟脉冲源相同，该共同时钟脉冲源可用于两个发射模块并具有频率f0。若在这种情况下，所产生的信号必须在用于可区别性的调制期间被修正，以便接收器9可以识别两个信号。例如，发射信号可以例如用于GPS中的正交码序列的方式发出，用以识别卫星。可以设想载波频率是不同的，但是它们都严格耦合，则接收器9中的相位能够借助严格耦合知识来修正。
接收器9通过其线性极化天线12来接收由发射天线10和11发出的两个信号并对他们进行计算。在这个过程中，如上所述，确定两个接收信号的载波相位并与一个发射信号或多个发射信号的相位进行比较。而又在这种比较中确定了测量相位值ΨRHCP和ΨLHCP。计算方法的其它方面如前面所描述。
与图3一致，图5中，提供具备相应地线性极化天线14的具有已知方向的参考接收器13，用于确定绝对方向。而这种参考基站13还可包括发射校正数据至形成待测物体的接收器9的发射器，其中接收器又确定其绝对方向。
为了制造用于包括了接收器9的移动物体的三维方向的定位系统，则又需要多个发射器装置8，即，若接收器9与发射器8不同步，至少需要四个发射器装置8。

Claims (12)

1.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置，包括：
至少一个附接到物体并具有确定频率的发射器(1)，且具有至少一个接收器(2)，其中发射器(1)具有具备已知极化面的天线(3)，且接收器(2)具有左旋和右旋圆极化天线(4，5)，且接收器(2)配备或连接到计算装置，该计算装置根据两个接收信号确定测量相位值，在考虑发射器(1)的相位的情况下，借助该计算装置计算距离和/或方向。
2.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置，包括：
至少一个发射器(8)和至少一个接收器(9)，接收器(9)提供在移动物体上或其内，其中发射器(8)具有左旋(11)和右旋(10)圆极化天线，通过它们发出具有确定频率的各个信号，且接收器(9)具有天线(12)，该天线(12)具有已知极化面，该接收器(9)配备或连接到计算装置，该计算装置确定测量相位值，在考虑发射器(8)的相位的情况下，借助该计算装置通过两个接收信号来计算距离和/或方向。
3.根据权利要求1或2所述的装置，特征在于提供具有已知方向的参考发射器(6)或参考接收器(13)以及具有已知极化面的天线(7，14)，用于测定绝对距离和/或绝对方向。
4.根据权利要求1至3其中之一所述的装置，特征在于发射信号是在具有确定频率的载波上调制的信号。
5.根据权利要求2所述的装置，特征在于设置两个发射信号，从而使它们能够被接收器(9)识别。
6.根据权利要求5所述的装置，特征在于两个发射信号都是诸如用于CDMA方法中的正交码序列，或都是诸如用于CDMA方法中的交替使用传输通道的脉冲猝发调制信号，或是不同的，但是它们都严格耦合到载波频率。
7.根据权利要求1至6其中之一所述的装置，特征在于发射器时钟和接收器时钟彼此同步。
8.根据权利要求1至7其中之一所述的装置，特征在于提供具有圆极化天线(4，5，10，11)的多个接收器(2)或发射器(8)，以用于形成空间中的多维定位系统。
9.根据权利要求1至7其中之一所述的装置，特征在于每个圆极化天线都构造为两个交叉的线性天线和相移器，优选为90°相移器。
10.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的方法，其中至少一个具有具备已知极化面的天线(3)的发射器(1)将具有确定频率的信号发射至至少一个具有两个圆极化天线(4，5)的接收器(2)，所述两个圆极化天线(4，5)中的一个是左旋的，而另一个是右旋的，其中相对于发射器(1)的相位确定两个接收信号的相位，从而计算移动物体的距离和/或方向。
11.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的方法，其中至少一个发射器(8)通过左旋圆极化天线(11)和右旋圆圆极化天线(10)将具有确定频率的各个信号发射至至少一个具有具备已知极化面的天线(12)的接收器(9)，其中相对于发射器(8)的相位确定两个接收信号的相位，从而计算移动物体的距离和/或方向。
12.根据权利要求11所述的方法，特征在于选择两个发射信号的信号形式以便它们能在接收器被识别。
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