CN104428685A - 借助无线电定位用于识别相对位置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助无线电定位测定站的相对位置的方法和装置。至少一个第一站具有至少一个天线，以及至少一个第二站具有至少两个基点调制的天线。第一站经由第一天线发送至少一个定位信号。第二站经由第一基点调制的天线反射定位信号作为第一经调制地反射的定位信号以及经由第二基点调制的天线反射定位信号作为第二经调制地反射的定位信号。第一站经由天线接收经调制地反射的定位信号。由所接收的、经调制地反射的定位信号的相位关系测定用于在第一站和第二站之间的相对位置的至少一个位置角。所提出的方法和所提出的装置能实现强烈非对称的系统，其将大部分硬件和算法方面的功能性集中在读取单元中、即在第一站中。反之第二站非常简单和成本低廉地例如应用RFID标签来构造，该第二站包括基点调制的天线。由此所提出的系统方案能应用于大量的应用中。

Description

借助无线电定位用于识别相对位置的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于借助无线电定位测定至少两个站的相对位置的方法和装置。
背景技术
如今，用于确定一个或多个移动的无线电模块的位置的本地的无线电系统存在于多种多样的应用中。借助于无线电波的方法的特点在于像刚性、精度和相对于干扰和环境影响的不敏感这样的特性。
用于这种类型的无线电定位系统的应用的实例是汽车工业。在那里必需的是例如考虑到电动车的增长的意义，即电动车辆自动地行驶以及能利用高精确度泊车。这例如在电感式充电这种类型的电动车辆时是必需的，其中需要高的泊车准确性，以便准确地彼此对准充电桩的相应的充电线圈和电动车辆。
在此不需要测量在两个装备无线电模块的例如像电动车了和充电桩这样的对象之间的间距，而是彼此确定角位置。那么必须测量技术地检测关于距离和角的几何上完全的相对位置。仅仅调节装置可以承担车辆的导航。这也是已知作为“电子舵杆”。
例如在装载松散货物的领域中、例如在矿山中或在农业中得到其他的应用可能性。
传统的无线电定位系统可以获得由在移动的单元和基站之间的波长传播的不同的能测量的尺寸构成的移动单元的位置信息。这些尺寸例如可以是在到达基站的信号的接受场强、运行实现、传播时间差或角信息。在移动单元中的和在基站中的必需的无线电模块在此然而是技术上复杂的以及进而昂贵的。
发明内容
本发明的目的在于能实现一种用于借助无线电定位来识别站的相对位置的方法和一种改进的装置。
因此提出一种用于借助无线电定位来测定站的相对位置的方法。在此站配置作为具有至少一个天线的设备。至少一个第一站具有至少一个第一天线，以及至少一个第二站具有至少两个基点调制的天线。第一站经由第一天线发送定位信号。第二站经由第一基点调制的天线反射定位信号作为第一经调制地反射的定位信号以及经由第二基点调制的天线反射定位信号作为第二经调制地反射的定位信号。第一站经由天线接收经调制地反射的定位信号。由所接收的经调制地反射的定位信号的相位关系测定用于在第一站和第二站之间的相对位置的至少一个位置角。
基点调制的天线是在基点处具有用于调制所接收的信号的调制器的天线。基于所发送的和所接收的信号的相位关系实现了无线电定位站的向位角(Peilungswinkel)或位置角α，β。
所提出的方法允许，用于产生、传输和评价定位信号的和经调制地反射的定位信号的必需的硬件和算法优选地集中在第一站中以及进而仅仅集中在这两个站的一个中。具有基点调制的天线的第二站与主动型发送天线和接收天线相比非常简单地构造以及特别是成本低廉地制造。例如像通过电动车辆充电站的精确的控制这样的应用由此成本非常低廉地在大批量中也是可行的，因为耗费的硬件和算法必需仅仅存在于充电站中，而电动车辆仅必须配置具有基点调制的天线的、成本低廉的、被动型的站。
在本方法的实施方式中，基点调制的天线反射定位信号的不同的调制。
这能实现在第一站处所接收的经调制地反射的定位信号的相对简单的分离以及进而也同时在由第二站的基点调制的天线调制经反射的定位信号的情况下能实现获得关于距离的以及涉及到第二站的传播时间阶段的信息。
在本方法的其他的实施方式中，第一站具有第二天线。利用不同的频率或利用不同的调制、特别是利用正交的信号第一站经由第一天线和经由第二天线发送定位信号。
这能实现经调制地反射的定位信号在第一站处根据频率或者是发送信道或调制的分离，以及特别是也能实现其他的第一站的应用，以用于发送在不同的能分离的信道上的定位信号。在此特别有利的是在第一站的侧面上应用正交的调制，这是因为经调制地反射的定位信号那么也特别良好地被分离。正交的调制在此涉及发送的定位信号与其他的发送的定位信号的比例。
在本发明的其他的实施方式中，第二站设计作为用于调制地向回反射定位信号的反向散射模块。
在此由在第二站的基点调制的天线处的阻抗变化导致用于到达的电磁波的一部分的向回散射效应。如果阻抗变化例如由开关接通和关断，出现调幅的信号，其可以由第一站的天线接收。由此第二站不必自身地使用自身的发送功率。这种类型的反向散射模块允许直至100米的有效距离。
在本方法的其他的实施方式中，第二站设计作为被动型RFID发射机应答器。
RFID发射机应答器或RFID标签(无线射频标志标签)成本非常低廉地大批量地可供支配。
在本方法的其他的实施方式中，至少一个第二站的基点调制的天线在直线上以恒定的间距布置。
在本方法的其他的实施方式中，至少一个第一站的天线在直线上以恒定的间距布置。
具有恒定间距的天线的线性的布置允许简单地和高效地确定至少一个位置角。
在本方法的其他的实施方式中，连续发射雷达信号应用作为定位信号。
连续发射雷达信号或FMCW信号(FMCW；Frequency ModulatedContinuous Wave)能实现特别精确的测量。
在本方法的其他的实施方式中，频率斜坡用作定位信号。
频率斜坡的用作定位信号可以特别是在顺序地发送定位信号时是有利的，例如对于这样的情况，即第一站具有多个天线或多个第一站发送定位信号。
在本方法的其他的实施方式中，由至少一个第一站接收的经调制地反射的定位信号以及由至少一个第二站发送的经调制地反射的定位信号是相干的。基于经发送的经调制地反射的定位信号和经接收的经调制地反射的定位信号的相位关系计算至少一个位置角。
在本方法的其他的实施方式中，为了同步至少一个第一站与至少一个第二站，至少一个第一站发送单独的同步信号。
对于这种情况，即第一站具有多个天线以及多个站顺序地发送多个定位信号，或者即多个第一站顺序地发送多个定位信号，例如这实现了利用第二站的同步。
在本方法的其他的实施方式中，定位信号的信号传播时间用于在站之间的间距测量。
此外提出了一种用于借助无线电定位来测定站的相对位置的装置。至少一个第一站具有至少一个第一天线，以及至少一个第二站具有至少两个基点调制的天线。第一站设计用于经由第一天线发送至少一个定位信号。第二站设计用于，经由第一基点调制的天线调制地反射定位信号作为第一经调制地反射的定位信号以及经由第二基点调制的天线调制地反射定位信号作为第二经调制地反射的定位信号。第一站还设计用于经由天线接收经调制地反射的定位信号以及基于经调制地反射的定位信号的相位关系测定用于在第一站和第二站之间的相对位置的至少一个位置角。
附图说明
前面所述的本发明的特性、特征和优点以及如何实现这些的方式和方法结合实施例的以下的描述变得更清楚和更易于理解，这些实施例结合附图详尽地阐述。
附图示出：
图1是用于借助无线电定位在两个站之间进行角测量和间距测量的实施例；
图2是用于借助无线电定位来识别相位位置的装置的实施例；
图3是用于借助无线电定位识别相对位置的装置的另一个实施例；
图4是用于借助无线电定位识别相对位置的装置的另一个实施例；以及
图5是用于借助无线电定位识别相对位置的方法的方框图。
只要没有其他的说明，在附图中相同的或功能相同的元件设有相同的参考标号。
具体实施方式
图1示出用于借助无线电定位测量在站1，2之间的角度和间距的实施例。所示出的是彼此两个站1，2的位置。与视线3相对地给出位置角α，β。对于这种情况而言，即第一站具有刚好一个天线，则确定位置角β。对于这样的情况而言，即第一站具有两个或多个天线，则确定两个位置角α，β。
图2示出用于借助无线电定位识别站1，2的相对位置的装置的实施例。所示出的是具有天线11的第一站1。此外象征性地对于第一站1而言示出开关12，交流电供电装置13和评估单元14，以使得第一站示出具有自身的能量供应装置13和复杂的硬件装备的完整的主动型发射站和接收站。
此外示出第二站2。第二站2具有四个基点调制的天线21，22，23，24。
第一站1经由天线11发送定位信号15。第二站2经由基点调制的天线21，22，23，24反射定位信号作为经调制地反射的定位信号16。基点调制的天线21，21，23，24的每一个在此具有例如以接通开关/关断开关形式的调制器，其相应于调制fmod1，fmod2，fmod3，fmod4调制在天线的基点处的所接收的定位信号15，以使得经调制地反射的定位信号16在接收时在第一站1处能分配单一的各个基点调制的天线21，22，23，24给第二站2。
第二站2或者是第二站的基点调制的天线21，22，23，24例如可以设计作为被动型RFID发射机应答器，其涉及来自定位信号15的能量。
第一站1经由天线11接收经调制地反射的定位信号16。在评估单元14中基于所接收的经调制地反射的定位信号16的相位关系测定用于在第一站1和第二站2之间的相对位置的至少一个位置角α，β。
评估单元14例如包括合成器，其经由天线11发送定位信号15作为调频的连续波信号。此外评估单元14包括混频器，其将所发送的定位信号15与经由天线11所接收的经调制地反射的定位信号16混合。由基点调制的天线21，22，23，24调制地反射的定位信号16在读取单元14中产生在基点调制的天线21，22，23，24的相应的调制频率fmod1，fmod2，fmod3，fmod4的区域中具有频率分量17的混合信号。
这些频率分量17包括关于在第一站1和第二站2之间的距离的信息，该距离利用评估单元14的适当的信号处理来测定。此外在混合信号中包括关于定位信号15或者是在第一站1和第二站2之间的经调制地反射的定位信号16的传播时间阶段的信息。
图3示出用于借助无线电定位识别相对位置的装置的另一个实施例。
在这个实施例中该装置包括具有三个天线11的第一站1。为了清晰在图3中没有示出开关12、交流电供应装置13和用于第一站1的评估单元14。
第二站2还具有四个基点调制的天线21，22，23，24。
第一站1经由三个天线11的每一个在应用不同的频率或者是信道或者利用不同的调制的情况下发送。
如在图4中示出的那样，可替换的也可行的是，多个第一站1具有分别一个或多个天线11用于发送定位信号15。
图5示出借助于无线电用于识别站1，2的相对位置的方法的方框图。
在步骤101中第一站1经由第一天线11发送定位信号15。在步骤102中第二站2经由基点调制的天线21-24反射定位信号15作为经调制地反射的定位信号16。在步骤103中第一站1经由天线11接收经调制地反射的定位信号16。在步骤104中基于所接收的经调制地反射的定位信号16的相位关系测定用于在第一站1和第二站2之间的相对位置的至少一个位置角α，β。
用于借助无线电定位识别站的相对位置的所提出的方法和所提出的装置能实现，即同时能调用整行的基点调制的天线以及能评价在基点调制的天线之间的相位关系，以便例如实施角测量。
由此优选地充分利用的是，即在线性地布置基点调制的天线时由其产生的应答信号的、也就是经调制地反射的定位信号的相位关系同样地遵循线性的关联，以及由此相对于读取单元、也就是相对于第一站推导出第二站的角。
如果使用多个或多信道的读取单元或第一站在线性的布置中，那么同样地所给出的基点调制的天线的经调制地反射接收信号不同以及进而推导出用于给出相应的第二站的基点调制的天线的第一站的或者是读取单元的角。
所提出的具有多个读取单元或第一站和第二站的多个基点调制的天线的装置的另一个有利的特性是由于适当地计算信号可能地提高有效距离和刚性。这特别是由于传播时间阶段的知识能实现，该知识例如能应用数字的射束控制的确定的方法。由此例如消除多径效应，以使得能提高测量准确性。
此外由于总的n*m(n：读取信道的或定位信号的数量以及m：基点调制的天线的数量)单个信号的相位符合的重叠实现了信号与噪声距离的提高，其能明显地扩展相应的系统的有效距离。
所提出的方法和所提出的装置能实现强烈非对称的系统，其将大部分硬件和算法方面的功能集中在读取单元中、即在第一站中。
反之第二站非常简单和成本低廉地例如应用RFID标签(无线射频辨识标签)来构造，该第二站包括基点调制的天线。由此所提出的系统方案能应用于大量的应用中。
尽管本发明细节性由优选的实施详细地阐述和描述，然而本发明不仅有公开的实例局限，并且其他的变体可以由专业人员推导出，而不脱离本发明的保护范畴。

Claims (13)

1.一种用于借助无线电定位来测定站(1，2)的相对位置的方法，其中至少一个第一站(1)具有至少一个第一天线(11)以及至少一个第二站(2)具有至少两个基点调制的天线(21，22，23，24)，其中
所述第一站(1)经由所述第一天线(11)发射至少一个定位信号(15)(101)；
所述第二站(2)经由第一基点调制的天线(21)调制地反射所述定位信号(15)作为第一经调制地反射定位信号(16)以及经由第二基点调制的天线(22)调制地反射所述定位信号作为第二经调制地反射的定位信号(16)(102)；
所述第一站(1)经由所述天线(11)接收经调制地反射的所述定位信号(16)(103)；并且
由所接收的经调制地反射的所述定位信号(16)的相位关系测定用于在所述第一站(1)和所述第二站(2)之间的所述相对位置的至少一个位置角(α，β)(104)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基点调制的天线(21，22，23，24)反射所述定位信号(15)的不同的调制(fmod1，fmod2，fmod3，fmod4)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一站(1)具有第二天线(11)，并且其中所述第一站(1)经由所述第一天线和经由所述第二天线(11)利用不同的频率或利用不同的调制、特别是利用正交的信号发送所述定位信号(15)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二站(2)设计作为用于调制地向回散射所述定位信号(15)的反向散射模块。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二站(2)设计作为被动型RFID发射机应答器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个所述第二站(2)的所述基点调制的天线(21，22，23，24)在直线上以恒定的间距布置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个所述第一站(1)的所述天线(11)在直线上以恒定的间距布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，连续发射雷达信号用作所述定位信号(15)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，频率斜坡用作所述定位信号(15)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，由至少一个所述第一站(1)接收的经调制地反射的所述定位信号(16)以及由至少一个所述第二站(2)发送的经调制地反射的所述定位信号(16)是相干的，其中由经发送的经调制地反射的所述定位信号(16)和经接收的经调制地反射的所述定位信号(16)的所述相位关系计算至少一个所述位置角(α，β)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，为了同步至少一个所述第一站(1)和至少一个所述第二站(2)，至少一个所述第一站(1)发送单独的同步信号。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，所述定位信号的信号传播时间用于在所述站(1，2)之间的间距测量。
13.一种用于借助无线电定位来测定相对位置的装置，其中至少一个第一站(1)具有至少一个第一天线(11)以及至少一个第二站(2)具有两个基点调制的天线(21，22，23，24)，其中
所述第一站(1)设计用于经由所述第一天线(11)发送至少一个定位信号(15)(101)；
所述第二站(2)设计用于，经由第一基点调制的所述天线(21)调制地反射所述定位信号(15)作为第一经调制地反射的定位信号(16)以及经由第二基点调制的所述天线(22)调制地反射所述定位信号作为第二经调制地反射的定位信号(16)(102)；
所述第一站(101)还设计用于，经由所述天线(11)接收经调制地反射的所述定位信号(16)以及由经调制地反射的所述定位信号(16)的所述相位关系测定用于在所述第一站(1)和所述第二站(2)之间的所述相对位置的至少一个位置角(α，β)。
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