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Im
Bereich der Materialverfolgung und Logistik besteht ein großer Bedarf
an Systemen, die in der Lage sind, neben der lokalen Position von
Transportmitteln, wie Kranen, Fahrzeugen, Trolleys, Hubwagen, Gabelstapler,
AGVs (automated guided vehicles) auch den Richtungsvektor des Fahrzeuges
während
der Fahrt und vor allem im Stillstand zu bestimmen. Des Weiteren
besteht bei Methoden, die nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeiten,
das Problem der Störeinstrahlung über Mehrwegeausbreitung.
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Bisher
ist mittels lokaler Positionsmesssysteme (Local Positioning Radar,
LPR) nur eine Richtungsbestimmung während einer Bewegung möglich gewesen.
Durch Approximation der jeweils letzten n Messpunkte durch eine
Gerade, wobei eine sinnvolle Zahl der Punkte von der Geschwindigkeit
des Fahrzeuges abhängig
ist, ist bei Bewegung eine grobe Ermittlung der Richtung möglich. Allerdings
ist die Genauigkeit des zu bestimmenden Vektors geschwindigkeitsabhängig. Steht
das zu messende Objekt, so versagt dieses Verfahren gänzlich.
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In
Watanabe M., Tanaka S.: "Directional Beam
MAC for Node Direction Measurement in Wireless Ad Hoc Network", EUMW 2003, München ist
ein Verfahren zur Bestimmung eines Raumwinkels eines mobilen Objekts
in einem drahtlosen Ad-Hoc-Netzwerk angegeben.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
der zuverlässigen
Bestimmung eines Raumwinkels (Winkel im Raum, Ausrichtung, Richtung,
Richtungsvektor, Orientierung) eines mobilen Objektes bzw. eines
daran angeordneten Transponders oder einer daran angeordneten Basisstation
anzugeben, die insbesondere auch dann noch funktioniert, wenn das
mobile Objekt steht.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Erfindungen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Beschrieben
wird eine Lösung,
durch die, insbesondere bei laufzeitbasierten Entfernungsmessverfahren, über eine
Systemerweiterung um gerichtete Antennen eine Bestimmung der Orientierung der
messenden Einheit möglich
wird, sowie Störreinflüsse unterdrückt werden
können.
Eine Ausführungsform
erhöht
zudem die Reichweite.
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Dementsprechend
verfügt
eine Anordnung zum Bestimmen eines Raumwinkels eines mobilen Objekts,
insbesondere eines Transportmittels in Form eines Krans, Fahrzeugs,
Trolleys, Hubwagens, Gabelstaplers oder AGVs, über eine Basisstation zum Aussenden
eines Basisstationssignals und/oder Empfangen von Transpondersignalen, über eine Mehrzahl
von Transpondern zum Empfang des Basisstationssignals und zum Aussenden
von Transpondersignalen und über
eine Antenne mit richtungsabhängiger
Empfangs- und/oder Sende-Charakteristik. Darüber hinaus weist die Anordnung
Mittel zum Bestimmen eines Raumwinkels des mobilen Objekts in Abhängigkeit
der Amplitude eines von der Antenne empfangenen und/oder gesendeten
Transponder- und/oder
Basisstationssignals auf, wobei zur Bestimmung des Raumwinkels die
Richtungsabhängigkeit der
Charakteristik der Antenne berücksichtigt
wird.
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Vorzugsweise
ist die Basisstation an einem mobilen Objekt angeordnet, also ihr
Raumwinkel veränderlich,
und die Antenne der Basisstation zugeordnet. Wenn das Signal ein
empfangenes Signal ist, handelt es sich in diesem Fall dann um ein
Transpondersignal, bei einem gesendeten Signal um ein Basisstationssignal.
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Alternativ
ist die Antenne einem der Transponder zugeordnet ist und das Signal,
wenn es ein empfangenes Signal ist, ein Basisstationssignal, sonst
ein Transpondersignal.
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Vorzugsweise
weist die Anordnung eine zweite Antenne mit richtungsabhängiger Charakteristik
und Mittel zum Bestimmen eines Raumwinkels des mobilen Objekts durch
Vergleich der von der Antenne empfangenen Amplitude mit der von
der zweiten Antenne empfangenen Amplitude des Transponder- und/oder
Basisstationssignals aufweist.
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Bei
dieser Richtungsbestimmung mittels Diversity wird der Raumwinkel
vorteilhaft unter Anwendung der Monopuls-Fehlerfunktion bestimmt.
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Für eine möglichst
gute Raumabdeckung weist die Antenne insbesondere eine nierenförmige richtungsabhängige Charakteristik
auf.
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Die
Antenne ist vorteilhaft eine integrierte Patchantenne mit einem
Faltdipol-Array. Entsprechend lassen sich die Antenne und die zweite
Antenne mit zwei einander gegenüber
angeordnete Faltdipol-Arrays realisieren.
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Vorzugsweise
hat die Antenne eine von ihrer Hauptstrahlrichtung ausgehend monoton
fallende richtungsabhängige
Charakteristik, so dass sich eine eindeutige Richtungsabhängigkeit
der empfangenen Amplitude ergibt.
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Darüber hinaus
kann die Richtung der richtungsabhängigen Charakteristik der Antenne schwenkbar
sein. Dies kann beispielsweise durch Schwenken eines Spiegels geschehen,
aber auch durch ein verstellbares Grating, indem die Anordnung eine
Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegeln aufweist, die zum
lateralen Schwenken der Strahlen verstellbar sind, indem sie senkrecht
zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ
zueinander bewegbar sind.
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Sind
die Antennen so angeordnet werden, dass sich ihre Strahlkeulen so
wenig überlagern, dass
das Transpondersignal eines der Transponder nur von einer der Antennen
empfangen wird, so kann ohne große vergleichende Signalverarbeitung
auf den Raumwinkel geschlossen werden.
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Vorzugsweise
ist die Anordnung ein lokales Positionsmesssystem, indem sie Mittel
zum Bestimmen der Position und/oder Entfernung des mobilen Objekts
unter Berücksichtigung
der Transpondersignale aufweist.
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Die
Mittel zum Bestimmen der Position und/oder Entfernung des mobilen
Objekts enthalten insbesondere Mittel zur Laufzeitmessung.
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Durch
Berücksichtigung
der richtungsabhängigen
Charakteristik der Antenne sind Mehrfachreflektionen der Transpondersignale
beim Bestimmen der Position und/oder Entfernung des mobilen Objekts
unterdrückbar.
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Bei
einem Verfahren zum Bestimmen eines Raumwinkels wird eine Basisstation
zum Aussenden eines Basisstationssignals und/oder Empfang eines Transpondersignals,
eine Mehrzahl von Transpondern zum Empfang des Basisstationssignals
und Aussenden von Transpondersignalen, eine Antenne mit richtungsabhängiger Charakteristik
verwendet und ein Raumwinkel des mobilen Objekts in Abhängigkeit
eines von der Antenne empfangenen und/oder gesendeten Transponder-
und/oder Basisstationssignals bestimmt, wobei bei der Bestimmung des
Raumwinkels die Richtungsabhängigkeit
der Charakteristik der Antenne berücksichtigt wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften
Ausgestaltungen der Anordnung und umgekehrt. Dabei werden Mittel
der Anordnung durch entsprechende Schritte des Verfahrens realisiert
und umgekehrt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand
der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 ein
lokales Positionsmesssystem;
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2 ein
Blockschaltbild zur Ansteuerung einer Antenne und einer zweiten
Antenne;
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3 die
richtungsabhängigen
Charakteristiken der Antenne und der zweiten Antenne, wobei die
Antenne und die zweite Antenne in Form einer Doppelantenne realisiert
sind;
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4 die
Monopulsfunktion der Antenne und der zweiten Antenne in Abhängigkeit
des Winkels;
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5 eine
Bestimmung eines Raumwinkels;
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6 bis 8 einen
Aufbau der Antenne und der zweiten Antenne in Form einer Doppelantenne;
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9 die
vertikale Richtungsabhängigkeit;
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10 die
horizontale Richtungsabhängigkeit.
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Wichtige
Eigenschaften der im Weiteren beschriebenen Verfahren bestehen darin,
dass
- a) eine LPR-Basistation basierend auf
dem beschriebenen Verfahren in der Lage ist, auch im Stillstand
eine Richtungsbestimmung vorzunehmen,
- b) das beschriebene Verfahren mit höherer und vor allem mit geschwindigkeitsunabhängiger Genauigkeit
arbeitet,
- c) sich durch die hierzu verwendete Diversity-Antenne eine höhere Genauigkeit
in der LPR-Positionsmessung ergibt,
- d) sich durch das neuartige Antennenkonzept Diversity bei gleichzeitig
kompakter Bauweise realisieren lässt,
- e) ein weiterer, unabhängiger
Messkanal zur Positionsbestimmung herangezogen werden kann,
- f) eine Reduzierung bzgl. der Empfindlichkeit gegenüber störender Mehrwegeausbreitung
erfolgt.
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1 zeigt
eine Anordnung zum Bestimmen des Raumwinkels eines mobilen Objekts,
die in ein Lokales Positionsmesssystem integriert ist.
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Beispielsweise
an den Wänden
und/oder der Decke einer Halle sind an definierten Orten, deren Koordinaten
im globalen Koordinatensystem vermessen werden müssen, Transponder T1, T2, ...,
Tn montiert. Vorzugsweise werden die Transponder so angebracht,
dass eine Basisstation B1 an jedem Ort des Messareals möglichst
viele und möglichst
etwa immer gleich viele und im Mittel etwa gleich weit entfernte
Transponder in Ihrem Erfassungsbereich auffinden kann. Eine gleichmäßige aber
vorzugsweise an den gegenüberliegenden
Wänden
um 50% versetzte Anordnung der Transponder, wie in 1 angedeutet,
löst diese
Aufgabe z.B. für
schmale rechtwinklige Areale, also z.B. für typische Fabrikhallen, vorteilhaft.
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Die
Transponder T3, T2, ..., Tn sind lediglich mit Energie zu versorgen
und erhalten ihre charakteristische Modulationsfrequenz/Codierung
z.B. durch einen Programmiervorgang oder auch durch einen Programmierstecker,
Es fallen keine Messdaten an den Transpondern T1, T2, ..., Tn an
und somit entfällt ein
aufwendiges Hintergrundnetzwerk. Die Transponder fungieren praktisch
als Ortsmarken. Die Entfernungsinformation fällt exklusiv an der auf einem mobilen
Objekt montierten Basisstation B1 an, was den Vorteil hat, dass
direkt am mobilen Objekt auch die auf Messdaten basierende Steuerungen
vorgenommen werden können.
Möchte
man die Daten an einem stationären
Punkt, z.B. in einer Zentralstation Z am Hallenrand, zur Verfügung haben,
können
die Daten von der Basisstation beispielsweise über eine LAN-Schnittstelle
(Local Area Network) LAN, vorzugsweise über eine übliche WLAN (Wireless LAN) Funkschnittstelle,
dorthin weitergeleitet werden.
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Da
die Transponder T1, T2, ..., Tn im einfachsten Falle weder eine
Schnittstelle noch Mittel zur Signalverarbeitung enthalten müssen, können sie sehr
kostengünstig
und Strom sparend ausgeführt und
des Weiteren einfach montiert und installiert werden. Demzufolge
ist es bzgl. der Kosten vertretbar, relativ viele derartige Ortsmarken
zu verwenden. Dadurch dass die Basisstation B1 immer in der Lage
ist, eine Vielzahl von Ortsmarken T1, T2, ..., Tn zu bestimmen,
ergeben sich einige wichtige Vorteile. Zum einen erhöht jeder
zusätzliche
radiale Entfernungs-Messwert zu einer Ortsmarke die Genauigkeit der
räumlichen
Ortsbestimmung. Insbesondere kann eine hohe Diversifikation der
Messwege das physikalisch unvermeidbare Problem der Messungenauigkeiten
aufgrund von Mehrwegereflexionen sehr effektiv vermindern. Mehrwegereflexionen,
also die Eigenschaft, dass Funksignale nicht nur über den
kürzesten
Weg von der Basisstation B1 zum Transponder T1, T2, ..., Tn und
umgekehrt gelangen, sondern auch an Gegenständen und Wänden reflektiert auf Umwegen übertragen
werden, sind die Hauptursache für
Messfehler bei funkbasierten Entfernungsmesssystemen im Innenbereich.
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Zum
anderen ergibt sich durch eine große Anzahl von Ortsmarken eine
hoch redundante Anordnung. Der Ausfall einzelner Transponder T1,
T2, ..., Tn führt
bei geeigneter Systemauslegung nur zu einem sehr geringen Genauigkeitsverlust,
die Grundfunktionalität
der Anordnung bleibt aber auf jeden Fall erhalten. Ein als defekt
identifizierter Transponder kann zudem im laufenden Betrieb ausgetauscht
werden. Letztere Eigenschaft kann insbesondere in Produktionsanlagen
zu ganz erheblichen Kostenersparnissen führen, da nicht jede Störung zu
einem Produktionsstopp führt.
Durch geeignete Algorithmen, die z.B. prüfen ob an der aktuell bestimmten
Position alle zu erwartenden Ortsmarken auffindbar sind, kann das
Fehlen bzw. der fehlerhafte Betrieb eines Transponders von der Basisstation
erkannt werden. Eine Fehlermeldung an die Leitwarte kann dann die notwendigen
Reparaturmaßnahmen
zielgerichtet auslösen.
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Bisher
wurde in den Ausführungen
nur eine Topologie mit genau einer Basisstation B1 dargestellt.
Selbstverständlich
ist die Anordnung aber auch auf Topologien mit mehreren Basisstationen
erweiterbar, von denen beispielsweise jeweils eine an einem von
mehreren beweglichen Objekten angeordnet ist.
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An
der Basisstation B1 und damit am mobilen Objekt sind eine Antenne
A1 und eine zweite Antenne A2 in Form einer zweigeteilten Doppelantenne angeordnet. Über Antennen
A1, A2, die aus zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden Dipol-Strukturen bestehen,
ist es durch wechselnden Betrieb der beiden Strukturen möglich, einen
Raumwinkel (Winkel im Raum, Ausrichtung, Richtung, Richtungsvektor,
Orientierung) der Basisstation B1 in einem Transponderfeld zu bestimmen.
Wie in 1 dargestellt werden beim lokalen Positionsmesssystem
zwischen einer beweglichen Basisstation und vielen am Rand montierten
festen Transpondern T1, T2, ..., Tn jeweils die Entfernungen gemessen
und daraus die kartesischen Koordinaten der Basisstation B1 berechnet.
Setzt man nun für
die Basisstation keine Rundstrahlantenne, sondern die zwei Antennen
A1, A2 ein, die einen Halbraum von jeweils 180° abdecken, und sorgt für eine entgegengesetzte
Ausrichtung, so sieht man mit jeweils einer Antenne verstärkt nur
die Transponder der einen Halbebene. Dies ist in 1 durch
die Schraffur der beiden von den Antennen A1, A2 erfassten Halbräume angedeutet.
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In 2 erkennt
man ein Blockschaltbild der Ansteuerung der Antennen A1, A2 des
Diversity. Während
des Messbetriebes wird abwechselnd zwischen der Antenne A1 und der
zweiten Antenne A2 umgeschaltet und somit ein abwechselndes Messen in
die jeweilige Richtung realisiert. Dazu ist die Basisstation B1 über eine
Steuerleitung STL und eine Signalleitung SGL mit einem Hochfrequenzschalter HF-S
verbunden, an den die Antennen A1, A2 über eine Antennenaus- und Eingang
AA angeschlossen sind.
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Um
jedoch von jeder Antenne für
jeden Transponder eine Richtungsinformation zu erhalten, ist eine
wie in 3 aufgezeigte nierenförmige Richtcharakteristik der
Antennen hilfreich. Man realisiert hierdurch über alle Richtungen hinweg
eine recht gleichmäßige maximale
Leistungsverteilung, für
jede einzelne Antenne jedoch eine deutlich winkelabhängige Strahlungsleistung,
die bei einer bekannten Position auf den Orientierungswinkel der
Basisstation relativ zu einem Transponder zurückschließen lässt.
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Des
Weiteren misst die Antenne auch entgegen ihrer Hauptstrahlrichtung
zwar deutlich gedämpft,
aber noch auswertbar.
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Hätte man
wie im Richtdiagramm dargestellte ideale Ausbreitungsbedingungen
ohne Einbrüche, könnte man
die Winkelbestimmung über
den Pegel einer einzigen Antenne durchführen. In der Praxis gibt es
jedoch durch Multipath-Effekte verursachte winkel- und ortsabhängige Einbrüche, die
für eine große Ungenauigkeit
in der Winkeldetektion sorgen.
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Deshalb
wird vorgeschlagen, dass die zwei entgegengerichteten Antennen A1,
A2 verwendet werden. Diese sind in einer örtlichen Einheit realisiert,
für die
die ortsabhängigen
Pegeleinbrüche
nahezu gleich sind.
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Trägt man das
Verhältnis
zwischen der Differenz und der Summe der Pegel von beiden Antennen über dem
Winkel auf, so erhält
man die so genannte Monopuls-Fehlerfunktion:
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Sie
ist in 4 dargestellt und zeigt die Dämpfung der Antenne A1 zur zweiten
Antenne A2 in Abhängigkeit
des Winkels
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Durch
diese reziproke Vorgehensweise ist eine von örtlichen Pegeleinbrüchen weitgehend
unabhängige
Winkelbestimmung mit hoher Genauigkeit möglich.
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Durch
abwechselnde Pegelbestimmung in beide Antennenrichtungen und Berechnung
der Monopulsfunktion ist nun auch zu jeder Transponder-Abstandsmessung
eine Winkelbestimmung bezüglich
des gemessenen Transponders möglich.
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Neben
der Richtungsfunktion besteht auch der Wunsch nach einer kompakten
Antennenbausweise. Neu im Vergleich zu herkömmlichen aus mehreren baulich
getrennten Antennen bestehenden Monopuls-Verfahren ist hier, dass
man ohne Schwenkbewegung statisch aus einer integrierten Antennenstruktur
mit zwei gegenüber
angeordneten Faltdipol-Arrays eine genaue und aufbautechnisch sehr kompakte
Methode zur Winkelbestimmung gefunden hat.
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Für jeden
LPR-Positionsmesszyklus steht neben den Koordinaten (XTn, YTn) des
Transponders, den gemessenen Entfernungen und damit den Koordinaten
(XB1, YB1) der Basisstation B1 auch der Winkel zu diesem Transponder α zur Verfügung, über den
sich nach Durchführung
der in 5 dargestellten Transformation aus dem bekannten
Winkel γ die Orientierung
der Basisstation im Raum β ermitteln lässt.
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Mittels
dieses Verfahrens lässt
sich über
jeden messbaren Transponder ein Richtungsvektor der Basisstation
bestimmen. Im Idealfall haben diese Vektoren alle die gleiche Orientierung.
Aufgrund von Ungenauigkeiten in den Pegelwerten ergibt sich in der
Praxis eine leichte Streuung, so dass ein geeignetes Mittelungsverfahren
anzuwenden ist.
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Zur
Realisierung des Konzeptes wird die bereits erwähnte Doppelantenne mit Diversity
in Form der ersten Antenne A1 und der zweiten Antenne A2 vorgeschlagen,
mit der es möglich
ist, die gewünschten
Charakteristiken durch zwei auf einer ebenen Struktur befindlichen
Arrays aus Dipolen erzielen.
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Besonders
vorteilhaft ist die von der Hauptstrahlrichtung des horizontalen
Richtdiagramms ausgehende monoton fallende Amplitudenwichtung in den
Pol der Antenne, da sich nur dann eine Monopulsfunktion mit einer
eindeutigen Zuordnung über das
Intervall [0...π]
ergibt.
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Die 6 bis 8 zeigen
einen bevorzugten mechanischen Aufbau einer solchen Doppelantenne
in Form der Antenne A1 und der zweiten Antenne A2 als 5,8 GHz Diversity-Antenne
in Arrays aus Stripline gespeisten Faltdipolen. Eine Anpassung erfolgt über Balun.
Es ergibt sich ein paralleles Stripline Verteilnetzwerk. Der Aufbau
erfolgt mit zwei aufeinander liegenden Substraten eps_r = 3,38,
t = 0,51 mm, 60 mm × 130
mm und zwei Metall-Blechen, t = 1 mm, verschraubt, die als Masse
und zur mechanischen Stabilisierung dienen.
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9 zeigt
ein vertikales (Elevation) Richtdiagramm der Diversity-Antenne im
Fernfeld mit den Werten Frequenz = 5,8 GHz, Hauptkeulengröße = 9,8
dBi, Hauptkeulenrichtung = 90,0 Grad, Winkelweite (3 dB) = 20,4
Grad und Seitenkeulenunterdrückung
= 11,7 dB.
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10 zeigt
ein horizontales (Azimut) Richtdiagramm der Diversity-Antenne im
Fernfeld den Werten Frequenz = 5,8 GHz, Hauptkeulengröße = 9,8
dBi, Hauptkeulenrichtung = 0,0 Grad, Winkelweite (3 dB) = 207,2
Grad und Seitenkeulenunterdrückung
= 11,7 dB.
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In
einer alternativen Ausführungsform,
die in 11 dargestellt ist, werden Antennen
mit Richtcharakteristik so angeordnet, dass ihre Strahlkeulen sich
nicht oder wenig überla gern.
Die Transponder T1, T2, ..., Tn werden dann nur von jeweils einer
dieser Antennen „gesehen" und können so
neben der Laufzeit auch einem Winkelsegment zugeordnet werden. Dadurch
steht ein weiterer, unabhängiger Parameter
zur Bestimmung der Position der Transponder im Raum zur Verfügung. Besonders
vorteilhaft ist bei dieser Anordnung, dass störende Mehrwegeausbreitungen
oft außerhalb
der Antennenkeule liegen, d.h., die Genauigkeit der Entfernungsmessung
kann so erhöht
werden. Die Kenntnis des Eintreffwinkels kann auch zur Selektion
verschiedener Echos verwendet werden, d.h. zur Klassifizierung als direktes
oder indirektes Echo. Eine weitere Ausführung ergibt sich durch sequentielles
Durchschalten der Antennen: Hier werden die einzelnen Antennen nacheinander
angesteuert, so dass die erlaubte Abstrahlleistung pro Segment,
und damit die Reichweite, höher
ist.
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Neben
diskret angeordneten Antennen können
auch Strahlschwenkverfahren eingesetzt werden. Diese weisen den
Vorteil einer besonders guten Winkelauflösung auf, erfordern aber technischen Mehraufwand.
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Die
beschriebenen Anordnungen und Verfahren weisen unter anderem einen
oder mehrere der folgenden Vorteile auf:
- – Platzbedarf-optimierte
Integration einer 5,8 GHz Diversity-Antenne,
- – Erhöhung der
LPR-Messgenauigkeit durch den Diversity-Effekt und damit verbunden Erhöhung der
effektiven Transponderzahl,
- – Bestimmung
der Richtung/Orientierung unabhängig
von Fahrtgeschwindigkeit möglich,
- – Monopuls-Verfahren
ohne räumlich
getrennte oder sich bewegende Antennenvorrichtungen realisiert,
- – Erhöhung der
Messgenauigkeit durch Unterdrückung
von Mehrwegeechos auf Grund der direktiven Antennen,
- – Zusätzlicher
unabhängiger
Messparameter zur Erhöhung
der Messgenauigkeit des Systems,
- – Erhöhung der
Reichweite mittels Strahlschwenkverfahren.
