DE102005044498A1

DE102005044498A1 - Ortungsgerät

Info

Publication number: DE102005044498A1
Application number: DE200510044498
Authority: DE
Inventors: Dirk-W. Dipl.-Ing. Morche
Original assignee: OECON INGENIEURGESELLSCHAFT FU; Oecon Ingenieurgesellschaft fur Industrieberatung und Projektmanagement Mbh; SECUTRAC TECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: OECON HOLDING & CONSULTING GMBH, DE
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-17
Also published as: DE102005044498B4

Abstract

Ein Ortungsgerät (1) zur Bestimmung der räumlichen Position von Funkidentifikationstranspondern (3), die eine Sendeeinheit und Empfangseinheit zur Aussendung eines Identifikationssignals als Antwort auf den Empfang eines Abfragesignals haben, weist eine mit einer Sendeantenne (20) verbundene Sendeeinheit (21) zur Aussendung von Abfragesignalen, eine Empfangseinheit (18) zum Empfangen von Identifikationssignalen von auf ein Abfragesignal antwortenden Funkidentifikationstransponders (3) und eine Ortungseinheit (24) zur Bestimmung der räumlichen Position des antwortenden Funkidentifikationstransponders (3) aus den empfangenen Identifikationssignalen auf. Das Ortungsgerät (1) hat eine Sektorempfangsantenne (2) mit zwei oder mehr voneinander verschiedenen Richtcharakteristiken aufweisenden Sektorantennenelementen (12). Die Empfangseinheit (18) ist mit der Sektorempfangsantenne (2) verbindbar und hat eine auf mindestens ein Seitenband des zur Übertragung des Identifkationssignals genutzten Trägers abgestimmten Bandpassfilter. Eine Steuerungseinheit (13) ist zum Aussenden eines Anforderungssignals und dazu zeitversetztem Empfangen des Identifikationssignals (Halbduplexverfahren) eingerichtet. Die Ortungseinheit (24) ist zur Bestimmung der räumlichen Position aus der Richtcharakteristik desjenigen Sektorantennenelementes (12), mit dem das Identifikationssignal mit der größten Signalstärke empfangen wurde, eingerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ortungsgerät zur Bestimmung der räumlichen Position von Funkidentifikationstranspondern (RFID), die eine Sendeeinheit und Empfangseinheit zur Aussendung eines Identifikationssignals als Antwort auf den Empfang eines Abfragesignals haben, wobei das Ortungsgerät eine mit einer Sendeantenne verbundene Sendeeinheit zur Aussendung von Abfragesignalen, eine Empfangseinheit zum Empfangen von Identifikationssignalen von auf ein Abfragesignal antwortenden Funkidentifikationstranspondern und eine Ortungseinheit zur Bestimmung der räumlichen Position eines antwortenden Funkidentifikationstransponders aus den empfangenen Identifikationssignalen hat.

Zur Kennzeichnung und Identifikation von Waren und Gütern in der Transport- und Distributionslogistik werden zunehmend automatische Identifikationsverfahren eingesetzt. Die weit verbreiteten Strichcode-/Kryptocodeetiketten werden dabei immer mehr durch elektronische Chips mit Sende- und Empfangsbauteilen ersetzt. Diese so genannten Funkidentifikationstransponder werden Radio Frequency Identification – (RFID) Tags genannt. Es gibt aktive und passive RFID-Transponder. Die aktiven RFID-Transponder haben eine eigene Stromversorgung, während die passiven RFID-Transponder die Energie eines Abfragefunksignals zwischenspeichern und zur Aussendung eines Identifikationssignals nutzen. Neben dem Spannungsversorgungsprinzip hängt die Funkreichweite der Transponder auch von der Wellenlänge ab. Es sind passive RFID-Transponder mit einer Reichweite von mehreren Metern verfügbar, die im UHF-Frequenzband nach den Normen EPC Class I und Gen II arbeiten. Die Frequenz liegt hier im Bereich von 860 bis 930 MHz, insbesondere bei 868 MHz in Europa und 915 MHz in den USA.

Zur Kennzeichnung von Gegenständen mit RFID-Transpondern und Übertragung von Informationen zu den gekennzeichneten Gegenständen über Funk an Abfragestationen können die RFID-Transponder auch zur Ortung der gekennzeichneten Gegenstände genutzt werden. Es sind zahlreiche Verfahren hierzu bekannt.

Bei Logistikprozessen innerhalb von Lagerhallen werden beispielsweise engmaschige Netze von RFID-Lesern bzw. Leseantennen aufgebaut und es wird vermittelt, welche RFID-Leser bzw. Leseantennen Informationen von einem zu ortenden RFID-Transponders empfangen. Damit ist die ungefähre Position des RFID-Transponders in dem Empfangsnetzwerk bekannt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in der erforderlichen Festinstallation des RFID-Leser- bzw. Antennenetzwerkes. Es ist somit nicht für mobile Einsatzzwecke geeignet. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der WO 01/22118 A2 offenbart.

Ein weiteres Verfahren sieht die Ausrüstung von RFID-Transpondern mit einer Leuchtdiode vor. Beim Scannen der RFID-Transponders leuchtet sogleich die Leuchtdiode (LED) zur optischen Identifizierung auf. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt neben den erhöhten Transponderkosten darin, dass die Leuchtdiode immer zum Lesegerät bzw. zum Bediener gerichtet sein muss, um überhaupt erkannt zu werden. Das ist nur bei vereinzelten Gütern, aber nicht bei Stapelgütern wie zum Beispiel Fluggepäck gewährleistet. Ferner funktioniert dieses Verfahren auf sehr kurzen Distanzen von maximal 0,5 Metern.

Weiterhin sind Ortungsverfahren bekannt, die auf den Grundlagen der allgemein bekannten Funkpeiltechnik basieren. Dies sind

a) Triangulationsverfahren (winkelbasiertes Ortungsverfahren) mit dem Nachteil, dass der hierfür erforderliche feste Messantennenaufbau nur in Hallen oder Freiflächen möglich ist. Bei Lagerung an einer Außenwand, wie zum Beispiel eine metallische Flugzeugaußenwand, ist das Verfahren schon aus physikalischen Gründen nicht einsetzbar.
b) Trilaterationsverfahren (laufzeitbasiert) mit dem Nachteil eines hohen Aufwands aufgrund des erforderlichen Zeitnormals zur Synchronisation. Das Trilaterationsvertahren ist bei kurzen Distanzen von weniger als 10 Metern nicht mit der geforderten Genauigkeit von weniger als 1 Meter anwendbar. Zudem können Signalmehrwegausbreitungen nicht kompensiert werden.
c) Funkmustererkennung (Pattern Recognition) mit dem Nachteil, dass eine definierte und gleich bleibende Umgebung im Funkwellenausbreitungsgebiet und eine Datenbank mit allen denkbaren „Funkmustern" erforderlich ist.

Bei der Ortung von Funkidentifikationstranspondern stellt sich zudem das Problem, dass sich oftmals mehrere Transponder im Lese- bzw. Abfragebereich, d. h. dem Ausbreitungsgebiet des elektromagnetischen Feldes eines Lesegerätes befinden, die dann auch alle mit ihrer Identifikationskennung antworten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Ortungsgerät zu schaffen, mit dem die ungefähre Ortsposition eines gesuchten Funkidentifikationstransponders kostengünstig und zuverlässig auch bei eng gestapelten Gütern ggf. im metallisch abgeschirmten Raum möglich ist.

Die Aufgabe wird mit dem Ortungsgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

– das Ortungsgerät eine Sektorempfangsantenne mit zwei oder mehr voneinander verschiedenen Richtcharakteristiken aufweisenden Sektorantennenelemente hat,
– die Empfangseinheit mit der Sektorempfangsantenne verbindbar ist und eine auf mindestens ein Seitenband des zur Übertragung des Identifikationssignals genutzten Trägers abgestimmtes Bandpassfilter hat, und
– eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, die zum Aussenden eines Anforderungssignals und dazu zeitversetztem Empfangen des Identifikationssignals eingerichtet ist, und wobei
– die Ortungseinheit zur Bestimmung der räumlichen Position aus der Richtcharakteristik desjenigen Sektorantennenelementes, mit dem das Identifikationssignal mit der größten Signalstärke empfangen wurde, eingerichtet ist.

Durch die Nutzung von einer Sektorempfangsantenne mit Sektorantennenelementen ist es auf einfache Weise möglich, die Richtung eines gesuchten Funkidentifikationstransponders in Abhängigkeit von demjenigen Sektorantennenelement zu bestimmen, dass das Identifikationssignal mit der größten Feldstärke im Vergleich zu den anderen Sektorantennenelementen aufgenommen hat. Die Signalstärken der Identifikationssignale sind dabei ohne aufwendige Messung in an sich bekannter Weise bestimmbar.

Zur Ausschaltung des zur Übertragung des Identifikationssignals genutzten Trägers als mögliche Störquelle bei der Ermittlung der Signaleinfallrichtung wird das Empfangssignal mit einem Bandpassfilter in der Bandbreite begrenzt und es wird lediglich mindestens ein Seitenband des Trägers ausgewertet. Die Datenübertragung zwischen Funkidentifikationstransponder und Ortungsgerät findet im so genannten Halbduplexverfahren statt, d. h. die Aussendung des Anforderungssignals erfolgt zeitversetzt zu dem Aussenden und Empfangen des Identifikationssignals. Dadurch sind sind störende Einflüsse des Abfragesignals bei der Ermittlung der Signalstärke ebenfalls ausgeschaltet.

Das Ortungsgerät lässt sich vorzugsweise zum Auffinden von Gepäckstücken aus Laderäumen von Fahrzeugen zuverlässig einsetzen. Dabei können bereits vorhandene Funkidentifikationstransponder genutzt werden, die zunehmend auch zur Kennzeichnung von zu transportierenden Gepäck- und Frachtstücken etwa von Flugreisenden eingesetzt werden. Mit diesen Funkidentifikationstranspondern sollen die Verlust- und Fehlleitungsquoten von Gepäckstücken reduziert und die Sicherheit im Flugverkehr erhöht werden. Mit Hilfe von RFID-Lesegeräten an der Ladeluke lässt sich feststellen, welche Gepäckstücke bereits verladen worden sind. Wenn jedoch aus Sicherheitsgründen ein einzelnes dieser bereits verladenen Gepäckstücke wieder entladen werden soll, weil zum Beispiel der zum Gepäckstück zugehörige Passagier nicht zum Flugantritt erschienen ist, so steht das Sicherheitspersonal vor der Aufgabe unter hunderten von Gepäckstücken dieses innerhalb kürzester Zeit wieder zu finden, um es rechtzeitig vor dem planmäßigen Flugbeginn aus dem Frachtraum zu entfernen. Mit dem erfindungsgemäßen Ortungsgerät ist es nunmehr einfach möglich, die Position des Gepäckstücks zu orten. Hierzu wird mit dem tragbaren Ortungsgerät eine oder mehrere Abfragen in den Frachtraum hinein gesendet und die Antwortsignale aus den einzelnen Bereichen mit den Sektorantennenelementen empfangen. Während der Näherung an das Gepäckstück kann die Genauigkeit durch wiederholtes Abscannen gesteigert werden, bis das Gepäckstück eindeutig identifiziert ist. Die Sendeleistung sollte hierbei variabel einstellbar sein, beispielsweise zwischen Nah- und Fernbereich umschaltbar, um Reflexions- und Mehrwegempfangsstörungen zu reduzieren und die Empfindlichkeit zu variieren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Sektorantennenelement-Wahleinheit zur wahlweisen Verbindung der Empfangseinheit mit einem ausgewählten Sektorantenneelement vorgesehen ist, um Identifikationssignale nacheinander von den einzelnen Sektorantennenelementen der Sektorempfangsantenne aufzunehmen und die Empfangsfeldstärken der von den einzelnen Sektorantennenelementen empfangenen Identifikationssignalen miteinander zu vergleichen. Die Sektorantennenelemente werden dabei beispielsweise in einem getakten Multiplexvorgang mit einem Multiplexer als Sektorantennenelement-Wahleinheit nacheinander einzeln und ohne weitere vorherige Umwandlung durch Tiefpassfilter differenziert und bezüglich der Signalstärke (RSSI – Radio Signal Strength Identificator) ausgewertet.

Die Sektorempfangsantenne kann dabei als Sektorantenne mit einer Anzahl n aneinander anschließender Sektorantennenelementen mit n = 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, ... und einem Horizontal- bzw. Azimutwinkel von vorzugsweise 360°/n haben. Der Vertikal- bzw. Elevationswinkel der einzelnen Sektorantennenelemente sollte einheitlich sein und im Bereich von 90° bis 180° liegen. Es ist aber auch denkbar, dass die Sektorempfangsantenne nicht einen vollständigen Rundumbereich von 360° abdeckt, sondern einen geringeren Bereich, wie zum Beispiel 270° oder 180°. Der Horizontalwinkel der einzelnen Sektorantennenelemente beträgt dann entsprechend 270°/n bzw. 180°/n.

Die Steuerungseinheit ist vorzugsweise zum Aussenden eines Abfragesignals nach dem Umschalten auf ein Sektorantennenelement und die Empfangseinheit zum Empfangen eines Identifikationssignals als Antwort auf das Abfragesignal über das ausgewählte Sektorantennenelement ausgebildet. Damit wird sichergestellt, dass die einzelnen Sektorantennenelemente vergleichbare Identifikationssignale aussenden, da diese mit dem identischen Verfahren durch ein jeweils neues Abfragesignal neu generiert werden. Bei den herkömmlichen Funkidentifikationstranspondern ist auch sichergestellt, dass die Identifikationssignale immer mit konstanter Feldstärke abgestrahlt werden, solange die verfügbare Energie ein definiertes Mindestmaß überschreitet.

Denkbar ist es aber auch, dass die Empfangseinheit für jedes Sektorantennenelement einen separaten Empfänger hat und zum gleichzeitigen Empfangen des Identifikationssignals mit dem Sektorantennenelement der Sektorempfangsantenne eingerichtet ist. Dies erfordert zwar einen höheren Aufwand für die Empfangseinheit, erlaubt auf der anderen Seite jedoch ein schnelleres Abscannen des von dem Ortungsgerät erfassten räumlichen Bereichs.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Ortungseinheit zur Schätzung der Entfernung des Funkidentifikationstransponders von dem Ortungsgerät in Abhängigkeit von der Feldstärke des Identifikationssignals eingerichtet ist und das Ortungsgerät eine Anzeigeeinheit zur Anzeige der geschätzten Entfernung hat. Hierzu ist es lediglich erforderlich die Signalstärke RSSI des Identifikationssignals in an sich bekannter Weise zu ermitteln und analog, digital oder in einem Balkendiagramm darzustellen. Die Genauigkeit der Entfernungsschätzung kann zudem durch verfügbare selbst lernende Verfahren verbessert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ortungseinheit zur Interpolation der Feldstärken der mit aufeinander folgenden Sektorantennenelementen empfangenen Identifikationssignale und Bestimmung der räumlichen Position des Funkidentifikationstransponders aus dem maximalen Wert des interpolierten Feldstärkeverlaufs und der zugeordneten aus der Richtcharakteristik der Sektorantennenelementen mit den Azimut- und Elevationswinkeln bestimmbaren Peilrichtung eingerichtet ist. Auf diese Weise kann eine stufenlose Bestimmung der ungefähren Raumposition des gesuchten Funkidentifikationstransponders realisiert werden, auch wenn die Sektorantennenelemente einen größeren Winkel abdecken. Die Anzeige der Richtung des gesuchten Funkidentifikationstransponders in Bezug auf die Ausrichtung der Sektorantennenelemente und des Ortungsgeräts kann in mehr oder weniger genauen Intervallen oder auch stufenlos erfolgen.

Zum Auffinden spezifischer Funkidentifikationstransponder verfügt das Ortungsgerät vorzugsweise über eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Identifizierungsnummern des zu ortenden Funkidentifikationstransponders. Die Sendeeinheit ist dann zur Aussendung von Abfragesignalen eingerichtet, die die Identifizierungsnummer des ausgewählten Funkidentifikationstransponders enthalten. Mit diesen Abfragesignalen wird dann ein Antwortsignal dieses zur Ortung ausgewählten Funkidentifikationstransponders veranlasst. Die Angabe der Identifizierungsnummern kann beispielsweise per Funk über ein Mobilfunktelefonmodul, über eine Infrarotschnittstelle, einen Strich-/Kryptocodeleser und/oder Tastatur erfolgen. So kann beispielsweise im Flughafen von einer Sicherheitszentrale oder einem Check-In-Terminal eine SMS (Short Message Service) über das Mobiltelefonnetz oder ein Wireless-LAN-Netz mit mindestens einer Identifikationsnummer mindestens eines Funkidentifikationstransponders von Gepäckstücken eines Fluggastes an alle oder eine ausgewählte Anzahl von Ortungsgeräten abgeschickt werden. Hierdurch wird in dem Ortungsgerät dann die Suche der Gepäckstücke veranlasst, die dem Fluggast zugeordnet sind.

Der Abschluss einer Suche kann mit einer Signalisierungseinheit optisch, akustisch und/oder mit Vibrationsalarm dem Nutzer des Ortungsgerätes mitgeteilt werden.

Die Suche nach den Funkidentifikationstranspondern erfolgt vorzugsweise in zwei Schritten. Zunächst wird mit der Steuerungseinheit die Aussendung eines allgemeinen Abfragesignals veranlasst, das vorzugsweise rundum mit der Sendeantenne in einem Winkel von 360° ausgestrahlt wird. Dann wird mit der Sektorempfangsantenne bestimmt, ob sich ein gesuchter Funkidentifikationstransponder im Empfangsbereich des Ortungsgerätes befindet. Hierzu kann eine separate Rundum-Empfangsantenne vorgesehen sein. Aber auch der Empfang mit einem einzigen Sektorantennenelement ist unter Umständen ausreichend. Gegebenenfalls können auch sämtliche oder einige ausgewählte Sektorantennenelement zum Abscannen des Empfangsbereichs genutzt werden.

Im zweiten Schritt wird dann ein individuelles Abfragesignal mit der Identifizierungsnummer des gesuchten Funkidentifikationstransponders oder einer gesuchten Gruppe von Funkidentifikationstranspondern ausgesendet und die Position des mindestens einen gesuchten Funkidentifikationstransponders mit Hilfe der mindestens zwei Sektorantennenelementen und Auswertung der Signalstärken der von den einzelnen Sektorantennenelementen erfassten Identifikationssignale bestimmt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sektorempfangsantenne oder die Sektorantennenelemente einzeln mechanisch schwenkbar sind. Damit kann auch beispielsweise durch motorische Verschwenkung automatisch oder manuell ein dreidimensio naler Raumbereich abgescannt werden. Hierzu kann beispielsweise ein die Sektorempfangsantenne enthaltender Antennenkopf relativ zu dem Gehäuse des Ortungsgerätes schwenkbar angeordnet sein.

Wenn die Horizontal- und/oder Vertikalwinkel der Sektorantennenelemente elektronisch veränderbar sind, kann die elektronisch veränderbare Richtcharakteristik dazu genutzt werden, den abgetasteten Raumbereich zur Erfassung der räumlichen Position eines Funkidentifikationstransponders schnell und einfach anzupassen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Ortungsgerät eine mit der Ortungseinheit derart gekoppelte Lichtzeigeeinheit hat, dass die Lichtzeigeeinheit einen Lichtstrahl in Richtung der detektierten Position des Funkidentifikationstransponders abgibt. Dies hat den Vorteil, dass für den Bediener das Annähern und das Auffinden eines gesuchten Funkidentifikationstransponders bequem möglich ist, ohne dass eine Orientierung im Raum hinsichtlich der Anzeige der detektierten Richtung erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Skizze eines Ortungsgeräts zur Gepäckstückortung und einer Leitzentrale;
2 – perspektivische Darstellung des Ortungsgerätes aus 1;
3 – Draufsicht auf das Ortungsgerät aus 2;
4 – Skizze der Darstellung der räumlichen Lage von identifizierten Gepäckstücken mit dem Ortungsgerät;
5 – Skizze einer Sektorempfangsantenne mit acht Sektorantennenelementen und deren Richtcharakteristiken;
6 – Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ortungsgerätes.
Die 1 lässt eine Skizze eines Ortungsgerätes 1 erkennen, das am Kopf des Gehäuses eine Sektorempfangsantenne 2 und eine integrierte Sendeantenne (nicht dargestellt) hat. Die Sendeantenne mit einer Rundstrahlcharakteristik von vorzugsweise 360° dient dazu, ein Abfragesignal auszusenden, welches die Antwort mindestens eines angesprochenen Funkidentifikationstransponders 3 an einem Gepäckstück auslöst. Dabei werden vorzugsweise deterministische Antikollisionsverfahren, wie der Baumtraversierungsalgorithmus, genutzt. Diese sind eigentlich dazu gedacht, alle im Lesebereich befindlichen Funkidentifikationstransponder 3 nacheinander sicher zu erfassen. Bei dem vorliegenden Ortungsgerät 1 werden die deterministischen Antikollisionsverfahren jedoch dazu genutzt, um einen ausgewählten gesuchten Funkidentifikationstransponder 3 gezielt anzusprechen und das Funksignal dieses speziellen Funkidentifikationstransponders 3 auszuwerten. Hierzu können z. B. die in der EPC Class I definierten Kommunikationsbefehle „Scroll-ID, Ping-ID und Talk-ID" genutzt werden, mit denen der gesuchte Funkidentifikationstransponder 3 gezielt aufgefordert wird, wiederholt und mehrfach seine Identifikationskennung zur Positionsermittlung zu senden.
Die Suche eines Funkidentifikationstransponders 3 wird dabei von einer Leitzentrale 4 angestoßen, die über ein Datenfunkmodul 5 die Identifikationskennung des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3, d. h. das Frachtgutstückes an das Ortungsgerät 1 übermittelt. Hierzu hat das Ortungsgerät 1 ebenfalls ein integriertes Datenfunkmodul, wie beispielsweise ein Mobilfunktelefonmodul, das ebenfalls absolut geortet, d. h. georeferenziert werden kann.
Nachdem die gesuchten Frachtstück-Identifikationskennungen über das Datenfunkmodul 5 an das Ortungsgerät 1 übermittelt wurde, wird von dem Ortungsgerät 1 eine Abfrage getätigt, ob sich der gesuchte Funkidentifikationstransponder 3 mit der übermittelten Identifikationskennung überhaupt in dem betreffenden Umfeld, zum Beispiel Flugzeug, befindet. Wenn dies der Fall ist, wird diese Identifikationskennung dann mit Hilfe einer individuellen Abfrage einzeln gezielt aufgerufen und der Funkidentifikationstransponder 3 veranlasst, seine Identifikationskennung als Identifikationssignal mehrfach, zum Beispiel achtmal hintereinander zu senden. Mit einer internen Signalauswerteelektronik wird die Signalstärke der einzelnen zwei ausgewertet. Das Ergebnis wird durch entsprechende LED-Richtungsanzeige 6 angezeigt, die die ungefähre Richtung des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 in Bezug auf die Ausrichtung des Ortungsgerätes 1 angibt.
Vorteilhaft ist es, wenn auch die absolute Position des Ortungsgerätes 1 im Raum in einem globalen Koordinatensystem mit dem Ortungsgerät 1 selbst oder mit einer Ortungszentrale bestimmbar ist. Hierzu kann beispielsweise eine an sich bekannte Ortung in einem Funknetz (Mobilfunknetz wie z. B. GSM oder UMTS oder Computernetz wie z. B. WLAN) oder eine Satellitenortung (Global Positioning System GPS oder GALILEO) genutzt werden. Wenn zusätzlich noch die Orientierung des Ortungsgerätes 1 im Raum, d. h. die Ausrichtung mit Ortungsverfahren und/oder Lagesensoren bestimmt wird, kann aus der relativen Position eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 die absolute Position im Raum berechnet werden. Aus dieser absoluten Position im Raum kann wiederum auf definierte Raumbereiche, wie z. B. einem Regal/Lagerplatz in einem Lager geschlossen werden.
Die 2 lässt eine perspektivische Darstellung des Ortungsgerätes 1 erkennen. Es wird deutlich, dass weiterhin eine Anzeigeeinheit 7 vorgesehen ist, die die gesuchte Identifikationsnummer des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 darstellt. Weiterhin ist auf der Anzeigeeinheit die ungefähre Entfernung des Funkidentifikationstransponders 3 vom Ortungsgerät 1 als Balkendiagramm angezeigt. Dieses Balkendiagramm ist beispielsweise proportional zur Signalfeldstärke und repräsentiert den so genannten Radio Strength Signal Indicator RSSI.
Weiterhin sind Funktionstasten 8 für die Funktion „Ein-/Ausschalten", allgemeine Abfrage aller Funkidentifikationstransponder 3, individuelle Abfrage eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 und Einstellung der Signalstärke für Nah- und Fernabfrage (gegebenenfalls stufenlos) vorgesehen.
Das Ortungsgerät 1 verfügt weiterhin über ein Batteriefach 9 zur Aufnahme von Batterien oder Akkumulatoren.
Die 3 lässt das Ortungsgerät 1 aus der 2 nochmals in der Draufsicht erkennen. Neben den bereits beschriebenen Funktionselementen ist weiterhin eine interne Datenfunkantenne 10 angedeutet, die mit einem integrierten Datenfunkmodul zur Kommunikation mit dem Datenfunkmodul 5 der Leitzentrale 4 vorgesehen ist. Damit kann nicht nur die räumliche Position eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 an die Leitzentrale 4 zur Weiterverarbeitung übertragen werden, sondern es können auch Identifikationsnummern einer Liste von Funkidentifikationstranspondern an das Ortungsgerät 1 übertragen oder zwischen Ortungsgeräten 1 ausgetauscht werden.
Erkennbar ist auch die Feldstärkeanzeige 11 zur Darstellung des ungefähren Abstands des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 von dem Ortungsgerät 1.
Die 4 lässt eine Skizze des Ortungsgeräts 1 mit den Leuchtdioden der Richtungsanzeige 6 zur Darstellung der geschätzten Position gesuchter Funkidentifikationstransponder 3 erkennen. Optional kann die Richtungsanzeige 6 aber auch eine stufenlose Darstellung der geschätzten Richtung sein.
Bei dem skizzierten Ortungsgerät 1 hat die Sektorempfangsantenne eine Anzahl von n=8 Sektorantennenelementen mit einem Horizontalwinkel von jeweils 45°. Die aneinander anschließenden Sektorantennenelemente decken so insgesamt eine Rundstrahlcharakteristik von 360° ab. Der Vertikalwinkel der einzelnen Sektorantennenelement liegt im Bereich von etwa 90° bis ≤ 180°.
Für eine weniger genaue Messung kann die Sektorempfangsantenne auch weniger Sektorantennenelemente haben, wobei jedoch mindestens vier Sektorantennenelemente mit einem Horizontalwinkel von 90° vorgesehen sein sollten.
Durch Interpolation der mit den einzelnen Sektorantennenelementen empfangenen Signalfeldstärken lässt sich ein kontinuierlicher Feldstärkeverlauf über die durch die Sektorantennenelemente abgedeckte gesamte Rundstrahlcharakteristik der Sektorempfangsantenne 2 abbilden. Die maximale Signalfeldstärke des so interpolierten Feldstärkeverlaufs gibt dann eine genaue Richtung wieder, die mit einer stufenlosen Richtungsanzeige darstellbar ist.
Die 5 lässt eine Skizze einer Sektorempfangsantenne 2 erkennen, die aus 8 Sektorantennenelementen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h gebildet ist. Jede dieser Sektorantennenelemente 12 deckt einen Horizontalwinkel von 45° ab. Dadurch, dass die Sektorantennenelemente 12 direkt aneinander anschließen, hat die gesamte Sektorempfangsantenne 12 eine Rundstrahlcharakteristik von 360°. Gleichermaßen können die einzelnen Sektorantennenelemente 12 auch hinsichtlich ihrer Vertikalwinkel in Sektoren aufgeteilt sein. Denkbar ist aber auch eine elektronische Ausrichtung der Horizontal- und/oder Vertikalwinkel, um auf diese Weise die Empfangskeule der Sektorempfangsantenne 2 auf einen gewünschten Horizontal-/Vertikalwinkelbereich einzustellen.
In der 5 bilden die an ein Sektorantennenelement 12 anschließenden Raumbereiche zwischen zwei angrenzenden gestrichelten Linien den Empfangsraum der jeweiligen Sektorantennenelementen 12 ab.
Die 6 lässt ein Blockdiagramm des Ortungsgerätes 1 erkennen. Die Steuerung des Ortungsgerätes 1 erfolgt mit einer Steuerungseinheit 13, die bevorzugt als programmierter Mikroprozessor ausgebildet ist. Dieser ist auch als Ortungseinheit zur Signalauswertung einsetzbar.
Die Steuerungseinheit 13 kann mit einem Datenspeicher verbindbar sein, auf dem eine Liste von Identifikationsnummern von Funkidentifikationstranspondern 3 abgelegt werden. Der Datenspeicher kann in dem Ortungsgerät 1 fest integriert sein, ist aber vorzugsweise als wechselbare Speicherkarte (SIM-Karte, o. ä.) ausgeführt, um die gespeicherten Listen schnell und einfach weitergeben oder bereitstellen zu können.
Die Bedienung des Ortungsgeräts 1 erfolgt mit Bedienelementen 14 zum Ein-/Ausschalten, Einstellung der Signalstärke für Nah- und Fernabfrage (gegebenenfalls stufenlos), allgemeine Abfrage aller Funkidentifikationstransponder 3 zur Feststellung, ob sich ein gesuchter Funkidentifikationstransponder 3 überhaupt in der Nähe befindet, individuelle Abfrage eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3, etc. Zusätzlich kann auch eine Quittungstaste (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um eine Signalisierung nach Auffinden eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 zu bestätigen. Das Auffinden kann mit einer Signalisierungseinheit optisch, akustisch und/oder mit Vibrationsalarm angezeigt werden. Mit einem Lichtzeiger (Laserpointer) kann in die Richtung des gesuchten und gefundenen Funkidentifikationstransponders gezeigt werden.
Mit einer Empfindlichkeits-Umschalteinheit 15 kann die Empfindlichkeit E mit Hilfe der Steuereinheit 13 zur Nah-/Fernabfrage angepasst werden.
Ein Taktgenerator 16 dient zur Generierung eines Taktsignals, mit dem eine synchronisierte Antennenumschaltung erfolgt. Das Taktsignal ist hierbei an eine aus mehreren Schaltern bestehende Sektorantenneneinheiten-Wahleinheit 17 gekoppelt, mit denen die einzelnen Sektorantennenelementen 12a–h an eine Empfangseinheit 18 geschaltet werden können. Weiterhin ist ein Umschalter 19 vorgesehen, um eine Sendeantenne 20 mit einer Sendeeinheit 21 zu verbinden, die mit der Empfangseinheit 18 integriert als RFID-Rx/Tx-Modul aufgebaut sein kann.
Die Umschaltung zwischen Sendebetrieb zur Absendung eines Abfragesignals und Empfangsbetrieb zum Empfangen von Identifikationssignalen wird über den die Steuerungseinheit 13, einen Abfragesignalgenerator 22 und eine Umschaltsteuereinheit 23 gesteuert. Der Abfragesignalgenerator 22 dient dazu, ein die Identifikationskennung eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 enthaltendes Abfragesignal zu generieren, das mit der Sendeantenne 20 abgestrahlt wird und eine Aussendung eines Identifikationssignals des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 auslöst.
Die Empfangseinheit 21 ist mit einer Ortungseinheit 24 verbunden, die zur Bestimmung der Feldstärke eingerichtet ist. Die Feldstärke kann als Entfernung mit dem Balkendiagramm 11 auf der Anzeigeeinheit 7 dargestellt werden. Weiterhin werden die Signalstärken der mit den einzelnen Sektorantenneneinheiten 12 erfassten Identifikationssignale miteinander verglichen und die Richtung des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 in Abhängigkeit von der maximalen Signalstärke 6 auf der Richtungsanzeige 6 dargestellt.
Es ist weiterhin erkennbar, dass die Steuereinheit 13 mit dem Datenfunkmodul 5 verbunden ist, die eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Identifizierungsnummern zu ortender Funkidentifikationstransponder 3 darstellt. Das Datenfunkmodul 5 kann beispielsweise ein Mobilfunktelefonmodul sein.
Es ist aber auch denkbar, als Eingabeeinheit eine Infrarotschnittstelle, einen Strich/Kryptocodeleser oder die Bedieneinheit 14 mit einer Nummerntastatur vorzusehen.
Zur Bestimmung der Ortsposition eines gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 relativ zum Ortungsgerät 1 werden nun die Eingangssignale des Ortungsgeräts 1, d. h. die Sendesignale des angesprochenen Funkidentifikationstransponders 3 mit den symmetrischen Sektorantennenelementen 12 der Sektorempfangsantenne 2 in einem getakteten Multiplexvorgang einzeln und ohne weitere vorherige Umwandlung durch Tiefpassfilter differenziert und dann bezüglich der Signalstärke RSSI ausgewertet. Die Taktung des Multiplexers zur Umschaltung der einzelnen Sektorantennenelmente 12 wird dabei durch die Steuereinheit 13 mit der Identifikationskennung-Anforderung des Ortungsgerätes 1 synchronisiert. Aufgrund der Schalt- und Anschwingzeiten wird pro Sektorantennenelement 12 eine Identifikationskennungs-Anfrage gesendet und dann jedes Antwortsignal bezüglich der Signalstärke RSSI ausgewertet.
Da bei einem RFID-Lesevorgang die Energie für den Sendevorgang des Funkidentifikationstransponders 3 zum Lesegerät als elektromagnetische Welle übertragen werden muss, was mit einem starken so genannten Signalträger erfolgt, ist zwischen der Signalstärke dieses Trägers und dem eigentlichen Nutzsignal ein Delta von über 80 dB vorhanden. Damit würde in der Praxis der mit 360° ausgestrahlte Träger eine Feldstärke haben, die selbst nach einer Mehrwegeausbreitung von der Signalstärke her noch die des Nutzsignales übersteigt. Dies würde die Richtungsmessung, also die Ermittlung des Einfallwinkels des eigentlichen Nutzsignals, unmöglich machen.
Da jedoch das modulierte Nutzsignal in den Seitenbändern des Trägers übertragen wird, besteht jeweils rechts und links vom Trägersignal ein Frequenzabstand zwischen Trägersignal und moduliertem Signal von mehreren 100 KHz in beiden Richtungen. Dieser Frequenzabstand wird dahingehend genutzt, das abzutastende Signal mit einem steilflankigen Tiefpassfilter (Antialiasingfilter) in der Bandbreite zu be grenzen. Damit wird der Träger als mögliche Störquelle bei der Ermittlung der Signaleinfallrichtung ausgeschaltet.
Ein geeigneter Hochfrequenzschalter 19 mit einer vorgegebenen Frequenz von mehr als 1 KHz schaltet dann zwischen den einzelnen Sektorantennenelementen 12 und der eigentlichen Empfangseinheit 18 hin und her. Nach jedem Um-/Weiterschalten wird erneut eine Anforderung zum Senden der Identifikationskennung an den betreffenden Funkidentifikationstransponder 3 über die Sendeeinheit 21 übermittelt. Der Umschaltvorgang des Hochfrequenzschalters 19 wird dabei von der Steuerungseinheit 13 mit der wiederholten Identifikationskennung-Anforderung der Sendeeinheit 21 entsprechend synchronisiert.
Das so indirekt erzeugte Empfangssignal wird dann jeweils in einen hochempfindlichen (≤ –110 dbm) Signalempfänger der Empfangseinheit 18 geleitet. Wenn eine messbare höhere Signalpegelabweichung zu den vorherigen Signalen vorhanden ist, gibt die Steuerungseinheit 13 im Gerät ein entsprechendes Schaltsignal an die diesem Sektorantennenelement zugeordneten Leuchtdiode aus, um die ungefähre Richtung des gesuchten Funkidentifikationstransponders 3 in Bezug auf das Ortungsgerät 1 anzuzeigen.
Über eine adaptive 16-segmentige Signalpegelanzeige 11 wird dem Bediener zudem ein Eindruck über die etwaige Entfernung zwischen Ortungsgerät 1 und gesuchtem Funkidentifikationstransponder 3 vermittelt. Im Nahbereich ≤ 1 m wird der volle Pegel ausgegeben, während im Fernbereich (≥ 1 m und ≤ 8 m) ein entsprechend kleinerer Pegel berechnet wird. Neben der internen Signalpegelauswerteeinrichtung verfügt das Ortungsgerät 1 über eine Richtungsanzeige 6 vorzugsweise in Form von kreisförmig angeordneten Leuchtdioden, die anzahlmäßig den Sektorantennenelementen 12 der verwendeten Sektorempfangsantenne 2 entsprechen. Die ermittelte maximale Signalstärke wird dann für den Bediener durch Aufzeichnen der jeweiligen Sektor-Leuchtdiode visualisiert. Optional ist aber auch ein stufenloses Darstellen der ermittelten Richtung denkbar.
Zusätzlich ist eine Abstufung-/Regulierungsmöglichkeit der Sendeleistung des Ortungsgeräts 1 von beispielsweise maximal 0,5 Watt (Europa) auf bis zu 10 Milliwatt für den Nahbereich (< 1 m) per Tastendruck vorgesehen, um so in dem ermittelten Sektor eine weitere feinere Auflösung im Nahbereich zu erzielen und dort eine schnellere Zuordnung des einfallenden Signals zu dem gesuchten Funkidentifikationstransponder 3 zu ermöglichen.
Denkbar ist es auch, mit der Steuerungseinheit 13 eine Frequenzzuordnung beispielsweise nach der mit dem Datenfunkmodul 5 erfassten Länderkennung vorzunehmen. So kann beispielsweise mit einem Mobilfunktelefonmodul das Land bestimmt werden, in dem sich das Ortungsgerät 1 befindet. Mit Hilfe einer im Ortungsgerät 1 hinterlegten Tabelle können dann die für das betreffende Land zulässigen Frequenzen zur Abfrage der Funkidentifikationstransponder 3 und/oder in dem Land vorgeschrieben maximale Sendeleistungen eingestellt werden.

Claims

Ortungsgerät (1) zur Bestimmung der räumlichen Position von Funkidentifikationstranspondern (3), die eine Sendeeinheit und Empfangseinheit zur Aussendung eines Identifikationssignals als Antwort auf den Empfang eines Abfragesignals haben, wobei das Ortungsgerät eine mit einer Sendeantenne (20) verbundene Sendeeinheit (21) zur Aussendung von Abfragesignalen, eine Empfangseinheit (18) zum Empfangen von Identifikationssignalen von auf ein Abfragesignal antwortenden Funkidentifikationstranspondern (3) und eine Ortungseinheit (24) zur Bestimmung der räumlichen Position eines antwortenden Funkidentifikationstransponders (3) aus den empfangenen Identifikationssignalen hat, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ortungsgerät (1) eine Sektorempfangsantenne (2) mit zwei oder mehr voneinander verschiedenen Richtcharakteristiken aufweisenden Sektorantennenelemente (12) hat, – die Empfangseinheit (18) mit der Sektorempfangsantenne (2) verbindbar ist und eine auf mindestens ein Seitenband des zur Übertragung des Identifikationssignals genutzten Trägers abgestimmtes Bandpassfilter hat, und – eine Steuerungseinheit (13), die zum Aussenden eines Anforderungssignals und dazu zeitversetztem Empfangen des Identifikationssignals eingerichtet ist, und wobei – die Ortungseinheit (24) zur Bestimmung der räumlichen Position aus der Richtcharakteristik desjenigen Sektorantennenelementes (12), mit dem das Identifikationssignal mit der größten Signalstärke empfangen wurde, eingerichtet ist.
Ortungsgerät (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Sektorantennen-Wahleinheit zur wahlweisen Verbindung der Empfangseinheit (18) mit einer ausgewählten Sektorantenne (12), um Identifikationssignale nacheinander von den einzelnen Sektorantennenelementen (12) der Sektorempfangsantenne (2) aufzunehmen und die Empfangsfeldstärken der von den einzelnen Sektorantennenelementen (12) empfangenen Identifikationssignale miteinander zu vergleichen.
Ortungsgerät (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (13) zum Aussenden eines Abfragesignals nach dem Umschalten auf ein Sektorantennenelement (12) und die Empfangseinheit (18) zum Empfangen eines Identifikationssignals als Antwort auf das Abfragesignal über das ausgewählte Sektorantennenelement (12) ausgebildet ist.
Ortungsgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (18) für jedes Sektorantennenelement (12) einen separaten Empfänger hat und zum gleichzeitigen Empfangen des Identifikationssignals mit den Sektorantennenelementen (12) der Sektorempfangsantenne (2) eingerichtet ist.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortungseinheit (24) zur Schätzung der Entfernung des Funkidentifikationstransponders (3) von dem Ortungsgerät in Abhängigkeit von der Feldstärke des Identifikationssignals eingerichtet ist und das Ortungsgerät (1) eine Anzeigeeinheit (7) zur Anzeige der geschätzten Entfernung hat.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortungseinheit (24) zur Interpolation der Feldstärken der mit aufeinander folgenden Sektorantennenelementen (12) empfangenen Identifikationssignale und Bestimmung der räumlichen Position des Funkidentifikationstransponders (3) aus dem maximalen Wert des interpolierten Feldstärkeverlaufs und der zugeordneten, aus der Richtcharakteristik des Sektorantennenelementes (12) mit den Vertikal- und Horizontalwinkeln bestimmbaren Peilrichtung eingerichtet ist.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Identifizierungsnummern zu ortender Funkidentifikationstransponder (3), wobei die Sendeeinheit (21) zur Aussendung von eine Identifizierungsnummer für einen ausgewählten Funkidentifikationstransponder (3) enthaltenden Abfragesignalen eingerichtet ist, um ein Antwortsignal dieses zur Ortung ausgewählten Funkidentifikationstransponders (3) zu veranlassen.
Ortungsgerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabeeinheit ein Funkkommunikationsmodul, eine Infrarotschnittstelle, einen Informationscodeleser und/oder eine Tastatur hat.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (13) zur Aussendung eines allgemeinen Abfragesignals und Bestimmung, ob sich ein gesuchter Funkidentifikationstransponder (3) oder eine gesuchte Gruppe von Funkidentifikationstranspondern (3) im Empfangsbereich des Ortungsgerätes (1) befinden, sowie anschließenden Aussendung eines individuellen Abfragesignals mit der Identifizierungsnummer des mindestens einen gesuchten Funkidentifikationstransponders (3) und Bestimmung der Position des gesuchten Funkidentifikationstransponders (3) eingerichtet ist.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektorempfangsantenne (2) mechanisch oder elektromechanisch schwenkbar ist.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Sektorempfangsantenne (2) enthaltender Antennenkopf relativ zum Gehäuse des Ortungsgerätes (1) schwenkbar ist.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikal- und/oder Horizontalwinkel der Sektorantennenelemente (12) elektronisch veränderbar sind.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine mit der Ortungseinheit (24) derart gekoppelte Lichtzeigeeinheit, dass die Lichtzeigeeinheit einen Lichtstrahl in Richtung der detektierten Position des Funkidentifikationstransponders (3) abgibt.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ortungsgerät (1) so eingerichtet ist, dass die absolute Position des Ortungsgerätes (1) bestimmbar ist.
Ortungsgerät (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ortungsgerät (1) so eingerichtet ist, dass die Orientierung des Ortungsgerätes (1) im Raum bestimmbar ist, um aus der absoluten Position des Ortungsgerätes (1), der Orientierung des Ortungsgerätes (1) im Raum und der relativen Position des mindestens einen gesuchten Funkidentifikationstransponders (3) in Bezug auf das Ortungsgerät (1) die absolute Position des mindestens einen gesuchten Funkidentifikationstransponders (3) im Raum zu bestimmen.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (13) mit Datenspeicher verbindbar ist, um eine Liste von Identifizierungsnummern von Funkidentifikationstranspondern (3) abzuspeichern und vom Datenspeicher zur Bestimmung der räumlichen Position abzulesen.
Ortungsgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Übertragungseinheit zur Weiterleitung der Informationen über die räumliche Position gesuchter Funkidentifikationstransponder (3) an eine Zentrale zur Weiterverarbeitung und/oder von Identifizierungsnummern von Funkidentifikationstranspondern (3) an andere Ortungsgeräte (1).