DE102006037247A1

DE102006037247A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ortung eines Zielobjektes

Info

Publication number: DE102006037247A1
Application number: DE200610037247
Authority: DE
Inventors: Daniel Evers; Sebastian Kunkel; Claus Seisenberger; Leif Dr. Wiebking; Thomas Zander
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2006-08-09
Publication date: 2008-02-14
Also published as: WO2008017617A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum funkbasierten Orten eines Zielobjektes (2), 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 (P1, 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 (P1, P2) jeweils eine Entfernung (r1, r2) des Zielobjektes ermittelt, wobei der Bewegungssensor (3) einen räumlichen Abstand (d) der zwei Messpositionen (P1, P2) der Vorrichtung (1) ermittelt, wobei die Recheneinheit aus dem räumlichen Abstand (d) der zwei Messpositionen (P1, P2) und den zwei gemessenen Entfernungen (r1, r2) eine Richtung ermittelt, in der sich das Zielobjekt in Bezug auf die Vorrichtunhg befindet. Produkt: Ortung von Etiketten; Logistik, Sensorik, Waren.

Description

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.
Gemäß dem Stand der Technik existieren RFID-Transpondersysteme, die zur Ortung von RFID-Transpondern eingesetzt werden. Im Bereich Logistik, Materialverfolgung, Personentracking oder dergleichen besteht ein großer Bedarf an derartigen Systemen, die in der Lage sind, neben der Identifikation ebenso eine lokale Position von Gütern und/oder Waren zu bestimmen und diese zu verfolgen.
Gemäß dem Stand der Technik werden verschiedene Ansätze zur eindimensionalen Ortung von RFID-Transpondern eingesetzt.
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.
Gemäß einer weiteren Lösung sind Systeme zur eindimensionalen Entfernungsmessung eines Back-Scatter-Transponders im Einsatz, die auf der Laufzeitmessung eines vom Transponder modulierten, 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.
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.
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 durchgeführt wird. Zudem wird der räumliche Abstand zwischen den zwei Messpositionen ermittelt und aus diesen Daten eine mindestens zweidimensionale Ortung des Zielobjektes durchgeführt.
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 einer weiteren Ausführungsform wird die Ortung des Zielobjekts unter Berücksichtigung eines Frequenzabstandes von zwei Frequenzmaxima in einem Mischsignal aus Empfangs- und Sendesignal durchgeführt.
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 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 einer weiteren Ausführungsform wird die Richtung der Bewegung der Messvorrichtung zwischen zwei Positionen erfasst und bei der Ortung des Zielobjekts berücksichtigt. Dadurch ist eine genauere Erfassung des Zielobjekts möglich.
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.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines funkbasierten Systems zur zweidimensionalen Ortung;
2a ein erstes Ausführungsbeispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung;
2b ein Spektrum des Basisbands zum ersten Ausführungsbeispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer eindimensionalen Entfernungsmessung;
4 eine graphische Darstellung des Spektrums des Basisbands gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zur eindimensionalen Entfernungsmessung;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Positionsbestimmung;
6 den Verlauf der Phasendifferenz über den Entfernungsbereich einer Wellenlänge;
7 die Systemkomponenten gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 5;
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur zweidimensionalen Positionsbestimmung mit erweitertem Eindeutigkeitsbereicht.
Funkbasierte Systeme sind technische Systeme, die von Antennen 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.
Es folgt ein eindimensionales Erfassen der Entfernung r_z von der Basisstation zum Zielobjekt, und ein Erfassen mindestens eines Zielobjektablagewinkels α_z.
Ein Zielobjektablagewinkel α_z 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 α_z in der horizontalen Ebene werden die x- und y-Koordinaten bestimmt. Mittels eines Zielobjektablagewinkels α_z 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 eine 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 Zuhilfenahme einer Phasenauswertung realisiert. Aus der Messung der an mehreren Positionen erfassten Phaseninformationen des vom Transponder reflektierten Signals, kann auf den jeweiligen Ablagewinkel α_z des Transponders geschlossen werden. Dabei weisen die Messpositionen der Antenne einen Abstand d_j voneinander 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.
Die Entfernung r_z eines sich in einem Beobachtungsgebiet eines Radarempfängers befindlichen Zielobjektes oder Zielreflektors wird beispielsweise aus einer Messung der Signallaufzeit t_L 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 r_z und eines Zielobjektablagewinkel α_z können mittels Trigonometrie x- und y- Koordinaten berechnet werden.
Wird in einer vertikalen Ebene der Zielobjektablagewinkel α_z erfasst, kann die Elevation beziehungsweise die z- Koordinate ermittelt werden.
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 beziehungsweise das Reflexionsverhalten der Transponderantenne periodisch mit einer Modulationsfrequenz f_mod variiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird zur Ermittlung der Entfernung r_z 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 (f_mod) verschoben werden. Ober- und unterhalb der Modulationsfrequenz f_mod des Transponders ergeben sich zwei Maxima, deren gegenseitiger Frequenzabstand ΔF proportional der Entfernung r_z des Transponders von der Basisstation ist.
Zur Bestimmung des Frequenzabstandes ΔF der beiden um die Modulationsfrequenz f_mod auftretenden Maxima, wird ein Maxima-Detektionsalgorithmus verwendet. Aus der ermittelten Frequenzdifferenz ΔF kann die Entfernung des Transponders nach folgender Formel berechnet werden:
Hierbei bezeichnet c₀ die Lichtgeschwindigkeit, T die Rampendauer und B den Frequenzhub des FMCW-Sendesignals.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die relative Entfernung r_i des Zielobjekts zu einer Antenne anhand von Maxima-Phasendifferenzen bestimmt. Eine Maxima-Phasendifferenz ist die Differenz der Phasenwerte an den Frequenzstellen, bei denen die vorstehend genannten Maxima auftreten. Liegen zwei Messungen bei leicht unterschiedlichen Entfernungen vor, dann ist die Differenz (Änderung) der Maxima-Phasendifferenzen aus diesen beiden Messungen proportional zur Entfernungsänderung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind mittels der verschiedenen Messpositionen der Antenne Entfernungsunterschiede Δr_i 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 Entfernungsdifferenzen Δr_i aufgelöst werden. Diese Eigenschaft wird genutzt, um eine auftretende Wegdifferenz Δr_i zwischen Antennen und damit den Zielablagewinkel α_z zu bestimmen.
Anhand des Verhältnisses von Entfernungsunterschieden Δr_i zweier benachbarter Messpositionen der Antenne zu deren Abständen d_j ist mindestens ein Zielobjektablagewinkel α_z bestimmbar. Dabei ist der arcussinus dieses Verhältnisses gleich dem Zielobjektablagewinkel α_z. Aus dem Winkel α_z und der Entfernung r_z kann schließlich die x- und y-Position des Zielobjekts errechnet werden: xz = sin α·rz yz = cos αz·rz (2)
Ist die Entfernung r_z der Basisstation vom Zielobjekt wesentlich größer als gegenseitige Abstände d_j von benachbarten 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 r_z >> d_j. Es kann damit näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die vom Zielobjekt zu den Antennen reflektierten Strahlen parallel zueinander verlaufen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Abstand d_j benachbarter 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_j der Messpositionen entsprechend klein gewählt werden, und zwar um so kleiner je kürzer die Wellenlänge λ ist.
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.
1 zeigt beispielsweise den Aufbau und die Messgrößen eines zweidimensionalen Ortungssystems. Es wird eine Basisstation 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 Basisstation 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 Basisstation 1 zurückgelegte Strecke und einen Winkel für die 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 Basisstation zu überprüfen und zu präzisieren.
Die Entfernung der Basisstation 1 zum Zielobjekt 2 ist mit r_z bezeichnet. Die Basisstation stellt eine Vorrichtung zum funkbasierten Orten dar. Ebenso ist der Zielablagewinkel α_z dargestellt. Im Folgenden wird als Zielobjekt 2 ein Transponder 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 Phaseninformation 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 aufweisen. Eine erste Einrichtung 1a zur Entfernungsbestimmung sowie eine Einrichtung 1b zur Winkelbestimmung können in der Basisstation 1 integriert sein.
Es ergeben sich folgende Vorteile aufgrund der erfindungsgemäßen Ortsbestimmung von Zielobjekten. Es ist die Ortung von RFID-Marken möglich. Ebenso kann eine Ortung von passiven oder 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 erfasst 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 Modulationsverfahren 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.
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 Radarempfängers befindlichen Zielobjekts 2 beziehungsweise Zielreflektors wird aus einer Messung der Signallaufzeit t_L vom Sender zum Reflektor und zurück zum Empfänger bestimmt. Als Sendesignal wird beispielsweise ein linear in seiner Frequenz moduliertes Hochfrequenzsignal (FMCW-Signal) verwendet.
Aus der Frequenzdifferenz zwischen momentan gesendetem und empfangenem Signal lässt sich die Signallaufzeit t_L und damit die Entfernung des Reflektors ermitteln. Die Auswertung der Frequenzdifferenz, die der Entfernung des Zielobjekts 2 proportional ist, erfolgt im Frequenzbereich. Im Basisband gemäß 2B des Spektrums ergibt sich hierbei ein Signalpeak bei der Frequenz, die der Frequenzdifferenz entspricht. Gemäß 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, f₀ die Startfrequenz des Sendesignals 4, T die Rampendauer und B den Frequenzhub des FMCW-Sendesignals 4. Die Signallaufzeit ist mit t_L dargestellt. 2B zeigt den Signalpeak beziehungsweise das Maximum bei der Frequenz, die der Frequenzdifferenz ΔF entspricht.
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 der 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 Modulationsfrequenz f_mod variiert wird. Die Modulation kann aktiv oder 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 hervorragend für die Verwendung in feldgespeisten RFID-Transpondern 2 eignet. Als Modulationsverfahren kann z.B. eine Amplituden- oder eine Phasenmodulation verwendet werden. Es können auch andere Modulationsarten eingesetzt werden. Zur mehrdimensionalen Ortsbestimmung werden besonders vorteilhaft auf modulierter 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.
Durch die Modulation wird bewirkt, dass die vom Transponder 2 stammenden Signalanteile im Spektrum in ein höheres Frequenzband (um f_mod) verschoben werden.
4 zeigt beispielhaft das für die Entfernungsauswertung relevante Spektrum. Oberhalb und unterhalb der Modulationsfrequenz f_mod des Transponders 2 ergeben sich zwei Maxima, deren gegenseitiger Frequenzabstand ΔF proportional der Ent fernung r_z 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 f_mod auftretenden Maxima wird ein Maxima-Detektionsalgorithmus verwendet. Aus der ermittelten Frequenzdifferenz ΔF kann die Entfernung des Transponders nach folgender Formel berechnet werden:
Hierbei bezeichnet c₀ die Lichtgeschwindigkeit, T die Rampendauer und B den Frequenzhub des FMCW-Sendesignals.
Die Auswertung des Betragsspektrums liefert einen Betragswert für die Entfernung mit einer Genauigkeit von etwa ± 10 cm.
5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen Positionsbestimmung durch die Bewegung der Basisstation 2 mit der Antenne 3 und einem Bewegungssensor 31 auf einer Bewegungskurve mit zwei Messpositionen P1, P2. Es sind nur zwei Messpositionen dargestellt, wobei während eines Messvorganges an vielen Messpositionen eine Messung der Bewegungskurve der Basisstation durchgeführt wird. Während eines Messvorgangs können viele FMCW-Sweeps durchgeführt werden.
Der Bewegungssensor 31 ermittelt den Abstand d der Messpositionen.
Für eine zweidimensionale Positionsbestimmung wird das Lesegerät mit der Basisstation und der Antenne auf der Messkurve an eine erste Messposition P1 und anschließend an eine zweite Messposition P2 bewegt. Die erste und zweite Messposition P1, P2 haben einen Abstand d, der vom Bewegungssensor 31 erfasst wird. An den Messpositionen P1, P2 wird von der Basisstation jeweils ein Sendesignal ausgesandt und ein Antwortsignal erhalten.
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 P1, P2 auszuwerten und daraus auf den Zielablagewinkel α_z des Transponders 2 zu schließen. Aus dem vorstehend ermittelten Entfernungswert r_z kann damit die x- und y-Position des Transponders 2 bestimmt werden.
Ist die Entfernung zum Zielobjekt 2 viel größer als der Abstand der Messpositionen P1, P2, das heißt ist r_z >> 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 5 dargestellt.
Der Winkel α_z zum Zielobjekt 2 lässt sich aus der Entfernungsdifferenz Δr₁₂ = r₁ – r₂ der beiden Strahlengänge bestimmen:
Aus dem Winkel α_z und der Entfernung r_z kann schließlich die x- und y-Position des Zielobjekts errechnet werden: xz = sin α yz = cos α·rz (2)
Zur Bestimmung der Entfernungsdifferenz Δr₁₂ wird die Phase der an den zwei Messpositionen von der Antenne empfangenen Signale herangezogen.
Zur eindimensionalen Messung der Entfernung r_z wird lediglich der Frequenzabstand ΔF der beiden im Spektrum detektierten Maxima genutzt. Für die zweidimensionale Positionsbestimmung und damit für die Bestimmung des Zielobjektablagewinkels α_z 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: Δφ = φMaximum,rechts – φMaximum,links (4)
Die ermittelte Phasendifferenz Δφ ist gemäß folgender Formel:
proportional der Entfernung des Transponders 2 von der Basisstation 1. λ bezeichnet hierbei die Wellenlänge des Sendesignals.
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 möglich. Jedoch können aufgrund der hohen Sensitivität der Phasensteigungskurve über eine Phasenauswertung kleinste Entfer nungsdifferenzen aufgelöst werden. Diese Eigenschaft wird verwendet, um die auftretende Wegdifferenz Δr₁₂ zwischen den zwei Messpositionen P1, P2 der Antenne 3 und damit den Zielablagewinkel α_z des Transponders 2 zu bestimmen.
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).
7 zeigt ein weiteres Verfahren, das eine Basisstation 1 mit einer Antenne 3 und einen Bewegungssensor 31 an zwei Messpositionen P1, 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 r₁ und r₂ sind die jeweiligen Abstände der zwei Messpositionen P1, P2 der Antenne 3 der Basisstation 1 zur Antenne 3a des Transponders 2 dargestellt. Mit d ist der Abstand der zwei Messpositionen P1, P2 bezeichnet. Zur Bestimmung des Zielablagewinkels α_z wird nun folgendermaßen vorgegangen:
Zunächst wird die Phasendifferenz der detektierten Maxima jeweils der Antenne 3 der Basisstation 1 der Messungen an den zwei Messpositionen P1, P2 ermittelt:
wobei Δφ₁ die Phasendifferenz der detektierten Maxima der Messung an der ersten Messposition P1 und Δφ₂ die Phasendifferenz der detektierten Maxima der Messung an der zweiten Messposition bezeichnet.
Aus der Differenz der beiden Maxima-Phasendifferenzen Δφ₁₂ = Δφ₁ – Δφ₂ kann nun der Entfernungsunterschied Δr₁₂ mit hoher Genauigkeit bestimmt werden:
Auf diese Weise lässt sich der Zielablagewinkel α_z des Transponders 2 nach folgender Formel berechnen:
, wobei d den Abstand der zwei Messpositionen beschreibt.
Aufgrund der Periodizität der Phasensteigungskurve mit 2π ist eine eindeutige Winkelmessung nur im Bereich Δφ₁₂ = ± π möglich. Der eindeutig erfassbare Winkelbereich α_z _, _eind ergibt sich damit zu:
Um einen möglichst großen Winkelbereich eindeutig erfassen zu können, muss der Abstand d der Messpositionen P1, P2 entsprechend klein gewählt werden, und zwar umso kleiner, je kürzer die Wellenlänge λ ist.
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.
8 zeigt ein Messverfahren, bei dem die Basisstation 1 die Phasendifferenzen von Maxima an den Messpositionen P1, P2, P3, wie oben beschrieben, ermittelt. Dabei wird die Basisstation 1 von der ersten Messposition P1 zur zweiten Messposition P2 und anschließend zur dritten Messposition P3 bewegt. An jeder Messposition führt die Basisstation 1 eine Messung durch.
Die detektierten Phasendifferenzen der Maxima erfüllen folgende Gleichungen:
Bildet man die Differenz der Maxima-Phasendifferenzen von der ersten und zweiten Messposition und von der zweiten und einer dritten Messposition: Δφ12 = Δφ1 – Δφ2 Δφ23 = Δφ2 – Δφ3 (11)so lassen sich daraus die Unterschiede der an den einzelnen Messpositionen zum Transponder 2 gemessenen Weglängen berechnen:
wobei mit Δr₁₂ der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Weglänge r₁, r₂ und mit Δr₂₃ der Unterschied zwischen der zweiten und dritten Weglänge r₂, r₃ bezeichnet ist.
Aus den ermittelten Wegdifferenzen ergibt sich der jeweils von zwei Messpositionen ermittelte Zielablagewinkel:
wobei mit c der Abstand zwischen der zweiten Messposition P2 und der dritten Messposition P3 bezeichnet ist.
Unter der Voraussetzung, dass r_z >> d, c ist, kann man davon ausgehen, dass sinα₁₂ = sinα₂₃ = sinα_z ist. Nun subtrahiert man den von der zweiten und dritten Messposition P2, P3 ermittelten Wegunterschied Δr₂₃ von Δr₁₂: Δr12 – Δr23 = sin αz·d – sinαz·c = sin αz·(d – c) (14)
Auf diese Weise lässt sich der Zielablagewinkel α_z in Abhängigkeit der von den drei Messpositionen P1, P2, P3 bestimmten Entfernungsdifferenzen Δr₁₂ und Δr₂₃ ermitteln:
beziehungsweise mit den für die Entfernungsdifferenzen hergeleiteten Gleichungen in der Form
darstellen.
Für eine eindeutige Winkelmessung ergibt sich ebenso die Einschränkung auf den Phasenbereich Δφ₁₂ – Δφ₂₃ = ± π. Der damit maximal erfassbare Eindeutigkeitswinkel
ist allerdings nicht mehr vom Abstand zweier Messpositionen, sondern vom Differenzabstand der zwei Paare von Messpositionen d – c abhängig. Auf diese Weise ist es möglich, den Winkelbereich für eine Zielortung auf jeden beliebigen Wert zwischen ± 90° einzustellen.
Abhängig von der gewählten Ausführungsform werden bei dem Bewegungsvorgang 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.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Basisstation in einer Ebene, vorzugsweise auf einer Kreisbewegung bewegt. Während des Bewegungsvorgangs werden eine Vielzahl von Messungen 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 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 einen 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.
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.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Messverfahren durch eine gezielte dreidimensionale Bewegung der Messvorrichtung im Raum verbessert werden.
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.

Claims

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 (P1, 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 (P1, P2) jeweils eine Entfernung (r₁, r₂) des Zielobjektes ermittelt, wobei der Bewegungssensor (3) einen räumlichen Abstand (d) der zwei Messpositionen (P1, P2) der Vorrichtung (1) ermittelt, wobei die Recheneinheit (30) aus dem Abstand (d) der zwei Messpositionen (P1, P2) und den zwei gemessenen Entfernungen (r₁, r₂) eine Richtung ermittelt, in der sich das Zielobjekt in Bezug auf die Vorrichtung befindet.
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.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (30) eine Entfernung des Zielobjektes zur Vorrichtung anhand von einer Phasendifferenz zwischen zwei Frequenzmaxima im Spektrum eines Mischsignals aus dem ausgesendeten Sendesignal und dem empfangenen Antwortsignal bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (30) an den zwei Messpositionen (P1, P2) jeweils eine Entfernung des Zielobjektes ermittelt und unter Berücksichtigung der Unterschiede der Entfernungen und des relativen Abstandes der zwei Messpositionen (P1, P2) einen Zielobjektablagewinkel bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor (31) die Richtung der Bewegung der Vorrichtung (1) zwischen den beiden Positionen erfasst und die Recheneinheit (30) die Richtung der Bewegung bei der Berechnung des Zielobjektablagewinkels berücksichtigt.
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.
Verfahren zum funkbasierten Orten eines Zielobjektes, insbesondere eines RFID Transponders mit einer Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschritten: Bewegen der Vorrichtung, 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.
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.
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 gesendetem Sendesignal und empfangenen Antwortsignal bestimmt wird.
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.
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.
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.