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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Standlinien- oder Standortbestimmung
eines Transponders gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine
solche Anordnung ist aus der
DE 37 14263 C2 bekannt. Der Code- oder Informationsträger
ist als Transponder aufgebaut. Er erhält bei Annäherung
Energie durch das elektromagnetische Wechselfeld der Identifizierungseinrichtung
und antwortet dann mit einer sog. Lastmodulation. Die Identifizierungseinrichtung
besteht u. a. aus mindestens zwei Sendeantennen, die gegenphasig
betrieben werden. Wenn sich der Transponder mittig zwischen den
beiden Sendeantennen befindet, hebt sich das elektromagnetische
Energiefeld auf und die Datenübertragung setzt aus. Dieses
Verfahren ist insbesondere für spurgeführte Fahrzeuge
geeignet. Wenn die eine Antenne vor der anderen Antenne angeordnet
ist, kann das Aussetzen erkannt und als Referenz- oder Wegmarke
genutzt werden. Es ist nicht zu erkennen, wie weit sich der Transponder
1 nach
links oder rechts auf einer Standlinie von der Spur entfernt hat.
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In
der
DE 39 16730 C2 ist
ein anderes Verfahren beschrieben, bei dem durch zwei einzelne Sensoren,
die in Quer- und in Fahrtrichtung über dem Leitmittel angeordnet
sind, die Position ermittelt wird. Bei den Leitmitteln handelt es
sich um Informationsträger, also Transponder. Die Identifizierungseinrichtung
wird hier Sensoreinrichtung zur Spurführung des Fahrzeugs
genannt. Die dem Sensor zugeordnete Auswertereinrichtung erfährt
hier ebenfalls, wenn sie mittig über dem Informationsträger
bzw. Transponder steht, einen Nulldurchgang in der Amplitude. Bei
Abweichung in die eine oder andere Richtung bildet sich eine entsprechende
Amplitude, die je nach Richtung in Phase oder Gegenphase zum Energiefeld
steht.
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Nachteilig
bei den bekannten Transponderverfahren ist, dass die von dem Transponder
ausgesandten Signale zwar sehr gut zur Identifizierung des Transponders,
aber nur relativ schlecht zur exakten Positionsbestimmung, d. h.
Peilung, benutzt werden können. Neben der genannten Lastmodulation
gibt es auch die Möglichkeit, dass die Energieübertragung
regelmäßig unterbrochen wird und in diesen Pausen
der Transponder mit einem durch den Code modulierten Träger
antwortet oder dass die Energieübertragung von der Identifizierungseinrichtung
auf der einen Frequenz arbeitet und der Transponder gleichzeitig
mit einem codemodulierten Träger auf einer anderen Frequenz
antwortet. Allen Verfahren ist jedoch gemeinsam, dass durch den
Transponder ein Träger moduliert wird und dass die Identifizierungseinrichtung
diesen modulierten Träger, nachfolgend auch Signal genannt,
zur Positionsbestimmung des Transponders ausmessen muss. Es ist
relativ einfach auch schwache modulierte Signale zu demodulieren. Schwieriger
ist es aber, ein schwaches moduliertes Signal genau zu orten. Noch
schwieriger wird es, wenn hierfür nur sehr wenig Zeit zur
Verfügung steht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Standlinien-
und Standortbestimmung eines Transponders zu erreichen, mit der hochwertige
Positionsgenauigkeiten erzielt werden und die auch geeignet ist,
wenn nur wenig Messzeit zur Verfügung steht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch den Transponder 1 ein zusätzliches,
unmoduliertes Signal, das nachfolgend Messsignal genannt wird, abgesendet wird.
Die Erfassung erfolgt in der Messstelle mit einer Antennenanordnung.
Dadurch, dass das Messsignal durch Modulation nicht gestört
ist, erfolgt die Auswertung schneller und stabiler als dieses mit
modulierten Signalen möglich ist. Die Antennenanordnung
kann aus einer oder mehreren Messantennen 7 bestehen. Es
sind verschiedene Antennen und Ausrichtungen möglich. Der
Aufwand für die Bildung des unmodulierten Messsignals auf
dem Transponder 1 ist relativ gering. Vorteilhaft ist,
dass die Amplitude des Messsignals nicht durch die Modulation gestört
ist, sodass z. B. eine durch Gleichrichtung vorgenommene Bewertung
relativ einfach und genau wird. Ggf. können hiermit auch über
größere Reichweiten brauchbare Messgenauigkeiten
erzielt werden. Die Erfindung ist für beliebig viele entsprechend
ausgerüstete Transponder 1 geeignet. Es ist jedoch
für die Einfachheit und Genauigkeit des Verfahrens besser,
wenn sich nur ein Transponder 1 im Erfassungsbereich befindet.
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Nach
Anspruch 2 ist es von Vorteil, das Messsignal aus dem Energiefeld
zu gewinnen. In der Regel besteht der Transponder 1 im
wesentlichen aus einem IC und einer Antenne.
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Der
Takt für den IC wird ohnehin oft aus dem Energiefeld gewonnen.
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Mit
elektronischen Schaltungen lassen sich ganzzahlige Teilungsverhältnisse
relativ einfach realisieren.
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Wenn
die Frequenzen des Energiefeldes und des Messsignals relativ weit
auseinanderliegen, ist es nach Anspruch 3 von Vorteil, in dem Transponder 1 für
beide Signale verschiedene Antennen zu verwenden. Bei höheren
Frequenzen bieten sich eher Luftspulen an, während bei
tiefen Frequenzen die Antennen durch Verwendung von Ferriten kompakter
gebaut werden können.
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Bei
Fahrzeugen oder auch spurgeführten Maschinen mit einer
bevorzugten Bewegungsrichtung ist es nach Anspruch 4 von Vorteil,
die Querabweichung durch eine Vielzahl von parallel angeordneten
Messantennen 7 festzustellen. Durch einen Vergleich der
an diesen Messantennen 7 empfangenen Messsignale kann festgestellt
werden, welche dieser Messantennen 7 dem Transponder 1 am nächsten
kommt.
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Nach
Anspruch 5 kann man die Position des Transponders 1 durch
Kompensation feststellen. Wenn man eine Messantenne 7 in
der Messstelle 5 quer zur Messsignalsendeantenne 3 ausrichtet,
hat man bei geeignetem Aufbau in der Messantenne 7 keinen
Signalempfang, wenn sich die Messsignalsendeantenne 3 bzw.
der Transponder 1 gerade mittig unter der Messantenne 7 befindet.
Diese Anordnung ist bspw. geeignet, um mit einer Messstelle 5 unter
einem Fahrzeug die Position relativ zu einem Transponder 1 in
der Fahrbahn 4 genau zu erfassen und als Referenzmarke
für einen Wegstreckenzähler zu nutzen. Natürlich
lassen sich durch Verwendung weiterer Messantennen 7 weitere
Referenzmarken bilden.
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In
Industrieanlagen ist häufig mit elektromagnetischen Störungen
zu rechnen. Damit die Messstelle 5 nicht ein Störsignal
mit einem erwarteten Transpondermesssignal verwechselt, ist es nach
Anspruch 6 von Vorteil, die Positionsfeststellung des Transponders 1 in
Verbindung zu setzen mit der Identifizierung des Transponders 1.
Es kann in diesem Zusammenhang auch von weiterem Vorteil sein, dass
eine Qualitätsaussage der Messung von einer bestimmten
Mindestamplitude des Messsignals bzw. des Datensignals abhängig
gemacht wird. Wenn Mess- oder Datensignale zu schwach sind, kann
ggf. eine Gültigkeitsaussage verweigert werden.
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Durch
diese Maßnahme kann vermieden werden, dass der evtl. benachbarte
Transponder 1 oder andere Störsignale ausgewertet
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im
folgenden näher beschrieben:
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1 Seitenansicht
einer Messstelle mit einem Transponder.
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2 Summen-
und Differenzsignale zu 1.
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3 Eine
Messstelle zur Quererfassung mit einem Transponder in der Draufsicht.
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4 Eine
Messstelle zur Längserfassung in der Draufsicht.
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5 Vergleich
verschiedener Signale.
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Eine
verbreitete Anwendung für die Transponder 1 ist
die Positionierung oder Ortsbestimmung von Fahrzeugen. Eine solche
Anwendung ist in 1 vereinfacht dargestellt. Weitere
Ausführungs- und Gestaltungsformen sind möglich.
Die Messstelle 5 befindet sich unter einem nicht dargestellten
Fahrzeug und bewegt sich in Fahrtrichtung 20. Zur Wegmarkierung
befindet sich ein Transponder 1 in der Fahrbahn 4.
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Ein
Transponder 1 besteht üblicherweise aus einem
IC und der Datenantenne 2, über die auch die Energie
aus dem Transponderleser 6 bzw. der Leseantenne 9 empfangen
wird.
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Von
den Antennen ist in diesem Beispiel nur eine Luftspule oder eine
Ferritspule dargestellt. In der praktischen Ausführung
sind Kondensatoren zur Bildung von Schwingkreisen, Anpassungsbeschaltungen,
Filter, ggf. auch Verstärker usw. üblich, aber
hier zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
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Die
Energie wird über den Abstand 10 mehr oder weniger
gut gekoppelt. Sobald der IC genügend Energie erhalten
hat, kann er seinen internen Code über die Datenantenne 2 an
die Leseantenne 9 bzw. den Transponderleser 6 zurückschicken.
Es ist bei einigen Transpondern 1 auch möglich,
dass sie von dem Transponderleser 6 neue Daten erhalten,
also beschrieben werden.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein unmoduliertes Messsignal
erzeugt wird und über die Messsignalsendeantenne 3 abgestrahlt
wird. Wenn für das Energiefeld bspw. die für Transponderanwendungen
oft vorgesehenen 13,56 MHz genutzt werden, kann man durch einfache
ganzzahlige Teilung ein Messsignal bei 6,78 MHz oder bei Teilung durch
128 bei ca. 106 kHz erzeugen. Ganzzahlige Teilungen lassen sich
durch ICs relativ leicht durchführen. Der Takt wird dabei
aus der Energiefrequenz gewonnen.
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Von
dem Transponder 1 wird das Messsignal, das durch die Messfeldlinien 11 sehr
vereinfacht dargestellt ist, abgestrahlt und von einer Messantenne 7 und
von einer Referenzantenne teilweise aufgenommen. Beide Antennen
sind um 90° zueinander gedreht. Mit der Messantenne 7 wird
das sog. Differenzsignal D erzeugt. Wenn Messsignalsendeantenne 3 und
Messantenne 7 mittig übereinander stehen, erfolgt
eine ausgeglichene, also neutrale Einkoppelung der Feldlinien 11 in
die Messantenne 7. Somit ergibt sich eine Kompensation
in der Messantenne 7, d. h. es wird effektiv kein Signal
empfangen und das Differenzsignal D ist Null. Um zu erkennen, ob
sich das Fahrzeug mit der Messstelle 5 in Fahrtrichtung 20 noch
vor oder hinter dem Transponder 1 befindet, kann in dem
hier vereinfacht dargestellten zweifachen Empfänger 8,
unter Berücksichtigung der Phasenlage des Messsignals in
der Messantenne 7, in Bezug auf die Phase des sog. Summensignal
S in der Referenzantenne 19 gewonnen werden. Mit der Amplitude
und dem Vorzeichen des Differenzsignals D ist dann auch bekannt,
wie weit das Fahrzeug in Fahrtrichtung 20 dann vor oder
bereits hinter dem Transponder 1, also der Referenzmarke,
steht.
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Grundsätzlich
kann die Referenzantenne 19 mit der entsprechenden Phasenauswertung
und dem dazugehörigen Empfänger eingespart werden.
Allerdings wird dann nur der Nulldurchgang des Differenzsignals
D mittig über dem Transponder 1 erkannt. Es fehlt
dann die direkte Aussage, ob das Fahrzeug sich in Fahrtrichtung 20 vor
oder hinter dem Transponder 1 befindet. Dieses lässt
sich in der Regel aber auch aus dem Bewegungsablauf mit anderen
Sensoren erkennen.
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Die
Bildung des Summensignals S hat einen weiteren Vorteil: Schwankung,
z. B. durch Änderung des Abstands 10 oder Messungen
im Randbereich der Messstelle 5 oder allgemeine Feldschwächungen können
durch Bezug der Amplitude des Reerenzsignals D auf die Amplitude
des aktuellen Summensignals S, z. B. durch Quotientenbildung in
dem Auswerter 13 berücksichtigt werden.
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In
der Gestaltung und Anordnung der Messantenne 7 sind viele
Variationen möglich. Auch mit zwei horizontal oder vertikal
angeordneten Messantennen 7, satt einer Messantenne 7 und
einer Referenzantenne 19, lassen sich durch z. B. durch
Subtraktion und Addition vergleichbare Differenzsignale D und Summensignale
S bilden. Statt Ferritantennen sind auch Luftspulen, ggf. auch Hallelemente
möglich.
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Mit
einem weiteren Aufbau lässt sich nicht nur die Position
in Längsrichtung, also in Fahrtrichtung 20, sondern
auch die Abweichung in Querrichtung über dem Transponder 1 feststellen.
Hierfür wird lediglich mindestens eine weitere Messantenne 7, die
quer zur Fahrtrichtung 20 ausgerichtet ist, mit entsprechendem
Empfänger benötigt.
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Die
Messsignalsendeantenne 3 ist in dem Transponder 1 senkrecht
stehend dargestellt. Prinzipiell kann die Messsignalsendeantenne 3 auch
in Fahrtrichtung oder quer dazu um 90° gedreht sein. Die
Messantenne 7 ist dann in ihrer Ausrichtung entsprechend
anzupassen. Ggf. ist die Verwendung von zwei oder weiteren Messantennen 7 vorteilhaft.
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Zur
Bildung eines Summensignals S muss nicht unbedingt eine Referenzantenne 19 verwendet werden.
Bei geeigneter Anpassung ist es u. U. auch möglich, die
Leseantenne 9 zu beschalten, damit sie einerseits auf der
Frequenz für das Energiefeld, aber andererseits auch auf
der Frequenz für das Messsignal, arbeitet. Ggf. sind für
beide Frequenzen entsprechende Resonanzbeschaltungen zu wählen.
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Die
Summen- und Differenzsignale zur Auswertung sind in 2 dargestellt.
Wenn sich die Messstelle 5 mit der Messantenne 7 über
den Transponder 1 hinwegbewegt und wird bei entsprechender Beschaltung
(vergleiche 1) ein Summensignal S erzeugt,
das direkt über dem Transponder 1 ein breites
Maximum hat. Für die Positionierung ist in diesem Fall
der Null-Durchgang des Differenzsignals D besonders interessant.
Der Null-Durchgang erfolgt, wenn sich die Messantenne 7 mittig über
dem Transponder 1 befindet.
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Bei
Fahrzeugen kann man somit bei Überfahrt mit dem Null-Durchgang
des Differenzsignales D eine Referenz bzw. ein Rücksetzen
von Inkrementalgebern zur Wegstreckenerfassung am Fahrzeug durchführen.
Bei entsprechender Kalibrierung erhält man mit der Amplitude
des Differenzsignals D die Entfernung in Fahrtrichtung 20 zu
Transponder 1. Zwischen den negativen und positiven Maxima
des Differenzsignals D ist Kurvenverlauf eindeutig und somit lässt
sich die Position genau feststellen. Insbesondere im mittleren Bereich
ist bei einem Abstand 10 von z. B. 100 mm eine Messweiderholgenauigkeit für
die Position von etwa 1 mm möglich.
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Eine
andere Antennenanordnung ist in 3 dargestellt.
Zu sehen ist eine Messstelle 5 mit fünf parallel
nebeneinander liegenden Messantennen 7. Alle Messantennen 7 sind über
einen Mulitplexempfänger 12 mit dem Auswerter 13 verbunden. Über den
Transponderleser 6 wird über eine Lesantenne 9 ein
Energiefeld zur Aktivierung des Transponders 1 abgestrahlt.
Der Transponder 1 befindet sich in der Fahrbahnmitte 15.
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Durch
Vergleich der Signale, die über verschiedene Messantennen 7 erfasst
wurden, stellt der Auswerter 13 die Spurabweichung 14,
also den Offset zwischen der Mitte des Transponders 1 und
der Mitte der Anordnung der Messantennen 7 fest.
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Zur
besseren Übersicht ist der Transponder 1 neben
der Messstelle 5 dargestellt. Für eine richtige Funktion
muss der Transponder 1 noch in das Funktionsfeld der Leseantenne 9 bzw.
der Messantennen 7 bewegt werden.
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Bei
relativ schnellen Bewegungsvorgängen bleibt wenig Zeit
den Transponder 1 auszuwerten. Dieses wird besonders klar,
wenn nicht an allen Messantennen 7 gleichzeitig eine komplette
Auswertung erfolgen kann. Um eine hohe Genauigkeit in der Positionserfassung
zu erzielen kann es erforderlich sein, dass viele, bspw. mehr als
dreißig, Messantennen 7 verwendet werden. Um den
Aufwand in der Auswertung gering zu halten, kann man dann vorteilhaft
die Signalaufbereitung multiplexen. Dieses bedeutet aber, dass man
dann entsprechend mehr als dreißig mal so lange für
die Erfassung der Signale benötigt. Problematisch ist,
dass bei den bisherigen Verfahren, die mit modulierten Signalen
arbeiten, die Auswertung an den einzelnen Messantennen 7 dann von
dem gerade anstehenden Codezustand abhängt. Mit anderen
Worten: Wenn bei der Auswertung einer Messantenne 7 gerade
eine Codefolge von z. B. mehreren aufeinanderfolgenden Nullen vorliegt
und bei der anderen Messantenne 7 überwiegend
eine Folge von Einsen vorliegt, würde die Auswertung, auch
bei gleichen Positionsabständen, zu unterschiedlichen Aussagen
führen.
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Auch
für die Erfassung der Spurabweichung quer sind diverse
Antennenanordnungen möglich. Die Messantennen 7 können
z. B. um die Längsachse gedreht werden. Mittig über
dem Transponder 1 würde dann die jeweilige Messantenne 7 ein
Nullsignal anzeigen. Die benachbarten Messantennen 7 hätten
dazu Signale mit entgegengesetzter Phasenlage.
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4 zeigt
eine Messantenne 7, die durch eine als „8" ausgelegte
Luftspule realisiert ist. Durch die gegenphasigen Hälften
der gekreuzten Luftspule werden entfernte Störungen und
auch die Einkoppelung von der Leseantenne 9 verringert.
Diese Anordnung ist auch als Erweiterung für die Messung
quer zur Spur nach 3 geeignet. Mit der Messantenne 7,
die z. B. als gekreuzte Luftspule ausgeführt ist, lässt
sich der Transponder 1 in der Fahrbahnmitte 15 dann
auch als Weg- oder als Referenzmarke für die Längspositionierung
nutzen. Somit ist in der Kombination dann eine Positionsbestimmung
in X- und Y-Richtung, d. h. längs und quer möglich.
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Der
Vorteil des Patentes wird auch durch 5 deutlich.
Bei der sog. Lastmodulation erzeugt eine Bitfolge von 1,1,1,0,1,0,0
den entsprechenden modulierten Träger 16, von
dem nur die Hüllkurve dargestellt ist. Bei dem Träger
handelt es sich um das abgestrahlte Energiefeld, das durch den Code
des Transponders 1 moduliert wird. Der Modulationsgrad ist
gering und damit ist auch dieses Signal, insbesondere in Industrieanlagen,
häufig gestört.
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Bei
bisher verwendeten Auswertungen wird eine Demodulation des modulierten
Trägers 16 durchgeführt. Etwas überzeichnet
ist das entsprechend demodulierte Signal 17 dargestellt.
Zu erkennen ist, dass sich durch die unterschiedlichen Bitfolgen
auch unterschiedliche Gleichrichtungswerte aufbauen. Hieraus die
Position zu einem Transponder 1 zu messen ist schwierig
bzw. ist mit erheblichen Fehlern verbunden.
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Es
ist klar, dass ein unmoduliertes Signal 18 als Messsignal
wesentlich einfacher für eine Messung genutzt werden kann.
Die Amplitude ist dann im wesentlichen nur noch von der Position
bzw. dem Abstand zwischen Transponder 1 und Messantenne 7 abhängig.
Auch bei schnellen Fahrzeugbewegungen sind die Ein- und Ausschwingvorgänge
in der Messstelle schnell genug, um eine genaue Position des Transponders 1 festzustellen.
Das Messsignal ist ausreichend stabil, damit die Messung nicht unakzeptabel
beeinflusst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3714263
C2 [0002]
- - DE 3916730 C2 [0003]