DE102009049978A1

DE102009049978A1 - Verfahren und Vorrichtung zur relativen Lageerkennung von Funkortungsstationen

Info

Publication number: DE102009049978A1
Application number: DE200910049978
Authority: DE
Inventors: Roland Gierlich; Jörg HÜTTNER; Andreas Dr. Ziroff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-05
Also published as: WO2011047899A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von Stationen mittels Funkortung, wobei mindestens zwei Stationen mit jeweils mindestens zwei Antennen (10, 11; 20, 21) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Station (A) mindestens ein Ortungssignal (3) sequentiell über jede der mindestens zwei Antennen sendet, wobei der zeitliche Abstand und die Reihenfolge der für jedes Orientierungssignal (3) geschalteten Antenne (10, 11) vorbestimmt ist, mindestens eine zweite Station (B) alle sequentiell von der mindestens einen ersten Station (A) über die mindestens zwei Antennen (10, 11) ausgesandten Ortungssignale (3) empfängt, aus den Phasenbeziehungen der mindestens zwei sequentiell eine der mindestens einen ersten Station (A) gesendeten und an der mindestens einen zweiten Station (B) parallel empfangenen Ortungssignale (3) wird ein Lagewinkel für die relative Lage zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Station (A, B) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft lokale Funkortungssysteme mit der Positionsbestimmung eines oder mehrerer mobiler Funkmodule. Betrachtet werden Anordnungen von mindestens zwei Stationen, wobei deren gegenseitige relative Lage zu erfassen ist.
Lokale Funkortungssysteme zur Positionsbestimmung eines oder mehrerer mobiler Funkmodule finden heute vielfache Anwendung. Verfahren mittels Radiowellen zeichnen sich durch die Eigenschaften wie Robustheit, Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Stör- und Umwelteinflüssen aus.
In zahlreichen Anwendungen ist nicht nur die Messung der Abstände zwischen zwei oder mehreren Funkmodulen erforderlich, sondern auch die Bestimmung der Winkellage zueinander. Dies wird beispielsweise bei einer berührungslosen Kopplung zweier Fahrzeuge verlangt. So muss messtechnisch die geometrische vollständige Relativlage bezüglich Entfernung und Winkel erfasst werden. Nur dann kann eine Regelung die Navigation eines Fahrzeuges übernehmen, bekannt als ”elektronische Deichsel”. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Verladung von Schüttgütern, beispielsweise im Tagebau oder in der Landwirtschaft.
Bisherige Lösungen in Richtung lokaler Funkortungsstationen bzw. lokaler Funkortungssysteme messen üblicherweise Signallaufzeiten. Dies können Lichtlaufzeitmessungen sein, die bekannt sind als, RTOF – round-trip-time of flight. Andere Beispiele sind Signallaufzeitdifferenzen, wie TDOA – time difference of arrival, sowie Signalstärken, RSS – received signal strength oder Signaleinfallswinkel, AOA – angel of arrival. Eine Signalstärke RSS liefert jedoch keine hohe Genauigkeit. Genaue Systeme basieren in der Regel auf Laufzeitmessungen, wobei auch der Winkel auf einer Seite, d. h. auf einer Seite einer Funkortungsstrecke, zusätzlich gemessen wird.
Verfügbar sind Systeme mit einseitiger Winkelmessung. Darüber hinaus sind indirekte Ansätze bekannt, bei denen die Winkel über Laufzeitdifferenzen zwischen mehr als zwei Modulen bestimmt werden. Dies gilt lediglich für weit voneinander entfernt angebrachte Module, um akzeptable Genauigkeiten zu erzielen.
Bekannt sind einseitige Winkelmesssysteme, bei denen beispielsweise an Basisstationen der Einfallswinkel der Signale der mobilen Transponder gemessen wird. Die Orientierung der mobilen Transponder lässt sich daraus jedoch nicht erfassen. Allgemein verfügen viele Radarsysteme über die Eigenschaft, die Peilung eines Objektes relativ zur Radarstation zu bestimmen. Dies ist jedoch ebenso eine einseitige Messung und das geortete Objekt ist in der Regel nicht aktiv. Eine genauere Winkelmessung würde auf jeden Fall weitere technische Ausstattungen erforderlich machen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, womit eine ein- oder beidseitige Winkelmessung mit minimalem Aufwand die genaue gegenseitige Ausrichtung von Funkortungsstationen ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der unabhängig formulierten Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auf messtechnischem Weg die geometrisch vollständige Relativlage, bestehend aus Entfernung und Winkel an zwei Funkortungsstationen einfach erfassbar ist. Aufgrund dieser Messungen können beispielsweise zwei Fahrzeuge mit automatischer Navigation gekoppelt werden.
Zur Realisierung der Erfindung werden bei zunächst zwei Funkortungsstationen an jeder Station mindestens zwei Antennen eingesetzt. Eine Station hat die Funktion eines Senders und eine weitere Station empfängt. In der sendenden Station fallen allgemein keine Messdaten an, sondern es wird entsprechend einem vorgegebenen Programm gesendet. Dies kann zum einen sequentiell geschehen, wobei ein Ortungssignal über jede einzelne Antenne gesendet wird. Dabei sind der zeitliche Abstand und die Reihenfolge der für jedes Signal geschalteten Antenne festgelegt.
Die empfangende weitere Station empfängt über die mindestens zwei Antennen sämtliche sequentiell ausgesendeten Signale parallel. Aus den Phasenbeziehungen der sequentiell gesendeten bzw. der parallel empfangenen Signale untereinander lassen sich die gegenseitigen Peilungswinkel der Funkortungsstationen errechnen.
Eine weitere Methode der Messung der Lageorientierung per Funkortung besteht darin, dass von der sendenden Station gleichzeitig über sämtliche Antennen dasselbe Ortungssignal ausgesandt wird, wobei dieses jedoch auf jeder Antenne frequenzversetzt ist oder im Verhältnis zu benachbarten Signalen orthogonal moduliert ist.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die sequentiell gesendeten Ortungssignale an einer Station kohärent sind mit den parallel empfangenen Ortungssignalen an einer anderen Station, so dass sich Phasendifferenzen direkt in Lagewinkel umrechnen lassen. Die Kohärenz der sequentiell über verschiedene Antennen ausgesendeten Signale ergibt sich dadurch, dass die Signale in einem starren Zeitraster gesendet werden. Dies ist auf der Seite der Empfangsstation bekannt.
Zur Synchronisation werden sog. Takt-Drift-Kalibrierungs signale eingesetzt. Diese werden separat betrieben und dienen zur Synchronisierung der Signale beider Stationen.
Die Verwendung einer Frequenzrampe als Ortungssignal kann insbesondere bei sequentieller Aussendung von Ortungssignalen vorteilhaft sein.
Es ergeben sich besonders vorteilhafte Verfahrensweisen, wenn nicht nur einseitiger Sendebetrieb vorliegt. Beidseitiger Betrieb bedeutet, dass jede Station senden und empfangen kann. Dies bedeutet insbesondere, dass eine bisher nur sendende Station zusätzlich ein Ortungssignal von der Gegenstation empfangen kann und die Gegenstation zusätzlich zur bisherigen Funktion des Empfangs Ortungssignale aussendet. Dies geschieht in der gleichen Art wie bei der jeweils anderen Station.
Zur Ermittlung von Abständen zwischen Funkortungsstationen können Signallaufzeiten ermittelt werden, so dass die Abstände zwischen Funkortungsstationen berechenbar sind.
Bei der Ausstattung von Funkortungsstationen mit jeweils zwei Antennen lässt sich prinzipiell ein Lagewinkel an einer Station ermitteln.
Werden jeweils drei Antennen an den Funkortungsstationen eingesetzt, so lassen sich zwei Lagewinkel je Station berechnen, so dass zwei Winkel an einer Station ansetzen. Insgesamt sind also bei zwei Stationen mit je drei Antennen vier Winkel bekannt.
Bei vorhandener Sende- und Empfangsfunktion an jeder Station können ermittelte Winkel nochmals auf einen anderen Weg bestimmt werden, wodurch die Genauigkeit der Messungen erhöht wird. Der Einsatz von vier Antennen je Funkortungsstation erzielt ebenfalls eine Verbesserung der Genauigkeiten der Lagemessungen.
Bei nur einseitigem Funkbetrieb einer Funkortungsstation und gleichzeitigem Empfangsbetrieb einer zweiten Funkortungsstation können mit einer Antennenanordnung von jeweils drei Antennen pro Station alle Winkel gemessen werden. In diesem Fall ist die sendende Station lediglich ein Signalgenerator mit mehreren schaltbaren Antennen.
Grundsätzlich kann dieselbe Funktionalität auch mit anderen Modulationsarten bezogen auf die Ortungssignale erreicht werden. Hier sind insbesondere Pulssignale anzuführen.
Weitere Vorteile erbringt der Einsatz von sog. FMCW-Signalen (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave).
Im Folgenden werden anhand der schematischen die Erfindung begleitenden, jedoch diese nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt ein Beispiel für die Winkel- und Abstandsmessung zwischen zwei Funkortungsstationen,
2 zeigt ein Beispiel für die Winkelmessung mit jeweils vier Antennen, wobei durch einen Phasenreset jede Frequenzrampe mit identischer Phase ausgesendet wird und durch Auswertung der Phasendifferenzen der empfangenen Signale die Winkel relativ zur Sichtlinie die gegenseitige Verkippung ergeben.
Durch die 1 wird die gegenseitige Lage zweier Funkortungsstationen A, B vorgegeben. Relativ zu einer Sichtlinie 4 sind die Lagewinkel a, b angegeben.
In 2 ist im unteren Teil schematisiert eine Funkortungsstation A und eine Funkortungsstation B gegenüberliegend angeordnet, wobei jede der Stationen mit vier Antennen 10 bis 13 und 20 bis 23 ausgestattet ist. Falls N_A die Anzahl der Antennen an der Station A bedeutet und N_B die Anzahl der Antennen an der Station B, so ergeben sich N_A × N_B Kombinationen, die von der Funkortungsstation B empfangen werden. Eine Unterscheidung geschieht in erster Näherung durch die Phasenlage der Signale. Wesentlich ist hierbei, dass die Kohärenz der bei der Station B gleichzeitig empfangenen Signale automatisch durch den N_B-kanaligen Empfänger gegeben ist, so dass sich die Phasendifferenzen der an der Station B empfangenen Signale direkt in Peilungswinkel umrechnen lassen. Um eine Synchronisierung der beiden Stationen während des gesamten sequentiellen Messvorganges zu gewährleisten, sendet die Funkortungsstation A separat ein Takt-Drift-Kalibrierungssignal aus. Dadurch ergibt sich eine hohe Genauigkeit bezogen auf die Frequenzabweichung der beiden Referenzquarze.
2 enthält im oberen Teil die Darstellung eines Ortungssignales, welches in Form einer Rampenfunktion ausgebildet ist. Dargestellt ist eine Rampenfunktion, die jeweils zum Beginn einen Phasenreset erfährt, so dass immer der gleiche Ausgangspunkt vorliegt. Dabei ist angedeutet, dass ein CW-Signal (Continuous Wave) eingesetzt wird.
Es ist anzumerken, dass die Funkortungsstation B mit einem Messschritt sämtliche Signale (N_A × N_B) empfängt, wobei die N_A verschiedenen Sendesignale im Empfänger separiert werden müssen.
Die Ausführung der Erfindung mit jeweils zwei Antennen auf einer Funkortungsstation A, B erfordert für eine lediglich sendende Funkortungsstation A keine weitere Logik, wie z. B. Auswertung oder Datenanbindung. In einer erweiterten Fassung, in der ein Signal von der Station B zur Station A zurückgesendet wird, ist die räumliche relative Lage inklusive des Abstandes von Station A zu Station B vollständig erfasst. Das Wesentliche der Erfindung liegt darin, dass die beschriebene Funktionalität mit Hilfe eines einzigen Paares von Funkortungsstationen erfüllt werden kann.
Weitere Anwendungsfelder sind beispielsweise die berührungslose Kopplung zweier beweglicher Objekte, wie landwirtschaftliche oder industrielle Fahrzeuge (elektronische Deichsel); Navigierhilfe bei Be- und Entladevorgängen; elektronische Systeme zur Kranpendeldämpfung.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von Stationen mittels Funkortung, wobei mindestens zwei Stationen mit jeweils mindestens zwei Antennen (10, 11; 20, 21) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine erste Station (A) mindestens ein Ortungssignal (3) sequentiell über jede der mindestens zwei Antennen sendet, wobei der zeitliche Abstand und die Reihenfolge der für jedes Ortungssignal (3) geschalteten Antenne (10, 11) vorbestimmt ist, – mindestens eine zweite Station (B) sämtliche sequentiell von der mindestens einen ersten Station (A) über die mindestens zwei Antennen (10, 11) ausgesandten Ortungssignale (3) gleichzeitig empfängt, – aus den Phasenbeziehungen der mindestens zwei sequentiell von der mindestens einen ersten Station (A) gesendeten und an der mindestens einen zweiten Station (B) parallel empfangenen Ortungssignale (3) mindestens ein Lagewinkel für die relative Lage zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Station (A, B) ermittelt wird.
Verfahren zur Bestimmung der relativen Lage von Stationen mittels Funkortung, wobei mindestens zwei Stationen mit jeweils mindestens zwei Antennen (10, 11; 20, 21) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens ein Ortungssignal (3) von den mindestens zwei Antennen der mindestens einen ersten Station (A) gleichzeitig gesendet wird, wobei das Ortungssignal auf jeder vor handenen Antenne eine andere Frequenz aufweist oder zu anderen Signalen jeweils orthogonal moduliert ist. – mindestens eine zweite Station (B) sämtliche gleichzeitig von der mindestens einen ersten Station (A) über die mindestens zwei Antennen (10, 11) ausgesandten Ortungssignale (3) gleichzeitig empfängt, – aus den Phasenbeziehungen der mindestens zwei gleichzeitig von der mindestens einen ersten Station (A) gesendeten und an der mindestens einen zweiten Station (B) parallel empfangenen Ortungssignale (3) mindestens ein Lagewinkel für die relative Lage zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Station (A, B) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Station (A) und die mindestens eine zweite Station (B) mit jeweils mindestens drei Antennen (10, 11, 12; 20, 21, 22) ausgestattet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Station (A) und die mindestens eine zweite Station (B) mit jeweils mindestens vier Antennen (10, 11, 12; 20, 21, 22) ausgestattet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen ersten Station (A) und an der mindestens einen zweiten Station (B) vorhandene Antennen in einer Linie mit konstantem Abstand angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der mindestens einen ersten Station (A) gesendete mindestens eine Ortungssignal (3), sowie die an mindestens zwei Antennen (20, 21) der mindestens einen zweiten Station (B) empfangenen Ortungssignale (3) kohärent sind, so dass sich Phasendifferenzen direkt in einen Lagewinkel umrechnen lassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Synchronisierung der mindestens einen ersten Station (A) mit der mindestens einen zweiten Station (B) die mindestens eine erste Station (A) ein separates Taktdrift-Kalibrierungssignal sendet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ortungssignal eine Frequenzrampe eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Station (A) zusätzlich Ortungssignale von der mindestens einen zweiten Station (B) empfangen kann und die mindestens eine zweite Station (B) zusätzlich Ortungssignale in der gleichen Art wie die Station (A) aussendet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signallaufzeiten der Ortungssignale (3) zur Abstandmessung zwischen entsprechenden Funkortungsstationen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Lagemessung und/oder Abstandsbestimmung zwischen mindestens zwei Stationen mittels Funkordnung bei einer berührungslosen Kopplung von Fahrzeugen, insbesondere für Be- und Entladevorgänge oder bei der Pendeldämpfung bei einem Kran, verwendet wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Lage zwischen Stationen mittels Funkortung, wobei mindestens zwei Stationen (A, B) mit jeweils mindestens zwei Antennen (10, 11; 20, 21) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine erste Station (A) vorhanden ist, zum Senden des mindestens eines Ortungssignals (3) über jede der mindestens zwei Antennen (10, 11), – mindestens eine zweite Station (B) vorhanden ist zum gleichzeitigen Empfang des von der mindestens einen ersten Station (A) über die mindestens zwei Antennen (10, 11) ausgesendeten Ortungssignals (3), – wobei aus den Phasenbeziehungen der mindestens zwei von der mindestens einen ersten Station (A) gesendeten und an der mindestens einen zweiten Station (B) empfangenen Ortungssignale (3) mindestens ein Lagewinkel zwischen der mindestens einen ersten und der mindestens einen zweiten Station (A, B) ermittelbar ist.