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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zwischen einem Fahrzeug und einem Sender.
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Die Bestimmung einer relativen Position und/oder eines relativen Horizontalwinkels zwischen einem Fahrzeug und einem Sender in einer Car-to-X-Kommunikation kann in vielfältigen Anwendungen notwendig sein. Beispielsweise können empfangene Car-to-Car-Nachrichten dahingehend ausgewertet werden, ob eine Nachricht für das eigene Fahrzeug relevant ist, was z.B. durch Evaluation einer relativen Bewegung zwischen dem eigenen Fahrzeug und einem Ursprungsort der Nachricht, die etwa vor einem Unfall warnt, erfolgen kann.
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Bekannte Verfahren zur Bestimmung einer relativen Position und/oder eines relativen Horizontalwinkels beruhen z.B. auf bekannten GPS-Positionen. Hierbei können z.B. eigene, zeitabhängige GPS-Positionen und die z.B. in einer empfangenen Nachricht enthaltenen GPS-Koordinaten des Ursprungsortes der Nachricht ausgewertet werden. Dies erfordert in der Regel einen GPS-Sensor im eigenen Fahrzeug, welcher zusätzliche Kosten verursacht. Weiter sind auch Szenarien denkbar, in denen die eigene GPS-Position nur ungenau oder gar nicht ermittelt werden kann. In diesem Fall ist ein zur GPS-basierten Bestimmung der relativen Position und/oder des relativen Horizontalwinkels alternatives Verfahren zur Bestimmung notwendig.
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Eine Bestimmung einer Relativposition bzw. eines relativen Horizontalwinkels beispielsweise zwischen zwei Fahrzeugen kann auch zur Überprüfung einer Authentizität einer empfangenen Nachricht herangezogen werden. Bei einem Empfang einer Nachricht mit kritischem, geobasiertem Inhalt, etwa einer Kollisionswarnung, die gegebenenfalls eine Reaktion des Kraftfahrzeugführers erfordert, ist es mittels eines bestimmten relativen Horizontalwinkels möglich zu überprüfen, ob eine empfangene Geoposition und der daraus bestimmte relative Horizontalwinkel und der unabhängig davon bestimmte relative Horizontalwinkel eine hinreichende Übereinstimmung aufweisen. Eine Notwendigkeit einer solchen Überprüfung ergibt sich aus der Möglichkeit, mutwillig Nachrichtenpakete mit gefälschtem Inhalt zu versenden.
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Die
DE 20 2008 007 520 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Verfolgung eines beweglichen Objekts mittels einer Kamera. Dabei ist ein Empfänger ausgelegt, um ein von einem mobilen Sender, der sich bei dem beweglichen Objekt befindet und Bewegungen des Objekts mitmacht, gesendetes Signal zu empfangen. Eine Auswerteeinheit ermittelt die Positionsdaten des beweglichen Objekts aus dem empfangenen Signal. Eine Steuereinheit richtet die Kamera auf das bewegliche Objekt basierend auf den ermittelten Positionsdaten aus.
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Die
DE 103 36 124 A1 offenbart eine zur Bestimmung der Einfallsrichtung von elektromagnetischen Wellen im höheren Frequenzbereich. Dabei werden von drei Richtantennen drei sich überlappende Richtdiagramme gebildet, die sich in einer Weise überlappen, die eine eindeutige Zuordnung zu einem Azimutwinkel erlauben. Die Bestimmung der Einfallsrichtung findet für beliebige Azimutwinkel statt und benötigt keine elektrische oder mechanische Rotation.
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Die
DE 10 2008 023 850 A1 offenbart eine Anordnung zur Bestimmung der Position mindestens einer zum drahtlosen Senden und Empfangen von Signalen ausgebildeten mobilen Sende- und Empfangseinheit bezüglich eines Fahrzeugs. An dem Fahrzeug ist mindestens eine quasistationäre Sende- und Empfangseinheit angeordnet, die mindestens zwei in einem vorgegebenen Abstand zueinander im Innenraum des Fahrzeuges angeordnete Sendeantennen zum drahtlosen Senden und mindestens eine Empfangsantenne zum Empfangen von Signalen aufweist. Hierbei ist die quasistationäre Sende- und Empfangseinheit dazu ausgebildet, Sendesignale mit vorbestimmten Sendepegeln über die mindestens zwei Sendeantennen zu senden und auf Antwortsignale der mobilen Sende- und Empfangseinheit zu horchen. Die mobile Sende- und Empfangseinheit ist dazu ausgebildet, die Signalpegel empfangener Sendesignale zu bestimmen und diese Pegelinformationen selbst oder aus den Pegelinformationen abgeleitete Positionsinformationen in einem Antwortsignal an die quasistationäre Sende- und Empfangseinheit zu senden. Die quasistationäre Sende- und Empfangseinheit weist eine Einrichtung auf, die aus den empfangenen Antwortsignalen enthaltenen Pegelinformationen oder Positionsinformationen nutzt, um die relative Position der das Antwortsignal sendenden mobilen Sende- und Empfangseinheit in Bezug auf die Sende- und Empfangsantennen zu bestimmen.
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Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zwischen einem Fahrzeug und einem Sender zu schaffen, die kostengünstig zu realisieren, energiesparend im Betrieb ist und die Bestimmung des relativen Horizontalwinkels mit einer hinreichend großen Genauigkeit ermöglicht.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich aus dem Gegenstand mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zwischen einem Fahrzeug und einem Sender. Hierbei weist das Fahrzeug mindestens zwei Antennen zum Empfangen von Signalen oder Signalpaketen, vorzugsweise zum Empfangen von so genannten Car-to-Car-Nachrichten, auf. Der Sender ist hierbei ein Sender in einer Car-to-X-Kommunikation. Der Sender kann beispielsweise in ein weiteres Fahrzeug integriert sein. Hierbei dient das erfindungsgemäß Verfahren auch der Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zwischen zwei Fahrzeugen. Auch kann der Sender ein geostationärer Sender sein. Der Sender umfasst hierbei mindestens eine Sendeantenne zum Senden der mittels der beiden Antennen des Fahrzeugs zu empfangenen Nachrichten auf.
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Ein Horizontalwinkel ist hierbei als ein Winkel zwischen einer Längsachse des Fahrzeugs und einer Verbindungslinie zwischen einem Zentrum der beiden Antennen des Fahrzeugs (Empfangsantennen) und einem Zentrum der Sendeantenne des Senders definiert. Das Zentrum der Empfangsantennen kann beispielsweise ein geometrisches Zentrum der Phasenzentren der Empfangsantennen sein. Vorzugsweise sind daher die Empfangsantennen derart anzuordnen, dass die Phasenzentren der einzelnen Empfangsantennen identisch sind oder zumindest in einem vorbestimmten räumlichen Bereich nahe beieinander liegen. Beispielsweise können die Empfangsantennen derart angeordnet sein, dass die Phasenzentren der einzelnen Empfangsantennen in einem Kreis mit einem vorbestimmten Radius oder in einem Rechteck mit vorbestimmten Seitenlängen liegen. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein von einer Sendeantenne gesendetes Signal annähernd mit dem gleichen Horizontalwinkel von den Empfangsantennen empfangen wird, wodurch die Möglichkeit einer eindeutigen Bestimmung des Horizontalwinkels verbessert wird. Ein Zentrum der Sendeantenne kann beispielsweise ein Phasenzentrum der Sendeantenne sein. Selbstverständlich sind auch weitere Möglichkeiten zur Bestimmung eines Zentrums der Empfangsantennen vorstellbar. Hieraus ergibt sich, dass der relative Horizontalwinkel in Bezug auf das Fahrzeug, insbesondere mit Bezug auf die Längsachse des Fahrzeugs, bestimmt wird. Der Begriff Phasenzentrum bezeichnet hierbei einen Referenzpunkt einer Antenne. Hierbei scheint ein von der Antenne gesendetes Signal, von einem, vorzugsweise weit, entfernten Empfangsort aus betrachtet, von diesem Punkt (Phasenzentrum) auszugehen. Auch bezeichnet das Phasenzentrum einen Punkt, in dem ein von einem, vorzugsweise weit, entfernten Sendeort aus gesendetes Signal empfangen wird.
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Das Fahrzeug weist hierbei mindestens zwei Antennen, vorzugsweise jedoch mehr Empfangsantennen, insbesondere vorzugsweise drei Empfangsantennen, auf. Vorzugsweise weisen die mindestens zwei Empfangsantennen eine identische Richtcharakteristik auf. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der ersten und mindestens einer weiteren Antenne des Fahrzeugs ein Sendesignal des Senders empfangen. Hierbei ist die erste Antenne einem ersten Empfangszug und die mindestens eine weitere Antenne einem weiteren Empfangszug zugeordnet. Ein Empfangszug umfasst hierbei also eine Antenne und signaltechnische Verbindungselemente, z.B. Kabel zwischen der Antenne und einer Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit weist hierbei signaltechnische Schnittstellen zu den Empfangszügen auf.
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Hierbei ist vorstellbar, die einzelnen Empfangszüge mittels der in der Nachrichtentechnik bekannten MIMO (Multiple Input Multiple Output)-Technologie auszubilden, wobei n-Empfangszüge auf einem gemeinsamen Chip oder einem gemeinsamen elektronischen Bauelement realisiert werden können. Hierbei kann eine Datenübertragung z.B. gemäß dem IEEE802.11n - Standard erfolgen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, eine möglichst kompakte Sende- und/oder Empfangseinheit auszubilden, die die einzelnen Empfangszüge umfasst.
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Mittels der Auswerteeinheit wird eine Empfangsleistung des ersten Empfangszuges als erste Empfangsleistung und eine Empfangsleistung des mindestens einen weiteren Empfangszuges als weitere Empfangsleistung bestimmt. Eine Empfangsleistung kann hierbei beispielsweise aus einer in einem Nachrichtenpaket enthaltenen Information über eine Signalleistung des Nachrichtenpakets mittels bekannter Filter- und Extraktionsverfahren bestimmt werden. Somit bestimmt die Auswerteeinheit also pro Empfangszug jeweils eine Empfangsleistung bei Empfang einer Nachricht oder eines Nachrichtenpakets.
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Die Auswerteeinheit kann beispielsweise ein mobiler Router sein, der z.B. mittels eines Linux-Betriebssystems betrieben wird. Die Empfangszüge können z.B. drei identische WLAN-Empfangszüge sein, die jeweils eine räumlich bündelnde Antenne umfassen. Diese drei WLAN-Empfangszüge sind hierbei über drei Koaxialkabel mit möglichst identischen Übertragungseigenschaften an den mobilen Router signaltechnisch angeschlossen.
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In einem ersten Durchlauf legt die Auswerteeinheit einen der Empfangszüge als Referenzzug und die Empfangsleistung des Referenzzuges als Referenzleistung fest. Weiter bestimmt die Auswerteeinheit eine reale Differenz zwischen der Referenzleistung und der Empfangsleistung des mindestens einen verbleibenden Empfangszuges. Der mindestens eine verbleibende oder die verbleibenden Empfangszüge bezeichnen hierbei die Empfangszüge, die nicht als Referenzzug festgelegt wurden. Weist das Fahrzeug beispielsweise zwei Empfangsantennen auf, so bestimmt die Auswerteeinheit nur eine reale Differenz. Weist das Fahrzeug z.B. drei Empfangsantennen auf, so bestimmt die Auswerteeinheit zwei reale Differenzen.
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Weiter wertet die Auswerteeinheit für eine Anzahl von Horizontalwinkeln eine Fehlerfunktion in Abhängigkeit der realen Differenz und einer theoretischen Differenz aus. Die Fehlerfunktion kann beispielsweise eine normale Differenz zwischen der realen Differenz und der theoretischen Differenz sein. Vorzugsweise ist die Fehlerfunktion jedoch die quadratische Differenz zwischen der realen Differenz und der theoretischen Differenz. Auch kann die Fehlerfunktion ein Betrag der Differenz zwischen der realen Differenz und der theoretischen Differenz sein.
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Der Begriff theoretische Differenz bezeichnet hierbei eine Differenz zwischen einer theoretischen Empfangsleistung des Referenzzuges und einer theoretischen Empfangsleistung des mindestens einen verbleibenden Empfangszuges. Die theoretischen Empfangsleistungen des Referenzzuges bestimmen sich in Abhängigkeit eines Horizontalwinkels aus einer vorbekannten horizontalen Richtcharakteristik der Antenne des Referenzzuges. In analoger Weise bestimmt sich die theoretische Empfangsleistung des mindestens einen verbleibenden Empfangszuges in Abhängigkeit des Horizontalwinkels aus einer vorbekannten Richtcharakteristik der Antenne des mindestens einen verbleibenden Empfangszuges.
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Hierbei sei angenommen, dass jede Antenne eine vorbekannte Richtcharakteristik aufweist. Allgemein beschreibt die Richtcharakteristik einen Zusammenhang zwischen einem Winkel und einer Stärke oder einem Gewinn eines empfangenen Signals mittels dieser Antenne, wobei sich der Winkel auf eine Hauptrichtung der Antenne bezieht. Es kann hierbei angenommen werden, dass ein Winkel zwischen der Längsachse des Fahrzeugs und der Hauptrichtung der Antenne eines jeden Empfangszuges vorbekannt ist. Die Empfangsantennen sind somit in vorbekannter geometrischer Anordnung im Fahrzeug angeordnet. Hierdurch kann eine theoretische Empfangsleistung eines Empfangszuges in Abhängigkeit des Horizontalwinkels, der sich auf die Längsachse des Fahrzeugs bezieht, ausgewertet werden. Die Empfangsantennen sind daher, insbesondere bei der Verwendung von nur zwei Empfangsantennen, vorzugsweise räumlich derart anzuordnen, dass eine Anzahl von Horizontalwinkeln, für welche die theoretischen Empfangsleistungen der einzelnen Empfangszüge identisch oder ähnlich sind, minimal ist oder eine vorbestimmte Anzahl von Horizontalwinkeln nicht überschreitet. Ähnlich bedeutet hierbei zum Beispiel, dass eine Differenz oder ein Betrag einer Differenz zwischen den theoretischen Empfangsleistungen der einzelnen Empfangszüge nicht größer als ein vorbestimmter Differenzwert ist.
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Die Fehlerfunktion wird hierbei für eine Anzahl von Horizontalwinkeln ausgewertet. Beispielsweise kann die Fehlerfunktion für den Winkelbereich eines gesamten Vollkreises, also 0° bis 360°, ausgewertet werden. Vorzugsweise erfolgt eine Auswertung in Winkelschritten, beispielsweise in Winkelschritten von 1°. Selbstverständlich sind auch andere Winkelschritte vorstellbar, wobei es einem Fachmann offensichtlich ist, dass mit kleinerer Schrittweite eine höhere Genauigkeit, jedoch auch eine höhere Rechenleistung erzielt wird. Auch ist vorstellbar, nur einen Teilbereich des Vollkreises auszuwerten. Beispielsweise kann das Verfahren nur auf die Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zu einem Sender in einem Bereich vor dem Fahrzeug, beispielsweise zu einem Sender in einem entgegenkommenden oder vorausfahrenden Fahrzeug, begrenzt werden, wodurch sich ein Winkelbereich von -90° bis 90° ergibt. Selbstverständlich kann die Auswertung auch in zwei oder mehr Schritten erfolgen. Hierbei wird beispielsweise in einem ersten Schritt ein Vollkreis mit großen Winkelschritten ausgewertet, dann ein Teilbereich des Vollkreises identifiziert, in dem höchstwahrscheinlich der zu bestimmende relative Horizontalwinkel liegt, wobei dann dieser Teilbereich mit kleineren Winkelschritten erneut ausgewertet wird.
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Am Ende der Auswertung der Fehlerfunktion liegt ein Verlauf des Fehlerbetrages (Verlauf der Funktionswerte der Fehlerfunktion) bezogen auf die ausgewertete Anzahl von Horizontalwinkeln vor. Die Auswerteeinheit bestimmt dann den relativen Horizontalwinkel mindestens in Abhängigkeit der Fehlerfunktion, also in Abhängigkeit des Verlaufs des Fehlerbetrages über der Anzahl ausgewerteter Horizontalwinkel. Beispielsweise bestimmt die Auswerteeinheit den relativen Horizontalwinkel als den Horizontalwinkel, für welchen die Fehlerfunktion ein Minimum aufweist, also der Fehlerbetrag minimal ist.
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Die Auswerteeinheit kann den relativen Horizontalwinkel jedoch auch in Abhängigkeit weiterer Informationen bestimmen. Beispielsweise können je nach räumlicher Anordnung der Empfangsantenne und/oder deren Richtcharakteristika mehrere lokale Minima der Fehlerfunktion auftreten. Insbesondere bei nur zwei Empfangsantennen können weitere Informationen zur Bestimmung des relativen Horizontalwinkels notwendig sein.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise eine mit einfachen Komponenten zu realisierende Bestimmung des relativen Horizontalwinkels. Selbstverständlich können hierbei bereits im Fahrzeug vorhandene Antennen genutzt werden. Weiter ist das vorgeschlagene Verfahren einfach zu implementieren und somit wenig rechenleistungs- bzw. rechenzeitintensiv. Weiter vorzugsweise beruht das vorgeschlagene Verfahren ausschließlich auf einer Auswertung von empfangenen Nachrichten und erfordert insbesondere kein energieaufwändiges Senden von Nachrichten wie z.B. in der
DE 10 2008 023 850 A1 .
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind drei Antennen im Fahrzeug angeordnet. Hierbei wird mittels einer ersten, einer zweiten und einer dritten Antenne des Fahrzeugs ein Sendesignal des Senders empfangen. Die erste Antenne ist einem ersten Empfangszug, die zweite Antenne einem zweiten Empfangszug und die dritte Antenne einem dritten Empfangszug zugeordnet. Mindestens eine Auswerteeinheit bestimmt eine Empfangsleistung des ersten Empfangszuges als erste Empfangsleistung, eine Empfangsleistung des zweiten Empfangszuges als zweite Empfangsleistung und eine Empfangsleistung des mindestens dritten Empfangszuges als dritte Empfangsleistung. Weiter legt die Auswerteeinheit in einem ersten Durchlauf einen Empfangszug als Referenzzug und eine Empfangsleistung des Referenzzuges als Referenzleistung fest. Für jeden verbleibenden Empfangszug wird eine reale Differenz zwischen der Referenzleistung und der Empfangsleistung des jeweilig verbleibenden Empfangszuges bestimmt. Hierbei werden also zwei reale Differenzen bestimmt. Wird beispielsweise der erste Empfangszug als Referenzzug festgelegt, so wird eine reale Differenz zwischen der Empfangsleistung des ersten Empfangszuges (Referenzleistung) und der Empfangsleistung des zweiten Empfangszuges bestimmt. Weiter wird ebenfalls eine reale Differenz zwischen der Empfangsleistung des ersten Empfangszuges (Referenzleistung) und der Empfangsleistung des dritten Empfangszuges bestimmt.
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Weiter wertet die Auswerteeinheit für eine Anzahl von Horizontalwinkeln für jeden verbleibenden Empfangszug eine Fehlerfunktion in Abhängigkeit der jeweiligen realen Differenz und einer theoretischen Differenz aus. Hierbei werden also zwei Fehlerfunktionen ausgewertet. Wird wiederum angenommen, dass der erste Empfangszug als Referenzzug festgelegt ist, so wird eine erste Fehlerfunktion in Abhängigkeit der realen Differenz zwischen der ersten Empfangsleistung und der Empfangsleistung des zweiten Empfangszuges und der Differenz zwischen einer theoretischen Empfangsleistung des ersten Empfangszuges und einer theoretischen Empfangsleistung des zweiten Empfangszuges ausgewertet. Eine zweite Fehlerfunktion wird in Abhängigkeit der realen Differenz zwischen der Empfangsleistung des ersten Empfangszuges und der Empfangsleistung des dritten Empfangszuges und der Differenz zwischen der theoretischen Empfangsleistung des ersten Empfangszuges und einer theoretischen Empfangsleistung des dritten Empfangszuges ausgewertet. Hierbei bestimmen sich die theoretischen Empfangsleistungen der Empfangszüge in Abhängigkeit des Horizontalwinkels jeweils aus einer vorbekannten horizontalen Richtcharakteristik der Antenne des jeweiligen Empfangszuges. Wie vorhergehend erläutert sei hierbei auch angenommen, dass die Anordnung der Empfangsantenne im Fahrzeug vorbekannt ist, d.h., dass ein Winkel zwischen Hauptrichtung der jeweiligen Antenne und der Längsachse des Fahrzeugs bekannt ist.
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Die Auswerteeinheit bestimmt den relativen Horizontalwinkel dann in Abhängigkeit von Funktionswerten (Fehlerbeträgen) der für jeden verbleibenden Empfangszug ausgewerteten Fehlerfunktionen des ersten Durchlaufs. Für den Fall, dass drei Empfangsantennen im Fahrzeug angeordnet sind, bestimmt die Auswerteeinheit den relativen Horizontalwinkel also in Abhängigkeit der Funktionswerte der ersten Fehlerfunktion und in Abhängigkeit der Funktionswerte der zweiten Fehlerfunktion. Hierbei kann z.B. ein Minimum der jeweiligen Fehlerfunktion bestimmt werden, wobei der relative Horizontalwinkel ein Mittelwert der Winkel ist, für welche die jeweiligen Fehlerfunktionen ein Minimum aufweisen. Auch ist vorstellbar, die jeweiligen Fehlerfunktionen zu fusionieren, z.B. zu addieren, und den relativen Horizontalwinkel dann als den Winkel zu bestimmen, für welchen die fusionierte Fehlerfunktion ein Minimum aufweist.
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Durch die Verwendung von mindestens drei Empfangsantennen ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein relativer Horizontalwinkel eindeutig bestimmt werden kann, ohne weitere Informationen zu benötigen. Dies gilt insbesondere für Empfangsantennen mit einer identischen Richtcharakteristik, deren Hauptrichtungen jeweils um 120° versetzt zueinander angeordnet sind.
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Selbstverständlich können auch mehr als 3 Empfangsantennen verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform schließen eine Hauptrichtung der ersten Antenne und eine Hauptrichtung der mindestens einen weiteren Antenne einen vorbestimmten Winkel ein. Hierbei bezeichnet die Hauptrichtung einer Antenne die Richtung, aus der eine Nachricht oder ein Signal mit einer maximalen Empfangsleistung der Antenne empfangen werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ergibt sich der vorbestimmte Winkel aus einem Verhältnis zwischen der Gradzahl eines Vollkreises und der Anzahl an Antennen. Sind beispielsweise drei Empfangsantennen im Fahrzeug angeordnet, so schließen die drei Empfangsantennen jeweils einen vorbestimmten Winkel von 120° ein. Sind beispielsweise vier Antennen im Fahrzeug angeordnet, so schließen diese jeweils einen vorbestimmten Winkel von 90° ein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass der relative Horizontalwinkel eindeutig bestimmt werden kann. Je mehr Antennen im Fahrzeug angeordnet sind, desto genauer kann der relative Horizontalwinkel bestimmt werden. Durch das Einschließen eines vorbestimmten Winkels bzw. eine Erhöhung der Anzahl von Empfangsantennen lässt sich in vorteilhafter Weise auch die Robustheit einer Bestimmung des relativen Horizontalwinkels, insbesondere eine Reduktion von Rauscheinflüssen, ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführungsform legt Auswerteeinheit in mindestens einem weiteren Durchlauf einen der im ersten Durchlauf verbleibenden Empfangszüge als Referenzzug und eine Empfangsleistung dieses Referenzzuges als Referenzleistung fest. Dann erfolgt in analoger Weise eine Auswertung einer oder mehrerer Fehlerfunktionen in Abhängigkeit der jeweilig realen und theoretischen Differenzen, die nun in Abhängigkeit des geänderten Referenzzuges ausgewertet werden. Abschließend bestimmt die Auswerteeinheit den relativen Horizontalwinkel in Abhängigkeit der Funktionswerte der Fehlerfunktionen des ersten Durchlaufs und in Abhängigkeit der Funktionswerte der Fehlerfunktionen des weiteren Durchlaufs. Eine Bestimmung des relativen Horizontalwinkels erfolgt also in mehreren Durchläufen, wobei in jedem Durchlauf Fehlerfunktionen bestimmt werden. Dies wird insbesondere dann angewendet, wenn mindestens drei Antennen im Fahrzeug angeordnet sind. Hierbei wird beispielsweise im ersten Durchlauf der erste Empfangszug als Referenzzug festgelegt. Wie vorhergehend erläutert, werden hierbei eine erste und eine zweite Fehlerfunktion des ersten Durchlaufs bestimmt. Im zweiten Durchlauf kann z.B. der zweite Empfangszug als Referenzzug festgelegt werden. Analog werden hierbei wieder eine erste und eine zweite Fehlerfunktion des zweiten Durchlaufs bestimmt. Vorzugsweise wird in einem dritten Durchlauf der dritte Empfangszug als Referenzzug bestimmt und wiederum eine erste und eine zweite Fehlerfunktion des dritten Durchlaufs bestimmt. Beispielsweise kann nun als resultierende Fehlerfunktion ein arithmetischer Mittelwert aller Fehlerfunktionen gebildet werden, wobei der relative Horizontalwinkel als der Winkel bestimmt wird, bei dem die resultierende Fehlerfunktion ein Minimum aufweist. Selbstverständlich kann die resultierende Fehlerfunktion auch in alternativen Abhängigkeiten von den Fehlerfunktionen der Durchläufe bestimmt werden. Beispielsweise kann ein gewichteter Mittelwert der Funktionswerte aller Fehlerfunktionen gebildet werden, wobei eine vorbestimmte Empfangsqualität, beispielsweise ein vorbekanntes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, in die Gewichtung der Fehlerfunktion des jeweiligen Durchlaufs einfließen. Weist z.B. der zweite Empfangszug ein schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf, so können die Fehlerfunktionen des Durchlaufs, in dem der zweite Empfangszug als Referenzzug festgelegt ist, klein gewählt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird für jeden Horizontalwinkel ein Mittelwert aller Funktionswerte des ersten Durchlaufs und des mindestens einen weiteren Durchlaufs bestimmt, wobei der relative Horizontalwinkel als der Horizontalwinkel bestimmt wird, für welchen der Mittelwert der Funktionswerte minimal ist.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine robuste, insbesondere rauschunempfindliche, Bestimmung des relativen Horizontalwinkels.
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In einer alternativen Ausführungsform wird für jeden Horizontalwinkel ein Mittelwert aller Funktionswerte des ersten Durchlaufs und des mindestens einen weiteren Durchlaufs bestimmt. Dann wird ein zentraler Horizontalwinkel als der Horizontalwinkel bestimmt, für welchen dieser Mittelwert der Funktionswerte minimal ist. Weiter wird ein erster Grenzwinkel als ein Horizontalwinkel bestimmt, für welchen der Mittelwert der Funktionswerte um einen vorbestimmten Betrag, der relativ zu einer Differenz zwischen einem maximalen und dem minimalen Mittelwert der Fehlerfunktionen ist, von dem Mittelwert der Funktionswerte des zentralen Horizontalwinkels abweicht. Hierbei ist der erste Grenzwinkel kleiner als der zentrale Horizontalwinkel. In analoger Weise wird ein zweiter Grenzwinkel als ein Horizontalwinkel bestimmt, für welchen der Mittelwert der Funktionswerte um einen vorbestimmten Betrag, der relativ zu der Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Mittelwert der Funktionswerte ist, von dem Mittelwert der Funktionswerte des zentralen Horizontalwinkels abweicht, wobei der zweite Grenzwinkel größer als der zentrale Horizontalwinkel ist. Weiter wird der relative Horizontalwinkel als der in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwinkel liegende Horizontalwinkel bestimmt.
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Durch den ersten und den zweiten Grenzwinkel wird also ein um den zentralen Horizontalwinkel liegendes Intervall bestimmt. Das Intervall liegt hierbei also um den Horizontalwinkel, für den der Mittelwert der Fehlerfunktionen minimal ist. Die Grenzwinkel des Intervalls werden in Abhängigkeit einer Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Mittelwert der Fehlerfunktionen bestimmt. Beispielsweise kann der erste oder zweite Grenzwinkel als der Horizontalwinkel bestimmt werden, für welche der Mittelwert der Funktionswerte um 10 % der Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Mittelwert der Funktionswerte von dem minimalen Mittelwert der Funktionswerte angestiegen ist. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Einfluss störender Signalfluktuationen in direkter Nähe des Minimums der Mittelwerte der Fehlerfunktionen reduziert wird, wodurch eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des relativen Horizontalwinkels erzielt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform wird eine Empfangsleistung eines Empfangszuges als Mittelwert von in einem vorbestimmten Zeitintervall bestimmten Empfangsleistungen des Empfangszuges bestimmt. Hierbei wird also eine Empfangsleistung aus den Empfangsleistungen von mehreren empfangenen Nachrichten des Senders gemittelt. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine höhere Robustheit des vorgeschlagenen Verfahrens, insbesondere eine verbesserte Rauschempfindlichkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der vorbestimmte Zeitraum abhängig von einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Bewegt sich das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit relativ zum Sender, so wird sich auch der relative Horizontalwinkel zwischen dem Fahrzeug und dem Sender schnell verändern. In diesem Fall, also für hohe Geschwindigkeiten, ist der Zeitraum kleiner zu wählen als ein Zeitraum bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs. Selbstverständlich ist zu beachten, dass, falls der Sender in ein weiteres Fahrzeug integriert ist, auch die Geschwindigkeit des weiteren Fahrzeugs sich auf die Genauigkeit der Bestimmung des relativen Horizontalwinkels auswirkt.
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Weiter vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zwischen einem Fahrzeug und einem Sender. Die Vorrichtung umfasst eine erste und mindestens eine weitere Antenne und mindestens eine Auswerteeinheit. Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ist eines der vorgenannten Verfahren ausführbar. Insbesondere vorzugsweise umfasst die Vorrichtung drei Empfangsantennen, die weiter vorzugsweise in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind.
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Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtung ist zusätzlich die Bestimmung einer relativen Position des Senders zum Fahrzeug möglich. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine von der Sendeantenne des Senders verwendete Sendeleistung in der gesendeten Nachricht enthalten ist. Weiter können auch Systemverluste der Vorrichtung, insbesondere der Empfangszüge, z.B. eine Leistungsreduktion durch Kabelverluste, als bekannt angenommen werden. In Abhängigkeit der in einer empfangenen Nachricht codierten Sendeleistung und der Übertragungseigenschaften der Empfangszüge kann eine Berechnung einer Entfernung zwischen der Sendeantenne des Senders und einem Mittelpunkt der Empfangsantennen erfolgen, wodurch in Kombination mit dem ebenfalls bestimmten relativen Horizontalwinkel eine zumindest approximierte Bestimmung der absoluten Position des Senders in einer horizontalen Ebene möglich ist.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines relativen Horizontalwinkels zwischen zwei Fahrzeugen,
- 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels,
- 3 eine beispielhafte Ausführung einer Gruppe von Empfangsantennen und
- 4 ein beispielhafter Verlauf von Funktionswerten einer Fehlerfunktion für unterschiedliche relative Horizontalwinkel.
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In 1 ist beispielhaft ein relativer Horizontalwinkel α zwischen einem ersten Fahrzeug 1 und einem Sender 2 dargestellt, wobei der Sender 2 in ein weiteres Fahrzeug integriert ist. Hierbei dient dargestellt, dass der relative Horizontalwinkel α gleichzeitig der Winkel zwischen dem ersten Fahrzeug 1 und dem weiteren Fahrzeug ist. Im ersten Fahrzeug 1 ist eine Gruppe von drei Empfangsantennen 3 angeordnet. Die Empfangsantennen 3 sind hierbei derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Hauptrichtungen einen Winkel β von 120° einschließen. Weiter sind die Phasenzentren einer jeden Empfangsantenne 3 gleich und bilden das Zentrum 4 der drei Empfangsantennen 3. Das weitere Fahrzeug verfügt über eine Sendeantenne 5 des Senders 2. Mittels der Sendeantenne 5 kann das weitere Fahrzeug Nachrichten an das erste Fahrzeug 1 senden. Der relative Horizontalwinkel α zwischen dem ersten Fahrzeug 1 und dem Sender 2 bestimmt sich als Winkel zwischen einer Längsachse 6 des ersten Fahrzeugs 1 und einer Verbindungslinie 7 zwischen dem gemeinsamen Zentrum 4 der Empfangsantennen 3 und einem Phasenzentrum 8 der Sendeantenne 5.
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In 2 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 9 zur Bestimmung eines relativen Horizontalwinkels zwischen einem Fahrzeug und einem Sender, beispielsweise dem in 1 dargestellten ersten Fahrzeug 1 und dem Sender 2 des weiteren Fahrzeugs, dargestellt. Die Vorrichtung 9 umfasst eine erste Empfangsantenne 3-1, eine zweite Empfangsantenne 3-2 und eine dritte Empfangsantenne 3-3. Hierbei ist die erste Empfangsantenne 3-1 über einen ersten Empfangszug 10-1, die zweite Empfangsantenne 3-2 über einen zweiten Empfangszug 10-2 und die dritte Empfangsantenne 3-3 über einen dritten Empfangszug 10-3 an eine Auswerteeinheit 11 angeschlossen. Hierbei können alle Empfangsantennen 3-1, 3-2, 3-3 und alle Empfangszüge 10-1, 10-2, 10-3 identisch ausgebildet sein. Die Empfangszüge 10-1, 10-2, 10-3 umfassen hierbei beispielsweise Kabel zur signaltechnischen Verbindung der Empfangsantennen 3-1, 3-2, 3-3 mit der Auswerteeinheit 11.
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In 3 ist eine beispielhafte Anordnung von drei Empfangsantennen 3-1, 3-2, 3-3 (siehe 2) dargestellt. Hierbei schließen Hauptrichtungen der drei Empfangsantennen 3-1, 3-2, 3-3 jeweils einen Winkel von 120° ein. Die Phasenzentren der Empfangsantennen 3-1, -3-2, 3-3 fallen aufeinander und bilden ein gemeinsames Zentrum.
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4 zeigt einen beispielhaften Verlauf von Funktionswerten. Hierbei ist auf der Abszisse der relative Horizontalwinkel α dargestellt. Auf der Ordinate ist der Funktionswert der Fehlerfunktion, hier die quadratische Differenz zwischen der realen Differenz und einer theoretischen Differenz, dargestellt. Die verschiedenen Verläufe des Funktionswertes entsprechen hierbei unterschiedlichen Positionen z.B. des weiteren Fahrzeugs aus 1 zum ersten Fahrzeug 1 aus 1. Ein erster Verlauf 12 zeigt die Funktionswerte über dem relativen Horizontalwinkel α, wenn der relative Horizontalwinkel zwischen dem ersten Fahrzeug 1 und dem weiteren Fahrzeug 0° beträgt. Ein zweiter Verlauf 13 zeigt einen Verlauf der Funktionswerte, wenn der relative Horizontalwinkel 90° beträgt. Ein dritter Verlauf 14 zeigt den Verlauf der Funktionswerte, wenn der relative Horizontalwinkel 180° beträgt. Ein vierter Verlauf 15 zeigt den Verlauf der Funktionswerte, wenn der relative Horizontalwinkel 270° beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Fahrzeug
- 2
- Sender
- 3
- Empfangsantenne
- 3-1
- erste Empfangsantenne
- 3-2
- zweite Empfangsantenne
- 3-3
- dritte Empfangsantenne
- 4
- Zentrum der Empfangsantennen
- 5
- Sendeantenne
- 6
- Längsachse
- 7
- Verbindungslinie
- 8
- Phasenzentrum der Sendeantenne
- 9
- Vorrichtung
- 10-1
- erster Empfangszug
- 10-2
- zweiter Empfangszug
- 10-3
- dritter Empfangszug
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- erster Verlauf
- 13
- zweiter Verlauf
- 14
- dritter Verlauf
- 15
- vierter Verlauf
