DE102011085769A1

DE102011085769A1 - Verfahren und System zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE102011085769A1
Application number: DE102011085769A
Authority: DE
Inventors: Ralf Salomon
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-11-05
Also published as: DE102011085769B4

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur kontaktlosen Positionsbestimmung eines Empfängers anzugeben, wobei eine exakte und wenig störanfällige Positionsbestimmung unter Verwendung preiswerter Empfänger und möglichst weniger Sender gewährleistet sein soll, insbesondere in Bereichen, in denen GPS-Signale nicht verfügbar sind. Die Idee der Erfindung besteht darin, dass die modulierten Nutzsignale (Signalfrequenzen) nicht direkt ausgesendet und überlagert werden, was eine hohe Störanfälligkeit zur Folge haben kann, sondern diese Nutzsignale über ein höherfrequentes Trägersignal, zunächst zum Empfänger gesendet, dort demoduliert und erst dann zu einer Schwebung überlagert werden, aus der dann die (relative) Position des Empfängers bestimmt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Positionsbestimmung mit den in den Ansprüchen 1 und 7 genannten Merkmalen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Lokalisierung eines Empfängers in einer Umgebung, in der herkömmliche Positionsbestimmungssysteme, wie beispielsweise GPS, nicht verfügbar sind oder nicht ausreichend präzise arbeiten.
In vielen Bereichen, beispielsweise bei der Fahrzeugnavigation, ist die Positionsbestimmung einer Person oder eines Gegenstandes von elementarer Bedeutung. Insbesondere zur kontaktlosen Positionsbestimmung stehen heutzutage leistungsfähige Systeme, wie etwa das Global Positioning System (GPS), zur Verfügung. GPS basiert auf Satelliten, die ständig ihre sich ändernde Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus deren Signallaufzeit können GPS-Empfänger dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Grundsätzlich reichen dazu die Signale von drei Satelliten. In der Praxis besitzen GPS-Empfänger jedoch keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt berechnen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt.
Nachteilhafterweise ist GPS nur in Bereichen einsetzbar, in denen ein GPS-Empfänger die von den (mindestens) vier Satelliten ausgestrahlten Signale ausreichend gut empfangen kann. Eine solche Situation ist jedoch in vielen Bereichen, in denen eine Positionsbestimmung notwendig ist, nicht gegeben. Dazu zählen beispielsweise Fahrzeugtunnel, in denen die Fahrzeugposition zur Navigation bestimmt werden soll. Häufig lassen sich GPS-Signale nicht innerhalb von Fahrzeugtunneln empfangen. Eine Ortung des Fahrzeuges kann erst nach Verlassen des Tunnels mittels GPS realisiert werden, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn innerhalb des Tunnels mehrere Fahrtrichtungen zur Auswahl stehen, zwischen denen das Navigationssystem unterscheiden muss.
Ein weiteres Beispiel ist ein Getreidesilo, innerhalb dessen GPS-Signale nicht ausreichend gut empfangen werden können. Eine innerhalb des Getreidesilos vorhandene Arbeitsmaschine, deren Position überwacht werden soll, könnte nicht auf die GPS-Positionsbestimmung zurückgreifen, so dass hier alternative Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Soll eine kontaktlose, eigenständige Positionsbestimmung einer Person oder eines Gegenstandes (die jeweils über einen geeigneten Empfänger verfügen) in Bereichen nicht ausreichend starker GPS-Signale vorgenommen werden, ist es bekannt, elektromagnetische Signale zu verwenden, die von ortsnahen Sendern ausgestrahlt werden. Aus der Phasenverschiebung des vom Empfänger empfangenen Signals (vorausgesetzt, dass die Sender ortsfest angeordnet sind) kann auf die Relativbewegung des Empfängers, dessen Position bestimmt werden soll, zu einem der Sender geschlossen werden. Dazu muss die Phasenverschiebung des Empfängers zum Sender bestimmt werden. Ein Nachteil ist hierbei, dass die Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger nur dann bestimmt werden kann, wenn entweder sowohl Sender als auch Empfänger über synchrone, hochpräzise Uhren verfügen oder ein zusätzliches Referenzsignal zur Hilfe genommen wird. Dies erfordert jedoch entsprechend teure technische Komponenten.
Aus DE 10 2006 059 623 B3 ist ein System zur Positionsbestimmung bekannt, mit einem ersten Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung einer ersten Sendefrequenz, wobei die erste Sendefrequenz mit einer ersten Modulationsfrequenz moduliert wird; einem zweiten Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Sendefrequenz, wobei die zweite Sendefrequenz mit einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert wird, wobei sich die erste Frequenz von der zweiten Frequenz derart unterscheidet, dass sich eine Schwebung mit einer Schwebungsfrequenz ausbildet. Weiterhin ist ein Mittel zum Messen mindestens einer ersten Amplitude der Schwebungsfrequenz ab einem ersten Zeitpunkt an einer ersten Position des Empfängers und ein Mittel zum Messen mindestens einer zweiten Amplitude der Schwebungsfrequenz ab einem zweiten Zeitpunkt an einer zweiten Position des Empfängers, und ein Mittel zur Bestimmung der zweiten Position des Empfängers in Bezug zur ersten Position aus der mindestens einen ersten Amplitude und der mindestens einen zweiten Amplitude der Schwebungsfrequenz vorgesehen.
Der Vorteil der DE 10 2006 059 623 B3 liegt darin, dass mit preiswerten Sendern und Empfängern die Position eines Empfängers auch in (für GPS-Signale) schwer zugänglichen Gebieten, exakt und schnell bestimmt werden kann.
Der Nachteil der DE 10 2006 059 623 B3 liegt jedoch darin, dass die resultierende Schwebung störanfällig ist. Diese Störungen können aus reflektierten Wellen oder aus unterschiedlichen Amplituden bestehen. Als Resultat kommt es zu fehlerhaften Ortsinformationen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur eigenständigen, und in Bezug auf die Sender, kontaktlosen Positionsbestimmung eines Empfängers anzugeben, wobei eine exakte und wenig störanfällige Positionsbestimmung unter Verwendung preiswerter Empfänger und möglichst weniger Sender gewährleistet sein soll, insbesondere in Bereichen, in denen GPS-Signale nicht verfügbar sind. Des Weiteren soll auf die Verwendung von Referenzsignalen oder hochpräzisen, synchronen Uhren oder ähnlichen Zeitmesseinrichtungen verzichtet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 (Verfahrensanspruch) sowie des Anspruches 7 (Vorrichtungsanspruch) gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit preiswerten Sendern und Empfängern die Position eines Empfängers auch in (für GPS-Signale) schwer zugänglichen Gebieten, exakt, schnell und wenig störanfällig bestimmt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden lediglich zwei Sender und ein Empfänger benötigt. Daher eignet sich das erfindungsgemäße System beispielsweise als Ergänzung für GPS-Empfänger in Bereichen schwacher oder nicht vorhandener GPS-Signale, die entsprechende, vom erfindungsgemäßen System ausgesandte Signale empfangen, und so ihre Position im Bereich der Sender alternativ zum GPS bestimmen können. Hierdurch wird eine gute Alternative bzw. Ergänzung zur GPS-Positionsbestimmung geschaffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Empfängers weist folgende Verfahrensschritte auf:

– Modulation einer ersten Trägerfrequenz mit einer ersten Signalfrequenz, wobei die erste Signalfrequenz mit einer ersten Modulationsfrequenz moduliert wird,
– Aussenden der ersten Trägerfrequenz mittels eines ersten Senders,
– Modulation einer zweiten Trägerfrequenz mit einer zweiten Signalfrequenz, wobei die zweite Signalfrequenz mit einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert wird,
– Aussenden der zweiten Trägerfrequenz mittels eines zweiten Senders, wobei der zweite Sender vom ersten Sender beabstandet ist, und wobei sich die erste Signalfrequenz von der zweiten Signalfrequenz derart unterscheidet, dass eine Überlagerung der ersten Signalfrequenz mit der zweiten Signalfrequenz zu einer Schwebung führt,
– Empfangen des Signals der ersten Trägerfrequenz und des Signals der zweiten Trägerfrequenz an einer jeweils in Relation zum Empfänger bekannten Position,
– Demodulation des Signals der ersten Trägerfrequenz und des Signals der zweiten Trägerfrequenz,
– Überlagern der demodulierten ersten Signalfrequenz mit der demodulierten zweiten Signalfrequenz,
– Bestimmen mindestens einer ersten Amplitude einer durch die Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz zu einem ersten Zeitpunkt an einer ersten Position des Empfängers,
– Bestimmen mindestens einer zweiten Amplitude der durch die Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz zu einem zweiten Zeitpunkt an einer zweiten Position des Empfängers, und
– Ermittlung der zweiten Position des Empfängers in Bezug zur ersten Position des Empfängers aus der mindestens einen ersten Amplitude und der mindestens einen zweiten Amplitude der Schwebungsfrequenz.

Die Idee der Erfindung besteht demnach darin, dass die modulierten Nutzsignale (Signalfrequenzen) nicht direkt ausgesendet und überlagert werden, was eine hohe Störanfälligkeit zur Folge haben kann, sondern diese Nutzsignale über ein höherfrequentes Trägersignal, zunächst zum Empfänger gesendet, dort demoduliert und erst dann zu einer Schwebung überlagert werden, aus der dann die (relative) Position des Empfängers bestimmt werden kann. Durch die Modulation und Demodulation des Nutzsignals wirken sich ggf. auftretende Störungen der Trägersignale auf das (demodulierte) Nutzsignal nicht bzw. weniger stark aus. Das bedeutet, dass die Relativbewegung des Empfängers zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt aus der sich ändernden Amplitude der durch die Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz rekonstruiert wird. Die beiden vom Empfänger demodulierten Signale werden vorzugsweise so verstärkt, dass beide die gleiche Amplitude haben. Diese beiden Signale werden dann vorzugsweise auf einfachem elektrischen Weg addiert. Dies entspricht dann der Überlagerung, die bei dem Verfahren nach DE 10 2006 059 653 B3 in der Luft von alleine passiert. Das Ergebnis ist dann eine resultierende Schwebung, die nicht mehr bzw. deutlich weniger von äußeren (Amplituden-)Störungen abhängig ist, wobei dann die (Relativ-)Position des Empfängers aus der sich ändernden Amplitude der Schwebungsfrequenz in bekannter Weise bestimmt werden kann.
Um eine geringe Störanfälligkeit des Trägersignals zu erreichen, ist es bevorzugt, dass die jeweilige Trägerfrequenz deutlich größer ist als die jeweilige Signalfrequenz (moduliertes Nutzsignal). Vorzugsweise ist die erste Trägerfrequenz (in Hz) mindestens 10-mal größer als die erste Signalfrequenz. Vorzugsweise ist die zweite Trägerfrequenz (in Hz) mindestens 10-mal größer als die zweite Signalfrequenz.
Als erste und zweite Trägerfrequenz werden vorzugsweise freie Signalfrequenzen verwendet. Ist dem Empfänger seine anfängliche absolute Position (beispielsweise durch Empfang eines GPS-Signals) bekannt, kann der Empfänger nun nachfolgend durch Bestimmung seiner Relativposition bei anfänglich bekannter Absolutposition auch die Absolutposition kontinuierlich weiter bestimmen. Es ist besonders bevorzugt, die Signal- und Modulationsfrequenzen derart zu wählen, dass das Schwebungssignal (je Periode) neben einem globalen Hauptmaximum mindestens ein Nebenmaximum (bevorzugt zwischen 2 und 5 Nebenmaxima) aufweist.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Nutzsignale über ein höherfrequentes Trägersignal zum Empfänger gesendet, dort demoduliert und erst durch die Überlagerung der ersten Signalfrequenz mit der zweiten Signalfrequenz eine Schwebung erzeugt wird, aus der dann die Relativbewegung des Empfängers zwischen den beiden Sendern bestimmt werden kann. Die Verwendung eines Referenzsignals oder einer hochsynchronen Uhr ist nicht notwendig. Da die Sender beispielsweise innerhalb eines Tunnels positioniert werden können, wäre es möglich, die Position eines im Tunnel durchfahrenden Pkws (auch bei Nichtempfang eines GPS-Signals) hochpräzise, wenig störanfällig und sehr preiswert zu bestimmen.
Vorzugsweise sind mindestens zwei Sender räumlich konstant und ortsfest zueinander angeordnet. Vorzugsweise werden die Signale permanent, d. h. periodisch moduliert und gesendet sowie empfangen, demoduliert und überlagert (sowie aus der Schwebung eine Positionsbestimmung vorgenommen). Vorzugsweise beträgt die Wiederholrate kleiner als 10 s, bevorzugter kleiner als 1 s, noch bevorzugter kleiner als 0,1 s und noch bevorzugter kleiner als 0,01 s. So ist beispielsweise eine präzise und wenig störanfällige Positionsbestimmung von Kraftfahrzeugen bzw. der Einsatz besonders preiswerter technischer Komponenten (Sender und Empfänger) möglich.
Die gewählte indirekte Übertragung der Signalfrequenzen mittels eines Trägers und eines geeigneten Modulationsverfahrens, vorzugsweise Frequenzmodulation (FM), hat noch einen weiteren Vorteil: die eigentlichen Signalfrequenzen werden immer über den selben Träger übermittelt, so dass bei Änderung dieser Signalfrequenzen der Empfänger nicht erneut angestimmt werden muss. Mit anderen Worten, das System kann die für die (relative) Lokalisierung notwendigen Signalfrequenzen stetig ändern, ohne dass weitere Justierungen im Hochfrequenzteil notwendig sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist es demnach vorgesehen, dass die Bestimmung der Position des Empfängers fortlaufend erfolgt, wobei jeweils nach erfolgter Positionsbestimmung die ermittelte Position des Empfängers als neue, bekannte Position des Empfängers zur Bestimmung der Position des Empfängers zu einem späteren Zeitpunkt verwendet wird, wobei sich die verwendete (erste und/oder zweite) Signalfrequenz aufeinanderfolgender (Bestimmungs-)Zeitpunkte voneinander unterscheidet. Vorzugsweise werden die Signalfrequenzen fortlaufend geändert.
Soll die Position eines Empfängers nicht entlang einer Linie, sondern innerhalb einer Ebene bestimmt werden, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein erster, ein zweiter und ein dritter Sender jeweils Trägerfrequenzen aussenden, wobei eine erste Trägerfrequenz mit einer ersten Signalfrequenz moduliert wird und die erste
Signalfrequenz mit einer ersten Modulationsfrequenz moduliert wird, eine zweite Trägerfrequenz mit einer zweiten Signalfrequenz moduliert wird und die zweite Signalfrequenz mit einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert wird, eine dritte Trägerfrequenz mit einer dritten Signalfrequenz moduliert wird und die dritte Signalfrequenz mit einer dritten Modulationsfrequenz moduliert wird, wobei sich erste Signalfrequenz, zweite Signalfrequenz und dritte Signalfrequenz derart unterscheiden, dass eine Überlagerung der drei Signalfrequenzen zu einer Schwebung führt. Weiterhin werden die Signale der ersten Trägerfrequenz, der zweiten Trägerfrequenz und der dritten Trägerfrequenz empfangen, dann werden die Signale jeweils demoduliert und die erste demodulierte Signalfrequenz, die zweite demodulierte Signalfrequenz und die dritte demodulierte Signalfrequenz werden überlagert. Danach wird die Amplitude der niederfrequenten Schwebungsfrequenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt und aus der bestimmten Amplitude der Schwebungsfrequenz (insbesondere aus der Amplitude des mindestens einen Nebenmaximums) wird die Relativbewegung des Empfängers innerhalb des entsprechenden Zeitintervalls zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt. Die oben gemachten Ausführungen zu bevorzugten Frequenzen sollen für dieses Ausführungsbeispiel analog gelten. Für eine räumliche (dreidimensionale) Positionsbestimmung kann das System auch auf vier oder mehr Sender erweitert werden.
Das erfindungsgemäße System zur Positionsbestimmung umfasst: einen ersten Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung einer ersten Trägerfrequenz, einen ersten Modulator, der ausgebildet ist, eine erste Signalfrequenz mit einer ersten Modulationsfrequenz zu modulieren, einen zweiten Modulator, der ausgebildet ist, eine erste Trägerfrequenz mit der ersten vormodulierten Signalfrequenz zu modulieren, einen zweiten Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Trägerfrequenz, wobei der zweite Sender vom ersten Sender beabstandet ist, einen dritten Modulator, der ausgebildet ist, eine zweite Signalfrequenz mit einer zweiten Modulationsfrequenz zu modulieren, einen vierten Modulator, der ausgebildet ist, eine zweite Trägerfrequenz mit der zweiten vormodulierten Signalfrequenz zu modulieren, wobei sich die erste Signalfrequenz von der zweiten Signalfrequenz derart unterscheidet, dass eine Überlagerung der ersten Signalfrequenz mit der zweiten Signalfrequenz zu einer Schwebung führt, Mittel zum Empfangen und Demodulieren der ersten Trägerfrequenz und zum Empfangen und Demodulieren der zweiten Trägerfrequenz, Mittel zum Überlagern der demodulierten ersten Signalfrequenz mit der demodulierten zweiten Signalfrequenz, Mittel zum Bestimmen mindestens einer ersten Amplitude der durch Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz zu einem ersten Zeitpunkt an einer ersten Position des Empfängers, Mittel zum Bestimmen mindestens einer zweiten Amplitude der durch Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz zu einem zweiten Zeitpunkt an einer zweiten Position des Empfängers, und Mittel zur Bestimmung der zweiten Position des Empfängers in Bezug zur ersten Position aus der mindestens einen ersten Amplitude und der mindestens einen zweiten Amplitude der Schwebungsfrequenz.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Sender in einem räumlich konstanten Abstand zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Sender ortfest angeordnet. Vorzugsweise sind der erste Modulator, der zweite Modulator, der dritte Modulator und der vierte Modulator durch einen Modulator integriert ausgebildet, der sowohl mit dem ersten Sender als auch mit dem zweiten Sender verbunden ist.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Signalfrequenzen und die Modulationsfrequenzen genormt sind. Dann kann der Empfänger nach Überlagerung der Nutzsignale zu unterschiedlichen Zeitpunkten selbsttätig durch entsprechende mathematische Umformungen seine Relativposition bestimmen. Der Rechenaufwand steigt offensichtlich mit der Anzahl der Sender. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Empfänger ein entsprechendes Datenverarbeitungsgerät aufweist, welches aus der ersten und zweiten Signalfrequenz, der ersten und zweiten Modulationsfrequenz und den mindestens zwei überlagerte Nutzsignale die Relativbewegung rechnerisch bestimmt.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das erfindungsgemäße System zur Positionsbestimmung je nach Anwendungsbereich mit unterschiedlichen (auch zeitlich variablen) Signal- und Modulationsfrequenzen arbeitet und die Sender möglicherweise in unterschiedlichen Abständen zueinander positioniert sind oder positioniert werden. Dann ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens einer der Sender dem Empfänger entsprechende Daten über die Signal- und Modulationssequenzen übermittelt, so dass der Empfänger dann mittels eines Datenverarbeitungsgerätes und der übermittelten Daten nach Überlagern der demodulierten Signalfrequenzen seine Relativbewegung selbsttätig rechnerisch bestimmen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 das erfindungsgemäße System zur Positionsbestimmung in einer schematischen Darstellung,
2a das von einem Empfänger überlagerte Schwebungssignal an einem ersten Ort, sofern die erste und zweite Signalfrequenz nicht moduliert wird,
2b das von einem Empfänger überlagerte Schwebungssignal an einem zweiten Ort, wobei die Signalfrequenzen nicht moduliert werden,
3a das von einem Empfänger überlagerte Schwebungssignal an einem ersten Ort, wenn sowohl die erste als auch die zweite Signalfrequenz moduliert werden,
3b das von einem Empfänger überlagerte Schwebungssignal an einem zweiten Ort, der gegenüber dem ersten Ort (3a) verschoben ist,
4a das von einem Empfänger überlagerte Schwebungssignal an einem ersten Ort, welches mittels dreier Sender erzeugt wird,
4b das von einem Sender überlagerte Schwebungssignal an einem zweiten Ort, und
5 die Relevanz der verbesserten Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems. Dieses erfindungsgemäße System besteht aus einem ersten Sender 1 und einem zweiten Sender 2 und einem Empfänger 4.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, dass die modulierten Signalfrequenzen nicht wie im Stand der Technik direkt ausgesendet, physikalisch überlagert und dann gemessen werden, was eine hohe Störanfälligkeit zur Folge haben kann, sondern dass diese Signalfrequenzen über ein höherfrequentes Trägersignal zunächst zum Empfänger gesendet, dort demoduliert und erst dann zu einer Schwebung (signaltechnisch) überlagert werden, aus der dann die (relative) Position des Empfängers bestimmt werden kann. Durch die Modulation und Demodulation des Nutzsignals wirken sich ggf. auftretende Störungen der Trägersignale auf das (demodulierte) Nutzsignal nicht bzw. weniger stark aus. Das bedeutet, dass erst die Überlagerung der ersten demodulierten Signalfrequenz mit der zweiten demodulierten Signalfrequenz zu einer Schwebung führt, aus der dann die Relativbewegung des Empfängers zwischen den beiden Sendern bestimmt werden kann.
Eine erste Trägerfrequenz F₁ wird mit einer ersten Signalfrequenz f₁ moduliert und eine zweite Trägerfrequenz F₂ wird mit einer zweiten Signalfrequenz f₂ moduliert. Der erste Sender 1 sendet die erste Trägerfrequenz F₁ und der zweite Sender 2 sendet die zweite Trägerfrequenz F₂. Erfindungsgemäß sind die Sender 1, 2 mit dem Modulator 3 verbunden, der die Signalfrequenzen f₁ und f₂ jeweils mit einer Modulationsfrequenz f_M1 und f_M2 moduliert. Der Modulator 3 moduliert die Trägerfrequenz F₁ und F₂ der Sender 1, 2 entsprechend.
Der Empfänger 4, der sich zwischen den Sendern 1, 2 bewegt, kann nun seine Position eigenständig und kontaktlos bestimmen, in dem er die höherfrequenten Trägersignale (F₁, F₂) demoduliert, überlagert und aus der resultierenden Schwebung in bekannter Weise seine (Relativ-)Position ermittelt. Der Empfänger 4 besitzt vorzugsweise zwei Empfangsteile, wobei jeder dieser Empfänger mit einer eigenen Antenne und einem eigenen HF-Teil ausgestattet ist. Diese beiden Empfangsteile sind auf die erste Trägerfrequenz F₁ und zweite Trägerfrequenz F₂ abgestimmt. Nach einer FM-Demodulation erscheinen am Ausgang die beiden Nutzsignale (Signalfrequenzen). Etwaige Schwankungen der Amplituden A₁, A₂ von den Trägerfrequenzen F₁, F₂ haben aufgrund der Wahl einer Frequenzmodulation keinen Einfluss auf die Nutzsignale (Signalfrequenzen).
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die Sender weder über eine hochsynchrone Uhr, noch ein Referenzsignal verfügen müssen. Weiterhin kann der Empfänger 4 preiswert hergestellt werden, da er lediglich zur Überlagerung der Signalfrequenzen geeignet sein muss. Aus nacheinander folgenden Überlagerungen der Signalfrequenzen kann der Empfänger 4 stets seine Relativposition und damit im Laufe mehrerer Überlagerungen seine Bewegung zwischen den Sendern 1, 2 bestimmen. Ist dem Empfänger 4 seine anfängliche, absolute Position zwischen den Sendern 1, 2 bekannt, kann er auch kontinuierlich sein absolute Position aus seiner Relativbewegung berechnen.
2a zeigt ein Schwebungssignal nach herkömmlicher Art. Ein solches Schwebungssignal würde der Empfänger 4 beispielsweise empfangen, wenn die zur Schwebung führenden Sendefrequenzen f₁, f₂ nicht wie gemäß der vorliegenden Erfindung moduliert wären. Zwar würde sich bei der Bewegung des Empfängers 4 dessen relative Position zu den Sendern 1, 2 ändern und damit eine Phasenverschiebung des empfangenen Schwebungssignals erfolgen (siehe 2b), jedoch könnte der Empfänger im Falle nichtmodulierter Signalfrequenzen (wie in der 2a, 2b) seine Relativbewegung nur dann bestimmen, wenn er mit den Sendern synchronisiert wäre oder ein Referenzsignal von mindestens einem Sender erhielte. Hierdurch würden jedoch entsprechend höhere Anforderungen an die Sender und den Empfänger gestellt, so dass das entsprechende Verfahren deutlich aufwändiger wäre. Ein weiterer Nachteil bestünde in einer erhöhten Störanfälligkeit eines solchen Systems.
Werden jedoch die Signalfrequenzen f₁ und f₂ moduliert (siehe 3a), wird auch das Schwebungsbild, also die im Empfänger 4 nach Demodulation der Trägerfrequenzen F₁, F₂ durch Überlagerung erzeugte Schwebungsfrequenz f_s in ihrer Intensität (Amplitude) moduliert. Die vom Empfänger 4 erzeugte Schwebung weist, wie in 3a ersichtlich, ein Hauptmaximum und zwei Nebenmaxima auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die demodulierten Signalfrequenzen f₁ = 16,07 MHz und f₂ = 15,76 MHz. Die resultierende Schwebungsfrequenz beträgt f_s = 0,32 MHz und die Modulationsfrequenzen betragen f_M1 = f_M2 = 0,16 MHz. Die Trägerfrequenzen betragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel F₁ = 170 MHz und F₂ = 160 MHz.
Die Zeitwerte (der x-Achsen der 2–4) sind mit dem Faktor 10^–6s zu versehen. Es ist erkennbar, dass sich das Modulationsbild der Schwebung sehr stark ändert (siehe 3b), wenn sich der Empfänger 4 zwischen den Sendern 1, 2 bewegt, wodurch eine Phasenverschiebung der demodulierten Signalfrequenzen f₁, f₂ hervorgerufen wird. Eine solche Phasenverschiebung führt zu einer Veränderung der Amplitude der Nebenmaxima (des mindestens einen Nebenmaximums). Der Empfänger 4 kann nun die Amplitude des mindestens einen Nebenmaximums bestimmen und daraus sehr einfach seine Relativverschiebung berechnen. Dazu ist es allerdings notwendig, dass der Empfänger 4 neben den mindestens zwei Amplitudenwerten sämtliche Träger-, Signal- und Modulationsfrequenzen kennt. In 3b befand sich der Empfänger 4 genau zwischen den Sendern 1, 2; im Vergleich dazu beträgt die Relativverschiebung des Empfängers 4 (in 3a) zirka Δx = 3 mm.
Sind diese stets konstant, ist es beispielsweise auch möglich, die Amplitudenwertepaare in eine Datentabelle mit entsprechend korellierten Relativverschiebungen aufzubereiten, so dass der Empfänger 4 nach Bestimmung aufeinanderfolgender Amplituden des mindestens einen Nebenmaximums aus einer entsprechenden Datentabelle seine Relativbewegung entnehmen kann. Es ist daher vorgesehen, einerseits die Signalfrequenzen f₁ und f₂ derart einzustellen, dass sich eine Schwebung ausbildet, andererseits die Trägerfrequenzen F₁, F₂ derart einzustellen, dass diese möglichst störungsfrei vom Sender zum Empfänger gelangen und die Modulationsfrequenzen derart zu wählen, dass die sich ausbildende Schwebung mindestens ein Nebenmaximum (dessen Amplitude phasenabhängig ist) aufweist.
Eine Rückrechnung der Relativbewegung aus den Signal- und Modulationsfrequenzen kann in einfacher Weise mittels bekannter mathematischer Algorithmen vorgenommen werden. Für vorgegebene Signal- und Modulationsfrequenzen kann die Amplitude der Schwebungsfrequenz in Abhängigkeit der Phasenverschiebung (also der Relativbewegung) durch entsprechende mathematische Superposition der modulierten Signalfrequenzen berechnet werden. Das Auflösen der entsprechenden Gleichungen nach der Phasenverschiebung bzw. der Relativbewegung kann dann explizit oder auch numerisch unter Zuhilfenahme entsprechender Rechenprogramme, wie beispielsweise Mathematica, vorgenommen werden.
Die 4a und 4b zeigen ein weiteres Beispiel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Beispiel wurden drei voneinander beabstandete Sender verwendet, die jeweils auf entsprechenden Trägerfrequenzen (die mit jeweils einer Signalfrequenz moduliert sind, wobei eine Überlagerung der demodulierten Signalfrequenzen zur Ausbildung einer Schwebungssequenz führt) senden. Die Modulationsfrequenzen der einzelnen Sender wurden derart eingestellt, dass die (aus den demodulierten Signalen erzeugte) Schwebungsfrequenz neben dem Hauptmaximum weitere vier Nebenmaxima aufweist. Wie aus 4a ersichtlich ist, weist das Schwebungsbild für eine anfängliche Phase (erste Position des Senders – siehe 4a) ein charakteristisches Schwebungsbild auf, in dem offensichtlich das links neben dem Hauptmaximum liegenden Nebenmaximum eine deutlich höhere Amplitude als die restlichen Nebenmaxima aufweist. Bewegt sich nun der Empfänger 4 relativ zu den drei Sendern (und erreicht dadurch die zweite Position – siehe 4b), führt dies zu einer Phasenverschiebung, die zu einer Änderung der Amplitude der Nebenmaxima führt. Insbesondere ist ersichtlich, dass das links neben dem Hauptmaximum liegende Nebenmaximum eine im Vergleich zu 4a deutlich reduzierte Amplitude aufweist. Aus der Veränderung der Amplituden der Nebenmaxima kann nun in vorbeschriebener Weise auf die Position (Relativbewegung) des Empfängers 4 geschlossen werden.
5 zeigt die Relevanz der verbesserten Positionsbestimmung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren gemäß der DE 10 2006 059 623 B3 .
Auf der x-Achse ist das Verhältnis der beiden vom Empfänger empfangenen (gemessenen) Amplituden gemäß der DE 10 2006 059 623 B3 , d. h. das Verhältnis der Amplitude des ersten modulierten Sendefrequenz (Signalfrequenz) zur Amplitude des zweiten modulierten Sendefrequenz (Signalfrequenz) aufgetragen, wobei auf der der y-Achse der normierte Lokalisierungsfehler ε(A₁/A₂) dargestellt ist, der sich aufgrund der unterschiedlichen Amplituden ergibt. Ein Amplitudenverhältnis ungleich eins repräsentiert dabei eine Störung der Sendefrequenzen auf dem Weg von den Sendern zum Empfänger und die Fehlerbalken geben die größte positive und negative Abweichung von der richtigen Position des Empfängers an. Der aufgetragene Wert der Messkurve ist das Mittel aus allen Messwerten. Es ist ersichtlich, dass eine Störung der Sendefrequenzen gemäß dem Verfahren der DE 10 2006 059 623 B3 zu rekonstruierten Lokalisierungswerten führt, die in Bezug auf die korrekte Position des Empfängers einen zu geringen Wert aufweisen. Es ist weiterhin ersichtlich, dass insbesondere Amplitudenverhältnisse kleiner 0.6 bzw. kleiner als 1/0.6 (also entsprechend starke Störungen der Sendefrequenzen) eine signifikante Ungenauigkeit der Positionsbestimmung nach dem herkömmlichen Verfahren zur Folge haben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt ein entsprechender Lokalisierungsfehler (auch für Amplitudenverhältnisse kleiner 0.6 bzw. kleiner als 1/0.6) nicht auf.
Bezugszeichenliste

1: erster Sender
2: zweiter Sender
3: Modulator
4: Empfänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006059623 B3 [0006, 0007, 0008, 0046, 0047, 0047]
DE 102006059653 B3 [0013]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position eines beweglichen Empfängers (4), wobei mindestens zwei Sender (1, 2) vorgesehen sind, mit folgenden Verfahrensschritten: – Modulation einer ersten Trägerfrequenz (F₁) mit einer ersten Signalfrequenz (f₁), wobei die erste Signalfrequenz (f₁) zuvor mit einer ersten Modulationsfrequenz (f_M1) moduliert wird, – Aussenden der ersten Trägerfrequenz (F₁) mittels eines ersten Senders (1), – Modulation einer zweiten Trägerfrequenz (F₂) mit einer zweiten Signalfrequenz (f₂), wobei die zweite Signalfrequenz (f₂) zuvor mit einer zweiten Modulationsfrequenz (f_M2) moduliert wird, – Aussenden der zweiten Trägerfrequenz (F₂) mittels eines zweiten Senders (2), wobei der zweite Sender (2) vom ersten Sender (1) beabstandet ist, und wobei sich die erste Signalfrequenz (f₁) von der zweiten Signalfrequenz (f₂) derart unterscheidet, dass eine Überlagerung der ersten Signalfrequenz (f₁) mit der zweiten Signalfrequenz (f₂) zu einer Schwebung führt, – Empfangen des Signals der ersten Trägerfrequenz (F₁) und des Signals der zweiten Trägerfrequenz (F₂) an einer jeweils in Relation zum Empfänger (4) bekannten Position, – Demodulation des Signals der ersten Trägerfrequenz (F₁) und des Signals der zweiten Trägerfrequenz (F₂), – Überlagern der demodulierten ersten Signalfrequenz (f₁) mit der demodulierten zweiten Signalfrequenz (f₂), – Bestimmen mindestens einer ersten Amplitude (A₁) einer durch die Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz (f_S) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁) an einer ersten Position (x₁) des Empfängers (4), – Bestimmen mindestens einer zweiten Amplitude (A₂) der durch die Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz (f_S) zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂) an einer zweiten Position (x₂) des Empfängers (4), und – Ermittlung der zweiten Position (x₂) des Empfängers (4) in Bezug zur ersten Position (x₁) des Empfängers (4) aus der mindestens einen ersten Amplitude (A₁) und der mindestens einen zweiten Amplitude (A₂) der Schwebungsfrequenz (f_S).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sender (1, 2) in einem räumlich konstanten Abstand zueinander angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sender (1, 2) ortfest angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position des Empfängers (4) fortlaufend erfolgt, wobei jeweils nach erfolgter Positionsbestimmung die ermittelte Position (x₂) des Empfängers (4) als neue, bekannte Position des Empfängers (4) zur Bestimmung der Position (x₃) des Empfängers (4) zu einem späteren Zeitpunkt (t₃) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Empfänger (4) entlang der Verbindungslinie zwischen dem ersten Sender (1) und dem zweiten Sender (2) bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Trägerfrequenz (F₁) mindestens 10 mal größer ist als die erste Signalfrequenz (f₁) und die zweite Trägerfrequenz (F₂) mindestens 10 mal größer ist als die zweite Signalfrequenz (f₂).
System zum Aussenden und Empfangen von Positionsdaten sowie zur Positionsbestimmung, aufweisend: – einen ersten Sender (1) zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung einer ersten Trägerfrequenz (F₁), – einen ersten Modulator, der ausgebildet ist, eine erste Signalfrequenz (f₁) mit einer ersten Modulationsfrequenz (f_M1) zu modulieren, – einen zweiten Modulator, der ausgebildet ist, eine erste Trägerfrequenz (F₁) mit der ersten vormodulierten Signalfrequenz (f₁) zu modulieren, – einen zweiten Sender (2) zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung einer zweiten Trägerfrequenz (F₂), wobei der zweite Sender (2) vom ersten Sender (1) beabstandet ist, – einen dritten Modulator, der ausgebildet ist, eine zweite Signalfrequenz (f₂) mit einer zweiten Modulationsfrequenz (f_M2) zu modulieren, – einen vierten Modulator, der ausgebildet ist, eine zweite Trägerfrequenz (F₂) mit der zweiten vormodulierten Signalfrequenz (f₂) zu modulieren, wobei sich die erste Signalfrequenz (f₁) von der zweiten Signalfrequenz (f₂) derart unterscheidet, dass eine Überlagerung der ersten Signalfrequenz (f₁) mit der zweiten Signalfrequenz (f₂) zu einer Schwebung führt, – Mittel zum Empfangen und Demodulieren der ersten Trägerfrequenz (F₁) und zum Empfangen und Demodulieren der zweiten Trägerfrequenz (F₂), – Mittel zum Überlagern der demodulierten ersten Signalfrequenz (f₁) mit der demodulierten zweiten Signalfrequenz (f₂), – Mittel zum Bestimmen mindestens einer ersten Amplitude (A₁) der durch Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz (f_S) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁) an einer ersten Position (x₁) des Empfängers (4), – Mittel zum Bestimmen mindestens einer zweiten Amplitude (A₂) der durch Signalüberlagerung ausgebildeten Schwebungsfrequenz (f_S) zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂) an einer zweiten Position (x₂) des Empfängers (4), und – Mittel zur Bestimmung der zweiten Position (x₂) des Empfängers (4) in Bezug zur ersten Position (x₁) aus der mindestens einen ersten Amplitude (A₁) und der mindestens einen zweiten Amplitude (A₂) der Schwebungsfrequenz (f_S).
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sender (1, 2) in einem räumlich konstanten Abstand zueinander angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sender (1, 2) ortfest angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Modulator, der zweite Modulator, der dritte Modulator und der vierte Modulator in einem Modulator (3) integriert sind.