DE10211730A1

DE10211730A1 - Funksystem zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE10211730A1
Application number: DE10211730A
Authority: DE
Inventors: Michael Gebhart; Andreas Rus; Bernhard Schimpl
Original assignee: Simi Reality Motion Systems GmbH
Current assignee: Simi Reality Motion Systems GmbH
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-10-09

Abstract

Es ist ein Funksystem zur Postitionsbestimmung angegeben, welches zumindest einen beweglichen Sender (14) und zumindest zwei ortsfeste Empfänger (1, 2) umfaßt, welche ein Koordinatensystem (x, y) festlegen. Die Empfänger (1, 2) werden zum Heruntermischen des HF-Sendesignals auf eine ZF-Lage von einem gemeinsamen und phasengleich zugeführten LO-Signal angesteuert. Durch Auswerten der Empfangssignale in einem Phasendetektor (13) und einem Rechner (36) ist in einfacher Weise eine präzise Positionsbestimmung und -verfolgung des Senders (14) oder mehrerer Sender innerhalb oder außerhalb geschlossener Räume möglich. Eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Prinzips durch mehrere Empfänger erlaubt eine dreidimensionale Positionsbestimmung des Senders (14) im Raum. Das Funksystem ist beispielsweise zur Warenflußkontrolle einsetzbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Funksystem zur Positionsbestimmung.
Normalerweise kann die globale Position, beispielsweise zum Zweck der Navigation, mit einer Satellitenortung mittels Radiowellen ermittelt werden. Ein bekanntes, derartiges System ist das Global Positioning System, GPS. Aufgrund von Dämpfungseffekten ist die Anwendung von GPS zur Positionsbestimmung in geschlossenen Räumen jedoch nicht zuverlässig möglich.
Mit geodätischen Meßinstrumenten, wie beispielsweise einem Tachymeter, ist eine optische Zielverfolgung möglich. Für dieses Meßverfahren ist jedoch eine permanente optische Sichtverbindung zwischen dem Zielobjekt und dem Erfassungsgerät erforderlich.
Eine weitere Möglichkeit zur optischen Positionsbestimmung ist aus der Bauindustrie bekannt. Dort wird mit Lasertechnik und rotierenden Sendern eine Positionsbestimmung auch mehrerer Zielobjekte gleichzeitig durchgeführt. Auch hierbei ist jedoch stets eine Sichtverbindung zu gewährleisten.
Auch die Ausnutzung physikalischer Effekte wie die mit zunehmendem Abstand von Sendern und Empfängern abnehmende Signalstärke, sowie die Nutzung von Ultraschall, können prinzipiell zur Positionsbestimmung herangezogen werden.
Daneben kann die Bestimmung der Position auch durch Phasenvergleichsmessung mittels Funksignalen durchgeführt werden. Dabei sind mehrere Sender gleicher Frequenz ortsfest angebracht. Ein mobiler Sender berechnet jeweils Phasendifferenzen von Senderpaaren, so daß nicht die absolute Distanz, sondern lediglich eine Streckendifferenz zwischen zwei Sendern und einem Empfänger ermittelt wird. Nachteilhaft ist dabei, daß in dem mobilen Empfänger eine aufwendige Signalverarbeitung durchgeführt werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Funksystem zur Positionsbestimmung anzugeben, welches die Position mehrerer, sich bewegender Objekte zu erfassen und zu verfolgen in der Lage ist und mit geringem Aufwand zur Anwendung innerhalb und außerhalb geschlossener Räume geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Funksystem zur Positionsbestimmung, aufweisend

- einen ersten Empfänger, der einen ersten Frequenzmischer aufweist, mit einer Antenne, die an einen ersten Eingang des ersten Frequenzmischers angekoppelt ist,
- einen zweiten Emfänger, der einen zweiten Frequenzmischer aufweist, mit einer Antenne, die an einen ersten Eingang des zweiten. Frequenzmischers angekoppelt ist, und der zusammen mit dem ersten Empfänger ein mehrdimensionales Bezugssystem aufspannt,
- einen beweglichen Sender, der eine Position in dem mehrdimensionalen Bezugssystem hat, und der ein Funksignal mit einer Sendefrequenz abgibt,
- einen Referenzgenerator zum Erzeugen eines Bezugssignals mit einer Lokaloszillator-Frequenz, mit einem Ausgang, der mit je einem zweiten Eingang der beiden Frequenzmischer der Empfänger zum Zuführen der Lokaloszillator-Frequenz gekoppelt ist, und
- eine Auswerte-Einheit, die einen Phasenvergleicher umfaßt, der mit je einem Ausgang des ersten und zweiten Frequenzmischers zur Übertragung je eines Zwischenfrequenzsignals verbunden ist zur Bestimmung der Position des Senders in dem mehrdimensionalen Bezugssystem.

Die Empfänger sind bevorzugt ortsfest ausgeführt.
Es entspricht dem vorliegenden Prinzip, daß die Frequenzmischer in den Empfängern die bezüglich Frequenz und insbesondere Phasenlage gleiche Lokaloszillator-Frequenz zum Heruntermischen eines Empfangssignals auf eine Zwischenfrequenz-Ebene verwenden.
Der Phasenvergleich der von den Empfängern bereitgestellten Zwischenfrequenz-Signale ermöglicht es in einfacher Weise, dem beweglichen Sender in einem begrenzten Raumbereich Positions-Koordinaten relativ zu dem von den Empfängern definierten Bezugssystem zuzuordnen.
Da der Sender lediglich einen Festfrequenz-Sender umfaßt, ist er mit Vorteil mit geringem Aufwand sowie klein und leicht aufbaubar. Somit kann der Sender problemlos Personen, Einkaufswägen etc. zu deren Positionsbestimmung und -verfolgung beziehungsweise zur Warenflußkontrolle angeheftet werden.
Gemäß bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung können zur weiteren Verbesserung der Exaktheit der Positionsbestimmung oder zur Bestimmung der Position in mehreren Dimensionen, beispielsweise der Höhe oder Lage, anstelle der zwei Empfänger auch beliebig viele weitere Empfänger vorgesehen sein. So ist eine Erweiterung des erfindungsgemäßen Prinzips durch mehrere Empfänger möglich, die eine dreidimensionale Positionsbestimmung des Senders im Raum erlaubt.
Dabei wird durch Phasenvergleich der Ausgangssignale von jeweils zwei Empfängern bevorzugt je eine Kurve, beispielsweise eine Hyperbel, bestimmt, auf der die Position des Senders liegt. Die Ermittlung der tatsächlichen, aktuellen Position des Senders kann dann mittels geeigneter Algorithmen erfolgen, mit denen die Schnittpunkte der Kurven ermittelt werden.
Das beschriebene Funksystem kann mit Vorteil zu einem System zur Positionsbestimmung und -verfolgung mehrerer, beweglicher Zielobjekte weitergebildet sein. Dabei sind mehrere, bewegliche Sender vorgesehen, denen in einer eindeutigen Zuordnung je eine charakteristische Sendefrequenz zugewiesen ist, anhand derer der jeweilige Sender identifiziert werden kann.
Die Sender geben bevorzugt je ein harmonisches Signal, beispielsweise ein sinusförmiges Signal, ab.
Damit die Empfänger an ihren Ausgängen jeweils ein Signal mit konstanter Zwischenfrequenz abgeben, entspricht es dem vorgestellten Prinzip, daß die von dem Referenzgenerator bereitgestellte Lokaloszillator-Frequenz in Abhängigkeit von der Sendefrequenz des jeweils zu erfassenden beweglichen Senders eingestellt wird.
Die einzelnen Sender können dabei bevorzugt in jeweils ihnen zugeordneten Zeitschlitzen periodisch nacheinander angesprochen und ihre Position ermittelt werden.
Die Berechnung der Position des Senders oder oder Positionen der Sender kann in einfacher Weise bevorzugt mit einem Computersystem erfolgen, welches, beispielsweise mittels einer I/O-Karte, die Analog/Digital-Wandler umfaßt, an die Ausgänge des oder der Phasenvergleicher angeschlossen ist.
Aufgrund des einfachen Aufbaus der Sender kann das beschriebene Prinzip unter anderem mit Vorteil zur Positionsbestimmung und Positionsverfolgung von Personen auf einem Spielfeld, die je einen Sender mit geringer Sendeleistung tragen, beispielsweise im Schuhwerk, verwendet werden. Somit können in einfacher Weise komplexe Spielzüge im Fußball, American Football etc. analysiert werden.
Auch zur Analyse von Personen-Strömen in Supermärkten kann das beschriebene Prinzip mit Vorteil angewandt werden. In diesem Fall können die Sender beispielsweise im Kunststoff- Griff der Einkaufswägen oder an anderer Stelle angebracht werden.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachtes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des vorliegenden Prinzips,
Fig. 2 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 mit mehreren mobilen Sendern und
Fig. 3 die den Empfängern von Fig. 2 nachgeschaltete Signalverarbeitung zur Positionsbestimmung anhand eines vereinfachten Schaubilds.
Fig. 1 zeigt ein Funksystem zur Positionsbestimmung. Dabei ist ein erster Empfänger 1 und ein zweiter Empfänger 2 vorgesehen. Erster und zweiter Empfänger 1, 2 umfassen jeweils eine Antenne 3, 4 mit geeigneter Richtcharakteristik, die an je einen ersten Eingang eines Abwärts-Frequenzmischers 5, 6 angeschlossen ist. Je ein zweiter Eingang der Abwärts- Frequenzmischer 5, 6 ist über einen Sternpunktverteiler 7 an einen gemeinsamen Referenzgenerator 8 angeschlossen. Um das vom Referenzgenerator bereitgestellte Lokaloszillator-Signal phasengleich den Frequenzmischern 5, 6 zuzuführen, ist zwischen dem Sternpunktverteiler 7 und den zweiten Eingängen der Frequenzmischer 5, 6 je ein gleich langer Lichtwellenleiter 9, 10 der Länge 11 angeordnet.
Die Ausgänge der Abwärts-Frequenzmischer 5, 6 sind, ebenfalls über je einen Lichtwellenleiter 11, 12, an je einen Eingang eines Phasendetektors 13 angekoppelt. Die ortsfesten Empfänger 5, 6 legen ein fixes Bezugssystem x, y fest. Ein bewegliches Objekt trägt einen Sender 14, der eine Antenne 15 mit Rundstrahl-Charakteristik und einen damit gekoppelten Festfrequenz-Sender 16 umfaßt. Weiterhin umfaßt der Sender 14 eine Stromversorgung und einen Quarzoszillator, mit dem eine quarzstabile Sendefrequenz bereitgestellt werden kann (nicht eingezeichnet).
Der Festfrequenz-Sender 16 arbeitet in einem ISM (Industrial, Scientific, Medical)-Frequenzband, welches vorzugsweise bei ca. 2,4 GHz liegt. Auf einen hochfrequenten Träger in diesem Frequenzbereich wird ein Nutzsignal mit einer Frequenz von ca. 5 MHz aufmoduliert, welches von dem Quarzoszillator bereitgestellt wird, um die Sendeschaltung klein und einfach aufgebaut zu halten. Aufgrund der relativ hohen Sendefrequenz kann eine kleine Antenne zur effektiven Abstrahlung bei großer Modülationsbandbreite eingesetzt werden. Das Sendesignal wird kontinuierlich und mit geringer Sendeleistung abgestrahlt.
Die Empfänger 1, 2 empfangen das abgestrahlte Sendesignal und mischen es unter Verwendung der phasengleichen Lokaloszillator-Frequenz auf eine Zwischenfrequenz von 455 kHz herunter. Neben der Antenne 3, 4 und dem Abwärts- Frequenzmischer 5, 6 umfassen die Empfänger hierfür schmalbandige Filter sowie eine Stromversorgung und sind in einem stabilen Gehäuse untergebracht.
An den Ausgängen der Empfänger 1, 2 ergibt sich jeweils ein Zwischenfrequenz-Signal, dessen Phasenlage unter anderem von dem Abstand des Senders vom jeweiligen Empfänger abhängt.
Aufgrund der faseroptischen Übertragungsstrecken 11, 12 von den Empfängern 1, 2 zu dem Phasenvergleicher 13 sind durch hochfrequente Störeinkopplungen bedingte Meßfehler praktisch ausgeschlossen. Auch unerwünschte, hochfrequente Störemissionen bedingt durch die Übertragung sind ausgeschlossen. Das Lokaloszillator-Signal wird zur optischen Übertragung bevorzugt auf ein optisches Signal aufmoduliert.
Das Signal mit der Zwischenfrequenz am Ausgang der Abwärts- Frequenzmischer 5, 6 wird zunächst mit schmalbandigen Filtern bandpassgefiltert, verstärkt und mittels eines Komparators in ein Rechteck-Signal umgewandelt. Dabei bleibt die Phaseninformation erhalten. Dieses Rechteck-Signal auf der Zwischenfrequenzebene ZF wird auf ein optisches Trägersignal aufmoduliert und über die optische Übertragungsstrecke 11, 12 zu dem Phasendetektor geleitet. Auch die Lichtwellenleiter 11, 12 sind optisch gleich lang, so daß relative Phasenunterschiede der ZF-Signale erhalten bleiben. Da Referenzgenerator 8 und Phasendetektor 13 örtlich benachbart angeordnet sind, können die optischen Übertragungsstrecken 9, 11 sowie 12, 13 zu je einem bidirektionalen Übertragungskanal zusammengefaßt und durch je eine Doppelader gebildet werden.
Der Phasendetektor 13 erhält von jedem Empfänger 1, 2 ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 455 kHz. Das Ergebnis des Phasenvergleichs entspricht dem Laufzeitunterschied, mit dem das vom Sender abgestrahlte Signal bei jeweils zwei Empfängern 1, 2 angekommen ist. Aus dieser Information können Rückschlüsse auf die Position x1, y1 des Senders gezogen werden.
Fig. 2 zeigt anhand eines weitergebildeten Funksystems gemäß Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Anwendungsfalles. Dieses entspricht in Aufbau und vorteilhafter Funktion weitgehend demjenigen von Fig. 1 und wird insoweit an dieser Stelle nicht noch einmal beschrieben. Es ist jedoch hier zusätzlich ein dritter Empfänger 17 vorgesehen, der in seinem Aufbau den Empfängern 1, 2 entspricht und ebenfalls eine Antenne 18 und einen Abwärts-Frequenzmischer 19 umfaßt, der über eine optische Übertragungsstrecke 20 der Länge 11 an den Sternpunktverteiler 7 angeschlossen ist. Der Ausgang des Frequenzmischers 17 ist ebenfalls über ein optisches Kabel 21 an den Phasendetektor 13 angekoppelt. Die drei Empfänger 1, 2, 17 bilden ein ortsfestes Koordinatensystem x, y, welches zu jedem Punkt eines Spielfeldes 22 die Zuordnung eindeutiger Koordinaten ermöglicht. Neben dem ersten Sender 14 sind beispielhaft zwei weitere Sender 23, 24 mit je einer Antenne 25, 26 vorgesehen, die beweglich sind.
Jeder der Sender 14, 23, 24 sendet ein Nutzsignal mit eigener, einzigartiger Frequenz f1, f2, f3 aus. Die Frequenzen unterscheiden sich dabei voneinander in einem Raster von vorzugsweise 5 kHz. Durch Auswertung der relativen Phasenlagen der Empfangssignale, jeweils paarweise, können durch geeignete Rechenverfahren die Positionen x1, y1; x2, y2, x3, y3 der Sender 14, 23, 24 innerhalb des Koordinatensystems x, y problemlos ermittelt werden. Hierzu wird von dem Referenzgenerator 8 jeweils eine Lokaloszillatorfrequenz erzeugt, die geeignet ist, die Sendefrequenz des gerade angesprochenen Senders auf die feste Zwischenfrequenz im Empfänger herunterzumischen. Somit können die Sender 14, 23, 24 periodisch nacheinander in ihnen zugeordneten Zeitschlitzen abgefragt werden.
Fig. 3 zeigt beispielhaft die Aufbereitung und Auswertung der von den Empfängern 1, 2, 17 bereitgestellten Ausgangssignale. Diese werden zunächst bandpaßgefiltert, um unerwünschte, von anderen als dem gerade angesprochenen Sender erzeugte Frequenzanteile zu unterdrücken. Hierfür sind an die Ausgänge der Empfänger 1, 2, 17 Bandpaßfilter 27, 28, 29 angeschlossen. Diesen nachgeschaltet sind zur Konversion der harmonischen Signale in Rechtecksignale Komparatoren 30, 31, 32. Die Übertragung der aufbereiteten Signale über einen optischen Träger ist hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Zur Verknüpfung von je zwei aufbereiteten Ausgangssignalen paarweise miteinander in einem Phasenvergleich sind Phasenvergleicher 33, 34, 35 vorgesehen. Deren Ausgänge sind zur Verknüpfung und Aufbereitung der Vergleichsergebnisse miteinander mit einem Rechnersystem 36 gekoppelt, welches die aktuellen Koordinaten x1, y1; x2, y2; x3, y3 der Sender abgibt.
Die Phasenvergleicher 33, 34, 35 stellen jeweils eine vom Phasenvergleich abhängige, analoge Gleichspannung bereit. Diese entsprechen dem Laufzeitunterschied, mit dem das vom jeweiligen Sender abgestrahlte HF-Signal bei jeweils zwei Empfängern angekommen ist. Der Rechner 36 liest die drei Gleichspannungen U1, U2, U3 periodisch ein und ordnet sie jeweils zwei Empfängern zu. Aus jeder der Phasenvergleichsspannungen U1, U2, U3 läßt sich eine Hyperbel berechnen, auf der sich der Sender befinden sollte. Werden alle gemessenen und berechneten Hyperbeln miteinander geschnitten, so ergibt sich im Idealfall ein Schnittpunkt, auf dem sich der Sender befindet und der die gesuchte Position desselben repräsentiert.
Anstelle des erläuterten, zeitlich nacheinander erfolgenden Durchstimmens der gemeinsamen Lokaloszillator-Frequenz des Generators 8 auf die jeweils angesprochene Sendefrequenz können in alternativen Ausführungen auch mehrere Mischer, Mischfrequenzen und Phasenvergleiche sowie die Berechung zeitlich parallel ausgeführt werden.

Claims

1. Funksystem zur Positionsbestimmung, umfassend
einen ersten Empfänger (1), der einen ersten Frequenzmischer (5) aufweist, mit einer Antenne (3), die an einen ersten Eingang des ersten Frequenzmischers (5) angekoppelt ist,
einen zweiten Emfänger (2), der einen zweiten Frequenzmischer (6) aufweist, mit einer Antenne (4), die an einen ersten Eingang des zweiten Frequenzmischers (6) angekoppelt ist, und der zusammen mit dem ersten Empfänger (1) ein mehrdimensionales Bezugssystem (x, y) aufspannt,
einen beweglichen Sender (14), der eine Position (x1, y1) in dem mehrdimensionalen Bezugssystem (x, y) hat, und der ein Funksignal mit einer Sendefrequenz (f1) abgibt,
einen Referenzgenerator (8) zum Erzeugen eines Bezugssignals mit einer Lokaloszillator-Frequenz, mit einem Ausgang, der mit je einem zweiten Eingang der beiden Frequenzmischer (5, 6) der Empfänger (1, 2) zum Zuführen der Lokaloszillator-Frequenz gekoppelt ist, und eine Auswerte-Einheit (13, 36), die einen Phasenvergleicher (13) umfaßt, der mit je einem Ausgang des ersten und zweiten Frequenzmischers (5, 6) zur Übertragung je eines Zwischenfrequenzsignals verbunden ist zur Bestimmung der Position (x1, y1) des Senders (14) in dem mehrdimensionalen Bezugssystem (x, y).

2. Funksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Empfänger (17) vorgesehen ist, der einen dritten Frequenzmischer (19) aufweist, mit einer Antenne (18), die an einen ersten Eingang des dritten Frequenzmischers (19) angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang des Frequenzmischers (19), der an den Referenzgenerator (8) angekoppelt ist zum Zuführen des Bezugssignals mit der Lokaloszillator-Frequenz und mit einem Ausgang des Frequenzmischers (19), der mit dem Phasenvergleicher (13) gekoppelt ist.

3. Funksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte-Einheit eine Recheneinheit (36) umfaßt, mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des Phasenvergleichers (13) zur Übermittlung von Phasenvergleichswerten gekoppelt ist, ausgebildet zur Ermittlung der Position (x1, y1) des beweglichen Senders durch Auswerten eines oder mehrerer Phasenvergleiche.

4. Funksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (13) eine erste Vergleichseinheit (33) umfaßt, die mit dem ersten und dem zweiten Frequenzmischer (5, 6) gekoppelt ist, eine zweite Vergleichseinheit (34) umfaßt, die mit dem ersten und dem dritten Frequenzmischer (5, 19) gekoppelt ist und eine dritte Vergleichseinheit (35) umfaßt, die mit dem zweiten und dem dritten Frequenzmischer (6, 19) gekoppelt ist.

5. Funksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung des Referenzgenerators (8) mit den zweiten Eingängen der Frequenzmischer (5, 6) je ein Datenübertragungskanal (9, 10) vorgesehen ist, wobei die Datenübertragungskanäle (9, 10) derart ausgebildet sind, daß das Bezugssignal an den zweiten Eingängen der Frequenzmischer (5, 6) phasengleich eintrifft.

6. Funksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Sender (14) als erster beweglicher Sender vorgesehen ist, dem eine erste charakteristische Sendefrequenz (f1) zugeordnet ist, und daß ein zweiter beweglicher Sender (23) vorgesehen ist, dem eine zweite charakteristische Sendefrequenz (f2) zugeordnet ist, wobei der Referenzgenerator (8) ausgebildet ist zum Erzeugen je einer den charakteristischen Sendefrequenzen (f1, f2) zugeordneten Lokaloszillator-Frequenz.

7. Funksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgänge der Frequenzmischer (5, 6) und die Eingänge der mit den Ausgängen gekoppelten Phasenvergleicher (13) je ein Bandpaßfilter (27) mit nachgeschaltetem Schwellwert-Komparator (30) geschaltet ist.