DE2419542A1

DE2419542A1 - Verfahren zum lokalisieren eines fahrzeuges und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2419542A1
Application number: DE2419542A
Authority: DE
Inventors: William Victor Braun; Edward Frank Handy
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1973-04-23
Filing date: 1974-04-23
Publication date: 1974-11-07
Also published as: JPS5610592B2; US3886554A; DE2419542C3; JPS5014289A; CA1021045A; DE2419542B2; GB1446369A

Description

F-AVt-NTANWALfE DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

Dipl. -Ing. Ernst Rathmann 2419542

Münch.n τι, den 23. April 1974 ' Melchloretr. 42

Unier Zeichen: MOl 36P-1143

Motorola, Inc.

9401 West Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

USA

Verfahren zum Lokalisieren eines Fahrzeugs und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines mit einem Sender ausgerüsteten Fahrzeugs.

Es sind bereits Fahrzeug-Lokalisierüngssysteme bekannt, die unter Ausnutzung einer Phasenmessung den Ort eines Fahrzeuges feststellen. Bei derartigen Systemen ist im Fahrzeug ein Sender angeordnet, der über eine Rundantenne Signale abstrahlt, die an verschiedenen geographischen Orten empfangen werden. Mit diesem System ist es möglich, den Ort des Fahrzeugs zu bestimmen, jedoch haften der Ortsbestimmung wesentliche Fehler aufgrund von Reflexionen und dem sich daraus ergebenden Mehrfachempfang in einem der geographischen Orte an. Diese Reflexionen können

Fs/mü an Ge-

409845/0061

MO136P-1143

an Gebäudenj Flugzeugen oder auch anderen Fahrzeugen entstehen und -bewirken, daß die ermittelte Entfernung des Fahrzeugs von dem Empfangsort entweder zu groß oder zu klein ist.. Es ist bekannt, dieser Schwierigkeit durch die Verwendung.von Mehrfachantennen an den Empfangsorten zu begegnen, um aus den empfangenen Signalen Mittelwerte' abzuleiten. Die Verbesserung, die sich dadurch erreichen läßt, ist proportional der Abstände der empfangenden Antennen, .womit für die Verbesserung der Genauigkeit praktisch Grenzen gesetzt sind, die nicht zu überwinden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren urid eine Ein-

richtung zum Lokalisieren eines Fahrzeugs zu schaffen, bei dem der Ort des Fahrzeuges mit wesentlich höherer Genauigkeit als bei den bisher bekannten Systemen feststellbar ist. Das zu schaffende Syspem soll die

Möglichkeit bieten, die Genauigkeit der Ortsbestimmung beliebig verbessern zu können. · .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vom Sender gesendete Signale mit bestimmten nacheinander sich ändernden Antennendiagrammen abgestrahlt werden, daß die Signale an zumindest zwei verschiedenen geographischen Orten empfangen werden, und daß die empfangenen Signale zur Bestimmung des Ortes des Fahrzeuges miteinander verglichen werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei im Fahrzeug ein Sender zum Aussenden von HF-Signalen Verwendung firidet, die an einer Vielzahl von geographischen Orten empfangen werden, besteht erfindungsgemäß darin, daß das Fahrzeug mit einer Vielzahl von Antennenelementen versehen ist, und daß Umschalteinrichtungen vorhanden sind, um selektiv den verschiedenen Antennenelementen in einer bestimmten vorgegebenen Folge die Hochfrequenzsignale zuzuführen.

- 2 - Weitere

A09845/0861

MO136P-1143

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen. · · _:

Durch die Verwendung eines Antennensystems mit veränderlichen Antennendiagrammen beim Abstrahlen des vom Fahrzeug ausgesendeten Signales besteht die Möglichkeit, an allen Empfangs orten das mit einer bestimmten Antennencharakteristik jeweils abgestrahlte Signal zu empfangen und daraus eine Ortsbestimmung abzuleiten. Damit ist es möglich, entsprechend der Vielzahl der einschaltbaren Antennendiagramme eine Vielzahl von Ortsbestimmungen vorzunehmen, die voneinander weitgehendst unabhängig sind und durch Korrelation zu einem sehr genauen Wert für den Ort des Fahrzeuges führen. Zur Korrelation kann der Mittelwert der. einzelnen Ortsbestimmungen gebildet werden. Das Verfahren ermöglicht die Verwendung einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Antennendiagrammen, womit es möglich ist, die Genauigkeit der Ortsbestimmung beliebig zu verbessern. Die Ortsbestimmung kann innerhalb von mehreren Millisekunden automatisch ausgeführt werden.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Fahrzeug-Lokalisierungs-

system mit einem Fahrzeug mehrerer verteilt angeordneter Positionsempfänger sowie Gegenstände, die durch Reflexion Meßfehler bzw. Mehrdeutigkeiten auslösen können;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung auf

dem Dach eines Fahrzeuges;

Fig. 3 vier verschiedene Antennencharakteristiken bei einer Antennen-

- 3 - anordnung

409845/0861

MO136P-1143

anordnung gemäß Fig. 3;

Fig. 4 ein Blockdiagramm des Senders im Fahrzeug mit Schalteinrichtungen, um die vier verschiedenen Antennencharakteristiken erzeugen zu können;

.Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Antennenanordnung auf

dem Dach eines Fahrzeuges; ι

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Lokalisierungsfehlers, wie er

sich für jede Antennencharakteristik gemäß Fig. 3 als Funktion der Fahrzeugposition ergibt. ·

Gemäß Fig. 1 ist ein Fahrzeug 10 mit' einem Sender ausgerüstet, der Signale an eine Vielzahl von Positionsempfängern auf Empfangstürmen 12, 14 und 16 aussendet. Die von dem Fahrzeug 10 ausgesendeten Signale können unterschiedlicher Art sein und aus gepulsten Trägersignalen oder AM- bzw. FM-modulierten Trägerschwingungen bestehen. Für die vorliegende Beschreibung wird davon ausgegangen, daß das Fahrzeug 10 eine Trägerschwingung aussendet, die z. B. mit 3 kHz moduliert ist. Dieses Signal vom Fahrzeug 10 wird von allen Positionsempfängern auf den Empfangstürmen 12, 14 und 16 empfangen und demoduliert. Die demodulierte Tonfrequenz wird einer nicht dargestellten Phasenvergleichs stufe zugeführt, in der die Phasen der drei Tonfrequenzsignale miteinander verglichen werden, um aus der Phasendifferenz die Position des Fahrzeugs zu errechnen. Hierfür genügen eigentlich die an zwei verschiedenen Empfangstürmen abgeleiteten Signale, jedoch wird durch die Einbeziehung eines weiteren Empfangsturmes bzw. von weiteren Empfangstürmen ein wesentlich höherer Genauigkeitsgrad erzielt. Bei einem typischen in einem städtischen Bereich eingesetzten System werden die vom Fahrzeug 10 ausgesendeten Signale z. B. an Gebäuden 18 und 20 reflektiert, bevor sie

- 4 - an den

409845/0861

MO136P-1143

an den Empfangstürmen empfangen werden. Beispielsweise sei angenommen, daß das am Gebäude 20 reflektierte Signal am Empfangsturm 12 zusammen mit dem direkt empfangenen Signal empfangen wird. Das gleiche soll für den Empfangsturm 14 gelten, an dem das Signal vom Fahrzeug 10 direkt und nach einer Reflexion am Gebäude 1'8 empfangen wird. Da die reflektierten Signale eine größere Au'sbreitunlgsstrecke als die direkt empfangenen Signale durchlaufen, ergibt sich an dem jeweiligen Empfangsturm eine Phasenverzögerung für das reflektiert^ Signal, welche

ir

von der Phasenverzögerung des direkt empfangenen Signals verschieden ist und dadurch Ungenauigkeiten für die berechnete Position des Fahrzeugs 10. ·

Es wurde festgestellt, daß die Genauigkeit des Fahrzeug-Lokalisierungssystems gemäß Fig. 1 wesentlich verbessert werden kann, wenn am Fahrzeug 10 eine Richtantenne verwendet wird, deren gebündelte Strahlen direkt auf die Empfangstürme ausgerichtet sind. Die Verwendung derartiger Richtantennen ermöglicht eine wesentlich höhere Genauigkeit aufgrund der verringerten Fehler durch reflektierte Signale. Es ist jedoch äußerst unpraktisch, eine stark ausgerichtete Antenne zu verwenden, die immer auf die "Empfangstürme hin ausgerichtet sein muß. Daher sieht die Erfindung ein Antennensystem, mit einer veränderlichen Antennencharakteristik vor, womit es möglich wird, die durch Reflexion ausgelösten Fehler auszumitteln.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer solchen Antenne dargestellt, mit der mehrere Antennencharakteristiken zur Minimalisierung des Lokalisierungsfehlers erzeugt werden können. Dazu finden gemäß Fig. 2 zwei Antennenelemente Verwendung, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus X ./4 -Peitschenantennen 1 und 2 bestehen, die auf dem

Dach 22 des Fahrzeugs montiert sind. Der Abstand der beiden Peitschenantennen 1 und. 2 beträgt bei demdargestellten Ausführungsbeispiel eine

- 5 - · halbe

409845/0861

MO136P-1143

halbe Wellenlänge. Durch selektive Erregung von einer oder beiden Antennen mit Hochfrequenzsignalen unterschiedlicher Phasenlage zueinander kann eine Vielzahl von Antennencharakteristiken erzeugt werden. In Fig. 3 sind Antennencharakteristiken dargestellt, wie sie von dem Antennenaufbau gemäß Fig. 2 erzeugt werden können. Das Antennendiagramm a gemäß Fig. 3 erhält man, wenn die Peitschenantenne 1 erregt ist. Das Antennendiagramm b entsteht, wenn die Peitschenantenne 2 allein erregt wird. Bei einer Erregung beider Peitschenantennen 1 und 2 mit Signalen, die um 180 gegeneinander phasenverschoben sind, erhält man das Antennendiagramm c , das die charakteristische Form einer waagrecht liegenden Acht aufweist. Die charakteristische Form einer senkrecht stehenden Acht entsprechend dem Antennendiagramm d gemäß Fig. 3 erhält man, wenn die beiden Peitschenantennen 1 und 2 mit gleichphasigen Signalen angesteuert werden. Die in Fig. 3 dargestellten einfachen Antennendiagramme dienen lediglich der Erleichterung, und es ist vorgesehen, daß andere komplexere Antennendiagramme Verwendung finden, indem die beiden Antennen mit entsprechend abweisenden phasenverschiedenen Signalen angesteuert werden. Es ist auch möglich, anstelle von zwei Peitschenantennen drei Peitschenantennen gemäß Fig. 5 zu verwenden, die in einem gleichseitigen Dreieck im λ/2-Abstand voneinander angeordnet sind. Die einzelnen Peitschenantennen können nacheinander paarweise erregt werden, wobei jedes Antennenpaar die An-

tennendiagramme gemäß Fig. 3 erzeugt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, insgesamt 12 verschiedene Antennencharakteristiken zli erzeugen, wobei jedes Antennenpaar die vier Antennendiagramme gemäß Fig. 3 er-

f!

zeugt, welche gegen die Antennendiagramme des nächsten Antennenpaares um 120 verdreht sind.

In Fig. 4 ist schematisch eine Schaltung dargestellt, mit der die Antennendiagramme gemäß Fig. 3 erzeugt werden können. Ein Sender 24 im Fahrzeug 10 ist über einen Umschalter 26 und zwei Kopplern 28 sowie 30 an die Peitschenantennen 1 und 2 angeschlossen, wobei zwischen der Peitschenantenne 2 und dem Koppler 30 ein 180 -Phasendrehnetzwerk 32 angeordnet

- 6 - ist.

409845/0881

MO136P-1143

ist. Eine Steuerschaltung 34 ist mit dem Sender 24 und dem Umschalter verbunden und dient dazu, den Sender für eine bestimmte Zeitdauer einzuschalten, wenn immer die Position des Fahrzeuges 10 bestimmt werden soll. Gleichzeitig bewirkt die Steuerschaltung 34, daß der Umschalter 26 nacheinander die vier Antennenpositionen während der Tastung des Senders 24 einschaltet. Der in Fig. 4 dargestellte Umschalter 26 ist der Einfachheit halber als Drehschalter dargestellt, obwohl jegliche andere elektronische oder mechanische Schaltvorrichtung verwendet werden kann, mit der die gewünschten Schaltfunktionen ausführbar sind. Die Koppler 28 und 30 können standardisierte 3db-Koppler sein. Für das 180 -Phasendrehnetzwerk 32 kann jedes beliebige aktive oder passive Phasendrehnetzwerk Verwendung finden, z.B. in Form einer- Transmissionsleitung oder eines Transformators.

ί Im Betrieb wird jedesmal, wenn die Position des Fahrzeugs! 10 bestimmt werden soll, ein Steuersignal von der Steuerschaltung 34 dem Sender 24 zugeführt, um den Sender zu tasten und HF-Signale an den Umschalter 26

zu übertragen. Die Tastung des Senders 24 kann manuell vom Fahrer des Fahrzeugs ausgeführt werden, jedoch kann dies, wie es häufiger der Fall sein wird, auch automatisch über ein HF-Signal erfolgen, das von den Empfangstürmen aus zum Fahrzeug übertragen wird. Beim Beginn der Tastung des Senders wird der Schaltarm des Umschalters 26 auf den obersten Schaltkontakt eingestellt, um die Peitschenantenne 1 zu erregen. Damit erhält man das Antennendiagramm a gemäß Fig. 3. Die Peitschenantenne 1 wirdiür eine bestimmte Zeitdauer erregt, während welcher die ausgesendeten Signale von den drei Empfangstürmen 12, 14 und 16 empfangen werden. Aufgrund dieser empfangenen Signale wird eine erste Berechnung der Position des Fahrzeugs 10 vorgenommen. Anschließend wird der Schaltarm automatisch auf die nächste Schaltposition gebracht, womit die Peitschenantenne 2 erregt wird und das Antennendiagramm b gemäß Fig. 3 entsteht. Aufgrund der an den Empfangstürmen empfangenen Signale wird eine zweite Berechnung der Position des Fahrzeugs vorgenommen. Entsprechendes gilt

- 7 - für

409845/0861

,MO136P-1143

für die dritte und vierte Schaltposition des Umschalters 26, ,wobei im einen Fall die Peitschenantennen 1 und 2 mit einem gleichphasigen Signal und im anderen Fall mit einem um 180 phasenverschobenen Signal erregt werden. Entsprechend entstehen die Antennendiagramme c und d gemäß Fig. 3. Aus den an den Empfangstürmen empfangenen Signalen wird erneut die Position des. Fahrzeugs errechnet. Nachdem der Umschalter 26 alle vier Positionen durchlaufen hat, wird der Sender 24 von der Steuerschaltung 34 so lange abgeschaltet, bis eine nächste Positionsbestimmung gewünscht wird. Zur selben Zeit wird ein Mittelwert der vier errechneten Positionen gebildet und dieser Mittelwert zur Darstellung gebracht, um die Position des Fahrzeugs anzuzeigen.

Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Schaltung dient lediglich der Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Im praktischen Einsatz wird eine größere Anzahl von Antennendiagrammen erzeugt und abgestrahlt, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern. Wenn in einem praktischen Einsatz das Antennensystem gemäß Fig. 5 Verwendung findet, erhält man zehn verschiedene Antennencharakteristiken durch die . amplituden und phasenveränderliche Erregung der drei Antennen. Jede der zehn Antennencharakteristiken wird für vorzugsweise 3 Millisekunden eingeschaltet, so daß der Sender 24 lediglich für 30 Millisekunden eingeschaltet sein muß. Aus diesen zehn verschiedenen Antennencharakteristiken werden zehn Positionen entsprechend errechnet.

In Fig. 6 sind in graphischer Darstellung die Lokalisierungsfehler aufgrund einer Reflexion auf der Ausbreitungsstrecke des gesendeten Signals gezeigt, die sich experimentell bei den Antennendiagrammen gemäß Fig. 3 ergeben. Die horizontale Linie R kennzeichnet den tatsächlichen Abstand zwischen dem Fahrzeug und einem beliebigen Bezugspunkt, wogegen die Linien a, b, c und d die gemessene Entfernung zwischen dem Bezugspunkt und dem Fahrzeug bei der Einschaltung des entsprechenden Antennendiagramms a, b, c und d

- 8 - ' angeben.

409845/0861

MO136P-1143

angeben. Die Positionsveränderung eines fahrenden Fahrzeuges wird durch eine Änderung des Abszissenwertes gemäß Fig. 6 gekennzeichnet. Die errechnete Entfernung aufgrund der verschiedenen Antennendiagramme zeigt Entfernungswerte an, die oberhalb und unterhalb der horizontalen Linie R liegen; d. h. für jedes Antennendiagramm ergeben sich im wesentliehen positive oder negative Fehler für die Berechnung der Entfernung des Fahrzeugs, bezogen auf einen bestimmten Bezugspunkt. Es besteht jedoch zwischen den einzelnen Antennendiagrammen und den für das jeweilige Diagramm sich ergebenden Fehlern nur eine sehr geringe Korrelation, so daß das eine Antennendiagramm z. B. mehr zu einem positiven Fehler und das andere zu einem negativen Fehler tendiert. Daraus !ergibt sich, daß durch eine Mittelwertbildung unter Berücksichtigung der Meßergebnis'se aufgrund der vier Antennendiagramme ein mittlerer Entferriungswert errechnet werden kann, der innerhalb verhältnismäßig enger Grenzen beiderseits der Linie R liegt und die tatsächliche Entfernung verliältnismäßig gut angibt. Je größer die Anzahl der Antennendiagramme die Verwendung findet, umso mehr nähert sich der errechnete mittlere Entfernungswert der Linie R, wobei sich durch experimentelle Versuche zeigte, daß die Verwendung von zehn verschiedenen Antennendiagrammen ausreicht, um bereits eine sehr hohe Genauigkeit für die ermittelte Fahrzeugposition zu erhalten.

- 9 - Patentans prüche

409845/0861

Claims

MO136P-1143 Patentansprüche

1.) Verfahren zum Lokalisieren eines mit einem Sender ausgerüsteten Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender gesendete Signale mit bestimmten nacheinander sich ändernden Antennendiagrammen abgestrahlt werden, daß die Signale an zumindest zwei verschiedenen geographischen Orten empfangen werden, und daß die empfangenen Signale zur Bestimmung des Ortes des Fahrzeuges miteinander verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein erstes entsprechend einer ersten Antennencharakteristik abgestrahltes Signal von an den verschiedenen geographischen Orten angeordneten Positionsempfängern empfangen wird, und daß ein zweites entsprechend einer zweiten Antennencharakteristik abgestrahltes Signal von den an den geographischen Orten aufgestellten Positionsempfängern empfangen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils aus dem ersten und dem zweiten Signal die Position des Fahrzeuges errechnet wird, und daß zur Bestimmung des Ortes des Fahrzeuges die aus dem ersten und zweiten Signal errechneten Positionen miteinander korreliert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch· gekennzeichnet, daß

das vom Sender gesendete Signal mit einer Tonfrequenz moduliert

409845/0861

MO136P-1143

wird, daß die Tonfrequenz an den verschiedenen geographischen Orten in den Positionsempfängern ermittelt wird, und daß zur Bestimmung des Ortes des Fahrzeugs die Phasen der an den verschiedenen geographischen Orten abgeleiteten Tonfriquenzsignale. miteinander verglichen werden. " j

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Bestimmung des Ortes des Fahrzeuges die ermittelten Positionswerte an den verschiedenen geographischen Orten gemittelt werden.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Fahrzeug mit einem Sender zum Aussenden von HF-Signalen versehen ist und eine Vielzahl von Positionsempfärigern an verschiedenen geographischen Positionen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug mit einer Vielzahl von Antennenelementen (12) versehen ist, und daß Umschalteinrichtungen vorhanden sind, um selektiv den verschiedenen Antennenelementen in einer bestimmten vorgegebenen Folge die Hochfrequenzsignale zuzuführen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit demSender (24) eine Steuerschaltung (34) verbunden ist, um die Umschalteinrichtung (26) selektiv derart zu betätigen, daß der Sender jeweils für ein bestimmtes Zeitintervall an die Antennenelemente angeschlossen ist, um diesen die Hochfrequenzsignale in einer bestimmten der Antennenschaltung zugeordneten Weise zuzuführen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasendrehnetzwerk (32) mit dem Umschalter (26) gekoppelt ist, um die Phase der den Antennenelementen zugeführten HF-Signale zu verändern.

«09845/0861