DE2419542C3

DE2419542C3 - Verfahren und Einrichtung zum Lokalisieren eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE2419542C3
Application number: DE2419542A
Authority: DE
Inventors: William Victor Lauderhill Fla. Braun; Edward Frank Schaumburg Ill. Handy
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1973-04-23
Filing date: 1974-04-23
Publication date: 1978-09-21
Also published as: JPS5610592B2; US3886554A; CA1021045A; JPS5014289A; DE2419542A1; GB1446369A; DE2419542B2

Description

Die Erfindung betrifft eil· Verfahren zum Lokalisieren eines mit einem Sender ausgestatteten Fahrzeugs mittels an geographisch getrennten Orten aufgestellten Empfängern nach dem Prinzip der Phasenlaufzeitmessung.

Die Erfindung betrifft weiterhein eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der Zeitschrift »Funkschau« 45 (1971), Heft 24, Seite 2532 bekannt Bei dieser bekannten Methode sendet jedes Fahrzeug regelmäßig einen Meßton über einen ständig eingeschalteten Sender aus. Vier über das Stadtgebiet verteilte Empfangsanlagen nehmen diesen Meßton auf. Die Signale treffen bei den Empfängern wegen der unterschiedlichen Entfernung zwischen dem Wagen und den vier Empfangsantennen mit geringen Zeitunterschieden ein. Ein Prozeßrechner ermittelt aus den wenigen Mikrosekundendifferenz recht genau den

ίο jeweiligen Wagenstandort

Diese bekannte Methode ist somit mit einem verhältnismäßig großen gerätetechnischen Aufwand verbunden, da zur Auswertung der Signale ein Rechner erforderlich ist.

Weiterhin ist aus der US-PS 36 80 121 ein Verfahren zur Positionsbestimmung bekannt bei welchem jedem an einem Empfangsort vorhandenen Empfänger mehrere Empfangsantennen zugeordnet sind, um damit an jeder der Antennen unterschiedliche Mehrfachsignale feststellen zu können und somit jeweils für alle Empfangsorte verbesserte Mittelwerte errechnen zu können. Dies ist praktisch nur möglich, wenn der Abstand der an einem Empfangsort vorhandenen Empfänger noch hinreichend groß ist, um zu vermeiden, daß alle Empfänger die gleichen reflektierten Signale empfangen. Der Abstand der Empfänger von einem Empfangsort darf andererseits auch nicht zu groß werden, weil dann keine ausreichende Sicherheit für eine gleichmäßige Genauigkeit der Positionsbestimmung gewährleistet wäre.

Weiterhin ist aus der DE-AS 11 13 253 ein Verfahren zur Ermittlung eines Radargerätes bekannt, bei welchem ein gleichmäßig rotierender Lichtstrahl verwendet wird. Bei diesem bekannten Verfahren werden die in verschiedenen Meßstationen aufgenommenen elektromagnetischen Impulse in Wechselströme mit der Frequenz der Folge der Radarimpulse umgeformt, und es wird durch einen Vergleich der empfangenen Impulsfolgefrequenzen ermittelt, ob alle Meßstationen das gleiche Radargerät empfangen. Bei diesem bekannten Verfahren wird davon ausgegangen, daß die Sendung stets mit einem bestimmten rotierenden Richtstrahl erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches mit besonders geringem gerätetechnischem Aufwand unter Ausschaltung von Mehrfachreflexionen die Bestimmung des Ortes eines Senders mit einer besonders hohen Genauigkeit gewährleistet. Weiterhin coil gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geschaffen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das Signal des Senders über entsprechende Antennen des Fahrzeugs aufeinanderfolgend mit vorbestimmten unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken ausgesendet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß aufgrund

bo der unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken mehrere Ortsbestimmungen durchgeführt werden und die Position des Fahrzeugs aus deren Mittelwert gewonnen wird.

Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, daß das vom

μ Sender gesendete Signal mit einer Tonfrequenz moduliert wird und de Laufzeitinformation aus dem demodulierten Tonfrequenzsignal gewonnen wird.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens besonders gut geeignete Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß dem Sender des Fahrzeugs durch ihren gegenseitigen Abstand und in Abhängigkeit der jeweiligen Anschaltung und der Phasenlage zu sendender Signale die jeweilige Strahlungscharakteristik bestimmende Antennen zugeordnet u:id mehrere diese mit unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken gesendete Signale aufnehmende Empfärger vorgesehen sind und daß weiterhin dem Sender Mittel zugeordnet sind, welche die Zuführung einer bestimmten Folge von Signalen zu den Antennen sicherstellen, um eine entsprechende Folge von unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken zu erzeugen.

Bevorzugte Ausführungsformen und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus Unteransprüchen.

Durch die Verwendung eines Antennensystems mit veränderlichen Antennendiagrammen beim Abstrahlen des vom Fahrzeug ausgesendeten Signals besteht die Möglichkeit, an allen Empfangsorten das mit einer bestimmten Antennencharakteristik jeweils abgestrahlte Signal zu empfangen und daraus eine Ortsbestimmung abzuleiten. Damit ist es möglich, entsprechend der Zahl der einschaltbaren Antennendiagramme Ortsbestimmungen vorzunehmen, die voneinander weitgehend unabhängig sind und durch Mittelwertbildung zu einem sehr genauen Wert für den Ort des Fahrzeuges führen. Das Verfahren ermöglicht die Verwendung einer größeren Anzahl von unterschiedlichen Antennendiagrammen, um die Genauigkeit der Ortsbestimmung zu verbessern. Die Ortsbestimmung kann innerhalb von mehreren Millisekunden automatisch ausgeführt werden.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der gerätetechnische Aufwand zu seiner Durchführung außerordentlich gering ist.

Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und entsprechende Einrichtungen zu seiner Durchführung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen dieser zeigt

F i g. 1 schematisch ein Fahrzeug-Lokalisierungssystem mit einem Fahrzeug mit mehreren verteilt angeordneten Positionsempfängern sowie mit Gegenständen, die Mehrfach-Reflexionen auslösen,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer Antennenanordnung auf dem Dach eines Fahrzeuges,

Fig.3 vier verschiedene Antennencharakteristiken bei einer Antennenanordnung gemäß F i g. 3,

F i g. 4 ein Blockdiagramm eines Senders im Fahrzeug mit Schalteinrichtungen zur Erzeugung von vier verschiedenen Antennencharakteristiken,

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform einer Antennenanordnung auf dem Dach eines Fahrzeuges und

Fig.6 eine graphische Darstellung des Lokalisierungsfehlers, der sich aus jeder Antennencharakteristik gemäß F i g. 3 als Funktion der Fahrzeugposition ergibt.

Gemäß Fig. 1 ist ein Fahrzeug 10 mit einem Sender ausgerüstet, der Signale an eine Anzahl von Positionsempfängern auf Empfangstürmen 12, 14 und 16 aussendet. Die von dem Fahrzeug 10 ausgesendeten Signale können aus gepulsten Trägersignalen oder AM- bzw. FM-modulierten Trägersignalen bestehen. Es wird davon ausgegangen, daß das Fahrzeug 10 ein Trägersignal aussendet, welches 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 Phasenvergleichsstufe zugeführt, um die Position des Fahrzeugs 10 zu errechnen. In einem städtischen Bereich werden die vom Fahrzeug 10 ausgesendeten Signale an Gebäuden 18 und 20 reflektiert, bevor sie 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

ίο Empfangsturm 14 gelten, an dem das Signal vom Fahrzeug 10 direkt und nach einer Reflexion am Gebäude 18 empfangen wird Da die reflektierten Signale eine größere Ausbreitungsstrecke als die direkt empfangenen Signale durchlaufen, ergibt sich an dem jeweiligen Empfangsturm eine Phasenverzögerung für das reflektierte Signal, welche von der Phasonverzögerung des direkt empfangenen Signals verschieden ist und dadurch Ungenauigkeiten für die berechnete Position des Fahrzeugs 10 hervorruft

Es wurde festgestellt, daß die Genauigkeit des Fahrzeug-Lokalisierungssystems gemäß Fig. 1 wesentlich verbessert werden könnte, wenn am Fahrzeug 10 eine Richtantenne verwendet würde, welche direkt auf die Empfangstürme ausgerichtet wäre. Es ist jedoch äußerst unpraktisch, eine Richtantenne zu verwenden, die immer auf die Empfangstürme ausgerichtet sein müßte. Daher sieht die Erfindung ein Antennensystem mit einer veränderlichen Antennencharakteristik vor, womit es möglich wird, die durch Reflexion ausgelösten Fehler auszumitteln.

In der Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer solchen Antenne dargestellt, mit der mehrere Antennencharakteristiken zur Minimalisierung des Lokalisierungsfehlers erzeugt werden können. Dazu finden zwei Antennenelemente Verwendung, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus λ/4-Peitschenantennen 1 und 2 bestehen, die auf dem Dach 22 des Fahrzeugs montiert sind. Der Abstand der beiden Peitschenantennen 1 und 2 beträgt λ/2. Durch selektive Erregung von einer oder beiden Antennen mit Hochfrequenzsignalen unterschiedlicher Phasenlage kann eine Vielzahl von Antennencharakteristiken erzeugt werden. In der 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 allein 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 Form einer liegenden Acht aufweist. Die charakteristische Form einer 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 der F i g. 3 dargestellten einfachen Antennendiagramme dienen lediglich der Erleichterung des Verständnisses und es ist vorgesehen, daß andere komplexere Antennendiagram-

bo me Verwendung finden, indem die beiden Antennen mit entsprechend phasenverschiedenen Signalen angesteuert werden. Es ist auch möglich, drei Peitschenantennen gemäß Fig. 5 zu verwenden, die in einem gleichseitigen Dreieck im A/2-Abstand voneinander

hi angeordnet sind. Die einzelnen Peitschenantennen können nacheinander paarweise erregt werden, wobei jedes Antennenpaar die Antennendiagramme gemäß Fig. 3 erzeugt. Mit dieser Anordnung ist es möglich,

insgesamt 12 verschiedene Antennencharakteristiken zu erzeugen, wobei jedes Antennenpaar die vier Antennendiagramme gemäß Fig. 3 erzeugt, welche gegen die Antennendiagramme des nächsten Antennenpaares um 120° verdreht sind.

In der F i g. 4 ist schematisch eine Schaltung dargestellt, mit der die Antennendiagramme gemäß F i g. 3 erzeugt werden können. Ein Sender 24 im Fahrzeug 10 ist über einen Umschalter 26 und zwei Koppler 28 sowie 30 an die Peitschenantennen 1 und 2 angeschlossen, wobei zwischen der Peitschenantenne 2 und dem Koppler 30 ein 180°-Phasenschieber 32 angeordnet ist. Eine Steuerschaltung 34 ist mit dem Sender 24 und dem Umschalter 26 verbunden und dient dazu, den Sender für eine bestimmte Zeit einzuschalten, wenn die Position des Fahrzeuges 50 bestimmt werden soll. Gleichzeitig bewirkt die Steuerschaltung 34, daß der Umschalter 26 nacheinander die vier Antennenpositionen währendderTastungdesSenders24einschaltet.Die Koppler 28 und 30 können 3-db-Koppler sein. Als 180°-Phasenschieber 32 kann z. B. eine Transmissionsleitung oder ein Transformator verwendet werden.

Wenn die Position des Fahrzeugs 10 bestimmt werden soll, wird ein Steuersiganl 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 oder 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 F i g. 3. Die Peitschenantenne 1 wird für eine bestimmte Zeit 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, durch 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 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^c phasenverschobenen Signal erregt werden. Entsprechend entstehen die Antennendiagramme c und d gemäß F i g. 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 bis zur nächsten Positionsbestimmung abgeschaltet. Es wird ein Mittelwert der vier errechneten Positionen gebildet und zur Darstellung gebracht, um die Position des Fahrzeugs anzuzeigen.

Die in der Fig.4 schematisch dargestellte Schaltung dient /ur Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Im

ίο praktischen Einsatz wird eine größere Anzahl von Antennendiagrammen abgestrahlt, um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern. Wenn da& 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 vorzugsweise für 3 Millisekunden eingeschaltet, so daß der Sender 24 lediglich für 30 Millisekunden eingeschaltet sein muß. Aus diesen zehn verschiedenen Antennencharakteristiken werden zehn Positionen errechnet.

In der Fig.6 sind die Lokalisierungsfehler aufgrund einer Reflexion auf der Ausbreitungsstrecke des gesendeten Signals dargestellt, 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, und die Linien a, b, c und d stellen die gemessene Entfernung zwischen dem Bezugspunkt und dem Fahrzeug bei der Einschaltung des entsprechenden Antennendiagramms a, b. cund t/dar. Die Positionsveränderung eines Fahrzeuges wird durch eine Änderung des Abszissenwertes gemäß F i g. 6 gekennzeichnet. Die errechnete Entfernung aufgrund der verschiedenen Antennendiagramme ergibt Entfernungswerte, die oberhalb und unterhalb der horizontalen Linie R liegen; d. h. für jedes Antennendiagramm ergeben sich im wesentlichen positive oder negative Fehler für die Entfernung des Fahrzeugs von einem bestimmten Bezugspunkt. Da zwischen den einzelnen Antennendiagrammen und den für das jeweilige Diagramm sich ergebenden Fehlern nur eine sehr geringe Abhängigkeit besteht, kann durch eine Mittelwertbildung unter Berücksichtigung der Meßergebnisse aufgrund der vier Antennendiagramme ein mittlerer Entfernungswert errechnet werden, der innerhalb enger Grenzen beiderseits der Linie R liegt und die tatsächliche Entfernung verhältnismäßig gut angibt. Je größer die Anzahl der Antennendiagramme ist, um so mehr nähert sich der errechnete mittlere Entfernungswert der Linie R, wobei sich durch Versuche zeigte, daß die Verwendung von zehn verschiedenen Antennendiagrammen für eine sehr hohe Genauigkeit ausreicht

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Lokalisieren eines mit einem Sender ausgestatteten Fahrzeugs mittels an geographisch getrennten Orten aufgestellten Empfängern nach dem Prinzip der Phasenlaufzeitmessung, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Senders (24) über entsprechende Antennen (1,2) des Fahrzeugs (10) aufeinanderfolgend mit vorbestimmten unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken (a, b, c d) ausgesendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken (a, b, c d) mehrere Ortsbestimmungen durchgeführt werden und die Position des Fahrzeugs aus deren Mittelwert gewonnen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Sender (24) gesendete Signal mit einer Tonfrequenz moduliert wird und die Laufzeitinformation aus dem demodulierten Tonfrequenzsignal gewonnen wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sender (24) des Fahrzeugs (10) durch ihren gegenseitigen Abstand und in Abhängigkeit der jeweiligen Anschaltung und der Phasenlage zu sendender Signale die jeweilige Strahlungscharakteristik bestimmende Antennen (1, 2) zugeordnet und mehrere diese mit unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken gesendete Signale aufnehmende Empfänger (12, 14, 16) vorgesehen sind und daß weiterhin dem Sender Mittel (26,28,30, 32,34) zugeordnet sind, welche die Zuführung einer bestimmten Folge von Signalen zu den Antennen sicherstellen, um eine entsprechende Folge von unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken zu erzeugen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sender (24) eine eine Umschalteeinrichtung (26) betätigende Steuerschaltung (34) zugeordnet ist, welche jeweils nacheinander für bestimmte Zeitintervalle verschiedene Strahlungscharakteristiken (a, b, c, d) einschaltet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Antennen vorgesehen sind, von denen die eine ein Signal mit einer bestimmten Phasenlage und die andere dieses Signal entweder nicht oder mit der gleichen oder mit einer anderen, vorzugsweise entgegengesetzten Phasenlage sendet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasendrehnetzwerk (32) mit der Umschalteeinrichtung (26) gekoppelt ist, um die Phase des den Antennenelementen zugeführten Signals zu verändern.