DE3840347A1

DE3840347A1 - Method for measuring the total distance between a transmitting location, a reference location and a receiving location

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Publication number: DE3840347A1
Application number: DE19883840347
Authority: DE
Inventors: Friedrich Prof Dr Landstorfer; Wolfgang Dipl Ing Mahler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-11-30
Filing date: 1988-11-30
Publication date: 1990-05-31

Abstract

The method enables highly accurate non-touching distance measurement between the transmitting location, a reference location and the receiving location. In this case, the frequency of the modulated carrier-frequency signal transmitted by the transmitter is converted in a transponder at the reference location, so that said signal can easily be differentiated from random echoes at the receiving location. The distance measurement is carried out by comparing a reference signal derived from the transmitter with the demodulated received signal. The method in this case uses an extremely simple transponder which manages entirely without any electrical power being supplied from the outside. In the simplest case, the transponder consists of a semiconductor diode and a transmitting and receiving antenna.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Summen entfernung zwischen einem Sende- einem Bezugs- und einem Empfangsort nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for measuring the sums distance between a send, a reference and a Destination according to the preamble of claim 1.

Das Verfahren soll es ermöglichen, die oben genannte Summen entfernung mit hoher Genauigkeit berührungslos, d. h. ohne die Voraussetzung einer materiellen Verbindung zwischen Bezugsort (B) einerseits und dem Sende- (S) bzw. Empfangsort (E) ande rerseits, zu ermitteln.The method is intended to enable the above-mentioned total distance to be determined with high accuracy without contact, ie without the requirement of a physical connection between the reference point (B) on the one hand and the sending (S) or receiving point (E) on the other hand.

Es ist bekannt zur Erfüllung dieser Erfordernisse die Lauf zeit elektromagnetischer Wellen, worunter auch Lichtwellen verstanden werden sollen, zu verwenden (E. Kramar: Funksy steme für Ortung und Navigation, Verlag Berliner Union, Stuttgart, 1973, S. 147). Es ist ferner bekannt, für den ge nannten Zweck eine höherfrequente Trägerschwingung (TU) mit einem Referenzsignal (R) zu modulieren, diese Schwingung drahtlos zu einem Transponder (TR) am Bezugsort (B) zu über tragen, im Transponder (TR) das modulierte trägerfrequente Signal (T) gegebenenfalls zu verstärken, in der Frequenzlage umzusetzen und drahtlos zum Empfänger am Empfangsort (E) zu übertragen, wo durch Demodulation der modulierten Träger schwingung ein Meßsignal (M) abgeleitet wird, dessen zeit licher Verlauf im Vergleich mit dem Referenzsignal (R) ein Maß für die zu bestimmende Summenentfernung darstellt (E. Kramar: Funksysteme für Ortung und Navigation, Verlag Berli ner Union, Stuttgart, 1973, S. 149).To meet these requirements, it is known to use the time of electromagnetic waves, which should also be understood as light waves (E. Kramar: Funksy systems for location and navigation, Verlag Berliner Union, Stuttgart, 1973, p. 147). It is also known to modulate a higher-frequency carrier oscillation (TU) with a reference signal (R) for the purpose mentioned, to transmit this oscillation wirelessly to a transponder (TR) at the reference location (B) , in the transponder (TR) the modulated to amplify the carrier frequency signal (T) if necessary, to implement it in the frequency position and to transmit it wirelessly to the receiver at the receiving location ( E) , where a demodulation of the modulated carrier oscillation derives a measurement signal (M) , the temporal course of which compared to the reference signal ( R) represents a measure of the total distance to be determined (E. Kramar: radio systems for location and navigation, Verlag Berliner Union, Stuttgart, 1973, p. 149).

Die bekannten Verfahren weisen allerdings den Nachteil eines verhältnismäßig aufwendigen Transponders (TR) auf, der in der Regel aus einem EmpfängerteiI, in dem das modulierte träger frequente Signal (T) verstärkt wird, einem Frequenzumsetzer und einem Senderteil, in dem das frequenzmäßig umgesetzte trägerfrequente Signal weiter verstärkt wird, besteht. In Sonderfällen kann zwar auf die empfangsseitige und sendersei tige Verstärkung verzichtet werden, es verbleibt aber die Frequenzumsetzung, bei der das modulierte Trägersignal (M) durch Mischung mit einer im Transponder in einem lokalen Überlagerungsoszillator erzeugten oder dem Transponder von außen zugeführten hochfrequenten Hilfsschwingung in eine andere Frequenzlage umgesetzt wird. Zur Erfüllung dieser Aufgabe muß dem Transponder elektrische Energie zugeführt werden, was entweder durch eine Versorgung von außen oder durch eingebaute Batterien oder Akkumulatoren bewerkstelligt werden kann. Beide Arten der Energieversorgung sind sehr störend, wenn man an einen mobilen Einsatz der Transponder (TR) an wechselnden Bezugsorten (B) denkt. Auch die Umsetzung von Sonnenenergie in elektrische Energie ist an vielen Stand orten nicht praktikabel und mit größerem Aufwand verbunden.However, the known methods have the disadvantage of a relatively complex transponder (TR) , which generally consists of a receiver part in which the modulated carrier-frequency signal (T) is amplified, a frequency converter and a transmitter part in which the carrier-frequency signal converted in frequency is further strengthened. In special cases, the reception and transmitter-side amplification can be dispensed with, but there remains the frequency conversion at which the modulated carrier signal (M) is mixed into a different local oscillator generated in the transponder or the transponder is supplied to the transponder from the outside into another Frequency situation is implemented. To accomplish this task, electrical energy must be supplied to the transponder, which can be accomplished either by an external supply or by built-in batteries or accumulators. Both types of energy supply are very annoying if you think of a mobile use of the transponders (TR) at changing reference points (B) . The conversion of solar energy into electrical energy is also impractical at many locations and involves a great deal of effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für den Transponder (TR) so klein wie möglich zu halten, d. h. neben Empfangs- und Senderverstärkern auch bei der Frequenzumset zung auf einen lokalen Überlagerungsoszillator oder eine von außen zugeführte hochfrequente Hilfsschwingung zu verzichten und den Bedarf des Transponders (TR) an elektrischer Energie zu minimieren bzw. gänzlich ohne die Zufuhr von elektrischer Energie von außen bzw. durch eingebaute energiespeichernde Elemente wie Batterien oder Akkumulatoren auszukommen.The invention has for its object to keep the effort for the transponder (TR) as low as possible, that is, in addition to receiving and transmitter amplifiers also in the frequency conversion to dispense with a local local oscillator or an externally supplied high-frequency auxiliary oscillation and the need of Minimize transponders (TR) in electrical energy or manage entirely without the supply of electrical energy from the outside or by built-in energy-storing elements such as batteries or accumulators.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent nehmen.This task is accomplished in a generic method the characterizing features of claim 1 solved. Further Developments of the invention are to be found in the subclaims to take.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß im Transponder (TR) nur die Differenzfrequenz zwischen zwei Einzelschwingungen, die im modulierten Trägersignal (T) ent halten sind, gebildet werden muß, was im einfachsten Fall nur eine Halbleiterdiode mit einer zur Mischung der beiden Si gnale geeigneten Kennlinie erfordert und die lokale Erzeugung oder externe Zuführung einer Hilfsfrequenz sowie die Einspei sung elektrischer Energie zum Betrieb des Transponders (TR) entfallen können.The advantages achieved by the invention are that in the transponder (TR) only the difference frequency between two individual vibrations that are contained in the modulated carrier signal (T) ent must be formed, which in the simplest case only a semiconductor diode with one to mix the two Si gnale suitable characteristic requires and the local generation or external supply of an auxiliary frequency and the supply of electrical energy to operate the transponder (TR) can be omitted.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen in mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawings in explained several embodiments. It shows

Fig. 1 die Anordnung und Art der für das Verfahren notwen digen Apparaturen, Fig. 1 shows the arrangement and type of notwen for the process ended apparatuses,

Fig. 2 die Frequenzlage (Spektrum) der verfahrensgemäßen Si gnale, Fig. 2, the frequency position (range) of the process according Si gnale,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Transponder gemäß Unteran spruch 8. Fig. 3 shows a transponder according to the invention Unteran demanding. 8

In Fig. 1 ist das Prinzip des Verfahrens dargestellt. Die Referenzschwingung (R) moduliert im Modulator (MOD) ein hö herfrequentes Trägersignal (TU) so, daß ein moduliertes Trä gersignal (T) entsteht, das mit der Sendeantenne (SAS) des Senders, am Sendeort (S), drahtlos, z. B. als elektromagne tische, optische oder auch akustische Welle abgestrahlt wird und mit der Empfangsantenne (EAT) des Transponders empfangen werden kann. Im Transponder (TR) wird durch Mischung zweier Frequenzen des modulierten Trägersignals (T) erfindungsgemäß eine Schwingung erzeugt, die frequenzmäßig mit dem Referenz signal übereinstimmt oder in einem festen Verhältnis dazu steht und über die Sendeantenne (SAT) des Transponders (TR) wiederum in Form von Wellen der o. gen. Art abgestrahlt und von der Empfangsantenne (EAE) am Empfangsort (E) empfangen wird. Durch Verarbeitung im Empfänger (EMPF) entsteht ein Meßsignal (M), das frequenzmäßig mit dem Referenzsignal (R) übereinstimmt und aus dessen zeitlichem Verlauf im Vergleich mit dem Referenzsignal (R) die Summenentfernung zwischen Sendeort (S), Bezugsort (B) und Empfangsort (E) abgeleitet werden kann. Zu diesem Zweck wird das Meßsignal (M) zu sammen mit dem Referenzsignal (R) einem Vergleicher (V) zuge führt. Im einfachsten Fall besteht der Vergleicher (V) aus einem Phasenmesser. Sind Sende-(S) und Empfangsort voneinan der getrennt, muß das Referenzsignal (R) über eine Signal übertragungstrecke (O) zum Empfangsort (E) übetragen werden. Diese Übertragung kann z. B. mit einem Kabel, einer optischen Faserstrecke oder einer vergleichbaren Anordnung erfolgen, wenn vorausgesetzt ist, daß die zeitliche Verschiebung, die das Referenzsignal (R) bei dieser Übertragung erfährt, für jeden Meßvorgang genau bekannt ist. Unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls auftretenden zeitlichen Verschiebung des Referenzsignals (R) durch die Übertragungsstrecke (Ü) sowie der Laufzeiten der Signale im Modulator (MOD) bis zur Sende antenne (SAS) des Senders, im Transponder (TR) zwischen des sen Empfangs- (EAT) und Sendeantenne (SAT) und zwischen der Empfangsantenne (EAE) des Empfängers und dem Meßsignaleingang des Vergleichers (V), wird mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren die Gesamtlaufzeit der Wellen zwischem dem Sendeort (S), dem Bezugsort (B) und dem Empfangsort (E) gemessen und hie raus bei bekannter Wellenausbreitungsgeschwindigkeit die Summenentfernung berechnet. Der Sendeort (S) ist das Phasen zentrum der Sendeantenne (SAS) des Senders, der Empfangsort (E) ist das Phasenzentrum der Empfangsantenne (EAE) des Em pfängers. Wenn beim Transponder (TR) die Phasenzentren der Empfangs- (EAT) und der Sendeantenne (SAT) nicht zusam menfallen, gilt die ermittelte Entfernung für die Strecken Sendeort (S) zum Bezugsort 1 (B 1) und Bezugsort 2 (B 2) zum Empfangsort (E). Die Bezugsorte 1 (B 1) bzw. 2 (B 2) sind die Phasenzentren der Empfangs- (EAT) bzw. der Sendeantenne (SAT) des Transponders (TR).The principle of the method is shown in FIG . The reference oscillation (R) modulates in the modulator (MOD) a higher-frequency carrier signal (TU) so that a modulated carrier signal (T) arises, which with the transmitting antenna (SAS) of the transmitter, at the transmitting location (S) , wirelessly, for. B. is emitted as electromagnetic tables, optical or acoustic wave and can be received with the receiving antenna (EAT) of the transponder. In the transponder (TR) by mixing two frequencies, the modulated carrier signal (T) according to the invention is generated an oscillation, whose frequency signal coincides with the reference or is in a fixed ratio to and via the transmission antenna (SAT) of the transponder (TR) again in the form is emitted by waves of the abovementioned type and is received by the receiving antenna (EAE) at the receiving location (E) . Processing in the receiver (EMPF) results in a measurement signal (M) which corresponds in frequency to the reference signal (R) and from its temporal course in comparison with the reference signal (R) the sum distance between the sending location (S) , reference location (B) and receiving location (E) can be derived. For this purpose, the measurement signal (M) together with the reference signal (R) leads a comparator (V) . In the simplest case, the comparator (V) consists of a phase meter. If the sending (S) and receiving location are separated from one another, the reference signal (R) must be transferred to the receiving location (E) via a signal transmission path (O) . This transfer can e.g. B. with a cable, an optical fiber link or a comparable arrangement if it is assumed that the time shift that the reference signal (R) experiences during this transmission is known exactly for each measurement process. Taking into account a possible time shift of the reference signal (R) through the transmission path (Ü) and the transit times of the signals in the modulator (MOD) to the transmitter antenna (SAS) of the transmitter, in the transponder (TR) between its receive (EAT ) and transmitting antenna (SAT) and between the receiving antenna (EAE) of the receiver and the measurement signal input of the comparator (V) , with the method according to the invention, the total transit time of the waves between the sending location (S) , the reference location (B) and the receiving location ( E) measured and the sum distance calculated with known wave propagation speed. The transmitting location (S) is the phase center of the transmitting antenna (SAS) of the transmitter, the receiving location ( E) is the phase center of the receiving antenna (EAE) of the receiver. If the phase centers of the receiving (EAT) and transmitting antennas (SAT) do not coincide with the transponder (TR) , the determined distance applies to the routes from sending location (S) to reference location 1 (B 1 ) and reference location 2 (B 2 ) Place of receipt (E) . The reference locations 1 (B 1 ) and 2 (B 2 ) are the phase centers of the receiving (EAT) and the transmitting antenna (SAT) of the transponder (TR) .

Fig. 2 zeigt das Spektrum der auftretenden Frequenzen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Unteranspruch 2. Das unmodulierte Trägersignal mit der Frequenz fu wird vom Re ferenzsignal (R) mit der Frequenz fR moduliert. Bei Verwenden einer Einseitenbandmodulation besteht das modulierte Träger signal (T) z. B. aus zwei sinusförmigen Schwingungen der Fre quenz fu und fu + fr oder fu-fR. Durch Mischung dieser beiden Schwingungen entsteht im Transponder eine Differenzfrequenz fM = fR, die drahtlos zum Empfänger übertragen wird und nach Aufbereitung im Empfänger (z. B. Verstärkung, Amplituden begrenzung) am Eingang des Vergleichers (V) als Meßsignal (M) zur Verfügung steht. Es kann u. a. auch eine Amplitudenmodu lation mit unterdrücktem Träger verwendet werden. Im modu lierten Trägersignal (T) treten dann zwei Schwingungen mit den Frequenzen fu +/-fR auf, deren Mischung u. a. eine Differenzfrequenz ergibt, die der doppelten frequenz des Referenzsignals (R) entspricht. Im Empfänger (EMPF) muß diese Frequenz dann z. B. durch Frequenzteilung halbiert werden, so daß das dem Vergleicher (V) zugeführte Meßsignal (M) gleiche Frequenz aufweist wie das Referenzsignal (R) . Fig. 2 shows the spectrum of the frequencies occurring in a method according to the invention according to claim 2. The unmodulated carrier signal with the frequency fu is modulated by the reference signal (R) with the frequency fR . When using a single sideband modulation, the modulated carrier signal (T) z. B. from two sinusoidal oscillations of the frequency fre fu and fu + fr or fu-fR . Mixing these two vibrations creates a difference frequency fM = fR in the transponder, which is transmitted wirelessly to the receiver and is available as a measurement signal (M) at the input of the comparator (V) after processing in the receiver (e.g. amplification, amplitude limitation) . Amplitude modulation with suppressed carrier can also be used. In the modulated carrier signal (T) then two vibrations occur with the frequencies fu +/- fR , the mixing of which results in a difference frequency that corresponds to twice the frequency of the reference signal (R) . In the receiver (EMPF) this frequency must then e.g. B. be halved by frequency division, so that the comparator (V) supplied measurement signal (M) has the same frequency as the reference signal (R) .

Fig. 3 zeigt in einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung schematisch die Integration der Empfangsantenne (EAT) des Transponders (TR) mit dessen Sendeantenne (SAT) gemäß dem Unteranspruch 8. In vielen Fällen ist es besonders vorteilhaft, die Empfangsantenne (EAT) des Transponders als Richtantenne auszubilden, da auf diese Weise alle nicht di rekt, sondern auf Umwegen - z. B. aufgrund von Reflexionen - auf die Antenne treffenden Wellen stark gegenüber der direk ten Welle abgeschwächt werden. In Fig. 3 ist die Empfangsan tenne (EAT) als Reflektorantenne mit dem Reflektor (REF) und dem Empfangsdipol (DI) ausgebildet. Einfallende Wellen werden vom Reflektor (REF) im Brennpunkt oder längs einer Brennlinie konzentriert und vom Empfangsdipol (DI) empfangen und der Halbleiterdiode (HD) zugeführt. Das entstehende Signal mit der Differenzfrequenz fR wird über frequenzselektive Mittel (FI 1, FI 2, FI 3) dem Reflektor (REF) in geeigneter Weise zu geführt, so daß letzterer als Sendeantenne (SAT) für die Differenzfrequenz fR wirkt. Dabei ist es häufig vorteilhaft, die Form des Reflektors (REF) so zu wählen, daß er unter Berücksichtigung der Beschaltung mit frequenzselektiven Mit teln (FI 1, FI 2, FI 3) ebenfalls als Richtantenne auf der Dif ferenzfrequenz fR wirkt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Transponder (TR) kann dies z. B. dadurch geschehen, daß die an der Halbleiterdiode (HD) entstehende Differenzfrequenz fR über den Empfangsdipol (DI) und Band- oder Tiefpässe (FI 1, FI 2) dem aus zwei Hälften bestehenden Reflektor (REF) zu geführt wird, während die beiden Reflektorhälften bei der Differenzfrequenz fR durch eine Bandsperre oder einen Hochpaß (FI 3) elektrisch getrennt werden, so daß aus den beiden Ref lektorhälften eine Art von V-Antenne für die Differenzfre quenz fR gebildet wird. Fig. 3 in a particularly favorable embodiment of the invention, the dependent claim 8. In many cases it is particularly advantageous for the receiving antenna (EAT) schematically shows the integration of the receiving antenna (EAT) of the transponder (TR) with its transmitting antenna (SAT) according to the transponder to train as a directional antenna, because in this way not everyone directly, but in a roundabout way - e.g. B. due to reflections - waves incident on the antenna are strongly weakened compared to the direct th wave. In Fig. 3, the receiving antenna (EAT) is designed as a reflector antenna with the reflector (REF) and the receiving dipole (DI) . Incident waves are concentrated by the reflector (REF) at the focal point or along a focal line and received by the receiving dipole (DI) and fed to the semiconductor diode (HD) . The resulting signal with the differential frequency fR is passed to the reflector (REF) in a suitable manner via frequency-selective means (FI 1 , FI 2 , FI 3 ), so that the latter acts as a transmitting antenna (SAT) for the differential frequency fR . It is often advantageous to choose the shape of the reflector (REF) so that it also acts as a directional antenna on the dif ferential frequency fR, taking into account the circuitry with frequency-selective means (FI 1 , FI 2 , FI 3 ). In the transponder (TR) shown in FIG . B. happen that the resulting at the semiconductor diode (HD) differential frequency fR via the receiving dipole (DI) and band or low-pass filters (FI 1 , FI 2 ) to the reflector (REF) consisting of two halves, while the two Reflector halves at the differential frequency fR are electrically separated by a bandstop or a high-pass filter (FI 3 ), so that a type of V antenna for the differential frequency fR is formed from the two reflector halves .

Claims

1. A method for measuring the sum distance between a transmitting location (S) , a reference location ( B) and a receiving location ( E) , in which a reference signal (R ) modulates a higher-frequency carrier signal (TU) and this modulated carrier signal (T) from the transmitting location (S) transmitted wirelessly to a reference location (B) and processed there in a transponder (TR) in such a way that another frequency-shifted signal is produced, which in turn is transmitted wirelessly to the receiving location (E) and there a measurement signal in the receiver (M) delivers, the frequency of which corresponds to the reference signal (R) and whose temporal course in comparison with the reference signal (R) represents a measure of the total distance between the sending location (S) , reference location (B) and receiving location (E) , thereby characterized in that the reference signal (R) modulates the higher-frequency carrier signal so that the modulated carrier signal (T) consists of at least two oscillations with sinusoidal time dependence, the frequencies of which differ differ by an amount that is either equal to the frequency of the reference signal (R) or in a fixed relationship with this, and this carrier signal (T) at the reference point in the transponder (TR) is influenced by a non-linear process so that At least two of the frequencies contained in the carrier signal (T) are so mixed that a sinusoidal oscillation with a frequency that is equal to or has a fixed relationship with the frequency of the reference signal (R) arises and this is transmitted wirelessly by the transponder (TR ) at the reference point (B) to the receiving point (E) transmitted vibration at the receiving point (B) represents the measurement signal (M) or from it the measurement signal (M) can be derived.

2. The method according to claim 1, characterized in that the modulated carrier signal (T) consists exclusively of two sine vibrations.

3. The method according to claim 2, characterized in that the two sine waves in the modulated carrier signal (T) are changed in frequency during the measurement, but their frequency spacing remains constant.

4. The method according to claim 1, characterized in that the transponder (TR) consists of at least one receiving antenna, a non-linear electronic component and a transmitting antenna.

5. The method according to claim 4, characterized in that as non-linear electronic component a semiconductor diode is used.

6. The method according to claim 4 and 5, characterized in that the electronic component or the semiconductor diode operated without bias and supply of electrical energy will.

7. The method according to claim 4, characterized in that directional antennas are provided for the receiving antenna and the transmitting antenna of the transponder (TR) .

8. The method according to claim 4, characterized in that is provided for the transmitting antenna and the receiving antenna to share certain parts of the antenna construction and the electrical connection between receive and transmit antenna happens by frequency selective means.