DE4314216A1 - Anordnung zum Lokalisieren eines Objektes - Google Patents
Anordnung zum Lokalisieren eines ObjektesInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum
Lokalisieren eines sich in einem vorgegebenen Gebiet
befindenden Objektes, welche eine Empfangsvorrichtung
aufweist, die ein von dem Objekt ausgehendes Signal empfängt
und daraus die Ortskoordinaten des Objektes bezüglich eines
vorgegebenen Koordinatensystems ermittelt.
Zur Ortung von Objekten wird in der Regel eine Technik, welche
vom Radar her bekannt ist, angewendet. Dabei wird ein kurzer
Hochfrequenzimpuls ausgesendet und die an dem zu ortenden
Objekt reflektierte Welle von einer Antenne empfangen. Es gibt
mehrere bekannte Verfahren, nach denen aus dem Empfangssignal
Ortsinformationen über das Objekt abgeleitet werden können.
Dazu gehören z. B. das Canical-Scan und das Monopuls Verfahren.
Beide Verfahren sind von W. Holpp: "Radar- und Radiometer-
Sensoren im Millimeterwellen-Bereich" in nts Archiv, Bd. 11
(1989), H. 4, S. 165-174 beschrieben. Beide Verfahren
bestimmen einen Richtungswinkel zwischen der Antennenachse und
der Zielrichtung auf das Objekt. Die Entfernung des Objektes
von der Antenne läßt sich aus der Signallaufzeit ermitteln.
Ein weiteres Ortungsverfahren geht aus der Veröffentlichung
"Error Analysis of Combined Optical-Flow and Stereo Passive
Ranging" von Yair Barniv in IEEE Transactions on Aerospace and
Electronic Systems, Vol. 28, No. 4, Oct. 1992, S. 978-989
hervor. Es handelt sich hierbei um die sogenannte Stereo
Methode. Um die Ortskoordinaten des zu ortenden Objektes in
einer Ebene schätzen zu können, benötigt man zwei
Empfangseinheiten, von denen jede den Richtungswinkel zum
angepeilten Objekt bestimmt. Aus den beiden Richtungswinkeln
können die Ortskoordinaten bestimmt werden.
In Flugkörpern hat man nur eine Empfangseinheit, wobei man
nach Zurücklegen einer definierten Strecke mit Hilfe dieser
einen Empfangseinheit unterschiedliche Einstrahlwinkel schätzt
und daraus die Ortskoordinaten anderer Objekte, die sich
relativ zum Flugkörper langsam bewegen, schätzt.
Mit den genannten Verfahren ist die Schätzung der
Ortskoordinaten eines zu lokalisierenden Objektes nur mit
relativ großem Aufwand möglich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, die mit möglichst
geringem Aufwand die Ortskoordinaten eines zu lokalisierenden
Objektes schätzt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Anordnung nach der
Erfindung kann beispielsweise verwendet werden, um Fahrzeuge
auf einem Straßenabschnitt zu orten, damit z. B. eine
Gebührenabbuchung vorgenommen werden kann.
Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil,
daß keine Relativbewegung einer oder mehrerer
Empfangseinheiten, wie bei der Stereo Methode, erforderlich
sind. Außerdem müssen nicht Sender und Empfänger miteinander
gekoppelt sein, damit die Entfernung des Objektes aus der
Laufzeitdifferenz von Sende- und Empfangssignal ableitbar ist.
Nachfolgend wird anhand eines Ausführungsbeispiels die
Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.
In der Zeichnung ist ein Koordinatensystem dargestellt, in dem
die Koordinaten eines zu lokalisierenden Objektes und von
Empfangselementen eingezeichnet sind.
Das im folgenden beschriebene Verfahren dient dazu, den Ort
eines Objektes, welches sich innerhalb eines vorgegebenen
Gebietes befindet, wobei das Objekt sich innerhalb des
Gebietes frei bewegen kann, zu ermitteln, hierin wird von
einer Sendeantenne ein kurzer Signalimpuls in Richtung des
vermuteten Objektes abgestrahlt. Ist kein Objekt vorhanden,
wird eine andere Richtung zur Absendung des Impulses gewählt.
Durch Änderung der Richtung kann damit ein Gebiet systematisch
abgesucht werden. Die Richtcharakteristik der Sendeantenne ist
so auszulegen, daß maximal ein Objekt diesen Sendeimpuls
reflektieren kann. Effekte, hervorgerufen durch
Mehrfachreflexionen, kann man durch Verwendung von zirkular
polarisierten Wellen vermindern (Umgekehrte
Polarisationsrichtung von Sende- und Empfangsantenne). Eine
später noch näher beschriebene Empfangsvorrichtung empfängt
das am Objekt reflektierte Signal und wertet es aus. Statt ein
reflektiertes Empfangssignal für die Schätzung der
Ortskoordinaten zu verwenden, kann das Objekt auch selber ein
Signal aussenden.
Es wird davon ausgegangen, daß eine Sendeantenne ein
Trägersignal
a(t) = Ao e j(ωt+ϕo)
mit der Amplitude Ao, der Nullphase ϕo und der Kreisfrequenz
ω= 2πfT (fT = Trägerfrequenz) zum Objekt aussendet.
Das zum Zeitpunkt t ausgesendete Trägersignal a(t) legt die
Strecke ro zurück und wird zum Zeitpunkt t + τo am Objekt OB
reflektiert. Nachdem das reflektierte Signal die Strecke
r + rik nach einer zweiten Verzögerung τik zurückgelegt hat,
erreicht es das Empfangselement Eik (vgl. Figur).
Die Indizes i = 1,2, . . . Ny und k = 1,2, . . . Nz kennzeichnen die
in einem vorgegebenen Koordinatensystem, in dem die
Koordinaten xz, yz und zz des zu ortenden Objektes OB
ermittelt werden sollen, angeordnete Empfangselemente.
Nimmt man an, daß die Empfangselemente Eik sich wie Hertzsche
Dipole im Fernfeld verhalten, so gilt für das vom
Empfangselement Eik empfangene Signal:
Die Empfangssignale der einzelnen Empfangselemente Eik werden
mit dem Faktor V verstärkt und phasenstarr (ϕ=ϕo+ϕM, ϕM ist
die Phase des Modulators) und frequenzsynchron in die
Zwischenfrequenz
f=fT-f₁ (fT = Trägerfrequenz, f₁ = Mischfrequenz) umgesetzt.
Somit ergibt sich ein zu verarbeitendes Signal:
c ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und λ die
Wellenlänge des Trägersignals.
Berücksichtigt man mit lik ε |N noch die Vieldeutigkeit der
trigonometrischen Beziehung (ej ν = cosν + j sinν), so gilt:
Beschränkt man sich auf den Bereich
so wird lik einen sehr großen Wert annehmen, da rik»λ ist.
Aus dem Empfangssignal eik(t) wird nun auf folgende Weise für
jedes Empfangselement Eik der Signallaufweg rik ermittelt. Und
zwar ist, wie die Figur verdeutlicht, rik die Differenz des
Signallaufweges vom Objekt OB zu dem jeweiligen
Empfangselement Eik gegenüber dem Signallaufweg r vom Objekt
OB zu einem fest vorgegebenen aber frei wählbaren
Bezugsempfangselement BE.
Ein vorhandener Prozessor bildet die Kreuzkorrelation zwischen
dem Empfangssignal eik eines jeden Empfangselements Eik und
dem konjugiert komplexen Empfangssignal ev* des
Bezugsempfangselements BE.
lvε |N berücksichtigt die Vieldeutigkeit der trigonometrischen
Beziehung in dem Empfangssignal ev des Bezugsempfangselements
BE.
Aus (2) ergibt sich:
R(rik) stellt den Mittelwert des Produktes aus dem
Empfangssignal eik eines jeden Empfangselements Eik und dem
konjugiert komplexen Empfangssignal ev des
Bezugsempfangselements BE dar. Der Prozessor bildet aus (3)
den Quotienten von Imaginärteil und Realteil:
Daraus ergibt sich unter Berücksichtigung der Vieldeutigkeit
des tan (x+iπ) = tan× für rik:
nik ist ein ganzzahliger Integerwert und beschreibt die
Mehrdeutigkeit der Größe rik. Aufgrund der Differenzbildung
nik = lik-lv im Exponenten der Korrelationsfunktion R(rik)
wird rik nur kleine Werte annehmen, die vom Abstand des
jeweiligen Empfangselements Eik vom Koordinatenursprung
abhängen, nik ε{ . . . -1,0,1, . . . }.
Um die Mehrdeutigkeit möglichst gering zu halten, ist es
zweckmäßig, die Empfangselemente Eik möglichst in der Nähe des
Koordinatenursprungs anzuordnen.
nik wird zwischen einem minimalen Wert nmin und einem
maximalen Wert nmax variieren, wobei die Differenz nmax-nmin
nicht sehr groß ist. nmin, nmax werden durch Simulation vorher
bestimmt. Im Prozessor werden alle Werte nminniknmax zur
Berechnung herangezogen und die Mengen der möglichen
Koordinatenpunkte bestimmt. Alle Koordinatenpunkte (xz, yz, zz),
die außerhalb eines gegebenen Definitionsbereiches liegen,
werden ausgeschlossen.
Hat man die Koordinatenpunkte einmal bestimmt, dann kann man
die nmin solange beibehalten, wie die Koordinatenpunkte des
Objekts (xz, yz, zz) keine Sprünge aufweisen. Sollten dann doch
noch mehrere Lösungen der Gleichung (4) auftreten, so kann man
die Einstellwinkel der Sendeantennenkeule zur Selektion der
richtigen Lösung heranziehen.
Wie Gleichung (3) zeigt, wird bei der Berechnung von R(rik)
die Zeitabhängigkeit des Signals eliminiert. Es genügen daher
sehr wenige Abtastwerte N, um die Funktion
zu berechnen.
Aus den zu den einzelnen Empfangselementen Eik ermittelten
Größen rik leitet der Prozessor auf folgende Weise die
Ortskoordinaten xz, yz, zz des Objektes OB her.
Für den Abstand r des Objektes OB zum Koordinatenursprung
gilt:
r²= xz²+yz²+zz² (5).
Unter der Voraussetzung, daß alle Empfangselemente Eik in der
y/z Ebene (s. Figur) angeordnet sind, also die Koordinate
xik = 0 ist, ergibt sich der Abstand zwischen jedem einzelnen
Empfangselement Eik und dem Objekt OB zu:
(r+rik)²= xz²+(yik-yz)²+(zik-zz)² (6).
Aus (5) und (6) folgt für xz²:
xz²=r²-yz²-zz²=(r+rik)²-(yik-yz)²-(zik-zz)² (7).
Nach einigen Vereinfachungen folgt aus (6) und (7):
2rikr+2yikyz+2zikzz+rik²-yik²-zik²=0 (8).
Diese Gleichung (7) besitzt drei unbekannte Größen r, yz, zz.
Man benötigt daher noch drei Empfangselemente Eik neben dem
Bezugsempfangselement BE, um alle unbekannten Größen
r, xz, yz, zz zu berechnen.
Da es mehrere Möglichkeiten gibt, die drei Empfangselemente
Eik um den Koordinatenursprung anzuordnen und deshalb mehrere
Varianten für das Indexpaar ik existieren, werden der
Übersichtlichkeit halber die möglichen Indexpaare ik durch
drei einfache Indizes a, b, c ersetzt.
Mit den drei Empfangselementen Ea, Eb, Ec entsteht aus (8) das
folgende Gleichungssystem:
Daraus berechnen sich die gesuchten Größen
wobei in (10)
fac1=(ycrb-ybrc) (ra²-ya²-za²)
fac2=(yarc-ycra) (rb²-yb²-zb²)
fac3=(ybra-yarb) (rc²-yc²-zc²)
fac4=(zcrb-zbra) (yarc-ycra)-(zarc-zcra) (yarb-ybra)
fac2=(yarc-ycra) (rb²-yb²-zb²)
fac3=(ybra-yarb) (rc²-yc²-zc²)
fac4=(zcrb-zbra) (yarc-ycra)-(zarc-zcra) (yarb-ybra)
sind.
Die Gleichungen (10) bis (13) zeigen, daß der Prozessor mit
den gemäß (4) ermittelten Strecken ra, rb, re und den
Koordinaten ya, yb, yc und za, zb, zc der drei
Empfangselemente Ea, Eb, Ec alle Ortskoordinaten xz, yz, zz
des Objekts OB bestimmen kann.
Sollte sich bei Verwendung von vier Empfangselementen
(Ea, Eb, Ec, BE), z. B. aufgrund von Rauschen wie zuvor
beschrieben, ein zu großer Schätzfehler für die
Ortskoordinaten des Objekts einstellen, empfiehlt es sich,
9 Empfangselemente zu verwenden. Dann ließe sich durch
Mitteilung von 4 Lösungen für die Koordinaten die Genauigkeit
erhöhen.
Werden mehr als vier Empfangselemente eingesetzt, dann ist es
sinnvoll, um die Lösungsmenge der möglichen Ortskoordinaten
nicht zu groß werden zu lassen (Lösungsmenge nimmt mit der
Entfernung der Empfangselemente vom Koordinatenursprung zu),
Untergruppen von Empfangselementen mit eigenen lokalen
Koordinatensystemen zu bilden. Die Ortskoordinaten des Objekts
werden dann bezüglich jedes lokalen Koordinatensystems
berechnet. Durch Koordinatentransformation werden schließlich
die für die lokalen Koordinatensysteme bestimmten
Ortskoordinaten auf das ursprüngliche Koordinatensystem
bezogen.
Claims (5)
1. Anordnung zum Lokalisieren eines sich in einem vorgegebenen
Gebiet befindenden Objektes, welche eine Empfangsvorrichtung
aufweist, die ein von dem Objekt ausgehendes Signal empfängt
und daraus die Ortskoordinaten des Objektes bezüglich eines
vorgegebenen Koordinatensystems ermittelt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangsvorrichtung mindestens vier Empfangselemente
(Eik, BE) besitzt, von denen eines als Bezugsempfangselement
(BE) dient, daß ein Prozessor vorhanden ist, welcher das
Produkt aus dem Empfangssignal eines jeden Empfangselementes
(Eik) und dem konjugiert komplexen Empfangssignal des
Bezugsempfangselementes (BE) mittelt, woraus die Differenz
(rik) des Signallaufweges (r) vom Objekt (OB) zu dem
jeweiligen Empfangselement (Eik) gegenüber dem Signallaufweg
(r+rik) vom Objekt (OB) zu dem Bezugsempfangselement (BE)
resultiert, und daß der Prozessor aus diesen für die
Empfangselemente (Eik) bestimmten Signallaufwegdifferenzen
(rik) und den bekannten Ortskoordinaten (yik, zik) der
Empfangselemente (Eik) bezüglich des vorgegebenen
Koordinatensystemes (x, y, z) die Ortskoordinaten (xz, yz, zz)
des zu lokalisierenden Objektes (OB) ermittelt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bezugsempfangselement (BE) im Koordinatensprung angeordnet
ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Empfangselemente (Eik, BE) alle in einer Ebene des
Koordinatensystems angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie
eine Mittelung mehrerer Meßwerte der Ortskoordinaten des
Objekts (OB) durchführt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie für die Lokalisierung von Fahrzeugen
auf einem Straßenabschnitt verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934314216 DE4314216A1 (de) | 1993-04-30 | 1993-04-30 | Anordnung zum Lokalisieren eines Objektes |
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DE19934314216 DE4314216A1 (de) | 1993-04-30 | 1993-04-30 | Anordnung zum Lokalisieren eines Objektes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4314216A1 true DE4314216A1 (de) | 1994-11-03 |
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ID=6486790
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19934314216 Ceased DE4314216A1 (de) | 1993-04-30 | 1993-04-30 | Anordnung zum Lokalisieren eines Objektes |
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