DE4314216A1

DE4314216A1 - Anordnung zum Lokalisieren eines Objektes

Info

Publication number: DE4314216A1
Application number: DE19934314216
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Gebauer
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 1994-11-03

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) = A_o e j(ωt+ϕ_o)

mit der Amplitude A_o, der Nullphase ϕ_o und der Kreisfrequenz ω= 2πf_T (f_T = Trägerfrequenz) zum Objekt aussendet.

Das zum Zeitpunkt t ausgesendete Trägersignal a(t) legt die Strecke r_o zurück und wird zum Zeitpunkt t + τ_o am Objekt OB reflektiert. Nachdem das reflektierte Signal die Strecke r + r_ik nach einer zweiten Verzögerung τ_ik zurückgelegt hat, erreicht es das Empfangselement E_ik (vgl. Figur).

Die Indizes i = 1,2, . . . N_y und k = 1,2, . . . N_z kennzeichnen die in einem vorgegebenen Koordinatensystem, in dem die Koordinaten x_z, y_z und z_z des zu ortenden Objektes OB ermittelt werden sollen, angeordnete Empfangselemente.

Nimmt man an, daß die Empfangselemente E_ik sich wie Hertzsche Dipole im Fernfeld verhalten, so gilt für das vom Empfangselement E_ik empfangene Signal:

Die Empfangssignale der einzelnen Empfangselemente E_ik werden mit dem Faktor V verstärkt und phasenstarr (ϕ=ϕ_o+ϕ_M, ϕ_M ist die Phase des Modulators) und frequenzsynchron in die Zwischenfrequenz f=f_T-f₁ (f_T = 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 l_ik ε |N noch die Vieldeutigkeit der trigonometrischen Beziehung (e^j ^ν = cosν + j sinν), so gilt:

Beschränkt man sich auf den Bereich

so wird l_ik einen sehr großen Wert annehmen, da r_ik»λ ist.

Aus dem Empfangssignal e_ik(t) wird nun auf folgende Weise für jedes Empfangselement E_ik der Signallaufweg r_ik ermittelt. Und zwar ist, wie die Figur verdeutlicht, r_ik die Differenz des Signallaufweges vom Objekt OB zu dem jeweiligen Empfangselement E_ik 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 e_ik eines jeden Empfangselements E_ik und dem konjugiert komplexen Empfangssignal e_v* des Bezugsempfangselements BE.

l_vε |N berücksichtigt die Vieldeutigkeit der trigonometrischen Beziehung in dem Empfangssignal e_v des Bezugsempfangselements BE.

Aus (2) ergibt sich:

R(r_ik) stellt den Mittelwert des Produktes aus dem Empfangssignal e_ik eines jeden Empfangselements E_ik und dem konjugiert komplexen Empfangssignal e_v 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 r_ik:

n_ik ist ein ganzzahliger Integerwert und beschreibt die Mehrdeutigkeit der Größe r_ik. Aufgrund der Differenzbildung n_ik = l_ik-l_v im Exponenten der Korrelationsfunktion R(r_ik) wird r_ik nur kleine Werte annehmen, die vom Abstand des jeweiligen Empfangselements E_ik vom Koordinatenursprung abhängen, n_ik ε{ . . . -1,0,1, . . . }.

Um die Mehrdeutigkeit möglichst gering zu halten, ist es zweckmäßig, die Empfangselemente E_ik möglichst in der Nähe des Koordinatenursprungs anzuordnen.

n_ik wird zwischen einem minimalen Wert n_min und einem maximalen Wert n_max variieren, wobei die Differenz n_max-n_min nicht sehr groß ist. n_min, n_max werden durch Simulation vorher bestimmt. Im Prozessor werden alle Werte n_minn_ikn_max zur Berechnung herangezogen und die Mengen der möglichen Koordinatenpunkte bestimmt. Alle Koordinatenpunkte (x_z, y_z, z_z), die außerhalb eines gegebenen Definitionsbereiches liegen, werden ausgeschlossen.

Hat man die Koordinatenpunkte einmal bestimmt, dann kann man die n_min solange beibehalten, wie die Koordinatenpunkte des Objekts (x_z, y_z, z_z) 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(r_ik) die Zeitabhängigkeit des Signals eliminiert. Es genügen daher sehr wenige Abtastwerte N, um die Funktion

zu berechnen.

Aus den zu den einzelnen Empfangselementen E_ik ermittelten Größen r_ik leitet der Prozessor auf folgende Weise die Ortskoordinaten x_z, y_z, z_z des Objektes OB her.

Für den Abstand r des Objektes OB zum Koordinatenursprung gilt:

r²= x_z²+y_z²+z_z² (5).

Unter der Voraussetzung, daß alle Empfangselemente E_ik in der y/z Ebene (s. Figur) angeordnet sind, also die Koordinate x_ik = 0 ist, ergibt sich der Abstand zwischen jedem einzelnen Empfangselement E_ik und dem Objekt OB zu:

(r+r_ik)²= x_z²+(y_ik-y_z)²+(z_ik-z_z)² (6).

Aus (5) und (6) folgt für x_z²:

x_z²=r²-y_z²-z_z²=(r+r_ik)²-(y_ik-y_z)²-(z_ik-z_z)² (7).

Nach einigen Vereinfachungen folgt aus (6) und (7):

2r_ikr+2y_iky_z+2z_ikz_z+r_ik²-y_ik²-z_ik²=0 (8).

Diese Gleichung (7) besitzt drei unbekannte Größen r, y_z, z_z. Man benötigt daher noch drei Empfangselemente E_ik neben dem Bezugsempfangselement BE, um alle unbekannten Größen r, x_z, y_z, z_z zu berechnen.

Da es mehrere Möglichkeiten gibt, die drei Empfangselemente E_ik 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 E_a, E_b, E_c entsteht aus (8) das folgende Gleichungssystem:

Daraus berechnen sich die gesuchten Größen

wobei in (10)

f_ac1=(y_cr_b-y_br_c) (r_a²-y_a²-z_a²)
f_ac2=(y_ar_c-y_cr_a) (r_b²-y_b²-z_b²)
f_ac3=(y_br_a-y_ar_b) (r_c²-y_c²-z_c²)
f_ac4=(z_cr_b-z_br_a) (y_ar_c-y_cr_a)-(z_ar_c-z_cr_a) (y_ar_b-y_br_a)

sind.

Die Gleichungen (10) bis (13) zeigen, daß der Prozessor mit den gemäß (4) ermittelten Strecken r_a, r_b, r_e und den Koordinaten y_a, y_b, y_c und z_a, z_b, z_c der drei Empfangselemente E_a, E_b, E_c alle Ortskoordinaten x_z, y_z, z_z des Objekts OB bestimmen kann.

Sollte sich bei Verwendung von vier Empfangselementen (E_a, E_b, E_c, B_E), 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

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 (E_ik, BE) besitzt, von denen eines als Bezugsempfangselement (BE) dient, daß ein Prozessor vorhanden ist, welcher das Produkt aus dem Empfangssignal eines jeden Empfangselementes (E_ik) und dem konjugiert komplexen Empfangssignal des Bezugsempfangselementes (BE) mittelt, woraus die Differenz (r_ik) des Signallaufweges (r) vom Objekt (OB) zu dem jeweiligen Empfangselement (E_ik) gegenüber dem Signallaufweg (r+r_ik) vom Objekt (OB) zu dem Bezugsempfangselement (BE) resultiert, und daß der Prozessor aus diesen für die Empfangselemente (E_ik) bestimmten Signallaufwegdifferenzen (r_ik) und den bekannten Ortskoordinaten (y_ik, z_ik) der Empfangselemente (E_ik) bezüglich des vorgegebenen Koordinatensystemes (x, y, z) die Ortskoordinaten (x_z, y_z, z_z) 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 (E_ik, 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.