KR20010052639A - 전파를 이용한 위치 결정 장치 - Google Patents

Abstract

전파를 이용하여 도로상의 차량 위치를 결정하기 위한 장치가 공개된다. 상기 전파는 상기 장치로부터 방출되고 차량에 의해 반사되며, 도로 사이에 배열되는 두 개 이상의 어레이 안테나(1, 2)에 의해 수신된다. 어레이 안테나(1, 2)는 다수의 안테나 요소(5-14)를 포함하고, 어레이 안테나의 안테나 요소 중 하나는 어레이 안테나의 위상 중심(5, 10)을 형성하며, 어레이 안테나의 안테나 요소(5-14)가 서로 연결되어, 어레이 안테나(1, 2)의 위상 중심(5, 10)간 거리 d가 개별 어레이 안테나(1, 2) 폭의 절반보다 작다.

Description

전파를 이용한 위치 결정 장치{DEVICE FOR POSITION DETERMINATION BY MEANS OF RADIO WAVES}

전파를 이용한 위치 결정 방법에서, 전파 신호가 마이크로파 범위 내(선호됨)에서 방출된다. 이 범위에서 신호는 양호한 방향성과 물체로부터의 반사 성질을 가진다. 반사 신호는 두 안테나로 수신되고, 두 안테나는 물체 방향과 수직인 평면에서 서로 일정 거리에 놓이도록 배열된다. 안테나간의 거리에 의해, 물체에 의해 반사되는 전파는 한 안테나가 다른 안테나에 비해 더 긴 거리로 전파한다. 이 거리의 차는 수신 신호간 위상차를 발생시킨다. 위상차로부터, 안테나에 연관된 물체의 반사각이 안테나 및 물체에 의해 형성되는 평면에서 연산될 수 있다. 이러한 방법이 스웨덴 특허 출원 제 8403564-1 호에 기술된다. 이 방법으로, 물체의 각각의 위치가 어떤 위상차에 상응한다.

방법이 도 1에 기하학적으로 도시된다. 안테나(1, 2)가 거리 d만큼 떨어져 위치한다. 위치가 측정될 물체(3), 또는 소위 트랜스폰더는 안테나(1, 2)를 향하는 방향으로 방출 전파를 반사시킨다. 안테나가 d만큼 서로 이격되어 있기 때문에, 서로의 거리에L만큼의 차이가 발생한다. 거리차L은 위상차=1 -2, 이때1과2는 안테나(1, 2)에서 각각 수신되는 신호에 대한 위상각이다. 이 위상차로부터, 기하학적 각가 계산될 수 있다. 왜냐하면, sinθ ∝L ∝이기 때문이다.

그러므로 각 θ는 위상차에 따라 주기적으로 변한다. 이는 도 2로부터 명백하게 드러난다. 이는, 각도 θ가 더 이상 명백하지 않으나 한 개 이상의 위치에 상응하는, 외곽 구간이 존재함을 의미한다. 이 구간은 거리 d의 역수에 비례한다. 즉, d가 감소함에 따라 구간이 증가한다. 그러므로 앞서의 관점에서 볼 때, 각도 θ에 대한 대단히 명백한 영역을 얻기 위해 가능한 작게 거리 으를 가지는 것이 바람직하다.

안테나에서 양호한 방향성을 얻기 위해, 소위 어레이 안테나 형성을 위해 다수의 안테나 요소로 이루어진다. 이러한 배열은 물론 어떤 물리적 한계를 안테나에 부여하고, 그래서 거리 d를 하향으로 제한한다. 도 1의 거리 d는 한쌍의 어레이 안테나에 대해, 안테나 중심 사이의 거리에 연관된다.

그러므로, 양호한 방향성에 대한 요구사항은 큰 명백한 영역에 대한 요구사항과 상충한다. 발명은 큰 명백한 영역에 대한 요구사항을 유지하면서도 양호한 방향성에 대한 요구사항도 만족시키는 장치를 제시한다.

본 발명은 전파, 특히 마이크로파를 이용한 위치 결정 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 도로에서 차량의 연속적인 위치 결정에 관한 것이다.

도 1은 안테나에서 수신되는 두 신호간의 위상차가 서로 지정 거리에 위치하는 안테나와의 각도 측정에 의해 물체의 위치 결정용으로 분석되는 측정 원리를 나타내는 도면.

도 2는 위상차의 함수로 물체에 대한 기하학적 각도 변화를 나타내는 도면.

도 3은 발명에 따르는 안테나 장치의 정면도.

도 4는 발명에 따르는 대안의 안테나 장치의 도면.

도 5는 발명의 한 태양에 따르는 안테나 장치를 사용하는, 측정용 장치의 블록도표.

발명은 양호한 방향성과 큰 명백한 영역을 얻기 위해 어레이안테나에 대한 큰 한계를 허용하면서 두 개 이상의 어레이 안테나 중심 사이의 작은 거리를 얻는 것을 지향한다. 이는 작은 상호적 거리에 어레이 안테나에 대한 안테나 중심이 위치하도록 어레이 안테나의 안테나 요소를 서로 섞음으로서 얻어진다. 이는 어레이 안테나의 중앙 안테나 요소가 서로 가깝게 배열되도록 어레이 안테나의 여러 안테나 요소를 연결함으로서 달성된다.

도 5는 경로를 따라 이동하는 물체의 위치 결정에 대한 장치를 도시한다. 장치는 두 개의 어레이 안테나(1, 2)를 가지는 안테나 장치(4)와 신호 프로세서(18)에 연결된 증폭 및 신호 처리 유닛(17)을 포함한다. 상기 어레이 안테나는 물체의 운동 방향에 수직인 제 1 축을 따라 배열된다. 안테나 장치는 도 3에 따라 두 어레이의 전도면인 안테나 요소를 포함한다. 어레이 안테나(1)는 5개의 면, 즉 안테나 요소(5-9)로 형성된다. 이때, 안테나 요소(6-9)는 중앙 안테나 요소(5) 주위에 위치한다. 마찬가지로, 어레이 안테나(2)는 중앙 안테나 요소(10)와 주변 안테나 요소(11-14)로 이루어진다. 출력 전도체(15, 16)를 통해, 어레이 내의 안테나 요소가 서로 합하여져서 두 개의 어레이 안테나(1, 2)를 형성한다. 중앙 안테나 요소(5, 10) 주위에 각각 대칭으로 배열되는 앞서 기술된 배열을 이용하여, 안테나 요소 형태의 이들 중심면이 어레이 안테나의 위상 중심을 각각 형성한다. 이 두 위상 중심 사이의 거리는 도 1의 거리 d를 구성한다.

안테나(1)의 폭은 안테나 요소(6, 8)의 좌측 변부로부터 안테나 요소(7, 9)의 우측 변부까지 뻗어 있다. 안테나(2)의 폭은 안테나 요소(11, 13)의 좌측 변부로부터 안테나 요소(12, 14)의 우측 변부까지 뻗어 있다. 안테나가 나란히 서있다면, 이는 위상 중심(5, 10) 사이의 거리 d가 어레이 안테나의 총폭 이상으로 커지는 것을 의미하고, 실제로는 더 커지는 것을 의미한다. 왜냐하면, 어레이 안테나(1, 2)의 최외곽 안테나 요소 사이에는 일정 거리가 존재하여야 하기 때문이다. 그러나 도 3으로부터 명백하게 나타나는 바와 같이, 위상 중심간의 거리는 훨씬 작고, 그래서 여러 안테나를 상호연결함으로서 이는 달성된다. 본 실시예에서는 어레이 안테나가 서로 얽힘으로서 달성된다.

앞서 기술된 원칙이 보다 복잡한 안테나 장치에서도 사용될 수 있다. 그러므로, 이러한 장치에 두 개 이상의 안테나를(즉, 제 1 축을 따라 배열되는 안테나로) 위치시킴으로서 각도 측정이 세밀히 구별될 수 있다. 다수의 측정 결과에 대한 평균값을 형성할 수 있다면, 측정의 정확도가 물론 개선된다.

같은 축에 정렬되는 두 개 이상의 안테나를 사용할 때의 또다른 장점은 아래와 같이 주어진다. 두 어레이 안테나 중심간의 거리 d가 증가할 경우, 이는 각각의 각도 θ에 대해 거리L이 증가함을 의미한다. 거리L이 증가할 경우, 이는 각각의 각도 변화에 대해 위상차가 증가함을 의미한다. 즉, 해상도가 개선된다. 또한, 이는 명확성에 대한 요청과 상충하게 된다. 같은 축의 한 행에 다수의 어레이 안테나를 배열함으로서, 가령, A, B, C로 표시하는 세 개의 안테나가 앞서 언급한 순서로 배열될 경우, 기술되는 충돌이 해결될 수 있다. 개선된 해상도를 얻기 위해 안테나 A와 C 사이에 측정되는 위상차와, 명백성을 위해 안테나 A와 B로부터 얻어지는 데이터로부터의 측정 위상차를 이용함으로서, 두 요구사항이 만족될 수 있다.

여러개의 축을 따라 안테나를 배열하는 것이 또한 가능하다. 그래서 여러 평면에서 측정을 행할 수 있다. 물체의 이동 방향에 수직이면서 제 1 축에 수직인 축을 따라 한 쌍 이상의 추가 어레이 안테나를 위치시킴으로서, 안테나에 관련된 물체의 기준 각도가 두 평면 각각에서 결정될 수 있고, 본질적으로 서로 수직이며, 상기 두 평면은 안테나 쌍이 배열되는 축과 물체에 의해 형성된다. 일례로, 물체가 도로에서 이동하는 차량일 경우, 차량이 안타나 아래를 통과할 수 있도록 도로 위 높이의 수평 제 1 축을 따라 어레이 안테나가 배열될 때, 안테나(1, 2)와 차량(3)에 의해 수평 제 1 평면이 형성된다. 수평 평면에서, 위상각를 결정함으로서, 차량에 대한 방위각 θ가 앞서 기술한 바와 같이 결정된다.

도로에 수직이면서 제 1 축에 수직인 제 2 축을 따라 어레이 안테나를 배열함으로서, 차량의 높이 각도를 결정할 수 있다. 이때 높이 각도는 수직 제 2 축에 연관된다. 두 어레이의 안테나로부터 볼 때, 방위각과 높이 각도를 알면, 안테나에 관련된 차량의 위치가 이들 각도로부터 결정된다.

다른 부분 표면 사이에서 발명에 따르는 연결을 가지는 선택적인 실시예는 두 개 이상의 어레이 안테나에 포함되도록 일부 안테나 요소를 배열함으로서 발생한다. 이 실시예는 2차원으로 측정될 경우에 도 4에 도시된다. 이 경우에, 안테나(20)는 세 개 이상의 어레이 안테나를 포함한다. 어레이 안테나(21)는 안테나 요소(24-26, 28-30, 32-34)를 포함하고, (29)는 위상 중심을 형성한다. 어레이 안테나(22)는 안테나 요소(25-27, 29-31, 33-35)를 포함하고, (30)이 위상 중심이다. 어레이 안테나(23)는 안테나 요소(28-30, 32-34, 36-38)를 포함하고, (33)이 위상 중심이다. 그러므로, 한 개 이상의 어레이 안테나에 의해 여러 안테나 요소가 사용된다. 이는 앞서의 개수 이상의 안테나 요소로부터 수신되는 신호의 전력 증폭에 의해, 그리고 증폭 신호에 전력 분할을 적용함으로서, 가능해진다. 본 실시예에서, 동일한 짧은 거리 d가 앞서의 실시예에서와 같이 얻어진다.

Claims (8)

1. 전파를 이용하여 도로 상의 차량의 위치를 결정하기 위한 장치로서, 상기 전파는 상기 장치로부터 방출되고 차량에 의해 반사되며, 도로 사이에 배열되는 두 개 이상의 어레이 안테나(1, 2)에 의해 수신되고,

   상기 어레이 안테나(1, 2)는 다수의 안테나 요소(5-14)를 포함하고, 각각의 어레이 안테나의 안테나 요소 중 하나는 어레이 안테나의 위상 중심(5, 10)을 구성하며,

   어레이 안테나의 안테나 요소(5-14)는 서로 연결되어, 어레이 안테나(1, 2)의 위상 중심(5, 10)간 거리 d가 개별 어레이 안테나(1, 2)의 폭의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결을 어레이 안테나(1, 2)를 서로 얽히게 하는 것으로서, 한 개의 어레이 안테나의 위상 중심(5, 10)이 또다른 어레이 안테나(1, 2)의 안테나 요소(11-14, 6-9) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 어레이 안테나(1, 2)의 위상 중심(5, 10)이 서로 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 안테나 요소(24-38) 일부가 한 개 이상의 어레이 안테나(21, 22, 23)에 동시 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 한 개 이상의 어레이 안테나(21, 22, 23)에 의해 사용되는 안테나 요소(24-38)로부터 얻어지는 신호가 전력 증폭을 실행하고, 이어서 어레이 안테나(21, 22, 23)에 증폭 신호의 전력 분할을 실시하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 차량(3)에 대한 방위각 θ가, 수평으로 배열되는 한 쌍 이상 어레이 안테나(1, 2)가 배열되는 안테나 위치로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 차량(3)의 높이 각도가, 수직으로 배열되는 한 쌍 이상의 어레이 안테나가 배열되는 안테나 위치로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 안테나에 관련된 차량의 위치가 방위각 θ와 높이 각도를 알 때 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.