KR970003696B1 - 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템 - Google Patents

트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템 Download PDF

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제이. 오코노 로저
디. 슈로스 피터
와이. 니시다 마이클
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휴우즈 에어크라프트 캄파니
완다 케이. 덴슨-로우
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Abstract

요약 : 요약없음.

Description

트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템
제1도는 차량 트랜스폰더로부터 신호를 추적하기 위해 판독기 트랜스폰더의 다중 소자 안테나를 나타내는 본 발명의 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템의 실시예를 간단한 예시한 평면도.
제2도는 다중 소자 안테나로부터 수신된 신호의 도달각에 기초하여 차량 트랜스폰더의 위치를 결정하는 위치 계산 프로세서를 도시한 제1도의 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템의 블럭도.
제3도는 제1도의 차량 트랜스폰더의 위치를 탐지하는데 이용되는 구성 및 한쌍의 다중 소자 안테나 어레이를 도시한 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템,102 및 104 : 안테나 어레이,
106 : 트랜스폰더107 및 108 : 수신기
112,114 및 116 : 제1안테나 소자 셋트,
118,120 및 122 : 제2안테나 소자 셋트
128,130,132,134,135 및 138 : 프로세싱 채널
140 및 142 : 위상 비교기.
본 발명은 추적 시스템에 관한 것으로, 특히 위상간섭계 기술을 사용하여 통신 트랜스폰더(transponder)를 탐지하여 추적하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명이 특정 응용에 대한 예시적 실시예를 참조하여 기술되어 있지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 여기에 개시된 내용에 대한 종래의 기술 및 그 테두리내의 통상적인 지식을 가진자들은 본 발명이 상당히 유용하게 사용될 다른 분야 및 영역내에서 다른 변경, 응용 및 구현이 기능하다는 것을 인식할 것이다.
자동화된 요금 징수 시스템이 종래 기술로 공지되어 있다. 전형적으로 이들 시스템은 판독기 트랜스폰더를 포함하고 적어도 하나의 차량 트랜스폰더를 포함한다. 판독기 트랜서폰더는 각 통로의 통로측면, 상측 또는 도로에 안테나를 포함한다. 판독기 트랜스폰더는 차량 센서를 사용하거나 차량 트랜스폰더가 식별 메시지에 응답하는 RF 신호를 전송함으로써 차량 트랜스폰더의 존재를 감지한다. 종래의 자동화 요금 징수 시스템에서는, 요금 부스(booth) 장벽이 전자 요금 징수 구역을 통해 한번에 차량을 1회 루트하도록 사용된다. 그러므로, 하나의 차량 트랜스폰더가 안테나 패턴의 범위내에 있다. 그 다음 요금이 지정 영역에서 차량으로부터 전자식으로 징수된다.
불행히도, 현재의 전자 요금 징수 및 추적 시스템은 차량이 트랜스폰더를 포함하지 않으면 도로상의 모든 차량을 식별하여 찾아내지는 못한다. 특정 차량이 트랜스폰더를 장착하지 않았다면, 판독기 트랜스폰더에 의해 검출되지 않을 것이다. 그러므로, 전자 링크를 통해서만 차량으로부터 징수된다면, 트랜스폰더가 없는 차량은 요금없이 도로를 사용할 수 있게 된다. 그러므로, 도로를 사용하는 차량으로부터 요금을 정확하게 징수하여는 종래 기술의 전자 요금 징수 시스템에는 큰 문제점이 있었다.
과거에, 도로를 사용하는 차량으로부터 요금 징수를 강화하는 문제는 다음 방식으로 제안되어 왔다. 단일 차량 트랜스폰더로부터 조사하고 전자식으로 요금을 징수하기 위해 판독기 트랜스폰더의 안테나 패턴을 정확하게 조정함으로써 판독기 트랜스폰더와 특정 차량 트랜스폰더 사이에 통신 링크가 설치된다. 이들 요건은 도로의 각 통로에 배치될 안테나를 필요로 한다. 각 안테나는 전용 도로 측면 판독기 트랜스폰더에 접속되거나 단일 판독기 트랜스폰더로 다중화된다. 종래 기술의 시스템은 통로에 안테나가 장착되어 있을 경우에 통로당 단 한대의 차량만 통신하도록 설계되어 있다. 각 차량은 서행 또는 정지해야만 하고, 또는 차량 식별 과정중에 특정 통로에 남아 있어야 한다. 이들 요건은 교통 흐름을 제한하고 혼합을 증가시키는 경향이 있다.
도로를 사용하는 차량으로부터 요금 징수를 강화하는 기본적인 방법은 물리적으로 관찰되도록 각 차량위에 트랜스폰더가 장착되도록 설계하는 것이다. 관찰가능한 트랜스폰더 없이 도로를 사용하는 차량은 위반자로 간주한다. 보다 정교한 전자 요금 징수 시스템 설계에서, 안테나 패턴은 특정 차량이 요금을 내지 않는가를 결정하기 위해 사용된다. 설치된 검출 위치(즉, 예를 들어, 비디오 검출)에서 차량의 검출과 결합하여 차량으로부터 트랜스폰더 응답이 없다는 것은 잠재적인 요금 불지급을 나타낸다.
안테나 패턴을 사용하는 요금 징수 기술의 성능 강화는 서로로부터 상이한 차량 트랜스폰더의 응답을 전기적으로 분리하는 능력에 의해 또한 결정된다. 차량을 전기적으로 분리하기 위해 물리적 장벽 및 연관된 하부 구조를 설치하는 것이 요금 징수 과정에서 고도의 성능 강화를 실현하기 위해 필요하다. 그러므로, 종래의 전자 요금 징수 시스템은 다음 구조중 하나를 필요로 한다. (a) 판독기 트랜스폰더 안테나는 도로의 각 통로에 매립되어야 하고 차량 트랜스폰더는 개별 차량의 범퍼상에 장착되어야 한다. (b) 넓은 통로 공간이 상부 안테나 패턴이 모호하지 않게 차량 응답을 분리할 수 있음을 보장하도록 차량 사이에 공간을 증가시키기 위해 제공되어야 한다. 이들 양쪽 구성의 선택성은 요금 수집 과정에서 통로 변경에 제한을 가한다.
성능을 강화시키기 위해 서로로부터 상이한 차량 트랜스폰더의 응답을 전기적으로 분리시키는 능력은 판독기 트랜스폰더와 차량 트랜스폰더 사이에 신뢰할 수 있는 통신을 보장하는 요건에 대해 역행하게 된다. 차량 트랜스폰더와의 통신 링크의 신뢰도를 향상시키고 따라서 요금 징수 확률을 향상시키기 위해 판독기 트랜스폰더의 안테나 방사력이 향상될 수 있다. 안테나 방사력을 증가시키면 판독기 트랜스폰더가 커버할 수 있는 영역을 확장한다.
통신 링크의 신뢰도가 향상될 수 있지만, 판독기 트랜스폰더의 안테나 방사력을 증가시키면, 고 교통 밀도 환경에서는 통로를 교차하여 판독하는 문제를 발생시킬 수 있다. 통로를 교차하여 판독하는 문제는 어느 차량 트랜스폰더와 통신 링크가 설치되었는가를 결정하는 판독기 트랜스폰더의 불능으로 특징지워진다. 그러므로, 판독기 트랜스폰더가 통신하고 있는 차량 트랜스폰더가 잘못 식별될 수 있다. 통로를 교차하여 판독하는 문제를 최소화하고, 서로로부터 차량 트랜스폰더 응답을 분리하기 위해, 판독기 트랜스폰더의 안테나 방사력을 감소시킬 필요가 있다. 불행히도, 이 행위는 판독기 트랜스폰더와 차량 트랜스폰더 사이의 통신 링크의 신뢰도를 감소시키고 전자 요금 징수 시스템의 요금 징수 수행 레벨을 낮춘다.
불행하게도, 종래 기술의 상기 기술된 자동화 요금 징수 시스템은 도로상에서 차량 트랜스폰더의 위치 또는 배치에 관해 특정 차량을 식별하지 않는다. 요금이 차량으로부터 전자식으로 징수될 때, 트랜스폰더가 없다면 차량이 요금을 내지 않고 도로를 사용할 수 있게 한다. 분명히 양호하게 자동화된 요금 징수 시스템의 요금 징수 강화는 불량한 성능을 나타내지 않는다. 그러므로, 위반자의 식별 가능성이 낮아지고 시스템을 지원하기 위해 다수의 추가 구성 요소가 필요하게 되므로 하부 구조물의 경비가 높아지며, 교통 흐름에 대한 제약이 부담으로 된다. 교통 밀도가 높을 동안 또는 차량이 통로를 막고 있을 때 또한 시스템의 신뢰도가 떨어진다.
그러므로, 자동화 요금 징수 시스템과 연관된 차량 트랜스폰더를 탐지 및 추적하는 시스템을 개량하기 위한 필요성이 종래 기술에서 대두되었다.
본 기술 분야에서는 본 발명의 트랜스폰더를 탐지하여 추적하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 요구되고 있다. 본 발명은 차량에 장착된 트랜스폰더로부터의 신호를 수신하고, 수신된 신호에 응답하여 다수의 안테나 소자 전기 신호를 제공하기 위한 다수의 안테나 어레이 소자를 갖고 있는 요금 징수대에 장착된 위상 조정 어레이 안테나를 보유하고 있다. 다수의 위상 검출기는 다수의 위상차 신호를 제공하는 전기 신호의 위상을 비교하기 위해 제공된다. 다수의 도달각 계산 프로세서는 위상차 신호를 차량 트랜스폰더 신호의 도달각을 정하는 공간 신호로 변환하기 위해 제공된다. 위치 계산 프로세서는 한정된 도달각에 응답하여 차량의 탐지를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위한 것이다.
양호한 실시예에서, 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템은 각각의 안테나 소자로부터 전기 신호를 증폭 및 필터링하기 위한 다수의 수신기 프로세싱 장치를 보유하고 있다. 위상 검출기는 전기 신호의 위상과 기준 소자 신호를 비교한다. 각각의 위상 검출기는 위상차 신호를 디지탈로 표시한다. 공간 신호를 차량 트랜스폰더 신호의 도달각을 나타낸다. 위치 계산 프로세서는 차량 트랜스폰더 위치를 결정하는 공간 신호에 따라 동작한다. 추적 메카니즘은 도로를 따라 이동하는 차량을 탐지하기 위해 제공된다.
제1도에는 본 발명의 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)이 도시되어 있다. 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)은 도로에서 전자식으로 요금을 징수하는데 이용된다. 이러한 시스템(100)은 위상 간섭계 기술을 사용하여 트랜스폰더(106)이 설치된 콘테이너 또는 차량을 탐지하여 추적하기 위해 요금 징수대에 장착된 복수의 안테나 어레이(102 및 104)를 보유하고 있다. 각각의 안테나 어레이(102 및 104)는 차량과 도로 양측면의 통신 네트워크의 복수의 수신기(107 및 108)중 1개의 수신기로부터 조회 신호에 응답하여 트랜스폰더(106)으로부터의 신호를 수신하는데 이용된다. 이러한 신호는 트랜스폰더(106)에 의해 방출되어 안테나 어레이(102 및 104)에 의해 수신되거나 안테나 어레이(102 및 104)에 의해 방출되어 트랜스폰더(106)에 의해 수신된다. 트랜스폰더(106)과 수신기(107 및 108)의 다양한 구성이 본 기술 분야에 공지되어 있다.
본 발명의 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)에 이용하는 적절한 통신 네트워크의 한 예는 시분할 다중 억세스(TDMA) 통신 네트워크이다. 다른 통신 네트워크 본 발명에서 사용하는데 적합하다는 사실에 주목해야 한다. TDMA 네트워크는 차량 트랜스폰더(106)과 수신기(107 및 108) 사이에서 데이타를 전송하는데 이용되는 메시지 시간 슬롯과 TDMA 네트워크에 대한 임의 이득 엔트리에 이용되는 동작 시간 슬롯을 이용함으로써 도로상에서 차량을 식별하는 프로세서를 간단하게 한 프로토콜을 이용한 것이다. 수신기(107 및 108)은 도로 양측면 또는 공중선에 장착될 수 있다. 수신기(107 및 108)과 통신하는 각각의 차량 트랜스폰더(106)은 데이타가 전송되는 동안에 특정한 메시지 시간 슬롯에 할당된다. 이러한 프로토콜의 설계는 2개의 차량 트랜스폰더가 동시에 데이타를 전송할 때에 발생할 수 있는 에러를 제거한다.
많은 공지된 안테나 설계는 본 발명의 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)에서 사용하는데 적합하다. 특히, 위상 조정된 어레이 안테나가 적합하다. 안테나 어레이(102 및 104)에 도달하는 트랜스폰더 신호의 파두를 측정하기 위해, 각각의 위상 조정된 어레이는 복수의 안테나 소자를 보유하고 있다. 최소한 2개의 안테나 소자가 적절한 동작을 위해 필요하다. 그러나, 3개 이상의 안테나 소자는 더 정밀한 결과를 제공한다. 따라서, 안테나 어레이(102)는 제1안테나 소자 셋트(112,114 및 116)을 보유하고 있고, 반면에 안테나 어레이(104)는 제2안테나 소자 셋트(118,120 및 122)를 보유하고 있다. 파두는 각각의 안테나 어레이(112,114,116,118,120 및 122)에 대한 신호 사이에서 위상차를 발생시키는 각으로 각각의 안테나 어레이(102 및 104)와 충돌한다. 이러한 위상차는 차량 트랜스폰더(106)으로부터 응답 신호의 도달각에 의해 정해진다. 각각의 안테나 소자가 약간씩 다른 시간에서 파두 신호를 수신하기 때문에, 신호 타이밍은 각각의 안테나 어레이(102 및 104)의 각각의 안테나 소자에 따라 다르다.
본 기술 분야에 공지된 바오 같이, 동일한 어레이의 2개의 안테나 소자 사이에서 파두의 수신에서의 이러한 시간차는 유도된 전압의 위상을 측정함으로써 결정될 수 있다. 미분 위상 정보는 트랜스폰더(106)으로부터 투사 에너지의 파두 방향을 결정하도록 해준다. 안테나 소자의 성능은 각각의 어레이(102 및 104)내의 안테나 소자의 수 및 간격을 변경시킴으로써 최적화될 수 있다. 2개 이상의 안테나 어레이를 사용하면 이후 기술될 경로의 때응 수를 정하는 도달각의 대응 수를 달성할 수 있다. 도달각의 교차점은 도로상에서 차량 트랜스폰더(106)의 위치를 나타낸다. 이용된 안테나 어레이의 수는 가격-성능의 상호 보완과 같은 표준치에 의해 결정된다.
각각의 안테나 어레이(102 및 104)의 출력 신호는 각각의 안테나 어레이내의 안테나 소자(112,114,116 또는 118,120,122)의 수와 같은 다수의 아날로그 신호(예를 들면, RF 신호)를 포함한다. 각각의 안테나 어레이(102 및 104)는 제2도에 도시된 바와 같이 대응하는 수신기(107 및 108)에 각각의 아날로그 신호를 송신한다. 따라서, 안테나 소자(112,114 및 116)에 의해 발생된 아날로그 신호는 수신기(107)로 프로세스하기 위해 송신되고, 안테나 소자(118,120 및 122)에 의해 발생된 아날로그 신호는 수신기(108)로 프로세스하기 위해 송신된다. 각각의 수신기(107 및 108)은 복수의 프로세싱 채널을 포함한다. 제2도에 예시딘 실시예에서, 각각의 수신기(107 및 108)은 3개의 프로세싱 채널을 포함한다. 따라서, 수신기(107)은 숫자(128,130 및 132)로 표시된 채널(A,B 및 C)를 포함한다. 이와 유사하게, 수신기(108)은 숫자(134,136 및 138)로 표시된 채널(D,E 및 F)를 포함한다.
각각의 프로세싱 채널(128,130,132,134,136 및 138)은 각각의 안테나 어레이(102 및 104)로부터 수신된 아날로그 신호를 증폭 필터하는데 이용된다. 프로세싱 채널(128,130,132,134,136 및 138)의 수는 안테나 어레이 소자(112,114,116,118,120 및 122)의 수와 같다. 따라서, 각각의 프로세싱 채널의 기능은 간섭 및 관련없는 신호를 제거하기 위해 대응하는 안테나 소자로부터 수신된 아날로그 신호를 증폭 및 필터하는 것이다. 간섭 및 관련없는 신호의 예는 동일 주파수 대역에서 동작하는 다른 송신된 신호와 노이즈를 포함한다.
대응하는 프로세싱 채널(128,130,132,134,136 및 138)에 의한 각각의 아날로그 신호의 증폭 및 필터링은 또한 신호-노이즈 비율을 향상시키고, 아날로그 신호의 진폭을 증가시키는데 이용된다. 아날로그 신호의 증폭은 트랜스폰더 탐지 및 (100) 내부의 후속 프로세싱 스테이지를 적절히 동작시키는데 필요하다. 각각의 프로세싱 채널로부터 송신된 신호는 향상된 신호- 노이즈 비율로 필터되어 증폭된 아날로그 신호이다. 각각의 수신기(107 및 108)의 기능을 수행할 수 있는 구조의 예는 다중 패널 수퍼혜테로다인 수신기이다.
각각의 프로세싱 채널(128,130,132,134,136 및 138)로부터 필터되어 증폭된 아날로그 시호는 제2도에 도시된 바와 같이 대응하는 위상 비교기(140 및 142)로 향하게 된다. 따라서, 프로세싱 채널(128,130 및 132)로부터의 아날로그 신호는 위상 비교기(140)으로 향하게 되고, 프로세싱 채널(134,136 및 138)로부터의 아날로그 신호는 위상 비교기(142)로 향하게 된다. 각각의 위상 비교기(140 및 142)의 기능은 대응하는 수신기(107 및 108)의 채널 사이의 위상각을 비교하는 것이다. 특히, 위상 비교기(140)은 프로세싱 채널(128,130 및 132)로부터 아날로그 신호 사이의 위상각을 비교하고, 위상 비교기(142)는 프로세싱 채널(134,136 및 138)로부터 아날로그 신호 사이의 위상각을 비교한다.
동일한 수신기(107 및 108)의 2개 채널 사이의 위상각 차는 2개의 채널과 관련된 2개의 안테나 소자 사이의 파두 도달각을 계산하기 위해 사용된다. 2개의 채널의 아날로그 신호간의 위상각 차이가 상대적이므로, 절대 위상 기준은 필요하지 않다. 각 수신기(107 및 108)의 프로세싱 채널중 하나가 기준 프로세싱 채널로 선택된다. 따라서, 잔여 채널의 각 아날로그 신호는 수신기(107 및 108)에 대응하는 기준 채널의 아날로그 신호와 비교된다. 제1도 및 제2도에 도시된 3개 소자의 안테나 어레이(102 및 104)에서, 각각의 위상 비교기(140 및 142)의 위상차 신호를 후술하는 것처럼 결정한다. 참조 번호(128)에서의 채널 “A”가 기준 위상으로 선택된다면, 위상 비교기(140)으로부터의 위상차 신호는 참조 번호(128)에서의 채널 “A”와 참조 번호(30)에서의 채널 “B”로부터의 아날로그 신호의 위상간의 차이 및 참조 번호(128)에서의 채널 “A”와 (132)에서의 채널 “C”로부터의 아날로그 신호의 위상간의 차이를 포함한다.
이와 같이, 참조 번호(134)에서의 채널 “D”가 기준 위상으로 선택된다면, 위상 비교기(142)로부터의 위상차 신호는 참조 번호(134)에서의 채널 “D”와 참조 번호(136)에서의 채널 “E”로부터의 아날로그 신호의 위상간의 차이 및 참조 번호(134)에서의 채널 “D”와 참조 번호(136)에서의 채널 “F”로부터의 아날로그 신호의 위상간의 차이를 포함한다. 위상 비교기(140 및 142)에 의해 결정된 위상차 신호는 각 안테나 어레이(102 및 104)의 서로 다른 안테나 소자에 도달하는 신호 파두간의 전기적 위상차의 아날로그 또는 디지탈 표시로 될 수 있다. 위상 비교기(140 및 142)의 함수를 수행할 수 있는 구성의 예는 이중 밸런스 혼합기이다. 위상차 신호가 서로 다른 안테나 소자에 도달하는 신호 파두간의 전기적 위상차의 아날로그 표현이라면, 아날로그 표현은 아날로그-디지탈(A/D) 변환한다. A/D 변환은 서로 다른 안테나 소자에 도달하는 신호 파두간의 전기적 위상차의 디지탈 표현을 제공한다.
전기적 위상차의 디지탈 표시와 사용된 안테나 소자의 형태를 기술하는 데이타의 디지탈 표시를 합한 것은 한 쌍의 기지의 도달각 계산 프로세서(141 및 143)에서 계산이 수행되도록 이용된다. 계산의 목적은 전기적 위상 차이의 디지탈 표현을 디지탈 공간 위상 측정으로 변환하기 위한 것이다. 디지탈 공간 위상 측정은 그후의 결정, 예를 들면, 차량 트랜스폰더 신호의 도달각을 정하기 위해 활용된다. 디지탈 공간 위상 측정을 제공하는 계산은 위상 간섭계 계산과 같은 분야에서 공지된 알고리즘에 의해 수행되고 다음의 식으로 표현된다.
Θ=ArcSin(Φτ/2πL)(1)
여기서, Θ는 전방으로부터 측정된 공간 도달각이고, Φ는 전기적 위상차, τ는 파두 주기의 파장이며 L은 안테나 소자(112,114,116,118,120 및 122)사이의 떨어진 거리이다. 넓은 공간을 갖는(즉, 다중 반파장) 안테나 소자의 사용은 시스템 감도를 높일 수 있으나 위상이 모호하게 되는 결과가 될 수도 있다. 따라서, 서로 다른 안테나 소자에 도달하는 신호 파두간의 전기적인 위상차와 공간 위상 측정의 값 사이의 관계는 유익하게 사용된다. 디지탈 공간 위상 측정갑시 출력 신호일 때, 각각의 위상 비교기(140 및 142)는 도달각 계산 프로세서(141 및 143)에 대응하는 입력을 각각 제공한다.
각각의 도달각 계산 프로세서(141 및 143)에 의해 제공된 디지탈 공간 위상값은 제2도에 도시된 바와 같이 위치 계산 프로세서(144)에 각각 전송된다. 이것은 신호 파두를 전파하는 차량 트랜스폰더(106)의 방향으로 놓여있는 안테나 어레이에 도달하는 신호 파두에 교차하게 구성된 라인 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 신호 파두가 다수의 안테나 어레이(102 및 104)에 의해 저지될 때, 신호 파두와 교차하는 라인의 대응 수가 구성될 수 있다. 공간내의 다수의 라인의 교점은 차량 트랜스폰더(106)의 위치를 나타낸다. 위치 계산 프로세서(144)에 의해 수신된 각 디지탈 공간 위상값은 차량 트랜스폰더(106)과 각 안테나 어레이(102 및 104) 사이의 공간내의 라인을 나타낸다. 제2도에 도시된 예에서, 위상 비교기(140)에 의해 제공된 위상 비교는 제1라인을 나타내는 제1디지탈 공간 위상값을 제공하기 위해 도달각 계산 프로세서(141)에 의해 사용되고, 위상 비교기(142)에 의해 제공된 위상 비교는 제2라인을 나타내는 제2디지탈 공간 위상값을 제공하기 위해 사용된다.
위치 계산 프로세서(144)는 마이크로프로세서로 될 수 있고 공간내의 2개 라인의 교점을 계산하기 위해 이용된다. 2개의 직선의 교점을 구하기 위한 분야에서 공지된 소정의 수학 공식 또는 알고리즘은 본 응용에서도 적절하다. 2개의 직선의 교점을 결정하기 위한 위치 탐지 방정식의 한 예를 제3도를 참조하여 기술할 것이다. 표준 X축과 Y축 정렬을 갖는 카이티이젼 좌표 시스템이 제3도에 도시된다. 또한, 2개의 안테나 어레이(102 및 104)는 안테나 어레이(102)가 음의 X축상에 나타나고 안테나 어레이(104)는 양의 X축상에 나타나는 수평의 X축 평면내에 놓여 있다고 가정된다. 제1직선 Y1은 차량 트랜스폰더(106)에서 X축과 양의 내부 예각 Θ1을 이루는 안테나 어레이(102)까지 연장한다고 가정된다. 마찬가지로, 제1직선 Y2역시 트랜스폰더(106)에서 X축과 음의 내부 예각 Θ2를 이루는 안테나 어레이(104)까지 연장한다고 가정된다.
트랜스폰더(106)과 안테나 어레이(102) 사이에 연장되는 제1직선 Y1은 다음식에 의해 정의된다.
Y1=A1X+B1(2)
여기서, A1은 Θ1의 기술기인 TanΘ1과 같고, B1은 수직의 Y축을 갖는 제1직선 Y1의 교점과 동일하다. 마찬가지로, 트랜스폰더(106)과 안테나 어레이(104) 사이에 연장되는 제2직선 Y2는 다음식에 의해 정의된다.
Y2=-A2X+B2(3)
여기서, A2는 Θ2의 기울기인 TanΘ2와 같고, B2는 수직의 Y축을 가진 제2직선 Y2의 교점과 동일하다. 각 Θ1및 Θ2는 각각 도달각 계산 프로세서(141 및 143)내의 식(1)의 위상 간섭계 계산에 의해 계산된 제1 및 제2도달각을 나타낸다. 2개의 직선의 교점은 각각,
X0=[(B2-B1)/(TanΘ1+TanΘ2)](4)
이고
Y0=[(B2-B1)TanΘ1/(TanΘ1+TanΘ2)]+B2(5)
인 좌표(X0,Y0)를 갖는 차량 트랜스폰더(106)의 위치에서 생긴다.
위치 계산 프로세서(144)는 제2도에 도시된 바와 같이, 참조 번호(146)으로 표기된 라인상에 나타나는 위치 출력 신호를 발생한다. 위치 출력 신호는 본 기술 분야에 공지된 적절한 좌표 시스템을 사용한 도로상의 트랜스폰더(106)의 위치를 나타내는 디지탈 신호이다. 신호에 응답하는 신호 트랜스폰더로부터 발생된 위치 출력 신호를 활용하면, 트랜스폰더(106)의 위치는 고정될 수 있다. 이런 정보는 예를 들어, 컴파운드(compound), 조선소 또는 철도 야적장에 적재된 추차 차량, 화물 콘테이너 또는 기차내에 장착 또는 포함된 정지 트랜스폰더의 위치를 확인하는데 유용하다. 그다음 위치 출력 신호는 차량으로부터 전자식으로 요금을 징수할 때 물품을 탐지할 때 또는 배나 기차에 의해 운송되는 화물을 처리할 때 이용될 수 있는 트랜스폰더 위치 프로세서 장치(147)에 전송된다.
비정지 트랜스폰더(106)의 위치는 트랜스폰더의 연속적인 측정으로써 결정된다. 차량 트랜스폰더(106)이 도로를 따라 이동함에 따라, 차량 “추적”이 설정될 수 있다. 차량 추적과 관련된 데이타의 사용은 차량 트랜스폰더(106)이 제1도에 도시된 통로(150) 양쪽에 설치된 표시된 검출 라인(148)을 가로지를 때 평가치 계산을 가능하게 한다. 검출 라인(148)을 따라 설치된 감지기 장치(152)와 결합된 차량 추적 데이타가 존재하면, 차량이 트랜스폰더(106)를 장착하고 도로를 사용할 수 있도록 허용한다. 센서 장치(152)는 예를 들어, 유도 루프, 비데오 루프 또는 레이다 검출기이다.
도로를 이용하는 모든 차량이 트랜스폰더를 장착하지는 않기 때문에 차량 “추적”은 중요하다. 트랜스폰더가 장착된 차량만이 도로를 이용하도록 허가되고 이런 차량들만이 도로 사용에 대해 전자식으로 요금이 징수된다. 트랜스폰더가 장착되지 않은 차량은 전자식으로 요금이 징수될 수 없으며, 본 발명에서는 다루지 않는, 요금이 없는 도로를 사용할 수 있다. 센서 장치(152)에 의해 검출선(148)을 가로지를 때 차량에 대한 추적 데이타의 부재가 감지되고, 차량의 인식을 위해 동작이 전개된다. 동작은 요금 징수자에게 경고하기 위해 차량 번호판을 사진 촬영하거나 가청 또는 가시 경보를 동작시키는 형태로 가능하다.
전자식 요금 징수 응용에 사용하기 위한 차량 “추적”은 일반적으로 다음과 같은 방법으로 제공된다. 안테나 어레이(102 및 104)는 차량 트랜스폰더(106)이 도로를 따라 이동함에 따라 동일한 차량 트랜스폰더(106)으로부터의 일련의 응답 신호를 수신한다. 응답 신호들은 상술한대로 프로세서된다. 각각의 프로세스된 응답 신호에 대한 디지탈 위치 출력 신호는 제2도에 도시된 트랙스폰더 추적 장치(154)에 전송된다. 추적 장치(154)는 트랜스폰더(106)의 순차 측정이 위치와 시간내의 이전 또는 이후의 측정마다 다르다. 순차 위치 출력 신호의 위치 및 시간차는 적절한 차량 트랜스폰더(106)의 속도 및 방향 계산을 가능하게 한다.
따라서, 트랜스폰더(106)과 그에 따른 차량의 “추적”은 다음 식을 사용하여 설정된다.
V=(δP/δT)(6)
여기서 V는 트랜스폰더(106)의 속도(즉, 크기와 방향)을 표시하는 벡터이고, δT는 차량 트랜스폰더(106)의 전송 시간 차이고, δP는 트랜스폰더(106)의 좌표 시스템(즉, 예를 들어 X-Y)에서의 위치의 변화이다. 위치 파라메터는 트랜스폰더(106)의 단일 수신 신호의 수신에 의해 제공된 단일 위치 출력 신호에 의해 결정될 수 있다. 트랜스폰더 응답 신호의 순차 수신은 추적 장치(154)에서 제2도에 도시된 트랜스폰더 위치 프로세서 장치(147)까지 도식적으로 설명하는 트래킹 데이타(즉, 위치, 속도 및 방향)를 제공한다. 트랜스폰더 위치 제어 장치(147)은 차량 트랜스폰더(106)이 언제 통로(150)내의 탐지 라인(148)을 통과하는지 평가를 제공하기 위해 추적 데이타를 사용한다.
트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)은 모든 차량 트랜스폰더(106)이 도로를 따라 이동할 때의 공간적 위치 또는 배치를 추적하거나 식별하는 기능을 한다. 동작할 때, 차량에 장착된 트랜스폰더(106)를 갖는 차량은 전자식 요금 징수 시스템의 포획 영역내로 들어간다. 자동차 트랜스폰더(106)이 도로를 따라 이동 할 때, TDMA 통신 네트워크에 의해 사용되는 프로토콜이 각각의 트랜스폰더에 특정이 전송 시간을 배정하고 차량으로부터 전자식으로 요금을 징수하기 위해 사용된다. 차량 트랜스폰더(106)이 전송할 때, 다중 안테나 어레이(102 및 104)에 의해 응답 신호가 수신되고, 신호의 도달각이 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)에 의해측정된다. 안테나 어레이(102 및 104)는 제1도에 도시된 바와 같이 도로를 가로질러 떨어져 있다.
다중 아테나 어레이(102 및 104)에 의한 도달각의 측정은 수신기(107 및 108)에서 증폭 및 필터링되어 위상 비교기(140 및 142)에 합류된다. 도달각 계산 프로세서(141 및 143)은 수신된 트랜스폰더 신호의 도달각을 발생하기 위해 사용된다. 그다음, 위치 계산 프로세서(144)를 차량 트랜스폰더(106)의 위치를 결정하기 위한 위치 출력 신호를 발생하기 위해 이용된다. 주기적으로, TDMA 네트워크 프로토콜은 각각의 트랜스폰더 응답 신호를 동작시킨다. 다시 안테나 어레이(102 및 104)가 신호를 수신하기 위해 사용되고, 트랜스폰더 탐지 및 추적 시스템(100)은 다시 한번 트랜스폰더(106)의 위치를 결정한다.
위치 계산 프로세서(144)에 의해 제공된 위치 측정(즉, 위치 출력 신호)은 차량 트랜스폰더(106)의 속력과 방향을 평가하도록 차량의 “추적”을 이루기 위해 사용된다. 차량 트랜스폰더(106)이 센서 장치(152)에 의해 검출될 때까지 추적은 계속된다. 차량 추적 데이타 및 계산된 속도(즉, 속력 및 방향)은 차량 트랜스폰더(106)이 언제 어디서 도로의 탐지선(148)을 지나는지를 예상하는데 사용된다. 감지 신호와 결합된 추적 데이타는 차량이 도로를 사용하도록 허가되었음을 표시한다. 만일 차량이 센서 장치(152)에 의해 검출 라인(148)에서 검출되고, 대응하는 추적 데이타가 추적 장치(154)로부터의 트랜스폰더 위치 프로세서(147)에 사용할 수 없는 경우, 차량은 차도를 사용하도록 허가되지 않는 것으로 가정한다. 이러한 상황에서, 트랜스폰더의 위치 프로세서 장치(147)에 의해 음성 또는 시각 경보(156)을 가동시키고, 자동차 번호판을 촬영하기 위해 카메라를 작동시키거나 제2도에 도시된 바와 같이 디스플레이 모니터(160)상에 차량의 영상을 발생시키는 수정 동작이 설정된다.
본 발명은 종래의 자동화된 요금 징수 및 추적 시스템 보다 앞선 장점을 제공한다. 이러한 장점은 공개된 도로상에서, 고속으로, 차선 변경의 제한없이 차량 트랜스폰더(106)으로부터 전자식으로 요금을 징수하는 것을 포함한다. 더 나아가, 물리적인 요금 징수 장애물의 사용이 불필요하다. 따라서, 도로상의 교통 흐름을 방해할 필요가 없다. 더 나아가, 트랜스폰더의 탐지 및 추적 시스템(100)은 TDMA 네트워크에 의해 수행되는 전자식 요금 징수 프로세스와 양립될 수 있는 향상된 기술을 제공한다.
본 발명의 다른 중요한 장점은 통로를 교차하여 판독 문제가 없다는 것이다. 차량 트랜스폰더(106)의 응답 신호 전송이 시잔적으로 분리되고 TDMA 네트워크에 의해 떨어져 있지 않으므로 통로를 교차하여 판독하는 문제가 없다. 제1신호의 도달각을 결정함으로써 차량 트랜스폰더(186)의 위치가 결정된다. 제2도달각의 측정은 마찬가지로 트랜스폰더(106)의 위치를 결정한다. 제1 및 제2도달각의 2개의 측정은 지리적으로 분리되어 있다. 역으로 종래 기술에 사용된 안테나 형태는 트랜스폰더의 위치를 결정하기 위해 자유 공간 경로 손실에 의존하였다. 특이한 점은 본 발명에 의해 결정된 제1 및 제2도달각은 위치 계산 프로세서(144)에 의해 제공되는 위치 출력 신호에 의해 표시되는 공간 라인상의 상이한 점인 것이다. 종래 기술에 사용된 안테나 형태는 유일한 어드레스(즉 공간 라인상의 점들)가 아닌 트랜스폰더가 위치하는 공간내의 일정 영역만을 식별하였다.
따라서, 특별한 응욕을 위해 특별한 실시예를 참조하여 본 명세서에 본 발명을 예시하였다. 본 기술 영역에서 통상의 기술을 가진자는 본 발명의 영역에 속하는 추가적인 변경, 응용 및 실시가 가능할 것 이다. 상세한 설명이 전자식 요금 징수만을 지향하였으나, 본 발명은 트랜스폰더(106)이 내장된 창고 또는 선적장내의 화물 콘테이너 또는 환승 야적장내에 정차한 철도 차량에도 응용할 수 있다.
따라서 첨부된 특허 청구의 범위는 본 발명의 영역에 속하는 이와 같은 변경, 응용 및 실시예를 포함하는 것으로 한다.

Claims (10)

  1. 차량 위에 장착된 트랜스폰더(106)으로부터 신호를 수신하고 다수의 안테나 소자의 전기 신호를 제공하기 위해 각각 다수의 구성 소자(112,114,116,118,120,122)를 갖는 동조된 안테나 어레이(102,104)를 요금 징수대에 장착한 요금 징수 시스템과 함께 사용하기 위한 차량 탐지 시스템(100)에 있어서, 상기 전기 신호에 응답하여 다수의 위상차 신호를 제공하도록 상기 전기 신호의 위상을 비교하기 위한 다수의 위상 검출기(140,142), 상기 차량 트랜스폰더 신호의 도달각을 정하도록 위상차 신호를 공간 신호로 변환하기 위한 다수의 도달각 계산 프로세서(141,143) 및 상기 정해진 도달각에 응답하여 상기 차량의 위치를 나타내는 출력 신호를 제공하기 위한 위치 계산 프로세서(144)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  2. 제1항에 있어서, 상기 동조된 안테나 어레이(102,104)가 2개 이상의 안테나 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 위상 검출기(140,142)가 2개 이상의 위상 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 다수의 위상 검출기(140,142)가 2중 밸런스 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  5. 제1항에 있어서, 상기 위치 계산 프로세서(144)가 마이크로프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  6. 제1항에 있어서, 상기 안테나 소자의 전기 신호를 증폭 및 필터링하기 위한 수신기 프로세싱 장치(107,108)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  7. 제1항에 있어서, 다중 채널 슈펴 헤테로다인 수신기(107,108)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  8. 제1항에 있어서, 상기 위치 계산 프로세서(144)로부터 다수의 상기 출력 신호를 수신 및 기억하고 상기 차량의 위치를 추적하기 위한 다수의 위치 파라메터값을 제공하기 위한 추적 장치(154)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  9. 제1항에 있어서, 상기 차량의 위치를 평가하도록 상기 출력 신호 및 다수의 위치 파라메터값을 사용하기 위한 트랜스폰더 위치 프로세싱 장치(147)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
  10. 제1항에 있어서, 상기 차량의 존재를 알리기 위한 센서 장치(152)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 탐지 시스템(100).
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