NL1029590C2 - Systeem voor detectie, locatie en identificatie door middel van frequency hopping en fasemeting. - Google Patents

Description

- 1 - i i

Systeem voor detectie, locatie en identificatie door middel van frequency hopping en fasemeting.

De uitvinding betreft toepassingen waarin het lokaliseren van dieren centraal staat, 5 eventueel uitgebreid met een identificatiefunctie. Een eerste toepassing betreft het opsporen van vrijlopende kleine huisdieren, zoals bijvoorbeeld katten. Een tweede toepassing is in de veehouderij waar bijvoorbeeld de bewegingen van koeien in een stal of in een wei geregistreerd moeten worden. Een verdere toepassing is in biologisch onderzoek, de zogenaamde biologische telemetrie, waarin de bewegingen van bepaalde 10 dieren in het vrije veld gevolgd moeten kunnen worden.

In al deze toepassingen gaat het om het lokaliseren van dieren, goederen en mensen, waarbij draadloos o.m. de afstand van het object tot één of meer ondervraageenheden gemeten moet kunnen worden.

15

De uitvinding maakt gebruik van een afstandsmetingsmethode die gebaseerd is op het meten van frequentieafhankelijke faseverschillen, zie figuur 1. Daarbij wordt een ononderbroken draaggolf 1 uitgezonden door zendantenne 2, onderdeel van ondervraageenheid 3. Draaggolf 1 varieert in frequentie. Dat variëren kan op 20 verschillende wijzen gebeuren, bijvoorbeeld door middel van een frequentiezwaai. De voorkeursmethode is echter door middel van frequentiestappen, het zogenaamde frequentiehoppen.

Indien het signaal gereflecteerd wordt aan een voorwerp of dier 4 zal de ondervraageenheid 3 een signaal 5 terugontvangen. Zenderschakeling 6 wekt het 25 draaggolfsignaal op dat in frequentie gestuurd wordt door frequentiesynthesizer 7.

Beide signalen worden in een detectorschakeling 9 met elkaar vermenigvuldigd, zodat er een uitgangsspanning ontstaat die gerelateerd is aan het faseverschil. Dit faseverschil is evenredig met de looptijd van het signaal, van zender naar voorwerp en van voorwerp 30 terug naar de ontvanger, dus evenredig met de afstand tussen zender/ontvanger en het voorwerp. Meetschakeling en microprocessor 10 bepaalt aldus de afstand, bestuurt de ondervraageenheid en communiceert de resultaten naar buiten.

1029590 - 2 -

Indien het voorwerp een radiale snelheid heeft t.o.v. de zend/ontvanger zal de fase constant verlopen, hetgeen betekent dat er een verschilfrequentie onstaat. Deze verschilfrequentie is gelijk aan de dopplerverschuiving, en is evenredig met die snelheid.

5 Bovengenoemde werkwijze is geschikt voor voorwerpen die een sterk reflecterend vermogen hebben, zoals schepen en vliegtuigen. Echter het reflecterend vermogen van het lichaam van een dier, of mens of dat van de meeste goederen is gering, en is niet onderscheidend ten opzichte materialen 11 in de directe omgeving. Dat betekent dat een gereflecteerd signaal van een dergelijk object verdrinkt in signalen 12, gereflecteerd door 10 de omgeving, in de radar terminologie aangegeven met het woord 'dutter'.

De uitvinding wordt verder beschreven aan de hand van figuren.

Figuur 1 geeft een schematisch beeld van het bekend zijnde afstand meetprincipe.

Figuur 2 geeft een schematisch beeld van een eerste uitvoeringsvorm van een label zoals 15 gebruikt in de uitvinding.

Figuur 3 geeft een blokschema van een eerste uitvoeringsvorm van een ondervragings-zender/ontvanger volgens de uitvinding.

Figuur 4 geeft een schematisch beeld van een tweede uitvoeringsvorm van een label zoals gebruikt in de uitvinding.

20 Figuur 5 geeft een blokschema van een tweede uitvoeringsvorm van een ondervragings-zender/ontvanger volgens de uitvinding.

Figuur 6 geeft een schematisch beeld van een derde uitvoeringsvorm van een label zoals gebruikt in de uitvinding.

Figuur 7 geeft een blokschema van een uitgebreide ondervragingszender.

25

Het is het doel van de uitvinding een zodanige modificatie in de bekende werkwijze aan te brengen dat aan het dier een duidelijk herkenbaar signaal gereflecteerd wordt. Daartoe wordt het dier van een elektronisch label voorzien. Dit label, schematisch weergegeven in figuur 2 met nummer 13, bestaat uit een in de ffequentieband van het ondervragings-30 signaal functionerende antenne 14, bijvoorbeeld een dipool, een labelmodulator 15, en een signaalbron 16. Deze signaalbron wekt een subdraaggolf fsub op, bijvoorbeeld 66,5 i 1029590 i - 3 - ' kHz, die vervolgens wordt toegevoerd aan de Iabelmodulator. De modulator 15 bestaat bijvoorbeeld uit een diode 17, die de beide helften van de dipoolantenne met elkaar verbindt. Door nu beurtelings een voorwaartse spanning op de diode aan te brengen, en

J

dan weer een spanning in de sperrichting, gaat de diode voor de hoogfrequente spanning, 5 opgevangen door de dipoolantenne, geleiden dan wel sperren. Daarmee wordt de impedantie van de antenne gemoduleerd in het ritme van de subdraaggolffrequentie. Batterij 18 voedt de elektronische schakeling in het label.

Indien het zendsignaal van de ondervraageenheid wordt opgevangen door de antenne in 10 het label, zal deze antenne dit signaal opnieuw uitstralen. Dit verschijnsel wordt ’backscatter' genoemd. De mate waarin dat optreedt, is afhankelijk van de impedantie van de antenne. Doordat de impedantie gemoduleerd is met de subdraaggolffrequentie, zal ook het heruitgezonden signaal daarmee gemoduleerd zijn. Dat betekent voor het spectrum van dat 'backscatter' signaal dat het bestaat uit de oorspronkelijke 15 draaggolffrequentie, met aan weerszijden daarvan twee zijbandfrequenties, flsb en fusb op afstand gelijk aan de subdraaggolffrequentie van de draaggolf.

De ontvanger ontvangt deze twee zijbandcomponenten, en vermenigvuldigt ze met het draaggolfsignaal fc in een zogenaamde kwadratuurmixer. Deze kwadratuurmixer bestaat 20 uit twee mixer schakelingen, waarbij het draaggolfsignaal met onderling 90 graden faseverschil geïnjecteerd wordt. Elke mixer heeft een eigen uitgang, waarbij de ene uitgang het I-kanaal wordt genoemd (In fase), en de andere het Q-kanaal (Quadrature). In het Q-kanaal wordt vervolgens een 90 graden faseverschuiving gemaakt, waarna het signaal in het I-kanaal, en het faseverschoven signaal in het Q-kanaal worden opgeteld, en 25 in een parallelle kanaal worden afgetrokken. Deze werkwijze, bekend als de zogenaamde fase-methode voor het detecteren van enkelzijband, of onafhankelijke zijband, gemoduleerde signalen, scheiden de signalen in het I- en het Q-kanaal in een signaal, afkomstig van de bovenzijband, en in een signaal, afkomstig van de onderzijband van het ontvangen signaal van het label.

30

Het is een onderdeel van de uitvinding dat het faseverschil tussen het gedetecteerde boven- zijbandsignaal, hierna ook aangeduid met USB, en het gedetecteerde onder- 1029590 - 4 - zijbandsignaal, hierna ook aangeduid met LSB, bepaald wordt. Verder is het een onderdeel van de uitvinding dat de draaggolfifrequentie gevarieerd wordt, en bovenbedoeld faseverschil bepaald wordt bij elke draaggolfifrequentie.

5 De berekening van de relatie faseverschuiving en afstand vindt als volgt plaats.

De zender zendt een ondervraagsignaal uit met draaggolffrequentie cuc, waarbij a>c = Ijtfc- Na een afstand d\ afgelegd te hebben tussen zender en label bedraagt de faseverschuiving van dat ondervraagsignaal ψ\. In het label wordt het ondervraagsignaal in amplitude gemoduleerd met een subdraaggolfifrequentie cosc.

10 Deze AM modulatie ter plekke van het label resulteert in twee zijband componenten, USB en LSB: S(t) = 2Atag · sin (a)sct) · cos (a>c + φχ) = Atag [sin ((a>sc + a>c)t + ψχ) + sin ((cosc - a>c)t - <?i)] = Atag [sin ((tt)c + a>sc)t + ψχ) - sin ((ω0 - a)sc)t + ς?ι)] 15 USB LSB (1)

Na een afstand d2 afgelegd te hebben tussen label en ontvanger bedraagt de faseverschuiving van dat antwoordsignaal φ2. Bij ontvangst in de ontvanger wordt het heruitgezonden signaal S (t) van het label in de ontvanger mixer vermenigvuldigd met 20 cos (ωεή (I-kanaal), en sin (a>ct) (Q-kanaal), en met weglating van de som frequentie termen levert dat op:

Draaggolf, I-kanaal:

Sj (/) = A · cos {(üct + φχ + φ2) · cos (a)ct)

A

= - · cos(<pi + <p2) (2) 25

Draaggolf, Q-kanaal:

ScQ(t) - A · cos(a)ct + <pi + φ2) · sin(wct) i (3) 1029590 - 5 - - sin(?l + ^¾) USB, I-kanaal:

A

Susbl(t) = 2 · sin ((ö>c + <xv)i + <pi + <?w>) · cos (mct) A . , = - · sin (u)sct + <pi + cpusb) (4) 5 USB, Q-kanaal:

A

SusbQ (t) = - · sin ((o>c + a>sc) t + <ρι + φ^) · sin (ωεή = ^ · COS (ajsct + φι + <Pusb) (5)

In Q-kanaal 90 graden fase verschuiven: ^4 S^bQ' (t) = -- · sin (ojsct + φι + cpusb) (6) 10 Som van I- en verschoven Q-kanaal:

Susb(t) = 0

Verschil van I- en verschoven Q-kanaal:

A

$usb (0 ~ ^ * COS (0)sct + ψ\ + (Push) (7) 15 LSB, I-kanaal:

Sisbl (0=2* ~sin ~ 1 + + Φι*ώ * cos (ω«0 A . , = - · -sin (-ω*+ + φι + ψι,φ)

A

= - · sin (a)sct - φι - φι*) (8) 20 LSB, Q-kanaal:

A

^Q (/) = - · -sin ((cuc - cüiC)/ + 99,+ 0>ω) · sin (cocr) 1 029590

- 6 -A

= - · -COS ( (Osct + Ψ\ + <Plsb) = -^ · COS ((Dsct - <pi - (plsb) (9)

In Q-kanaal 90 graden verschuiven:

SlsbQ (t) = - · sin (o>sct - (pi - tpisb) (10) 5 Som van I- en verschoven Q-kanaal:

Sisb(t) = - · sin (a)sct - φι - φιΛ) (11)

Verschil van I- en verschoven Q-kanaal:

Slsb(t) = 0

Hiermee houden we twee kanalen over waarvan de ene het boven-zijbandsignaal (USB) 10 voert en de ander het onder-zijbandsignaal (LSB).

Dus na zijbandfïltering blijven er de volgende termen over:

A

Susb (*) = -· COS (cOsct + ψ] + (push) (7)

A

Snit) = - · sin(ajsct - φι - <pltb) (H)

Het faseverschil tussen het gedemoduleerde USB en LSB signaal wordt nu: 1 5 ^(pusb - Isb — ^-SUsb if) ~ Isb (0 ψΐ "t" (pusb ( ψ\ (Plsb) = 2(p\ + (pusb + <pisb (12) 20 Nu worden de fasehoeken bepaald door: <Pi = y · 360 [°] — QAl · 360 [°] 300 1029590 - 7 - if c f sc) ^z:rv roi 300 3601 1 (14)

ψΜ = i2(f'mfx)' 360 ri US

waarin d\ de afstand van de zender naar het label is, en d2 de afstand van het label naar de ontvanger, ƒ in MHz.

5 Substitutie in (12) resulteert in: 360 ktpusb-isb = 2(c/i + d2)fc · — [°] (16)

Het faseverschil tussen het boven-zijband- en het onder-zijbandsignaal is aldus evenredig met de som van de afstanden d\ + d2 en met de draaggolffrequentie fc. De frequentie van de subdraaggolf speelt geen rol.

10 Voor een draaggolffrequentie van bijvoorbeeld 865 MHz betekent dat dat een verandering in d\ + d2 van 0,17 m een fasedraaiing van 360 graden veroorzaakt.

Dit is te gevoelig voor een positiebepalingsysteem. Om toch op wat grotere afstand eenduidig afstanden te kunnen meten, kunnen we de draaggolf frequentie a>c moduleren, 15 en dan de modulatie in de faseverschuiving Αφ^ - isb bepalen.

Indien de draaggolffrequentie gevarieerd wordt ter grootte Afc ontstaat een verandering in de faseverschuiving ter grootte van: 360 A(Afc)(A<Pusb-isb) = 2 {dx + d2)Afc · — [ ] (17) ! 20 Het blijkt aldus dat de afstandsgevoeligheid afhangt van Af, Een Af = 3 MHz geeft nu een maximaal eenduidige afstand van (d\ + ¢/2)300 = 50 m, en 150 m voor frequentieverschil van 1 MHz.

De ontvangeringang volgens de uitvinding, zie figuur 3, bestaat uit een kwadratuur 25 mixerschakeling 19 waarin de ontvangen signalen vermenigvuldigd worden met draaggolf fc. Dan ontstaan aan de uitgang de verschilfrequentie producten f]sb, en fusb, alsmede de somproducten fsc+ 4b en fsc + fusb. In fase-verschuivingsnetwerken 20 en 21, gevolgd door de banddoorlaatfilters 22 worden de frequentiecomponenten 4b» en 4sb 1029590 - 8 - doorgelaten. De somproducten worden verwijderd, evenals alle laagfrequente producten. Hiermee wordt dus ook alle dutter verwijderd. De overblijvende signalen zijn alleen van het label afkomstig. Deze worden toegevoerd aan een fasevergelijkerschakeling 23. Het uitgangssignaal daarvan is in principe een gelijkspanning. Laagdoorlaatfilter 24 filtert ruis 5 en frequentiecomponenten afkomstig van de ontvangen signalen af en laat alleen de uitkomst van de fasemeting door naar DSP-processor 25. In de praktische oplossing zijn de fasevergelijking 23 en laagdoorlaatfilter 24 opgenomen in het signaalbewerkings-algorithme dat in DSP-processor 25 draait. Microprocessor 26 berekent de afstand uit de gemeten frequentiegegevens, bestuurt de ondervraageenheid, en communiceert de 10 meetresultaten naar buiten.

Microprocessor 26 bestuurt ook de frequentiesynthesizer 7, en bepaalt daarmee de draaggolfïfequentie fc. Het wijzigen van de draaggolffrequentie, essentieel in deze uitvinding, wordt dus bestuurd door microprocessor 26.

15

In de hierboven beschreven werkwijze wordt alleen de afstand tussen ondervraageenheid en label 13 gemeten. Alle labels zijn daarin identiek, zodat afzonderlijke voorwerpen en dieren niet onderscheiden kunnen worden. In sommige toepassingen kan dat voldoende zijn, maar in andere toepassingen, bijvoorbeeld in een volgsysteem voor een kudde koeien 20 in een wei of stal, moeten afzonderlijke dieren gevolgd kunnen worden. Daartoe wordt de schakeling in een uitgebreide label 24 voorzien van een codegenerator 31, zie figuur 4, die een geheugen, met daarin opgeslagen een identificatienummer, bevat, en een modulator 32 die het identificatienummer in binaire vorm moduleert op de subdraaggolf. Principieel zijn alle modulatiemethoden als ASK (amplitudemodulatie), FSK 25 (frequentiemodulatie) en PSK (fasemodulatie) bruikbaar. De preferente methode is echter binaire differential PSK waarbij met fasesprongen van 180 graden, bijvoorbeeld, een logisch 1 bit wordt aangegeven. Deze werkwijze geeft aanleiding tot een eenvoudige schakeling in het label, terwijl er constant een subdraaggolf aanwezig is voor de afstandmeting.

30

De demodulatie van de PSK-modulatie is mogelijk door in de ontvangerschakeling een PSK demodulatorschakeling 33 toe te voegen, die of de modulatie van het LSB, of van 1029590 - 9 - het USB signaal demoduleert en het resultaat toevoert aan microprocessor 26. Zie figuur 5 waarin de schakeling van figuur 3 is uitgebreid met de identificatiefunctie.

Daar de fasesprong van 180 graden in beide componenten, fkb en fusb, voorkomt, zal de 5 fasesprong niet aanwezig zijn in het faseverschilsignaal, geproduceerd door fasevergelijker 23, zodat de afstandmeting hiermee niet verstoord wordt.

Deze werkwijze voor de identificatiefunctie is reeds eerder beschreven in patentaanvrage no. 1026338 (Systeem voor detectie, locatie en identificatie volgens het FM-CW principe) 10 vanNedap.

In een verder uitgebreide uitvoeringsvorm van de uitvinding is voorzien in datacommunicatie van de ondervraageenheid naar het label. Toepassingsmogelijkheden zijn bijvoorbeeld het schrijven van informatie in een geheugenschakeling in het label, het 15 uitvoeren van een tweeweg communicatieprotocol met het label, bijvoorbeeld ten behoeve van een multi-label/anti-collision protocol anders dan volgens het ALOHA principe, of ten behoeve van een authenticatieproces.

Figuur 6 toont een blokschema van een daarvoor geschikte uitvoering van een label 34. Het door antenne 14 ontvangen ondervragingssignaal, dat in amplitude gemoduleerd is 20 met naar het label te zenden data, wordt door diode 17 gedemoduleerd. Door de betrekkelijk grote afstanden tussen ondervraageenheid en label zal de gedemoduleerde spanning, die aangeboden wordt aan modulator en demodulatorschakeling 35 klein zijn. Schakeling 35 versterkt en conditioneert dit gedemoduleerde signaal, en biedt het aan aan processor en geheugenschakeling 36. Afhankelijk van de toepassing zal schakeling 36 25 data opslaan, en/of een communicatieprotocol of authenticatieprotocol afhandelen.

Figuur 7 toont de uitgebreide schakeling van de ondervragingszender 37. Ten opzichte van de zenderschakelingen in de figuren 3 en 5 is een modulatorschakeling 38 toegevoegd, welke het in frequentie stappende ondervragingssignaal in amplitude 30 moduleert. Microprocessor 39 wekt de te verzenden datastroom op en bestuurt het gehele communicatie/authenticatieproces. Microprocessor 39 kan in de realisatie gecombineerd worden met microprocessor 26 1 029590 -10- in het ontvangerdeel.

Ook deze werkwijze van dataoverdracht naar het label is reeds beschreven in patentaanvrage 1026338 van aanvraagster en is hier herhaald om de toepasbaarheid in de 5 werkwijze van de uitvinding te tonen.

Ook is in de genoemde patentaanvrage de werkwijze beschreven waarin de afstandmeetfunctie is uitgebreid tot een plaatsbepalingsfunctie onder gebruikmaking van een centraal opgestelde zender en meerdere ontvangers (bistatische opstelling). Deze 10 ontvangers ontvangen ter referentie het door de zender uitgezonden signaal rechtstreeks, en het door het label met de subdraaggolf gemoduleerde signaal, waartussen een weglengteverschil bestaat. Door middel van plaatsbepalingsprincipes, die gebruikmaken van hyperbolen, bekend zijnde uit de bestaande radiolocatiesystemen als DECCA en LORAN-C, is hiermee de positie van een label te bepalen. Deze werkwijze is op dezelfde 15 wijze bruikbaar in de hier beschreven uitvinding betreffende een systeem voor detectie, locatie en identificatie door middel van frequency hopping en fasemeting.

1029590

Claims (3)

1. Een radioplaatsbepalingsysteem met het kenmerk, dat een ondervragingszender een in frequentie stappend ondervragingssignaal uitzendt naar een label, welk 5 label een antenne bevat, waarbij de impedantie van de antenne gemoduleerd wordt met een signaal, gegenereerd in een subdraaggolfgenerator, en waarbij het door de antenne in het label heruitgezonden signaal gemoduleerd is en terugontvangen wordt in een ondervragingsontvanger.

2. Een radioplaatsbepalingsysteem volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat door vermenigvuldiging van de zijbandfrequenties van het terugontvangen labelsignaal met draaggolffrequentie fc met het zendsignaal met frequentie fc twee verschilfrequenties ontstaan flsb en fusb, welke onderling een verschil in fase bezitten, dat evenredig is met de som van de afstanden tussen de 15 ondervragingszendantenne en het label en die tussen ontvangantenne en het label, en met de draaggolffrequentie fc.

3. Een radioplaatsbepalingsysteem volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat een stapsgewijze wijziging van de draaggolffrequentie fc met waarde Af een 20 verandering in het faseverschil Αφ tussen de twee verschilfrequenties 4b en 4sb veroorzaakt, waarbij Αφ evenredig is met Af en met de som van de genoemde afstanden. ί 1029590