NO312430B1 - Transponder-detekteringssystem - Google Patents

Abstract

Transponder-detekteringssystem (50) for å detektere tilstedeværelsen 1 et detekteringsområde (22) av et kjøretøy (100) på hvilket en transponder (3) er montert. To antenneoppstilllnger (32, 34) er plassert på motsatte sider av detekteringsområdet (22) og har sine siktelinjer (B) rettet mot detekteringsområdet. For hver oppstilling måles et sumsignal og et differansesignal av signalene som mottas fra transponderen. Sumkanalsignalet anvendes for å fastslå hvorvidt overføring har funnet sted, og differansesignalet anvendes for å isolere eventuell transponder som er i detekteringsområdet.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår transponder-understøttede operasjoner slik som kjøretøymonterte transponder-systemer, og nærmere bestemt et transponder-detekteringssystem for å detektere tilstedeværelsen av et transponder-utstyrt kjøretøy ved en detekteringssone, idet transponderen sender ut RF-signaler. Et slikt system er beregnet til å måle fasefronten til et signal sendt fra transponderen og bruke denne informasjonen for å bestemme om kjøretøyet befinner seg i et bestemt område.

Ved bomveibaserte avgiftsinnsamlingssystemer og andre typer transponder-understøttede operasjoner er separasjonen til transponderen og ikke-transponder-utstyrte kjøretøyer et hovedtrekk ved konstruksjonen. Denne prosessen er vanligvis utført ved bruk av antennemønsteret til transponder/lesekom-munikasjonssystemet. Antennen er fokusert på avgjørelsesom-rådet og dersom kommunikasjon forekommer i dette antennmøn-sterområdet, så blir kjøretøyet ansett å ha en transponder og en elektronisk behandling blir utført. Problemet med denne metoden er at antennemønsteret må være likt nok til å unngå kommunikasjon med kjøretøytranspondere tilliggende bestemmelseområdet og tilknytning av den kommunikasjonen med et ikke-transponder-utstyrt kjøretøy i bestemmelseområdet. Disse tilliggende transpondere kan være bak kjøretøyet i bestemmelseområdet, dvs. "støtfanger til støtfanger-av-lesninger" eller kan være i et tilliggende kjørefelt, dvs. "på tvers av kjørefelt-avlesninger".

Et annet problem oppstår når flere kjøretøyer, hver med transpondere, ankommer i en sekvens ved bomsystemet. Dersom systemet kommuniserer med kjøretøyene i en forskjellig rekkefølge utenom rekkefølgen ved hvilke de fysisk ankommer, vil en feil bli utført siden de vil bli behandlet i den elektroniske rekkefølgen, ikke den fysiske rekkefølgen. Denne feilen, dvs. ut av sekvensavlesning, er tilknyttet feil kjøretøy med en sending og kan resultere i at et kjøretøy blir behandlet galt.

Konvensjonelle systemer har forsøkt å løse disse problemene på fire hovedmåter. For det første blir kommunikasjonsområdet til antennen gjort så lite som mulig mens det forsøkes å opprettholde pålitelig behandling. For det andre blir behandlet data holdt ved et minimum eller kjøretøyhastigheten blir begrenset slik at tiden kjøretøyet er i kommunikasjonssonen tillater multiple kommunikasjonsforsøk som således forbedrer ytelsen. For det tredje forsøker bomsystemkon-struksjonen og monteringen av antennen å minimalisere og styre multibane-effekter slik at kommunikasjonssonen har et minimalt antall av potentielle fadinger. For det fjerde er transponderen montert på kjøretøyet slik at alle kjøretøyene har det samme antennemønster og kommunikasjonsdekning. Dette betyr at transponderene er trimmet effektmessig for å tilveiebringe konsistent kommunikasjonsdekning.

Forskjellige teknikker er blitt anvendt for å utføre disse feilreduksjonsfunksjonene. Ved en metode belyser en retnings-antenne et lite område av veibanen og begrenser kommunikasjonsområdet ved å anvende en tilbakespredningskommunika-sjonsteknikk. Dette gir en banetapdempning som øker ved en hastighet lik R<4> og forbedrer således dekningsstyringen. Transponderen er dessuten på et bestemt sted i kjøretøyet og en kjøretøydetektor aktiverer kommunikasjonsprosessen. Denne teknikken gjør transponder-lokaliseringen kritisk og transponder-antennemønstervariasjonen fra kjøretøy til kjøretøy bevirker mange behandlingsfeil. Bruk av kjøretøyde-tektoren for å aktivere prosessen minimaliserer behandlingsfeil, men reduserer innsamlingsytelsen siden sannsynligheten for kjøretøydetektering da er et multippel av kommunikasjons-behandlingssannsynligheten. Spesifiserte ytelseverdier større enn 99,99556 sannsynlighet av riktig behandling gjør denne metoden lite attraktiv.

Ved en annen metode blir antenner nedgravd i veibanen anvendt for kommunikasjon med transponder-utstyrte kjøretøyer. Transponderene er da montert på støtfangeren til kjøretøyet for således å styre kommunikasjonssonen anvendt for å utføre denne behandlingen. Veibaneantenner er dyre å installere og feil ved dem gjør det nødvendig å grave opp veibanen for reparasjon som medfører stengning av trafikken i feltet. Montering av transponderen på støtfangere krever dessuten et kraftig og robust hus og vanskeliggjør eventuell kjøretøy-operatortilpasning til systembehandlingsresultater.

Ifølge oppfinnelsen er det innledningsvis angitt transponder-detekteringssystem kjennetegnet ved de trekk som fremgår av de vedlagte patentkrav. Transponder-detekteringssystemet innbefatter første og andre antenneoppstilling, idet hver oppstilling innbefatter flere antenneelementer som definerer en siktretning. Antenneoppstillingene er anbragt med avstand i forhold til detekteringsområdet med hver oppstillings-siktretning (array boresight) rettet mot detekteringssonen fra forskjellige orienteringer. Systemet innbefatter videre en mottagerinnretning som reagerer på transponder-sendingene mottatt fra det transponder-utstyrte kjøretøyet for å tilveiebringe for hver oppstilling et sumsignal som representerer summen av signalbidragene fra hvert element som innbefatter oppstillingen og et differansesignal som representerer en differanse mellom signalbidragene for hvert element som utgjør oppstillingen. Behandlingsinnretningen reagerer på respektive oppstillingssumsignal og differansesignal og bestemmer om et transponder-utstyrt kjøretøy befinner seg innenfor detekteringssonen. Behandlingsinnretningen innbefatter en innretning som reagerer på sumsignalene for å bestemme om et gyldig transponder-signal er blitt mottatt av systemet og en innretning som reagerer på differansesignalene for å bestemme om det transponder-utstyrte kjøretøyet befinner seg innenfor detekteringssonen.

Oppfinnelsen kan også bli anvendt med en enkel antenneoppstilling ved anvendelser innenfor et énfelts-veisystem. Det vil også være mulig å anvende transponder-detekteringssystemet i et bomveibasert avgiftsinnsamlingssystem for å bestemme kjøretøyavgiftene for tilgang til en avgiftsbelagt vei. Det bomvei-baserte innsamlingssystemet innbefatter et avgiftsinnsamlingsområde som definerer kjøretøydetekterings-sonen, en kjøretøydetektor for å detektere tilstedeværelsen av et kjøretøy i detekteringssonen og en avgiftsbillettut-leveringsinnretning for å utlevere avgiftsbilletter til kjøretøyer som går inn i detekteringssonen. Transponder-detekteringssystemet detekterer tilstedeværelsen av et transponder-utstyrt kjøretøy i detekteringssonen. Innretning som reagerer på detekteringssystemets prosessorbestemmelse at et detektert kjøretøy ved en detekteringssone er transponder-utstyrt for undertrykkelse av operasjonen av billettutleveringsinnretningen og for elektronisk å gi en avgifts-belastning til det transponder-utstyrte kjøretøyet. Hvert transponder-utstyrt kjøretøy tildeles en entydig kode hvor transponderen for et transponder-utstyrt kjøretøy sender et RF-signal kodet med den entydige koden, og det transponder-utstyrte detekteringssystemet gjenvinner koden fra den mottatte sendingen for å tildele den elektroniske belast-ningen til kjøretøyet tildelt den entydige koden.

Andre transponder-støttede kjøretøy og beholderstøttede behandlingssystemer som krever korrelasjon av en elektronisk transponder-identifikasjon med det fysiske objektet kan anvende andre utførelsesformer av oppfinnelsen.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: fig. 1 viser et forenklet blokkskjema av et system som anvender behandling av signal ankomstvinkel i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser en plotting av størrelsene på sum og differansesignalene som resulterer fra behandlingen i samsvar med oppfinnelsen som en funksjon av romlig vinkel. Fig. 3 viser en plotting av amplituden i dB av det logaritmiske forholdet mellom differansen og sumsignalene på fig. 1. Fig. 4 viser en forenklet skjematisk fremstilling av et bomveibasert avgiftsinnsamlingssystem som anvender oppfinnelsen. Fig. 5 viser karakteristikker til en eksempelvis oppstilling

ifølge systemet på fig. 3.

Fig. 6 viser et forenklet blokkskjema over maskinvare-komponentene anvendt i avgiftsinnsamlingssystemet, som anvender transponder-detektering i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 7 viser et flytskjema over et eksempel på en detek- teringsbehandling for systemet på fig. 4. Fig. 8 viser et tidsdiagram over sekvensen ved hvilken behandlingen for et flerfelts veisystem kan bli utført i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 9 og 10 viser spesielle eksempler på operasjonstilfeller

for systemet.

fig. 11 viser et forenklet diagram av en fire-element antenne som kan bli anvendt ved en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen.

Transponder-detektorsystemet ifølge oppfinnelsen måler faseforskjellen mellom flere antenneelementer av et signal sendt fra en kjøretøymontert transponder. Et signal som ankommer til antenneelementene ved identisk tidspunkt vil ha samme elektriske fase. Dette er kalt en fasefront av signalet. Når et signal ankommer til antenneelementene ved forskjellige tidspunkter, mottar hvert element en annen signalfase. Forskjellene mellom disse fasene anvendes for å bestemme retningen for signalankomsten. Retningsinformasjonen fra to eller flere antenner anvendes for å bestemme om transponderen befinner seg i et visst område. Disse data blir så anvendt for å aktivere et system for å behandle kjøretøyet elektronisk i stedet for manuelt.

Fig. 1 viser en forenklet form av et systemeksempel 10 for å vise aspekter ved oppfinnelsen. Oppfinnelsen anvender en fase mono-pulsteknikk for å detektere transpondere som er på antenneoppstillingenes siktretning eller siktlinje (boresight). Oppstillingens siktretning er rettet mot området av veien som er av interesse. En summåling og så en differanse-måling av det mottatte signal på antennen blir anvendt ved detekteringsprosessen. Når en transponder nærmer seg området av veibanen hvor det skjer kommunikasjon med det elektroniske avgiftssystemet (kalt kommunikasjonssonen), blir signalene som sendes fra transponderen fanget opp av oppfinnelsens fasemåleantenner. To av disse antennene anvendes og hver antenne har to eller flere elementer. Fig. 1 viser kun en antenne innbefattende elementene 11A og 11B. Ved den enkleste utførelsen er avstanden D mellom elementene 11A og 11B X/2 eller 180" faseforskjøvet. Den relative elektriske fasen $ for signalene definerer retningen eller ankomstvinkelen. Dette er definert av følgende ligning:

hvor D er avstanden mellom elementene, og 0 er romvinkelen målt fra en linje som forbinder de to elementene og en linje parallell med utbredelsesretningen til bølgefronten.

En linje perpendikulær på utbredelsesretningen til bølgefron-ten ville passere gjennom transponder-lokaliseringen. Når denne linjen er perpendikulær på linjen mellom antennene er dette kalt antennens siktelinje eller siktretning B. Ut fra ligningen fremgår det at transponderen er lokalisert på siktelinjen, er den romlige ankomstvinkelen er 0° og den elektriske faseforskjellen mellom elementene er 0°. Dersom romvinkelen er 90°, er den elektriske faseforskjellen 180° , og dersom romvinkelen er -90° , så er den elektriske faseforskjellen -180°. Det er derfor en en-til-en korrespondanse mellom elektrisk faseforskjell og romvinkel når antenneelementene er i en avstand lik X/2. Det geometriske stedet til alle punktene i rommet som frembringer samme elektriske faseforskjell mellom elementene danner kjegler i rommet hvis spiss er på midten av linjen som forbinder de to antenneelementene .

Dersom antenneelementene 11A og 11B er anbragt med avstand større enn X/2, så definerer det geometriske stedet en familie med kjegler for hver elektrisk faseforskjell. Når transpondersignalet er på antennesiktelinjen, er kjeglen i virkeligheten et plan. Når dette planet skjærer veibane-flaten, danner den en rett linje.

Som nevnt er den elektriske fasef or skyvningen lik 0° når et signal ankommer fra en retning perpendikulær på planet som inneholder elementene. Den elektriske fasen ved begge elementene er derfor den samme. Denne siktretningen eller retningen for siktlinjen er anvendt av oppfinnelsens signalbehandling. Signalet ved ett av elementene 11A er faseforskjøvet +90° av fasef orskyveren 12A og det andre elementet 11B er faseforskjøvet med -90° av faseforskyveren 12B. De f aseforskjøvne signalene fra de to elementene blir så addert i summeringsinnretningen 13 for å danne et differansesignal A. Når signalet kommer fra siktretningen, så er differansesignalet null (VCos(u)t+90° ) + VCos(cot-90° )). Signalene fra de to antenneelementene 11A og 11B blir også addert sammen uten faseforskyvning ved hjelp av summeringsinnretningen 14 for å danne et sumsignal. Når signalet ankommer fra siktretningen, er sumsignalet 2VCos(u>t). Forholdet mellom differansesignalet og sumsignalet tilveie-bringes ved hjelp av forholdsblokk 15, og logaritmen blir tatt i logaritmeblokk 16 for å tilveiebringe det logaritmiske forholdet i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser verdiene for de respektive sum- og differansesignalene tilveiebragt fra anordningen på fig. 1 for et romvinkelområde fra -90° til +90°. Fig. 3 viser en plotting over amplituden (dB) av forholdet mellom sum og differansesignalene, dvs. -20<H>Log^Q for forholdet mellom summen og differansesignalene. Resultatene av denne opptegningen er anvendt for å bestemme når en transponder er i kommunikasjonssonen og når den er på antennens siktelinje eller siktretning. Man bør minnes at når transponderen er på siktelinje eller siktregning, skjærer transponder-planet planet parallelt med veioverflaten som inneholder transponderen og denne linjen definerer det geometriske stedet for punktene som kan inneholde transponderen. To antenner er anvendt ved det viste eksempelet. Hver antenne peker mot stedet på veien hvor kjøretøydetek-teringen skjer. Siden begge antennene danner en rett linje som kan inneholde transponderen, definerer skjæringen mellom de to linjene transponderes plassering. Når transponderen når dette stedet, finner systemet at det detekterte kjøretøyet inneholder en transponder. Basert på kommunikasjoner med denne transponderen er dens ID er kjent. Dersom ingen transponder-kommunikasjon tilfredsstiller dette kriteriet, så inneholder det detektere kjøretøyet ikke en transponder og kjøretøyet blir behandlet som et ikke-transponder-utstyrt kjøretøy.

Ved en eksempelutførelse blir en halv-bølgelengdeoppstilling anvendt for å motta de sendte signalene og måle fasefronten til signalene. Sumkanalen blir anvendt for å etablere at en transmisjon har forekommet i området for posisjonsindikator og differansekanalen blir anvendt for å isolere enhver transponder som er i et bestemt område av interesse på veibanen. Denne metoden for å lokalisere transponderne på veibanen anvender, ved en eksempelutførelsesform, faseinterferometri. Fasefrontene fra hvert antennepar blir omformet til elektriske fasevikler fra hvilke romvinkler vekk fra siktelinjen eller siktretningen blir utledet. Denne metode kan bli implementert ved å sample transponderens mottatte signal, som omformer frekvensen hos det innkommende signal til en mellomfrekvens (IF), for eksempel 12,5 MHz, og som sampler denne mellomf rekvensen med en analog-til-digitalomformer (ADC), for eksempel en 8-bit ADC. Den resulterende data-strømmen behandles av en hurtig Fourier-transformerer (FFT), filtreres og gjennomsnittberegnes for å tilveiebringe amplituden og fasen for hver antenne. I stedet for addering og subtrahering av to faser for hver antenne blir den elektriske fasedifferansen anvendt for å tilveiebringe en romvinkel som et mål på transponderens forskyvning vekk fra antennens siktelinje eller siktretningen. Ved å anvende to siktelinjeavlesninger, en fra hvert antennepar, blir transponderen lokalisert på veibanen ved hjelp av triangu-lering.

Fig. 4 viser et bomveibasert avgiftsinnsamlingssystem 20 i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Når kjøretøyer 100 nærmer seg systemet, blir de dirigert gjennom et avgiftsinnsamlingsområde 22 som separerer kjøretøyene. Ved inngangen til dette området er en kjøretøydetektor 24, som er kalt en armeringssløyfe, anvendt for å detektere tilstedeværende kjøretøy. Dersom kjøretøyet 100 ikke har noen transponder, blir en manuell avgiftsprosess aktivert. I dette tilfellet utsteder en billettutleveringsinnretning 26 til føreren av kjøretøyet en avgiftsbillett når han går inn på den avgifts-belastede veien. Dersom kjøretøyet har en transponder 30, så blir billettutleveringsinnretningen 26 undertrykket og kjøretøyet blir gitt en "elektronisk billett" når han går inn på den avgiftsbelagte veibanen 18. Når kjøretøyet forlater bomsystemområdet 22, passerer den over den andre kjøretøy-detektoren 28 kjent som en klareringssløyfe. Klarerings-sløyfen 28 klarerer systemet 20 og tillater armeringssløyfen 24 å gå over til neste kjøretøy. Denne prosessen blir gjentatt ettersom hvert kjøretøy går inn i systemet.

I eksempelsystemet på flg. 4 har to antenneoppst ill inger 32 og 34 sine siktelinjer på armeringssløyfen 24. Hver rekke innbefatter to antenneelementer. Antennen anvender typisk elementer som er montert på en felles konstruksjon. Elementene gir et antennemønster som dekker området av interesse på veibanen. Antenneelementene kan bruke en dipol eller andre antennetyper. Antenneelementavstanden er den fysiske avstanden mellom det elektriske senteret til hvert antenneelement. Operasjonsfrekvensen definerer denne avstanden. En halvbølgelengde ville sette avstanden lik en halvbølgelengde av f/(2C), hvor f er frekvensen og C er lyshastigheten. Oppstillingen 32 innbefatter således antenneelementene 32A og 32B, og oppstillingen 34 innbefatter elementene 34A og 34B. Når et kjøretøy er detektert, forteller antenneoppstillingene 32 og 34 systemet 20 om kjøretøyet som bevirker detekteringen er utstyrt med en transponder 30 eller ikke. Dersom et kjøretøy ikke har noen transponder, så blir billettutleveringsinnretningen 26 aktivert og en billett gitt til kjøretøyet. Dersom kjøretøyet har en transponder som er detekteres av systemet, blir billettutleveringsinnretningen 26 undertrykt og det blir utstedt en "elektronisk billett". Fig. 5 viser ytterligere detaljer ved en eksempelvis antenneoppstilling 32. Oppstillingen innbefatter antenneelementer 32A og 32B adskilt med en avstand D. Senteret for antenneoppstillingen er indikert som senter C. Kjøretøy-transpondersignalet er innfallende på oppstillingen langs retning S. To antenneoppstillinger 32 og 34 blir anvendt ved denne eksempelutførelsesformen siden siktretningen eller siktelinjen for en oppstilling er representert av et plan som er perpendikulært på senteret til antenneoppstillingen og skjæringen av dette planet og veibanen danner en linje for mulige lokaliseringer. Skjæringen mellom de to linjene dannet av de to antenneoppstillingene 32 og 34 blir anvendt for fullstendig å definere tilstedeværelsen av transponderen i detekteringssonen. Fig. 6 viser mottageren og prosessoranordningen som innbefatter systemet 20. Utgangene til de to antenneoppstillingene 32 og 34, hver en halvbølgelengde-oppstilling, er forbundet ved hjelp av kabler 35A, 35B, 36A og 36B med systemmottagern 40, idet mottagerutgangene er ført til prosessoren 50. Mottageren 40 innbefatter en RF-koaksialbryter for å veksle mottagerinngangen mellom de to antenneoppstillingene 32 og 34. Utgangene til antennene 32 og 34 blir således svitsjet

ved mot tager inngangen til vekselvis å mate de to kanalene 44

1 og 46, som innbefatter mottageren 40.

Målingen starter med mottageren 40 forbundet med antenneoppstillingen 32. Matningen fra de to oppstillingens-elementene 32A og 32B blir matet til de to kanalene 44 og 46

• som skal bli behandlet fra RF til en mellomf rekvens IF, amplitudebegrenset, og så kombinert til en sum og differanse-måling ved kombineringsinnretningen 48. Kombinereren 48 utvikler et sumkanalsignal som representerer summen av

signalbidragene fra de to antenneelementene og et differanse-1 kanalsignal som representerer forskjellen mellom signalbidragene fra de to antenneelementene.

Sum og differansekanalsignalene blir matet til systemproses-soren 50. Ved denne eksempelutførelsesformen velger en bryter <;> 56 enten sum eller differansesignalet for behandling, hvilke tillater sum og differansesignalene å bli behandlet serielt for å redusere kostnaden av systemet. Mellomfrekvenssignal-sum og differansekanalsignalene samples med en analog-til-digitalomformer (ADC) 52A, for eksempel en 8-bit ADC. Den ' resulterende datastrømmen vil bli behandlet av en hurtig Fourier-transformerer (FFT) 52B, filtrert av filteret 52C, og gjennomsnittsberegnet ved integratoren 52D for å tilveiebringe amplituden og fase for det valgte sum- eller differansesignal. Bryteren 56 blir så operert for å velge det

> andre signalet og behandlingen blir gjentatt.

Sumkanalsignalet blir anvendt for å definere tilstedeværelsen av et transponder-signal, og differansekanalsignalet blir anvendt for å bestemme om transponder-signalet ble sendt fra detekteringssonen. Denne prosessen blir tilveiebragt ved å detektere amplituden av sumsignalet. Transpondersignalet ankommer til antenneelementene ved en amplitude V som er definert av banetapet i samsvar med forholdet

hvor V-p er transponder-senderspenningen, 7 er banetapet, y er -27,5 + 20 log f + 20 log D, f i MHz, D er avstanden fra antennen til transponderen (meter).

Antenneelementsignalene for en gitt antenneoppstilling blir addert sammen for å danne sumkanalsignalet 2V for den oppstillingen, sumkanalsignalet sammenlignes med et terskel-nivå. Når 2V overskrider tilstedeværelses-detekteringsterskelen, er transponderen tilstede i et område nær sonen. Differansekanalsignalet for den oppstillingen vil nærme seg nullnivået når transponderen er ved skjæringspunktet definert av sentroideplanene til de to antennene. Differansen mellom de to nivåene, summen og differansen, danner et forhold når to nivåer er uttrykt i logaritmisk form (dB), som er anvendt for å definere detekteringssonen. Antas for eksempel at sumkanalen er 1,2V og differansekanalen er 0,9V, er forholdet 1,2/0,9 og -20<*>log10 til dette forholdet er -2,5 dB. Når transponderen er i detekteringssonen, øker summen til 1,9V og differansekanalen er 0,1V med det negative logaritmeforholdet lik -25,6 dB. Begge verdiene overskrider en tilstedeværelses-detekteringsterskel og sistnevnte verdi overskrider detek-teringssoneterskelen. Ved en eksempelutførelsesform er tilstedeværelses-detekteringsterskelen -40 dBm, og transponder-detekteringssignalterskelen er et -20 dB logaritme-forhold. Som velkjent, kan -40 dBm alternativt bli uttrykt som 2,24xl0~<3> V i en 50 ohm mottager.

Fig. 2 og 3 er anvendbare på systemutførelsen på fig. 6. Fig. 2 viser således eksempelutgangssignalene til signalkombi-neringsinnretningen 48 omformet til romlige grader for to antenneoppstillinger 32 og 34. Nærmere bestemt kan linje 70 bli tatt til å representere summen for signalbidragene fra en gitt rekk, og linje 72 kan bli tatt for å representere differansen mellom de to signalbidragene, totalt som en funksjon av vinkelmessig forskyvning vekk fra antenneoppstillingens siktelinje eller siktretning. Fig. 3 kan bli tatt for å illustrere forholdet mellom sumsignalet og differansesignalet (dB) som en funksjon av romlig vinkelforskyvning fra antenneoppstillingens siktelinje eller siktretning. I det følgende skal det vises numeriske eksempler på systemet med en -40 dBm tilstedeværelsesterskel og en 20 dB detek-teringssoneterskel. Eksempelberegninger er gjort med (1) en transponder hvis signal overskrider begge tersklene, (2) et transponder-signal som ikke tilfredsstiller begge terskelkriterier, (3) et transponder-signal som klarer en terskel og ikke

tilfredsstiller det andre terskelkriteriet.

Det tredje tilfellet (klarer/ikke tilfredsstiller) viser hvorledes systemet vil håndtere sterkere transponder-signalnivåer.

Det antas at banelengden fra transponderen til antennerekken er 5 meter, som således gir et banetap på 45,7 dB og at transpondersignalstyrken er 1 mW (0 dBM) (ekvivalent med 0,614 V i fritt rom (377 ohm), eller 2,24 V ved 50 ohm). I dette tilfellet er signalstyrken på oppstillingen -45,7 dBm, 26.9X10-<6> mW (3,2 x IO-<3> V i fritt rom eller 1,16 X IO-<3> V ved 50 ohm). Signalene mottatt på de to elementene av oppstillingen adderes sammen for å danne sumsignalet, under antagelse 0 dB antenneforsterkning, som resulterer i en sumsignalverdi på 6,4 x 10~<3> V i fritt rom. Omformes denne verdien til dBm, vil 10<*>log10[(6,4xl0-<3>)<2>/(377)] gi -39,6 dBm. Sammenfatning av disse antagelsene: 1. Transponderen sender signal ved 0 dBm (0,614 V fritt rom, eller 2,24 V ved 50 ohm),

2. banetap ved 5 meter er 45,7 dB,

3. signal på oppstilling = -45,7 dBm (3,2 x IO"<3> V fritt rom, 2,2 x 10~<3> V ved 50 ohm), 4. oppstillingen adderer signalene for to elementer (6,4 x IO"<3> V i fritt rom, 2,2 x IO-<3> V ved 50 ohm), 5. signal beregnet tilbake til dBm = -39,6 dBm (-40 dBm terskel).

Følgende eksempel viser detektering av en transponder i kjøretøydetekteringssonen under ovenfornevnte antagelser.

1. Anta at transponderen er 5° vekk fra antenneoppstillingenes siktelinje fra antenne. Den elektriske

faseforskyvning er 0=180 sin 0 = 15,7°.

2. Sumsignalet vil være V+V cos(15,7") = 1,96(V), med V = 3,2 x IO-<3>. Dette er 6,27 x IO-<3> volt eller -39,8

dBm, og overskrider detekteringsterskelen (-40 dBm). 3. Differansesignalet vil være 0,037(V) = 118 x IO-<6 >volt. 4. Forholdet mellom sum og differansesignalet er (1,96(V)/0,03(V)) = 169,5. Følgelig (-20 logU/A)) =

-34,5 dB og overskrider terskelen (20 dB).

5. På grunn av resultatene i trinn 2 og 4 ovenfor har kjøretøyet en transponder.

Følgende eksempel bruker de antatte signalnivåene gitt ovenfor og viser tilfellet hvor en transponder ikke detekteres innenfor kjøretøydetekteringssonen. 1. Anta at en transponder som er 25° vekk fra antenneoppstillingens siktelinje. Den elektriske fasefor-skyvningen 0 = 180 sin 0 = 76,1°. 2. Sumsignalet vil være V + Vcos (76,1) = 1,24V. Med V = 3,2xl0~<3>, sumsignalverdien = 3,97xl0~<3> eller -43,8

dBm og overskrider ikke terskelen (-40 dBm).

2a. Det antas nå at avstanden D fra transponderen til antenneoppstillingen = 2,5 meter, i stedet for 5 meter. Dette gir en signalnivåøkning på 6 dB, og sumsignalverdien er -37,8 dBm, som overskrider

terskelen (-40 dBm).

3. Differansesignalet vil være V - (V)cos(76,l) 0,76(V). 4. Forholdet (i dB) mellom sumsignalet og differansesignalet er (-20)log (1,24V/0,76V) = 4,3 dB. Siden V annuleres fra ligningen, gjelder dette både tilfellet

2 og 2A ovenfor.

5. I tilfelle 2 overskrider signalet ikke tilstedeværel-sesterskelen og heller ikke detekteringssonetersk-elen. I tilfelle 2A overskrider signalet tilstede-værelsesterskelen, men ikke detekteringssonetersk-elen. 6. Under hvert tilfelle 2 og 2A har kjøretøyet ikke noen transponder.

Med en eksempelutførelsesform av en transponder, beskrevet nærmere i US-patent nr. 5307349, varer transponderoverfør-ingen i 1120 mikrosekunder og består av 560 bits. Oppfinnelsen har til hensikt å operere med et kommunikasjonssystem som aktiverer transponderoverføringer. Bomsystemenheten sender ut et senderstasjon-signal som aktiverer ved et bestemt tidspunkt en transponder-reaksjon. Svarsignalet blir behandlet av oppfinnelsen og en lokaliseringsbestemmelse blir utført.

Målingen av signalet fra hvert antenneelement blir gjort i 50 mikrosekund-intervaller som innbefatter en 10 mikrosekund-svitsjes og innsvingningsstid. Dette tilsvarer 20 bits med energi samlet ved hver måling. Transponderen 30 i et gitt kjøretøy sender et signal kodet med en digital kode som entydig spesifiserer det bestemte kjøretøyet. Mottageren 40 er til å begynne med koblet til å motta signaler fra en antenneoppstilling 32 i løpet av et initielt 50 mikrosekund-intervall. Mottageren 40 kobler så til den andre antenneoppstillingen 34 i 50 mikrosekunder. Prosessoren 50 behandler så informasjon for å bestemme om et transponder-utstyrt kjøretøy er tilstede, og om så, dets digitale kode. En funksjon hos prosessoren 50 er å dekode denne koden for kjøretøyet for å kunne være i stand til å utstede en "elektronisk billett". Mottageren 40 kan så koble til et annet veifelt for to 50 mikrosekund-mål inger for antenneoppstillingene ved det andre feltet osv. På denne måten er dette eksempelsystemet i stand til å behandle elleve veifelt til et bomveibasert system. I dette eksempelet er en 160 mikrosekund-buffertid anvendt ved start og slutt av behandlingen og dette begrenser operasjonen til 8 veifelt med én mottager og prosessor.

Fig. 7 viser et forenklet flytskjema over seriell behandling av sum og forholdsignalbehandling for et system med N veifelt og som omfattes av denne oppfinnelsen. Idet det startes med det første veifelt (N = 1), blir armeringssløyfen for dette veifeltet kontrollert (trinn 300) for å bestemme om et kjøretøy er i veifelt 1. Dersom ikke noe kjøretøy er tilstede, går behandlingen til trinn 316, hvor verdien for N inkrementeres, og behandlingen returnerer til trinn 302 for å begynne behandlingssyklusen igjen for det andre veifeltet. Antas det for tilfellet N = 1 at armeringssløyf en indikerer at et kjøretøy er tilstede i veifelt 1, velger merkelokaliseringstidsstyreren og bryterstyreren 55 veifelt 1 i bomvei systemet og koaksialbryteren 42 velger elementene 32A og 32B til den første antennen i det veifeltet. Velger-bryteren 56 velger sumutgangen til mottageren og behandler dette signalet, og sammenligner dens størrelse med en terskel Tl (trinn 304). Dersom sumsignalet for den første antennen ikke overskrider terskelen Tl, som indikerer at kjøretøyet ikke er transponder-utstyrt, går det videre til trinn 314 for

å bevirke at en papirbillett blir utstedt til kjøretøyet i veifelt 1. Dersom sumsignalet ved trinn 304 overskrider terskel Tl, blir ved trinn 306 det logaritmiske forholdet (i dB) mellom sumsignalet og differansesignalet beregnet og sammenlignet med terskel T2. Dersom forholdet for den første antennen overskrider dB-terskelen, avgrenses operasjon til trinn 314 for å utstede en papirbillett. Dersom forholds-signalverdien for den første antennen 32 overskrider terskelen T2, så velger bryteren 42 ved trinn 308 den andre antennen for veifelt 1, nemlig antenne 34, og terskel sammenligningen for sum og forholdsverdier gjentas i trinn 308 og 310. Dersom tersklene overskrdes i hvert av trinnene 304-310, blir et transponder-utstyrt kjøretøy erklært å være som tilstede i veifelt 1 og en elektronisk billett blir utstedt (trinn 316) til kjøretøy-identifikasjon gitt av transponder-utspørringsreaksjonssignalet. Dersom terskelen ikke overskrides i noen av trinnene 304-310, bestemmer systemet at kjøretøy i veifelt 1 ikke er transponder-utstyrt og utsteder en papirbillett for kjøretøyet i veifelt 1 (trinn 314). Ved trinn 316 blir veifeltnummret (N) inkrementert, og merkelokaliseringstidsstyreren og bryterstyreren 55 velger antennene for neste veifelt 2, og behandlingssyklusen gjentas. Dette fortsetter inntil alle N veifelt er blitt behandlet, hvorpå veifeltpekeren 1 blir tilbakestilt til veifelt N og den fulle syklusen gjentas.

Selv om systemet er blitt beskrevet for en eksempel-anvendelse hvor en papirbillett blir utstedt for kjøretøy som ikke er transponder-utstyrt, kunne imidlertid alternativt en papirbillettutsteder være en myntkurv, en operatør som samler inn mynter eller utsteder billetter, eller ethvert annet avgiftbarrieresystem eller bomsystem. Systemet kan også bli anvendt med et kamera for å tilveiebringe bilder av kjøretøyet for håndhevelse av avgiftskravet, dersom anvendt med et veifelt kun for elektroniske billetter.

Fig. 8 viser et tidsstyringsdiagram over systemeksempelet ved måling av flere veifelt i en enkel overføring fra en kjøretøy-transponder. Dersom mer veifeltdekning er nødvendig, blir en andre overføring aktivert fra transponderen og ytterligere veifelt blir behandlet ved å anvende denne andre overføringen. Målingene blir utført hurtig for å understøtte den serielle behandling som således tillater systemet å håndtere flere veifelt. Tidsvarigheten til en antennemåling i denne eksempelutførelsesformen er 50 mikrosekunder, og en full overføring som dekker åtte bomutstyrte veifelt er 50 mikrosekunder pluss 160 mikrosekundbuffere ved begynnelsen og slutten av overføringen. Siden der er to antenner pr. veifelt, er hvert veifelt tildelt 100 mikrosekunder. Fig. 9 viser systemet som strekker seg over et trefeltsystem 20'. Fem kjøretøyer 100A-100E er vist seg nærmende et avgiftsbomsystem. Ved kommunikasjonsrammen 54' kommuniserer det elektroniske avgiftsinnsamlingssystemet med fire kjøretøyer 100A-100D i tidsluker nr. 1, nr. 2, nr. 3 og nr. 4. Kjøretøydetekteringssystemet 20' har altså identifisert et kjøretøy i hvert veifelt av bomsystemet. Når overføringen med fire transpondere skjedde, blir transponder-detekteringsprosessen, som beskrevet tidligere, anvendt for å bestemme om overføringen kom fra detekteringsområdet. Rammen 54' viser resultatene av transponder-detekteringsprosessen. Systemet 20' bestemmer om kjøretøydetekteringen som forekom i veifelt 1 var resultatet av et transponder-utstyrt kjøretøy. Den først verdien i hver av tidslukeoverføringene representerer veifelt nr. 1. Siden ikke noe transponder-signal kom fra veifelt nr. 1 detektorområdet, er alle verdiene "0'er" og systemet behandler så kjøretøy 100E som et ikke-transponder-utstyrt kjøretøy og en avgiftsbillett blir utstedt. I veifelt nr. 2 identifiserer systemet at det detekterte kjøretøyet 100C ikke hadde en transponder og at systemet kommuniserte med det kjøretøyet i tidsluke nr. 3. Identifikasjonen av transponder og kjøretøy befinner seg således i informasjonen mottatt av tidsluke nr. 3 data og systemet behandler veifelt nr. 2 som et transponder-utstyrt kjøretøy og utsteder en elektronisk avgiftsbillett. I veifelt nr. 3 hadde kjøretøy 100B en transponder som ble kommunisert med i tidsluke nr. 2. Kommunikasjonen som forekom i tidsluker nr. 1 og nr. 4 var med kjøretøyene 100A og 100D som ikke var i detekterings-sonene og derfor fremdeles i køen og vil bli behandlet senere.

Fig. 10 viser systemet 20<*> med behandlingen senere i tid når kjøretøyene har beveget seg videre gjennom bomsystemet og tre ytterligere kjøretøydetekteringer har forekommet. Overfør-ingen med kjøretøyer er blitt gjentatt, men kommunikasjonen har bestemt at veifelt nr. 1 og nr. 2 er behandlet som transponder-utstyrte kjøretøy og at veifelt nr. 3 er et ikke-transponder-utstyrt kjøretøy. Kommunikasjonsrammen 54" viser data anvendt for disse avgjørelsene. Det skal bemerkes at målingene forbi veifelt nr. 3 ikke inneholder data. Dette er på grunn av at det finnes kun tre veifelt. Dersom bomsystemet ble utvidet til flere veifelt, så vil denne delen av data bli anvendt for operasjon i de veifeltene. Ved systemet i US-patent nr. 5307349 er tildelingen av tidsluker dynamisk og kan endres fra kommunikasjon til kommunikasjon.

Oppfinnelsen baserer seg ikke på kommunikasjonssonen som definert av antennemønsteret for å etablere lokaliseringen av transponderen. Antennemønsteret kan definere en kommunika-sjonssone, dvs. et område av veien i løpet av hvilket kommunikasjonen med transponderen kan forekomme, som er vilkår stort. Denne muligheten til å bruke en stor kommunika-sjonssone øker ytelsen til den elektroniske avgiftsinnsam-lingsbehandlingen. Fasemålingen krever kun at kommunikasjonen gir nok energi slik at en pålitelig måling kan bli utført. Ved en eksempelutførelsesform er det nødvendige Eb/No for kommunikasjon 13 til 15 dB. Lokaliseringsprosessen kombinerer 20 bits av data og derfor har ekvivalenten av et signal/- støyfold (S/N) lik 26 til 28 dB for fasemål ingen. Dette gir mer enn tilstrekkelig signal for å måle prosessen.

I stedet for å bruke to, to-elementantenneoppstillinger som er romlige separert, for eksempel med en oppstilling på hver side av barrierefeltet, kan en fire-elementantenne bli anvendt. I dette tilfellet innbefatter antennen to to-elementoppstilling som er orientert perpendikulært på hverandre, som antydet på fig. 11, hvor elementene Al og A2 danner en første oppstilling, og elementene Bl og B2 danner en andre oppstilling som er perpendikulær på den første oppstillingen. Antennen på fig. 11 kan være anbragt over veifeltet som skal måles med dens siktelinje eller siktretning pekende på veifeltet. Siden hver oppstillingssiktelinje definerer et plan, og de respektive siktelinjeplan er perpendikulære på hverandre, møtes skjæringene av planet for hver oppstilling å danne en linje i rommet. Denne linjen er perpendikulær på planet for de fire elementene og representerer siktelinjen til de fire elementene. Element-planet anbringes så over veifeltet og parallelt med veifelt-overflaten. Siktelinjen eller siktretningen til oppstillingen skjærer overflaten av veifeltet og danner et punkt. Siden detekteringsprosessen bruker terskler, utvides dette punktet til en sirkel av veifeltets overfalte med punktet i dens senter. Denne sirkelen er rettet mot veifeltets kjøretøydetekteringsområde. Dersom antenneplanet Ikke er parallelt med veifeltets overflate, men danner en vinkel, så endres sirkelen til en ellipse på veifeltets overflate. Denne skråstillingen av antennen kombinert med terskeljusteringen anvendes for å utvide området av veifeltet for fullstendig å dekke kjøretøydetekteringsområdet.

Ved en annen alternativ utførelsesform anvendes en enkelt to-elementantenne for hvert veifelt. Sum og differansebehand-1ingen forekommer for denne antennen, men detekteringen av kjøretøy-transponderen skjer ved behandlingen av én oppstilling. Denne oppstillingen definerer et sikteplan som skjærer avgjørelsesområdet. Denne antennetypen kan være nyttig for å eliminere på-kryss-av-veifeltet eller støt-fanger-til- støtfanger-avlesningsfell, men ikke begge typer feil, som i tilfellet av utførelsesformen på fig. 4. Denne forenklede system kan være nyttig, for eksempel for én-kjørefeltsveier.

Claims (10)

1. Transponder-detekteringssystem (20) for å detektere tilstedeværelsen av et transponder-utstyrt kjøretøy (100) ved en detekteringssone (22), idet transponderen (30) sender ut RF-signaler, karakterisert ved: en første antenneoppstilling (32) innbefattende flere antenneelementer (32A, 32B) som definerer en oppstillingssiktelinje (B), idet siktelinjen skjærer detekteringssonen (22), en mottager (40) koblet til antenneoppstilling (32) og som reagerer på transponder-utsendelser for tilveiebringelse for oppstillingen et sumsignal som representerer summen av signalbidrag fra hvert element (32A, 32B), som innbefatter oppstillingen og et differansesignal som representerer en differanse mellom signalbidrag fra hvert element (32A, 32B) som innbefatter rekken (32), og en behandlingsinnretning (50) som reagerer på nevnte oppstillingssumsignal og differansesignal for å bestemme om en transponder befinner seg innenfor detekteringssonen, idet behandlingsinnretningen innbefatter detekteringsbehandlings-innretning (52) som reagerer på sumsignalet for å bestemme om et gyldig transponder-signal er blitt mottatt av systemet, idet detekteringsbehandlingsinnretningen (52) reagerer på differansesignalet for å bestemme om transponderen befinner seg innenfor detekteringssonen (22).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at oppstillingen (32) innbefatter første og andre antenneelementer (32A, 32B) anbragt med avstand fra hverandre med avstand lik en halv bølgelengde ved en nominell transponder-transmisjonsbølgelengde.

3. System ifølge krav 1 eller krav 2, karakterisert ved at behandlingsinnretningen (50) innbefatter første sammenligningsinnretning (304) for å bestemme om sumsignalet overskrider en første terskel , og en andre sammenligningsinnretning (306) for å teste differansesignalet mot en andre terskel.

4. System ifølge krav 1 eller krav 2, karakterisert ved at behandlingsinnretningen (50) innbefatter en innretning for å bestemme en forholdsverdi mellom sum signalet og differansesignalet, første sammenligningsinnretning (304) for å bestemme om sumsignalet overskrider en første terskel og en andre sammenligningsinnretning (306) for å teste forholdsverdien mot en andre terskel.

5. System ifølge et hvilket som helst av de foregånde krav, karakterisert ved en andre antenneoppstilling (34), som innbefatter flere antenneelementer (34A, 34B) og definerer en oppstillingssiktelinje (boresight), idet nevnte første og andre antenneoppstillinger (32, 34) er anbragt med mellomrom på steder i avstand i forhold til detekteringsområdet, idet hver oppstillingssiktelinje er rettet detekteringssonen, idet mottageren (40) reagerer på transponder-transmis joner for å tilveiebringe for hver oppstilling et sumsignal som representerer summen av signalbidragene for hvert element som innbefatter oppstillingen og et differansesignal som representerer en differanse mellom signalbidragene fra hvert element som innbefatter opp-stillinge og hvor behandlingsinnretningen (50) reagerer på respektive oppstillingssumsignal og differansesignal for å bestemme om en transponder befinner seg innenfor detekteringssonen .

6. System ifølge krav 5,karakterisert ved at behandlingsinnretningen (50) innbefatter en innretning for å bestemme en forholdsverdi mellom sumsignalet og differansesignalet for hver av nevnte første og andre oppstillinger (32, 34), første sammenligningsinnretning (304, 308) for å bestemme hvorvidt sumsignalet fra hver oppstilling overskrider en første terskel, og andre sammenligningsinnretning (306, 310) for å teste forholdsverdien for hver av nevnte første og andre oppstilling mot en andre terskel.

7 . System ifølge krav 6,karakterisert ved at behandlingsinnretningen (50) innbefatter innretning (314) for å bestemme at et kjøretøy som er detektert i detekteringsområdet ikke er utstyrt med en transponder med mindre nevnte første og andre sammenligningsinnretning (304-310) indikerer for hver oppstilling (32, 34) at en gyldig transponder-overføring er blitt mottatt fra detekteringsområdet.

8. System ifølge et hvilket som helst av kravene 5, 6 eller 7, karakterisert ved at den første oppstillingen (32) er anbragt langs en første side av et veifelt, og at den andre oppstillingen (34) er anbragt langs en andre side av veifeltet.

9. System ifølge et hvilket som helst av kravene 5, 6 eller 7, karakterisert ved at nevnte første og andre oppstillingen (32) er sentrert om en felles antenneakse og at den første oppstillingen er perpendikulær på den andre oppstillingen.

10. System ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved en innretning (24) for å avføle tilstedeværelsen av et kjøretøy i detekteringsområdet.