NO326360B1 - Anordning for posisjonsbestemmelse ved hjelp av radiobolger - Google Patents

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen vedrører en anordning for posisjonsbestemmelse ved hjelp av radiobølger, fortrinnsvis mikrobølger. Nærmere bestemt vedrører den suksessiv posisjonsbestemmelse av kjøretøyer på en veibane.

Teknisk bakgrunn

I en fremgangsmåte for posisjonsbestemmelse ved hjelp av radiobølger, såkalt innmåling, blir det utsendt et radiosignal, fortrinnsvis i mikrobølgeområdet, hvor signalet har god direktivitet og egenskapen å bli reflektert fra objekter eller alternativt å resendes ut med en innretning som er beregnet for dette. Det reflekterte signal mottas med to antenner, som er slik arrangert at de er i avstand fra hverandre i et plan vesentlig perpendikulært på retningen til objektet. Med avstand mellom antennene vil en bølge reflektert av objektet ha en lengre gangavstand til en av antennene enn til den annen. Denne forskjell i den dekkede distanse gir opphav til en faseforskjell mellom de mottatte signaler. Fra faseforskjellen kan en referansevinkel til objektet i forhold til antennene beregnes i et plan som er dannet av antennene og objektet. En slik fremgangsmåte er for eksempel beskrevet i svensk patentsøknad nr. 8403564-1. På denne måte vil hver posisjon av objektet korrespondere til en bestemt faseforskjell.

Fremgangsmåten er vist geometrisk i figur 1. Antennene 1 og 2 er plassert med en

avstand d fra hverandre. Objektet 3, eller vanligvis en såkalt transponder på dette objekt, hvis posisjon skal bestemmes, reflekterer den utsendte bølge i en retning mot antennene 1 og 2. Fordi antennene er atskilt med avstanden d fra hverandre oppstår det en forskjell AL i den utgåtte distanse. Forskjellen AL gir opphav til en faseforskjell Aq> = cpi — 92, hvor cpi og 92 er fasevinkelen for signalet mottatt på antennene 1 og 2, respektivt. Fra denne faseforskjell Acp, kan den geometriske vinkel 9 beregnes, sin 9 <x AL <x Acp.

Vinkelen 6 er slik periodisk avhengig av faseforskjellen Acp, som klart fremgår av figur 2. Dette betyr at det er et intervall utenfor hvilket vinkelen 9 ikke lenger er utvetydig, men kan korrespondere til mer enn én posisjon. Dette intervall er invers avhengig av distansen d, det vil si at intervallet øker når d minsker. Fra dette synspunkt er det derfor ønskelig å ha så liten distanse d som mulig for å oppnå et større utvetydig område for vinkelen 9.

For å oppnå god direktivitet i antennen, er den sammensatt av en rekke antenneelementer for å danne såkalte gruppeantenner (array antennas). Et slikt arrangement gir selvfølgelig antennene en bestemt fysisk utstrekning og begrenser slik distansen d nedover. Distansen d i figur 1 relaterer til distansen mellom de respektive antennesentre for et gruppeantennepar.

Kravene til god retningsvirkning kommer i konflikt med kravene om et stort utvetydig område. Oppfinnelsen forslår en innretning for å tilfredsstille kravene til god retningsvirkning mens kravene til et stort utvetydig område samtidig opprettholdes.

Kjent teknikk

Fra DE 26 45 058 er det kjent et antennesystem for posisjonering av et objekt, der systemet omfatter minst to antennegrupper. For å gi korrekt funksjon må individuelle antenneelementer i de to gruppeantenner anordnes på en bestemt måte, jfr. de to første avsnitt på side 8.

WO 86/00716 beskriver en fremgangsmåte for å bestemme en innbyrdes posisjon mellom to objekter, idet posisjonen bestemmes fra kjennskap til asimut og elevasjonsvinkel.

Oppfinnelsen i sammenfatning

Oppfinnelsen vedrører en anordning for å bestemme posisjonen av et kjøretøy på en veibane ved å bruke radiobølger som sendes ut fra anordningen og reflekteres av kjøretøyet og mottas av minst to gruppeantenner innrettet på tvers av veibanen, hvor hensikten er å oppnå en liten avstand mellom sentrene til minst to gruppeantenner, mens det fremdeles tillates en stor utstrekning for den respektive gruppeantenne, for å tillate både god retningsvirkning og et stort utvetydig område.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at gruppeantennene omfatter et antall antenneelementer, hvor et av antenneelementene i den respektive gruppeantenne danner fasesenteret til gruppeantennene, og hvori antenneelementene i gruppeantennene er tilknyttet hverandre slik at avstanden d mellom fasesentrene i de inkluderte gruppeantenner er mindre enn halvparten av bredden av en individuell gruppeantenne, slik det fremgår av krav 1.

Kortfattet beskrivelse av te<g>nin<g>ene

Figurene 1 og 2 vedrører grunnprinsippene ved oppfinnelsen og beskrives ovenfor som kjent teknikk, mens figurene 3, 4 og 5 vedrører et aspekt ved oppfinnelsen. Figur 1 er et skjematisk bilde av et måleprinsipp hvor faseforskjellen mellom to signaler mottatt i antennene blir analysert for posisjonsbestemmelse av et objekt ved vinkelmessig måling med antennene plassert i en bestemt avstand fra hverandre,

figur 2 illustrerer det geometriske vinkelmessige avvik for objektet som en funksjon av faseforskjellen,

figur 3 viser et antennearrangement ifølge oppfinnelsen sett fra fronten,

figur 4 viser et alternativt antennearrangement ifølge oppfinnelsen,

figur 5 viser et blokkdiagram for en innretning for innmåling, som benytter et antennearrangement ifølge aspektet ved oppfinnelsen.

Beskrivelse av utførelsesformer

Figur 5 viser en innretning for posisjonsbestemmelse av et objekt som beveger seg langs en bane. Innretningen omfatter en forsterknings- og signalprosesseringsenhet 17 koblet til en signalprosessor 18 og et antennearrangement 4 med to gruppeantenner 1 og 2, hvor gruppeantennene er innrettet langs en første akse perpendikulær på retningen av objektets bevegelse. Antennearrangementet omfatter to grupper av ledende overflater, antenneelementer, ifølge figur 3. Gruppeantennen 1 er dannet av fem overflater, antenneelementer, 5-9 på en slik måte at antenneelementene 6-9 er plassert periferisk rundt det sentrale antenneelementet 5. På sammen måte er gruppeantenne 2 dannet av det sentrale antenneelement 10 og de periferiske antenneelementer 11-14. Gjennom utgangslederne 15 og 16, blir antenneelementene innen de respektive grupper koblet sammen for å danne de to gruppeantenner 1 og 2. Ved hjelp av det beskrevne arrangement, symmetrisk arrangert rundt de respektive sentrale antenneelementer 5 og 10, vil disse sentrale overflater i form av antenneelementer, danne fasesentre til den respektive gruppeantenne. Avstanden mellom disse to fasesentre danner slik avstanden d i figur 1.

Bredden av antennen 1 strekker seg fra venstre kant av antenneelementene 6 og 8 til

høyre kant av antenneelementene 7 og 9. Bredden av antennen 2 strekker seg fra venstre kant av antenneelementene 11 og 13 til høyre kant av antenneelementene 12 og 14. Hvis antennene ble plassert side ved side ville dette bety at avstanden d mellom de respektive fasesentre 5 og 10 ville bli minst så stor som den totale bredde av en gruppeantenne, og i praksis mer siden det må være en viss avstand mellom de ytterste antenneelementer i den respektive gruppeantenne 1, 2. Som det klart fremgår av figur 3 er imidlertid avstanden mellom fasesentrene betraktelig mindre, hvilket oppnås ved å sammenkoble de forskjellige elementer, i denne utførelse ved å tillate gruppeantennene å bli vevd inn i hverandre.

De beskrevne prinsipper kan benyttes også i mer kompliserte antennearrangementer. Slik kan vinkelmåling forbedres ved å plassere mer enn to antenner i et slikt arrangement, det vil si med antennene innrettet langs den første akse. Målenøyaktigheten blir selvfølgelig forbedret hvis det er mulig å danne den midlere verdi over et stort antall måleresultater.

En annen fordel ved å bruke mer enn to gruppeantenner innrettet på den samme akse er gitt ved det etterfølgende. Hvis avstanden d mellom sentrene til to gruppeantenner øker, impliserer dette at avstanden AL øker for hver vinkel 6. Hvis avstanden AL øker medfører dette en øket faseforskjell Acp for hver vinkelendring, det vil si at oppløsningen blir forbedret. Igjen kommer dette i konflikt med kravene til utvetydighet. Ved å innrette en rekke gruppeantenner i en rad på samme akse, for eksempel tre antenner betegnet A, B og C i den nevnte rekkefølge, kan den beskrevne konflikt løses. Ved å benytte den målte faseforskjell fra data tilveiebrakt fra antennene A og B for utvetydigheten, og den målte faseforskjell mellom antennene A og C for å oppnå en forbedret oppløsning kan begge krav tilfredsstilles.

Det er også mulig å arrangere antenner langs flere akser og slik tillate innmåling i flere plan. Ved å plassere et ytterligere par av gruppeantenner langs en akse vesentlig perpendikulær på den første akse og vesentlig perpendikulær på bevegelsesretningen av objektet, kan en referansevinkel til objektet i forhold til antennene bestemmes i hver av de to plan, vesentlig perpendikulære på hverandre, som dannes av objektet og den respektive akse som antennepar er arrangert på. Hvis for eksempel objektet består av et kjøretøy som beveger seg på en veibane hvor gruppeantenner er innrettet langs en horisontal første akse på en slik høyde over veibanen at kjøretøyer kan passere under antennene, defineres et vesentlig horisontalt første plan av antennene 1,2 og kjøretøyet 3. i dette horisontale plan kan det bestemmes en asimutvinkel 0 til kjøretøyet, som beskrevet, ved å bestemme fasevinkelen cp. Ved å innrette gruppeantenner langs en andre akse, som er perpendikulær på den første akse og vesentlig perpendikulær på veibanen, er det gjort korresponderende mulig å bestemme en elevasjonsvinkel til kjøretøyet, hvor elevasjonsvinkelen refererer til den vertikale andre akse. Med kjennskap til både asimutvinkelen og elevasjonsvinkelen, som sett fra de to gruppeantenner, bestemmes posisjonen av kjøretøyet i forhold til antennene fra disse vinkler.

En alternativ utførelse med forbindelse, ifølge oppfinnelsen, mellom de forskjellige deloverflater oppstår ved å innrette visse antenneelementer slik at de inkluderes i to eller flere gruppeantenner. Utførelsen er beskrevet skjematisk i figur 4 for det tilfelle av måling i to dimensjoner. I dette tilfellet omfatter antennen 20 minst tre gruppeantenner. Gruppeantennen 21 består av antenneelementene 24-26, 28-30 og 32-34 hvor 29 danner fasesenteret. Gruppeantennen 22 består av antenneelementene 25-27,29-31 og 33-35 med 30 som fasesenter. Gruppeantennen 23 består av antenneelementene 28-30, 32-34 og 36-38, med 33 som fasesenter. Slik blir antenneelementer benyttet av mer enn én gruppeantenne. Dette er gjort mulig ved effektforsterkning av signalene mottatt fra minst disse antenneelementer og deretter ved å benytte effektdeling på det forsterkede signal. I denne utførelse blir den samme korte distanse d oppnådd som i den tidligere utførelse.

Claims (7)

1. Anordning for å bestemme posisjonen av et kjøretøy på en veibane ved å bruke radiobølger som sendes ut fra anordningen og reflekteres av kjøretøyet og mottas av minst to gruppeantenner (1,2) innrettet på tvers av veibanen, karakterisert ved at gruppeantennene (1,2) omfatter et antall antenneelementer (5-14), hvor et av antenneelementene i den respektive gruppeantenne danner fasesenteret (5, 10) til gruppeantennene, og hvori antenneelementene (5-14) i gruppeantennene er tilknyttet hverandre slik at avstanden d mellom fasesentrene (5,10) i de inkluderte gruppeantenner (1,2) er mindre enn halvparten av bredden av en individuell gruppeantenne (1,2).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at tilknytningen omfatter sammenveving av gruppeantennene (1,2) med hverandre i det at fasesenteret (5, 10) til en gruppeantenne er innrettet blant antenneelementene (11-14, 6-9) av en annen gruppeantenne (1,2).

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at noen av antenneelementene (24-38) samtidig er tilknyttet mer enn én gruppeantenne (21, 22,23).

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at signalene tilveiebrakt fra antenneelementer (24-38) som benyttes av mer enn én gruppeantenne (21, 22, 23) undergår effektforsterkning, etterfulgt av effektdeling av det forsterkede signal på den respektive gruppeantenne (21, 22, 23).

5. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at en asimutvinkel 6 til kjøretøyet (3) bestemmes fra en antenneposisjon hvor minst et par av vesentlig horisontalt innrettede gruppeantenner (1, 2) er innrettet.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at en elevasjonsvinkel til kjøretøyet (3) bestemmes fra en antenneposisjon hvor minst et par vesentlig vertikalt innrettede antenneelementer er innrettet.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at posisjonen av kjøretøyet i forhold til antennene bestemmes ved hjelp av kjennskap til asimutvinkelen 6 og elevasjonsvinkelen.