DE4421571A1 - Location finding equipment determining position of objects radiating signals - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ortsbestimmung von Signale abstrahlenden Objekten, die sich in einem vorgegebenen Gebiet bewegen, wobei eine aus mehreren Antennenelementen bestehende Antenne und eine Vorrichtung vorhanden sind, welche die von den einzelnen Antennenelementen empfangenen digitalisierten Signale mit komplexen Wichtungsfaktoren bewertet, so daß die Signale der einzelnen Objekte getrennt voneinander detektiert werden können.The present invention relates to an arrangement for Location of signals radiating objects, which are move in a given area, one off multiple antenna elements existing antenna and one Device are present which are those of the individual Antenna elements received digitized signals with complex weighting factors evaluated so that the signals of the individual objects can be detected separately can.
Eine derartige Anordnung ist aus der DE 42 28 658 A1 bekannt. Sie läßt sich z. B. vorteilhaft in einem automatischen Gebührenerfassungssystem im Straßenverkehr einsetzen, wobei die Empfangsanordnung von mehreren sich beliebig in einem vorgegebenen mehrspurigen Straßenabschnitt bewegenden Fahrzeugen ausgesendete Signale empfangen und auswerten kann. Es handelt sich dabei um Quittungssignale, welche bestätigen, daß das jeweilige Fahrzeug von seinem Geldguthaben den geforderten Betrag abgebucht hat.Such an arrangement is known from DE 42 28 658 A1 known. You can z. B. advantageous in one automatic road toll charging system use, the receiving arrangement of several themselves arbitrarily in a given multi-lane road section receive signals transmitted by moving vehicles and can evaluate. These are acknowledgment signals, which confirm that the respective vehicle from its Cash has debited the requested amount.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit einem möglichst geringen Aufwand an Antennen die Herkunftsorte der von den Objekten abgestrahlten Signale bestimmen kann. The invention is based on the object of an arrangement of the type mentioned at the beginning, which with a the least possible effort on antennas the places of origin of the can determine signals emitted by the objects.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.According to the invention, this object is achieved through the features of Claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
Die Empfangsanordnung der Erfindung vermag die von den Objekten ausgesendeten Signale deutlich voneinander zu trennen und aus diesen Signalen deren Einstrahlrichtungen und Laufzeiten zu bestimmen, so daß eine Ortung der einzelnen Objekte möglich ist.The receiving arrangement of the invention is capable of that of the Objects sent signals clearly from each other separate and from these signals their irradiation directions and to determine transit times so that a localization of the individual objects is possible.
Anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird anschließend die Erfindung näher erläutert:Based on some shown in the drawing The invention will be described in more detail below explains:
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der Empfangsanordnung und Fig. 2,3 zwei Varianten für die Umsetzung der Empfangssignale in komplexe digitale Signale. Fig. 1 shows a block diagram of the receiving arrangement and Fig. 2,3 two variants for converting the received signals into complex digital signals.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist ein Antennenarray vorgesehen, das aus mehreren z. B. matrixartig angeordneten Antennenelementen A11 bis ANyNz besteht, wobei Ny die Zahl der Spalten und Nz die Zahl der Zeilen angibt.In the arrangement shown in Fig. 1, an antenna array is provided which consists of several z. B. matrix-like antenna elements A11 to AN y N z , where N y indicates the number of columns and N z the number of rows.
Nach einer Verstärkung V der von den einzelnen Antennenelementen empfangenen analogen Hochfrequenzsignale, werden diese zunächst auf eine Zwischenfrequenz herabgemischt und dann in komplexe digitale Signale x ki (k=1 . . . Nz, i=1 . . . Ny) umgesetzt. Dieser Prozeß kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden.After an amplification V of the analog radio frequency signals received by the individual antenna elements, these are first mixed down to an intermediate frequency and then converted into complex digital signals x ki (k = 1... N z , i = 1... N y ). This process can be done in several ways.
Gemäß Fig. 1 wird jedes analoge Empfangssignal mit Mischern M in den Zwischenfrequenzbereich herabgemischt und in einen Inphase- und einen Quadratursignalanteil zerlegt. Danach werden die Signalanteile über Tiefpaßfilter TP geführt und mittels Analog/Digital-Umsetzer AD in ein digitales komplexes (Real-, Imaginärteil) Signal x ki gewandelt.Referring to FIG. 1, each receiving analog signal with mixers M is mixed down in the intermediate frequency range and broken down into an in-phase and a quadrature signal component. The signal components are then passed through low-pass filters TP and converted into a digital complex (real, imaginary part) signal x ki by means of an analog / digital converter AD.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedes analoge Empfangssignal mit einem Mischer M in die Zwischenfrequenzebene herabgesetzt, über einen Bandpaß BP geführt und dann mit einem Analog/Digital-Umsetzer AD digitalisiert. Erst danach wird das Signal mit digital arbeitenden Mischern ins Basisband geschoben und in einen Inphase- und Quadraturanteil zerlegt, aus denen nach Tiefpaßfilterung TP das komplexe digitale Signal x ki resultiert.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, each analog received signal is reduced to the intermediate frequency level with a mixer M, passed over a bandpass filter BP and then digitized with an analog / digital converter AD. Only then is the signal shifted to baseband with digital mixers and broken down into an in-phase and quadrature component, from which the complex digital signal x ki results after low-pass filtering TP.
Gemäß Fig. 3 wird nach der Analog/Digital-Umsetzung das reelle Bandpaßsignal auf ein komplexes Bandpaßfilter CBF gegeben, welches den bei reellen Signalen zur halben Abtastfrequenz periodischen Anteil wegfiltert. Das resultierende komplexe Signal wird mit einem komplexen digitalen Mischer MDK ins Basisband verschoben.Referring to FIG. 3, the real bandpass signal is supplied to a complex band-pass filter CBF after analog / digital conversion, which filters out the periodic for real signals to half the sampling portion. The resulting complex signal is shifted into the baseband with a complex digital mixer MDK.
Die in Fig. 2 und 3 dargestellten digitalen Filter, können auch zur Reduzierung der Abtastfrequenz (Dezimation) eingesetzt werden.The digital filters shown in FIGS. 2 and 3 can also be used to reduce the sampling frequency (decimation).
Bei den zuvor beschriebenen Mischvorgängen ist darauf zu achten, daß die Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Empfangssignalen, die durch verschiedene Laufzeiten der Signale von den sendenden Objekten zu den Antennenelementen entstehen, erhalten bleiben.In the mixing processes described above, this is important pay attention to the phase differences between each Received signals by different terms of the Signals from the sending objects to the antenna elements arise, remain.
In einem Multipliziererschaltblock MW werden alle komplexen digitalen Empfangssignale x ki mit reellen Wichtungskoeffizienten bewertet Wki. Diese reellen Wichtungskoeffizienten Wki werden zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine Antennenrichtcharakteristik entsteht, deren Hauptkeule normal zur Antennenebene gerichtet ist und deren Nebenkeulen ausreichend stark gedämpft sind. Dieser Normalenrichtungen werden der Azimutrichtungswinkel Θ = 0° und der Elevationsrichtungswinkel Φ = 90° zugeordnet.In a multiplier switching block MW, all complex digital received signals x ki are evaluated with real weighting coefficients W ki . These real weighting coefficients W ki are expediently chosen so that an antenna directional characteristic is produced, the main lobe of which is directed normal to the antenna plane and the side lobes of which are sufficiently attenuated. The azimuth direction angle Θ = 0 ° and the elevation direction angle Φ = 90 ° are assigned to these normal directions.
Sollten die einzelnen Antennenelemente kalibriert sein, so können in dem Multipliziererschaltblock MW die eingehenden Signale x ki mit Kalibrationskorrekturfaktoren K ki versehen werden. Die komplexen Ausgangssignale des Multipliziererschaltblocks MW sind dann:If the individual antenna elements are calibrated, the incoming signals x ki can be provided with calibration correction factors K ki in the multiplier switching block MW. The complex output signals of the multiplier switching block MW are then:
y ki = Wki · K ki · x ki (1) y ki = ki W · K · x ki ki (1)
In einer Transformationsstufe FFT werden die Signale y ki mit Richtungsvektoren multipliziert und aufsummiert, so daß Signale z lm entstehen, von denen jedes einer eigenen Signaleinfallsrichtung der Antenne zugeordnet ist. Anders ausgedrückt, die Antenne bildet eine Vielzahl von Richtcharakteristiken, welche das gesamte Gebiet, in dem sich Signale abstrahlende Objekte aufhalten können, abdecken. Die Gewichtung der Signale y ki mit Richtungsvektoren kann z. B. mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformation oder einer diskreten Cosinus-Transformation oder mit einem FIR-Filter durchgeführt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die schnelle Fourier-Transformation angewendet. Dabei ergeben sich M Signale z lm mit M verschiedenen Einfallsrichtungen:In a transformation stage FFT, the signals y ki are multiplied by direction vectors and summed up, so that signals z lm arise, each of which is assigned to a separate direction of signal incidence of the antenna. In other words, the antenna forms a multitude of directional characteristics which cover the entire area in which signals emitting objects can be found. The weighting of the signals y ki with direction vectors can e.g. B. with the help of a fast Fourier transform or a discrete cosine transform or with an FIR filter. The fast Fourier transform is used in the present exemplary embodiment. This results in M signals z lm with M different directions of incidence:
mit 1 = 0,1, . . . Nz-1 und m = 0,1, . . . N₁-1
und N₁ Ny, N₂ Nz with 1 = 0.1,. . . N z -1 and m = 0.1. . . N₁-1
and N₁ N y , N₂ N z
Da von den resultierenden Signalen z lm einige solchen Einfallsrichtungen zugeordnet sind, die völlig außerhalb des relevanten Gebiets liegen, können diese ausgeschlossen werden, so daß stattSince the resulting signals z lm are associated with some such directions of incidence that lie completely outside the relevant area, these can be excluded, so that instead
Signale z lm übrig bleiben. Zu jedem der Signale z lm gehören ein Azimutrichtungswinkel Θ und ein Elevationsrichtungswinkel Φ, die sich allgemein folgendermaßen beschreiben lassen:Signals z lm remain. Each of the signals z lm includes an azimuth direction angle Θ and an elevation direction angle Φ, which can generally be described as follows:
dy/λ und dz/λ sind die gegenseitigen Abstände der Antennenelemente in Zeilen- und Spaltenrichtung bezogen auf die Wellenlänge der Empfangssignale.d y / λ and d z / λ are the mutual distances between the antenna elements in the row and column direction based on the wavelength of the received signals.
Alle den jeweiligen Indizes l, m zugehörigen Winkel θ und Φ werden zweckmäßig in einer Tabelle abgespeichert, um den Rechenaufwand zu reduzieren. Kommt von einem Objekt ein Signal aus einer Richtung, die einer abgespeicherten Winkelkombination Θ, Φ entspricht, so ist die Leistung des zu diesen Winkeln gehörenden Signals z lm größer als die Leistung des gleichen Eingangssignal y ki, welches mit einem anderen Richtungsvektor multipliziert wurde. Es wird also von allen am Ausgang der Transformationsstufe FFT anliegenden Signalen z lm, das Betragsquadrat |z lm|² = z lm · z 1*m gebildet. Außerdem wird die Summe aus zeitlich nacheinander ermittelten Betragsquadraten gemäß Gleichung (5) berechnet, so daß sich die bei der Analog/Digital-Umsetzung angewandte Abtastfrequenz fA um den ganzzahligen Faktor fA/fB auf die neue Abtastfrequenz fB reduziert.All the angles θ and Φ associated with the respective indices l, m are expediently stored in a table in order to reduce the computational effort. If a signal comes from an object from a direction that corresponds to a stored angle combination Θ, Φ, the power of the signal z lm belonging to these angles is greater than the power of the same input signal y ki , which has been multiplied by another direction vector. It therefore becomes z lm of all signals present at the output of the transformation stage FFT, the amount square | z lm | ² = z lm · z 1 * m . In addition, the sum of the successively determined amount squares is calculated according to equation (5), so that the sampling frequency f A used in the analog / digital conversion is reduced by the integer factor f A / f B to the new sampling frequency f B.
Diese Reduktion der Abtastfrequenz ist möglich, wenn die Objekte nur langsame Ortsveränderungen erfahren im Vergleich zu der den zeitlichen Änderungen der ausgesendeten Signale. Vorteil der Reduktion der Abtastfrequenz ist, daß sich der Rechenaufwand bei der anschließenden Selektion der Signale mit relativen Leistungsmaxima in der Schalteinheit S verringert.This reduction in the sampling frequency is possible if the Objects only experience slow changes in location in comparison to the changes over time of the transmitted signals. The advantage of reducing the sampling frequency is that the Computational effort in the subsequent selection of the signals with relative power maxima in the switching unit S decreased.
In der Schalteinheit S wird zunächst aus allen M Signalen z lm dasjenige mit dem absoluten Leistungsmaximum ermittelt. Danach wird das Betragsquadrat |z lm|² daraufhin untersucht, ob es größer als ein Schwellwert T·PN ist, wobei PN das Systemrauschen ist und für T z. B. gilt:In the switching unit S, the one with the absolute maximum power is first determined from all M signals z lm . Then the square of the amount | z lm | ² then examined whether it is greater than a threshold value T · P N , where P N is the system noise and for T z. B. applies:
Dieser Wert für T ergibt sich, wenn im Multipliziererschaltblock MW alle reellen Wichtungskoeffizienten Wki = 1 sind. Ist ein Signal z lm als Maximum durch diese Schwellwertbetrachtung erkannt worden, wird es registriert und auf einen kleinen Wert unterhalb der Schwelle gesetzt. Die unmittelbar benachbarten Werte, deren Steigung zum Maximum hinzeigt (links vom Maximum positive Steigung, rechts vom Maximum negative Steigung) werden ebenfalls auf einen niedrigeren Wert gesetzt. Dadurch wird vermieden, daß weitere Maxima detektiert werden, die zu einem schon detektierten Objekt gehören. Danach wird das nächste Maximum bestimmt. Die Maximumsuche wird solange fortgeführt bis kein Maximum mehr oberhalb der Schwelle erkennbar ist.This value for T results if all real weighting coefficients W ki = 1 in the multiplier switching block MW. If a signal z lm has been recognized as maximum by this threshold value consideration, it is registered and set to a small value below the threshold. The immediately adjacent values whose slope points to the maximum (left of the maximum positive slope, right of the maximum negative slope) are also set to a lower value. This avoids the detection of further maxima that belong to an object that has already been detected. The next maximum is then determined. The maximum search is continued until no maximum is discernible above the threshold.
Jedes Signal z lm für das ein Maximum des Betragsquadrates ermittelt worden ist, wird über ein Koppelfeld KF auf einen von mehreren Detektoren DT1 . . . DTq durchgeschaltet.Each signal z lm for which a maximum of the square of the amount has been determined is applied via a switching matrix KF to one of several detectors DT1. . . DTq switched through.
Jeder Detektor DT1 . . . DTq (q = Zahl der maximal vorkommenden Objekte, von denen Signale ausgehen) gibt an seinen Ausgängen die zu dem ihm zugeführten Signal z lm gehörenden Richtungswinkel Θ₁ . . . Θq und Φ₁ . . . Φq an. Außerdem bestimmt jeder Detektor DT1 . . . DTq auch die Signallaufzeit τ des ihm zugeführten Signals z lm, aus der sich die Entfernung r des zugehörigen Objekts von der Empfangsantenne A11 . . . ANyNz ergibt. Wird von einer Feststation, die auch die Empfangsantenne A11 . . . ANyNz trägt, ein Signal ausgesendet, das an dem jeweiligen zu ortenden Objekt reflektiert und zur Empfangsantenne gelangt, so erstreckt sich die Signallaufzeit τ auf den Hin- und Rückweg. Die zu ortenden Objekte müssen aber nicht als passive Strahler ausgebildet sein, sie können auch einen aktiven Sender besitzen. Bei aktiv sendenden Objekten erstreckt sich die Signallaufzeit τ nur vom Objekt zur Empfangsantenne.Each detector DT1. . . DTq (q = number of maximally occurring objects from which signals originate) gives at its outputs the directional angle Θ 1 belonging to the signal z lm supplied to it. . . Θ q and Φ₁. . . Φ q on. Each detector also determines DT1. . . DTq also the signal transit time τ of the signal z lm supplied to it, from which the distance r of the associated object from the receiving antenna A11. . . AN y N z results. Is from a base station, which also the receiving antenna A11. . . AN y N z , transmits a signal that reflects on the object to be located and reaches the receiving antenna, the signal propagation time τ extends to the outward and return path. However, the objects to be located do not have to be designed as passive radiators, they can also have an active transmitter. In the case of actively transmitting objects, the signal propagation time τ only extends from the object to the receiving antenna.
Zur Ermittlung der Signallaufzeit τ wird das dem Detektor DT1 . . . DTq zugeführte Empfangssignal z lm mit einem Referenzsignal s korreliert. Als Referenzsignal s kann das von der Feststation ausgesendete Signal verwendet werden, falls es sich um passiv strahlende Objekte handelt. Falls aber ein Objekt aktiv sendet, sollte das Referenzsignal s mit dem vom Objekt abgestrahlten Signal korreliert sein. Sind die Eigenschaften des Sendesignals (z. B. Frequenz, Phase) bekannt, so kann ein Referenzsignal aus dem Sendesignal abgeleitet werden.To determine the signal transit time τ, this is the detector DT1. . . DTq supplied receive signal z lm correlated with a reference signal s . The signal transmitted by the base station can be used as the reference signal s if the objects are passive radiating objects. However, if an object is actively transmitting, the reference signal s should be correlated with the signal emitted by the object. If the properties of the transmission signal (e.g. frequency, phase) are known, a reference signal can be derived from the transmission signal.
Jeder Detektor DT1 . . . DTq bestimmt nach folgender Gleichung (7) die Korrelationskoeffizienten R(k):Each detector DT1. . . DTq determines according to the following equation (7) the correlation coefficients R (k):
k = 0,1, . . . , 2I-1, wobei I die Dauer des Mittlungsprozesses angibt, die von der geforderten Ortungsgenauigkeit und der zeitlichen Ortsänderung der Objekte abhängt.k = 0.1. . . , 2I-1, where I is the duration of the averaging process indicates that of the required location accuracy and the temporal change of location of the objects depends.
Nachfolgend wird vereinfacht angenommen, daß die Signale s(i) und z lm(i) folgende Form haben:In the following it is simplified assumed that the signals s (i) and z lm (i) have the following form:
Mit f wird die Frequenz des vom Objekt abgestrahlten Signals bezeichnet.With f the frequency of the signal emitted by the object designated.
In Gleichung (9) sind die Laufzeit τ des Signals z lm vom Sendeort (entweder Feststation oder Objekt) zum Empfangsort und eine Phase ϕ berücksichtigt, welche sich aufgrund der Signalverzögerung in der Empfangsanordnung ergibt. Diese Phase ϕ kann durch Kalibration ermittelt werden.Equation (9) takes into account the transit time τ of the signal z lm from the sending location (either base station or object) to the receiving location and a phase ϕ which results from the signal delay in the receiving arrangement. This phase ϕ can be determined by calibration.
Aus Gleichung (7) zusammen mit den Gleichungen (8) und (9) läßt sich die Laufzeit τ bestimmen:From equation (7) together with equations (8) and (9) the transit time τ can be determined:
Verwendet man den ersten und zweiten Korrelationskoeffizient, dann gilt mit k = 2:If you use the first and second Correlation coefficient, then with k = 2:
Aus der Signallaufzeit τ und der Lichtgeschwindigkeit c läßt sich über die BeziehungFrom the signal transit time τ and the speed of light c lets yourself about the relationship
(wenn Objekt aktiv sendet)
bzw.(if object sends actively)
respectively.
(wenn Objekt passiv von Feststation ausgesendetes Signal reflektiert) die Entfernung r des Objekts von der Feststation bestimmen. (if object is passive from base station emitted signal reflects) the distance r des Determine the object from the base station.
Verwendet man abweichend von Gleichung (11) mehr als nur k = 2 Korrelationskoeffizienten R(k), so können pro Objekt mehrere Laufzeitwerte τ bestimmt werden. Durch Mittelung aller Laufzeitwerte können Meßfehler verringert werden.Deviating from equation (11), more is used k = 2 correlation coefficients R (k), so per object several transit time values τ are determined. By averaging measurement errors can be reduced for all runtime values.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944421571 DE4421571A1 (en) | 1994-06-21 | 1994-06-21 | Location finding equipment determining position of objects radiating signals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944421571 DE4421571A1 (en) | 1994-06-21 | 1994-06-21 | Location finding equipment determining position of objects radiating signals |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4421571A1 true DE4421571A1 (en) | 1996-01-11 |
Family
ID=6521063
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19944421571 Ceased DE4421571A1 (en) | 1994-06-21 | 1994-06-21 | Location finding equipment determining position of objects radiating signals |
Country Status (1)
| Country | Link |
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