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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Wiederauffinden von Gegenständen,
nach den Ansprüchen
1 und 12.
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Diese
Vorrichtung und das zugehörige
Verfahren erlauben es, Gegenstände,
die entsprechend vorbereitet wurden, mittels Funkpeilung unter Verwendung
einer Sucheinheit, aber unabhängig
von externen Funkstationen, zu lokalisieren und damit gezielt wiederzufinden.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
102 20 366 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
lokalisieren von Etiketten in mit Raumsendern ausgestatteten Räumen bekannt,
wobei die Etiketten mit einer Stromversorgung und einer Antenne
versehen sind. Die an Gegenständen
oder Personen angebrachten Etiketten empfangen von den Raumsendern
einen Code, aus dem die Position innerhalb des Gebäudes hervorgeht
und senden diesen an einen nicht beweglichen Lokalisierungsempfänger, der
mit einem zentralen Steuerrechner verbunden ist, der ebenfalls nicht
beweglich ist und fest installiert ist.
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Aus
der WO-Schrift WO 93/01659 ist ein Funktelefon bekannt, das abhängig von
der Position der ausziehbaren Antenne unterschiedlich reagiert. Dieses
Telefon kann die Sendeleistung davon abhängig machen ob die Antenne
ausgezogen ist oder nicht.
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Aus
der Patentschrift
US
6 542 083 B1 ist ein System bekannt, welches Funketiketten
mittels eines starken elektromagnetischen Pulses aktiviert, die darauf
hin Daten aussenden.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
103 01 971 A1 ist ein Vorrichtung bekannt, welche mittels
Laserlicht die Position von Gegenständen, sowie die Position der
Vorrichtung selbst relativ zu anderen Punkten in der Umgebung vermisst.
Hierzu werden verschiedene Laserpulse benutzt wobei die Position
aus Laufzeitunterschieden an einem optischen Sensor gemessen wird.
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Aus
der
US 6,297,768 ist
eine Vorrichtung mit Fernbedienung zum Orten von zum Beispiel Autos
unter Verwendung eines GPS (Global Positioning System)-Signals als
Ortungssignal bekannt. Hier bestimmt ein GPS-Empfänger im
Auto dessen momentane Position und übermittelt diese, auf Anfrage,
an eine Sucheinheit. Die Übermittlung
der Daten geschieht unter Verwendung eines Funknetzwerkes, zumindest
am Ort des GPS-Empfängers
verfügbar sein
muß.
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Damit
ein Orten gemäß der
US 6,297,768 durchgeführt werden
kann, wird neben der Verfügbarkeit
des GPS-Signals ein bereits existierendes Funknetzwerk, sowie dessen
Verfügbarkeit
und eine gültige
Berechtigung für
den Zugriff auf das Funknetzwerk vorausgesetzt. Des Weiteren ist
die Ortsauflösung
der Suchvorrichtung auf die Auflösegenauigkeit
der GPS-Satelliten beschränkt.
Dies bedeutet, dass die beste zu erwartende Ortsauflösung typischerweise
im Bereich von ca. 10m bis ca. 100m liegt.
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Die
US 6,297,768 offenbart somit
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Gegenständen über große Distanzen
hinweg unter Verwendung eines GPS-Signals und unter Verwendung von externen
Funksystemen, welche von einem Benutzer verwendet, aber nicht kontrolliert
werden können.
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Ein
Problem der in der
US 6,297,768 offenbarten
Vorrichtung und von ähnlichen
Systemen liegt in der Verwendung von GPS- und/oder anderen satellitengestützten Ortungssignalen.
Diese unterliegen, wie dem Fachmann bekannt ist, einer Reihe von möglichen
Fehlerquellen.
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So
können
satellitengestützte
Ortungssignale zum Beispiel gestört
werden von Ionosphäre
und Troposphäre
der Erde und unkontrolliert an Bauwerken reflektiert werden, was
zu falschen Positionsbestimmungen führt. Des Weiteren hängt die
Genauigkeit der Positionsbestimmung ab von der Genauigkeit der im
Ortungssignal-Empfänger eingebauten Uhr,
welche die Zeitvorgabe für
die Entfernungsberechnung liefert. Außerdem haben Ephemeridenfehler
der Satelliten, sowie die Anzahl und Anordnung der sichtbaren und
damit verfügbaren
Satelliten starken Einfluss auf die Genauigkeit der Positionsbestimmung.
Die wesentliche Einschränkung
ist jedoch, daß dieses
System, wie jedes andere satellitengestützte Ortungssystem, innerhalb
von Gebäuden,
unterirdisch – wie
in Tiefgaragen oder U-Bahnen – oder in öffentlichen
Verkehrsmitteln nur eingeschränkt funktioniert,
da die Wände
bzw. das Material zwischen dem Sender und dem Satelliten das Ortungssignal
stark abschwächen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Wiederauffinden von Gegenständen ohne
satellitengestützte
Ortungssignalquellen und ohne Verwendung von Funknetzwerken bereitzustellen,
wobei die Vorrichtung kostengünstig
sein soll und das Verfahren einfach umzusetzen sein soll.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
1 ind 12. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
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Unter „Funknetzwerk" wird hier jede Art
von Funknetzwerken verstanden, welche Vermittlungsstationen und/oder
Relais-Antennen aufweist, wie zum Beispiel Satelliten oder auf der
Erde installierte Antennen.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
kann deshalb dazu verwendet werden, Gegenstände innerhalb von Gebäuden oder
auch unterirdisch wiederzufinden. Im Gegensatz zur
US 6,297,768 wird nicht mit einem
satellitengestützten
Signal gearbeitet, sondern Sender und Empfänger tauschen Funksignale direkt
ohne weitere externe Hilfsmittel aus. Gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht stets ein direkter Funkkontakt zwischen einer Sucheinheit
und einer am zu findenden Gegenstand befestigten Ortungshilfe.
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Eine
erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet Funksignale in einem Frequenzbereich
von ca. 400 MHz bis ca. 2,5 GHz und eignet sich insbesondere zum
Auffinden von Gegenständen
in einem Umkreis von ca. 5km bei einer verwendeten Frequenz von
ca. 400MHz bis ca. 300m bei einer verwendeten Frequenz von ca. 2,5GHz. Dieses
Ausführungsbeispiel
ist gedacht zum Auffinden von Gegenständen des täglichen Lebens und erlaubt
es, als Sucheinheit zur Suche zum Beispiel ein, gemäß der vorliegenden
Erfindung, modifiziertes Funktelephon zu verwenden.
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Es
sind aber Ausführungsbeispiele
möglich, die
mit geringeren Frequenzen arbeiten und deshalb einen größeren Wirkungsradius
aufweisen, wenn die Antennen entsprechend groß ausgelegt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erlaubt es dem Anwender außerdem,
neben der Richtung des zu findenden Gegenstands auch dessen Abstand
vom Suchenden bzw. von einer Sucheinheit zu bestimmen.
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Eine
Vorrichtung zum Wiederauffinden von Gegenständen, welche unabhängig von
externen Funknetzen und/oder Funkstationen betrieben werden kann,
weist gemäß der vorliegenden
Erfindung zumindest die folgenden Elemente auf:
Zum einen eine
Sucheinheit, die dem Benutzer bei der Suche oder der Ortung eines
Gegenstandes behilflich ist. Diese Sucheinheit weist auf eine Eingabeeinheit,
eine Anzeigeeinheit, eine omnidirektionalen Antenne, einen weiteren
Satz von Antennen zur Richtungsbestimmung, eine Stromversorgung,
eine oder mehrere elektrische Schaltungen, welche einen oder mehrere
Speicherbausteine und einen oder mehrere Prozessoren zur Ausführung von
Programmen aufweisen, sowie spezielle Halbleiterbauteile zum Betreiben
der richtungsbestimmenden Antennen.
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Zum
anderen eine Ortungshilfe, die mit dem zu findenden Gegenstand verbunden
ist. Diese weist auf eine Stromversorgung, eine omnidirektionale
Antenne und einen oder mehrere Halbleiterbausteine, welche Funklogik,
Programmlogik und/oder Speicherelemente aufweisen.
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„Omnidirektional" bedeutet, dass die
funkende Antenne in alle Raumrichtungen gleich viel Energie abstrahlt
und dass die von der Antenne empfangene Signalintensität unabhängig vom
Einfallswinkel des ankommenden Funksignals ist.
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Dies
gilt jedoch nur für
ideale omnidirektionale Antennen. Reale, als omnidirektional bezeichnete Antennen
weisen eine, jedoch geringe, Raumrichtungsabhängigkeit bezüglich des
Empfangens und Sendens von Funksignalen auf.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
werden Eingabeeinheit, Anzeigeeinheit, omnidirektionale Antenne,
Stromversorgung und ein Teil der elektrischen Schaltungen mit den
Speicherbausteinen und einem Prozessor durch ein herkömmliches
Funktelephon bereitgestellt. Der zusätzlich benötigte Satz von Antennen zur
Richtungsbestimmung, sowie die speziellen Halbleiterbauteile zum
Betreiben dieser Antennen und zusätzliche Schaltungselemente
werden gemäß dieses
Ausführungsbeispiels
in das Funktelephon integriert und/oder mit dem Funktelephon verbunden.
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Es
ist jedoch auch denkbar und möglich,
eine eigenständige
Sucheinheit bereitzustellen. Dies kann von Vorteil sein, wenn bestimmte
Bestandteile, wie zum Beispiel die Ortungsantennen oder die Anzeigeeinheit,
für die
Suche optimiert werden sollen. Dies ist insbesondere von Vorteil,
falls der verfügbare
Platz nicht ausreicht, um größere Antennen
für kleinere Frequenzen
zu integrieren. Ebenso ist die Integration eines zweiten Satzes
von Antennen denkbar, um eine direkte Peilung der Ortungshilfe in
Kombination mit einer Abstandsermittlung zu realisieren.
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Des
Weiteren ist es möglich,
die Sucheinheit in tragbare Geräte
bzw. Computer, wie Laptop-Computer, Palmtop-Computer oder Ähnliches
zu integrieren, was unter anderem den Vorteil hat, dass eine hochauflösende visuelle
Anzeigeeinheit vom Grundgerät
bereitgestellt wird.
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Zum
Wiederauffinden von Gegenständen wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung folgendermaßen
vorgegangen:
Am später
zu findenden Gegenstand wird als Vorbereitung eine Ortungshilfe
angebracht. Diese Ortungshilfe kann permanent mit dem zu findenden
Gegenstand verbunden werden, zum Beispiel durch Aufkleben, Einarbeiten
in den Gegenstand durch den Hersteller oder Ähnliches. Es ist jedoch auch
denkbar und möglich,
die Ortungshilfe entfernbar auf den Gegenstand aufzubringen, zum
Beispiel in Form eines Anhängers,
eines magnetischen Clips oder einer einzulegenden Chipkarte oder Ähnlichem.
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Zur
Unterscheidung verschiedener Gegenstände kann die Funkeinheit programmierbar
ausgestattet sein, d.h. dem Benutzer kann die Möglichkeit gegeben werden, eindeutige
und von der Sucheinheit unterscheidbare Kennnummern z.B. in Form
eines alphanumerischen Codes, zuzuweisen. Dies stellt zugleich einen
Schutz vor Mißbrauch
dar, da dieser Code nur dem Benutzer bekannt ist.
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Da
der Funkverkehr abgehört
werden kann, ist es von Vorteil, den Code verschlüsselt zu übertragen.
Dies erschwert es einem ungewollten Zuhörer, sich die Identifikation
zu merken und später
einen ihm nicht gehörenden
Gegenstand zu lokalisieren. Hierbei ist ein „public key-private key" Verfahren von Vorteil,
wobei die Identifikation vor dem Funktransfer mit einer Zufallsnummer
zu kombinieren ist, um gleiche Funksignale zu vermeiden.
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Soll
ein Gegenstand gesucht werden, wird eine tragbare Sucheinheit angeschaltet
und aus der Liste der bekannten, in der Sucheinheit gespeicherten,
Gegenstände
der zu Findende ausgewählt.
Die Auswahl ermöglicht
es der Sucheinheit, gezielt ein auf den zu findenden Gegenstand
abgestimmtes Signal, welches den eindeutigen Code des zu findenden
Gegenstands aufweist, auszusenden.
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Die
auf diese Weise eindeutig identifizierte Ortungshilfe, die am zu
findenden Gegenstands befestigt ist, reagiert auf das von der Sucheinheit
ausgesandte Funksignal, indem sie ein Antwortsignal zurücksendet.
Das Zurücksenden
des Antwortsignals geschieht in einer ersten Ausführungsform
gleichmäßig in alle
Raumrichtungen. Während
der Suche werden zwischen Ortungshilfe und Suchstation ständig Funksignal
ausgetauscht, so dass die Richtung von Sucheinheit zur Ortungshilfe
und damit zum zu findenden Gegenstand immer wieder neu bestimmt wird.
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Der
Benutzer nähert
sich mit der Sucheinheit der Ortungshilfe und somit dem zu findenden
Gegenstand, indem er sich mit der Sucheinheit in die ermittelte
Richtung bewegt.
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Das
Austauschen von Funksignalen zwischen Ortungshilfe und Sucheinheit
und das Bewegen der Sucheinheit in Richtung der Ortungshilfe wird wiederholt,
bis der Gegenstand gefunden worden ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist die Ortungshilfe am zu findenden Gegenstand so ausgelegt, dass
das Antwortsignal primär
in Richtung der Sucheinheit ausgesendet wird.
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Eine
Analyse des empfangenen Antwortsignals durch die Sucheinheit zeigt
dem Benutzer die Richtung des zu findenden Gegenstandes zum Beispiel
mittels einer LCD(Liquid Crystal Display)-Anzeige oder auch mittels
eines in seiner Lautstärke und/oder
seiner Tonhöhe
variierenden akustischen Signals an.
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Die
Sucheinheit kann außerdem
dafür ausgelegt
sein, aus der Intensität
des empfangenen Antwortsignals eine Abschätzung für die Entfernung zum zu findenden
Gegenstand zu ermitteln.
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Eine
Möglichkeit
zur Entfernungsabschätzung
ist es, die Signalstärke
des empfangenen Signals mit der des ausgesandten Funksignals zu
vergleichen und die Abschwächung
mit bereits ermittelten Abständen
aus Versuchen zu vergleichen. Da Eigenschaften und Dicke von Hindernissen
zwischen der Sucheinheit und der Ortungshilfe nicht bekannt sind,
wird dem Benutzer eine Anzahl von möglichen Abständen angezeigt.
Die Kenntnis der Umgebung erlaubt dem Benutzer, den wirklichen Abstand
aus der Liste der angezeigten Entfernungen auf wenige Möglichkeiten
einzuschränken.
Durch weiteres Annähern
an die Ortungshilfe und damit den zu suchenden Gegenstand verbessert
sich auch die Abstandsschätzung,
da die Suchhilfe den bereits zurückgelegten
Abstand mit einbeziehen kann und der Abstand zur Ortungshilfe laufend
abnimmt, womit die Unsicherheit des Materials zwischen der Sucheinheit
und der Ortungshilfe ebenfalls kleiner wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform werden
mindestens zwei Sucheinheiten verwendet, so dass zusätzlich zur
Richtung auch der Abstand der Ortungshilfe von den Sucheinheiten
mittels einer Dreickspeilung ermittelt werden kann. Diese Sucheinheiten
können
sowohl in einem Gerät
integrieren sein, oder es werden mindestens zwei Geräte mit jeweils
mindestens einer Sucheinheit bereitgestellt.
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Geleitet
von der visuellen und/oder akustischen Anzeige bewegt sich der Benutzer
mit der tragbaren Sucheinheit auf den zu findenden Gegenstand zu.
Die Richtung des zu findenden Gegenstandes wird dabei im Hintergrund
durch Senden und Empfangen von Funksignalen zwischen tragbarer Sucheinheit
und zu findendem Gegenstand immer wieder neu ermittelt, so dass
der Benutzer mit einer Genauigkeit, die besser wird, je mehr er
sich dem zu findenden Gegenstand nähert, an diesen Gegenstand
heran geführt
wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
in Draufsicht eine Ausführungsform
einer Ortungshilfe gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 zeigt
die Ortungshilfe aus 1 in Seitenansicht,
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Ortungshilfe gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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4 zeigt
eine alternative Antennengeometrie für die Ortung in einer Sucheinheit
(Auswertung der Polarisation) gemäß der vorliegenden Erfindung,
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5 zeigt
den schematischen Aufbau eines Antennenelements der Antenne aus 4,
die in der Sucheinheit zur Anwendung kommt,
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6 zeigt
eine Schaltung einer möglichen Anordnung
zur Auswertung (Amplitude) des Peilsignals in der Sucheinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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7 zeigt
eine Schaltung für
eine weitere mögliche
Anordnung zur Auswertung (Phase) des Peilsignals in der Sucheinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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8 zeigt
die Grundelemente einer Sucheinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
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9 zeigt
die Grundelemente einer Ortungshilfe gemäß der vorliegenden Erfindung,
und
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10a und b zeigen die Berechnung zur Ermittlung
des Laufzeitunterschieds zur Richtungsbestimmung gemäß der in 7 gezeigten
Schaltung.
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1 zeigt
in Draufsicht den schematischen Aufbau einer Ortungshilfe 1 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine die Ortungshilfe 1 einhüllende Kunststoffmasse
ist nicht dargestellt. Die Zeichnung ist vergrößert und nicht maßstabsgetreu.
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Auf
einer Trägerplatte 6 ist
eine Batterie 4 aufgebracht. Auf der Batterie 4 befindet
sich ein erster Halbleiterchip 3, welcher mit einer helixförmigen, dreidimensionalen
Antenne 5 über
eine Kontaktanschlussfläche 7 mit
dem Halbleiterchip 3 in elektrisch leitendem Kontakt steht.
Der Halbleiterchip 3 ist über Drähte (nicht dargestellt) elektrisch
leitend mit dem Pluspol und dem Minuspol (beide nicht dargestellt) der
Batterie 4 verbunden. Auf den Halbleiterchip 3 ist ein
zweiter Halbleiterchip 2 aufgebracht, der ebenfalls elektrisch
leitend mit der Batterie 4 verbunden ist. Des Weiteren
besteht eine (nicht dargestellte) elektrische Kontaktierung zwischen
dem Halbleiterchip 3 und dem Halbleiterchip 2.
Die Antenne 5 wird durch die Trägerplatte 6 mechanisch
geschützt
und ist vollständig
in eine einhüllende
Kunststoffmasse (nicht dargestellt) eingebettet.
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Die
Trägerplatte 6 dient
als Unterlage zur Befestigung der Batterie 4, sowie zur
mechanischen Unterstützung
der Antenne 5. Die Trägerplatte 6 kann aus
flexiblem oder starrem Material sein und kann zusätzliche
Elemente wie Löcher,
Haken, Nieten oder ähnliches
aufweisen, die es erlauben, die Ortungshilfe 1 auf einfache
Weise am später
zu findenden Gegenstand zu befestigen. Es ist weiterhin denkbar
und möglich,
dass die Ortungshilfe 1 ohne Trägerplatte 6 in eine
Kunststoffmasse eingebettet wird.
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Auf
der Batterie 4 ist ein erster Halbleiterchip 3 aufgebracht,
bei dem es sich gemäß der vorliegenden
Erfindung um einen Funkchip, wie zum Beispiel einen GSM(Global System
for Mobile Communication)-Chip oder einen Bluetooth-Chip handelt,
also um einen Halbleiterchip, welcher in der Lage ist, Funksignale
zu verarbeiten.
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Die
Aufgabe des Funkchips besteht darin, die Funksignale in digitale
Daten umzuwandeln und umgekehrt, also digitale Daten in Funksignale
umzuwandeln. Der Halbleiterchip 3 wird bei Betrieb der
Ortungshilfe 1 von der Batterie 4 mit Strom versorgt,
so dass die Ortungshilfe 1 unabhängig von einer externen Stromquelle
betrieben werden kann.
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Statt
der Batterie 4 kann zur Stromversorgung der Ortungshilfe 1 auch
ein Schwingkreis oder eine Photozelle mit Akkumulator verwendet
werden.
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Je
nach Anwendungsart der Ortungshilfe 1 kann es von Vorteil
sein, wenn statt einer Batterie 4 eine Photozelle mit einem
Akkumulator verwendet wird. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn
genügend Platz
auf der Ortungshilfe 1 für die Photozelle und den Akkumulator
zur Verfügung
gestellt wird und wenn davon ausgegangen werden kann, dass der später zu findende
Gegenstand ausreichend mit Licht versorgt werden wird.
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Für spezielle
Anwendungen ist es außerdem denkbar
und möglich,
statt einer Batterie einen Schwingkreis als Stromquelle zu verwenden,
welche vom aufgefangenen Antennensignal gespeist wird. Der Vorteil
bei der Verwendung eines Schwingkreises liegt darin, dass eine unbegrenzte
Lebensdauer der Ortungshilfe 1 erreicht wird, da die zum
Senden benötigte
Energie von der Sucheinheit mit dem Funksignal geliefert wird. Außerdem kann
eine derartige Ortungshilfe 1 ohne Batterie 4,
aber mit Schwingkreis, sehr kostengünstig hergestellt werden.
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Auf
den Halbleiterchip 3 ist ein weiterer Halbleiterchip 2 aufgebracht,
welcher bei Betrieb ebenfalls von der Batterie 4 mit Strom
versorgt wird und welcher ein nicht-flüchtiges Speicherelement, wie zum
Beispiel einen Flash-Memory-Halbleiterspeicher,
sowie Schaltkreise zur Steuerung der Ortungshilfe 1 bzw.
des Halbleiterchips 3 enthält.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist auf dem Halbleiterchip 2 der vom Benutzer
definierte, spezifische alphanumerische Code des zu findenden Gegenstands
gespeichert. Des Weiteren steuert der Halbleiterchip 2 die
Sende- und Empfangssequenzen des Halbleiterchips 3. Es
ist auch denkbar und möglich,
weitere Funktionen auf dem Halbleiterchip 2 zu implementieren,
wie zum Beispiel das Speichern weiterer, objektspezifischer Daten
oder die Verschlüsselung
der Daten, die mit der Sucheinheit ausgetauscht werden.
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In
einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist die Ortungshilfe 1 außerdem Sensoren, wie zum Beispiel
Temperatursensoren oder Accelerometer auf, deren Information von
dem Halbleiterchip 2 ausgelesen und/oder gespeichert und/oder
an den Halbleiterchip 3 weitergeben, und somit an die Sucheinheit übermittelt
werden kann.
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Ein
Accelerometer kann von Vorteil sein, da es Information darüber bereitstellen
kann, ob sich der zu findende Gegenstand bewegt oder in Ruhe befindet.
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Weitere
Sensoren sind dann sinnvoll, wenn Informationen über die Umgebung, in der sich
der zu findende Gegenstand befindet, Aussagen darüber erlauben,
ob der Gegenstand durch seine Lagerung an einem bestimmten Ort gefährdet ist,
zum Beispiel durch Überhitzung.
Durch Wahl geeigneter Sensoren wird es außerdem möglich, eine Aussage über die
Art der Umgebung, in der sich der zu suchende Gegenstand befindet,
zu machen. Ebenso ist es möglich, durch
die Analyse des Funksignals, z.B. durch Absorption gewisser Frequenzen,
Rückschlüsse auf das
Material zwischen der Ortungshilfe 1 und der Sucheinheit
zu ziehen.
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Des
Weiteren ist es denkbar und möglich, dass
die Funktionalitäten
von Halbleiterchip 2 und Halbleiterchip 3 in einem
einzigen Halbleiterchip integriert sind. Die hier dargestellte,
aus zwei Halbleiterchips bestehende Ausführungsform hat den Vorteil, dass
für den
Halbleiterchip 3 ein kommerziell erhältlicher Funkchip und ein bekannten
Funkstandard, wie zum Beispiel GSM-Standard oder Bluetooth-Standard,
verwendet werden kann. Diese Funkchips werden heute als zuverlässige Standardhalbleiterbauteile
in großen
Stückzahlen
und mit niedrigen Herstellungskosten produziert.
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Die
in 1 dargestellte, helixförmige, dreidimensionale Antenne 5 dient
dem Aussenden und Empfangen von Funksignalen zur Ortung der Ortungshilfe 1.
Die dargestellte Antenne 5 stellt eine Form einer omnidirektionalen
Antenne dar, also einer Antenne, welche Signale möglichst
gleichmäßig in alle
Richtungen abstrahlt und alle Signale in erster Näherung unabhängig von
der Richtung ihrer aussendenden Quelle empfangen kann.
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Eine
omnidirektionale Antenne wird benötigt, um das Auftreten eines
sogenannten „toten
Winkels" zu vermeiden,
also eines Winkels zwischen Ortungshilfe 1 und Sucheinheit,
innerhalb dessen der zu findende Gegenstand nicht geortet werden
kann.
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„Gleichmäßig in alle
Richtungen" ist
eine Näherung,
keine real existierende Antenne sendet Funksignale in alle Richtungen gleichmäßig aus.
Es wird jedoch zumindest etwas Energie in jede Richtung abgestrahlt.
Vergleichbares gilt für
den Empfang der Funksignale.
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Um
eine möglichst
ideale, omnidirektionale Antenne zu erhalten, werden, wie dem Fachmann bekannt
ist, in der Praxis häufig
mehrere Antennen zu einem quasi-idealen, omnidirektionalen Antennenverbund
zusammengesetzt. Es sind jedoch auch Antennen bekannt, die ein omnidirektionales
Verhalten aufgrund ihrer Geometrie, wie zum Beispiel helixförmige Antennen,
besitzen. Beide Antennenarten – zusammengesetzt
und einfach – sind
zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet. Eine ausführliche
Diskussion verschiedener Antennenformen, sowie ihrer Funktionsweisen
kann zum Beispiel dem Buch „Antennas
For All Applications" von
John D. Krauss und Ronald J. Marhefka, erschienen 2002 im McGraw-Hill
Verlag, New York entnommen werden.
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Im
Betrieb leitet die Antenne 5 Funksignale in Form von elektrischen
Pulsen an den Halbleiterchip 3 weiter und/oder sendet durch
den Halbleiterchip 3, über
die elektrisch leitende Kontaktanschlussfläche 7, modulierte
elektrische Pulse als Funksignale aus zum Zwecke des Sendens und
Empfangens von Daten. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Ausdehnung der
Antenne größer ist
als ca. die Hälfte
der Wellenlänge
des verwendeten Funksignals, da dann die Umwandlung von elektrischen
Pulsen in Funksignale und umgekehrt mit kleinstmöglichem Energieverlust geschieht.
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2 zeigt
die Ortungshilfe 1 gemäß der Ausführungsform
aus 1 in Seitenansicht mit der einhüllenden
Kunststoffmasse 8.
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Aufgabe
der Kunststoffmasse 8 ist es, der Ortungshilfe 1 mechanische
Stabilität
zu verleihen und als schützendes
Gehäuse
für die
in ihr enthaltenen Bauteile zu dienen. Die Form der Kunststoffmasse 8 kann,
außer
durch die Größe der Batterie 4,
die Größe der beiden
Halbleiterchips 2 und 3 und der Antenne 5,
auch durch die Art des zu findenden Gegenstands, sowie die Art der
Befestigung an diesem Gegenstand bestimmt sein.
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Dabei
ist es die Antenne 5, welche die meisten Möglichkeiten
bietet, ihre Form und damit die Form der resultierenden Ortungshilfe 1 an
die gewünschte
Anwendung anzupassen. Die in 1 bzw. 2 gezeigte
helixförmige,
dreidimensionale Antennengeometrie erlaubt die Herstellung einer sehr
kompakten Ortungshilfe 1, welche neben einer Länge und
Breite auch eine bestimmte Höhe
entsprechend der Ausdehnung der Antenne 5 besitzt.
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Es
ist aber auch denkbar und möglich,
statt der helixförmigen,
dreidimensionalen Antennengeometrie eine – ebenfalls omnidirektionale – Antenne
zu verwenden, welche lange Drähte
aufweist, die in den zu findenden Gegenstand eingearbeitet werden. Eine
derartige Antennengeometrie erlaubt zum Beispiel die Herstellung
einer sehr flachen, „blattförmigen" Ortungshilfe 1.
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Eine
derartige Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist von Vorteil, wenn die Ortungshilfe 1 in
den später
zu findenden Gegenstand zum Beispiel als Zwischenschicht einarbeitet
werden soll.
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Ebenso
denkbar ist die Ausführung
mittels mehrerer Antennen, welche als Summe omnidirektional sind,
aber einzeln wie Richtantennen arbeiten. Diese können bei geeigneter Schaltung
sehr energiereiche und damit über
weite Strecken meßbare
Signale aussenden. Der Grund ist, daß die Ortungshilfe nur in den
Raumwinkel Signale aussendet, in dem der Teil des Antennensatzes
beim Empfang der Suchanfrage die höchste Intensität ermittelt
hat. Derartige Schaltungen sind jedoch aufwendig und kostenintensiv.
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Weitere
omnidirektionale Antennengeometrien sind dem Fachmann bekannt und
ebenfalls denkbar und möglich.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Ortungshilfe 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Batterie 4 ist auf der Trägerplatte 6 befestigt.
Auf der Batterie 4 ist der Halbleiterchip 3 und
auf diesem der Halbleiterchip 2 aufgebracht. Halbleiterchip 3 ist
wie bei der ersten Ausführungsform
elektrisch leitend mit der Batterie 4 verbunden, Halbleiterchip 2 ist
elektrisch leitend mit dem Halbleiterchip 3 und der Batterie 4 verbunden
(nicht dargestellt). Die Wicklungen der helixförmigen, dreidimensionalen Antenne 5 sind
gemäß dieser
Ausführungsform
um die Batterie 4 und um die beiden Halbleiterchips 2 und 3 herum
angeordnet. Die Antenne 5 ist wiederum über die Kontaktanschlussfläche 7 mit
dem Halbleiterchip 3 verbunden und befindet sich nahe der
Oberfläche
der Kunststoffmasse 8.
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Die
in 3 gezeigte Ausführungsform stellte eine besonders
kompakte, knopfartige Form der erfindungsgemäßen Ortungshilfe 1 dar.
Wie bei allen anderen Ausführungsformen
der Ortungshilfe 1 ist es auch hier denkbar und möglich, zusätzliche
Elemente zur Befestigung der Ortungshilfe 1 am später zu lokalisierenden
Gegenstand zum Beispiel an der Trägerplatte 6 und/oder
in der Kunststoffmasse 8 anzubringen.
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Eine
knopfartige Form ist dann zu bevorzugen, wenn davon auszugehen ist,
dass die Ortungshilfe 1 starken mechanischen Belastungen
ausgesetzt sein wird.
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4 und 5 zeigen
eine alternative Antennengeometrie gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt
eine Antenne 40 mit Teilelementen 401, 402, 411, 412, 421, 422, 431 und 432.
Die Elemente 401 und 402 sind entlang einer Linie
A, 411 und 412 entlang einer Linie C, 421 und 422 entlang
einer Linie B, sowie 431 und 432 entlang einer
Linie D angeordnet. Die Linien A und B, die senkrecht aufeinander stehen,
spannen, wie in 5 gezeigt, eine erste Ebene
AB auf, welche senkrecht auf einer zweiten Ebene CD steht, die von
den Linien C und D aufgespannt wird. Die 5 verdeutlicht
die räumliche
Anordnung der Antennen der 4.
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Eine
derartige Antennengeometrie wird verwendet, wenn die Richtung des
zu findenden Gegenstandes durch Ausnutzung der Polarisation des
von der Ortungshilfe 1 gesendeten Funksignals bestimmt werden
soll.
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Die
Antennen 401 bis 432 müssen nicht zylindrisch sein,
wichtig ist, dass die Empfangsempfindlichkeit nur in einer Ebene
oder einer Richtung hoch ist, in allen dazu senkrechten Richtungen
niedrig. Dem Fachmann ist bekannt, dass diese Forderung von mehreren
Antennenformen erfüllt
wird.
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Die
in 4 und 5 gezeigte Antennengeometrie
erlaubt ein Bestimmen der Richtung des zu findenden Gegenstands,
wenn die Sucheinheit während
des Suchvorgangs bewegt wird. Wird eine dritte, auf den beiden gezeigten
Ebenen senkrecht stehende Antennenebene (hier nicht dargestellt)
eingeführt,
ist es nicht mehr nötig,
die Sucheinheit zu bewegen, da alle Raumrichtungen mit dieser Antennengeometrie
gleichzeitig erfasst werden.
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Von
der Ortungshilfe 1 breiten sich die Funksignale radial
in alle Richtungen aus. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Schwingungsrichtung
des elektrischen Feldes bzw. die Polarisation senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
verläuft.
Von der Sucheinheit zur Ortungshilfe 1 existiert damit
genau eine ausgezeichnete Richtung, welche die direkte bzw. geradlinige
Verbindung zwischen Ortungshilfe 1 und Sucheinheit ist,
die durch Ausnutzung der Polarisation des Funksignals bestimmt werden
kann. Durch Ermitteln der Amplituden der in den Antennen gemäß den 4 und 5 vom
Funksignal induzierten Wechselströme, wird die Richtung zur Ortungshilfe 1 am
zu findenden Gegenstand bestimmt, in dem die Richtung berechnet
wird, für
die die Amplitude maximal wird. Diese Richtung steht senkrecht auf
der Richtung der geradlinigen Verbindung zwischen Sucheinheit und
Ortungshilfe 1. Hierbei wird eine nicht-linear, bzw. kreisförmig oder
elliptisch, polarisierte Strahlung benötigt, welche von der Ortungshilfe
erzeugt wird.
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Das
Verfahren ist besonders geeignet für Abstände des zu suchenden Gegenstandes
von der Sucheinheit, die groß gegen
ca. 1 Wellenlänge
der verwendeten Frequenz sind. Bei einer Suchfrequenz von zum Beispiel
ca. 800 MHz sind dies ca. 37 cm.
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Die
Winkelauflösung
der Sucheinheit ist konstant, der Raumwinkel des gesuchten Gegenstandes,
von der Sucheinheit gesehen, nimmt jedoch quadratisch zu mit sinkendem
Abstand der Sucheinheit vom zu findenden Gegenstand bzw. der Ortungshilfe 1.
Dies bedeutet für
eine Richtungsbestimmung, welche auf der Bestimmung der Polarisation
des von der Ortungshilfe 1 ausgesandten Funksignals beruht, dass
die Richtung des zu findenden Gegenstands immer genauer bestimmt
wird, je näher
man an den zu findenden Gegenstand gelangt, bis der Abstand zwischen
Sucheinheit und Ortungshilfe 1 ca. 1 Wellenlänge beträgt. Ist
der Abstand kleiner als ca. 1 Wellenlänge, nimmt die Genauigkeit
nicht mehr in diesem Maße
zu.
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6 zeigt
ein Schema einer möglichen
Anordnung zu einer möglichen
Auswertung des Peilsignals in der Sucheinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung. Drei omnidirektionale Antennen 11 sind über elektrische
Leitungen mit einer Schaltung 12 verbunden, die die Amplituden
des Signals als Gleichspannung an die Operationsverstärker 13 liefern.
Die Spannungen von jeweils zwei Antennen werden an den Operationsverstärkern 13 voneinander
abgezogen und verstärkt.
Diese Werte werden an den Anschlüssen 14 bereit
gestellt und zur weiteren Verarbeitung an Analog-Digital-Wandler weitergereicht, die
diese Daten dann der Sucheinheit in digitaler Form zur Verfügung stellen.
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Da
die Amplitude des von der Ortungshilfe 1 empfangenen Funksignals
vom Quadrat des Abstands der Antennen 11 von der Ortungshilfe 1 abhängen, kann
man somit die relativen Abstände
der Antennen in der Sucheinheit zur Ortungshilfe 1 ermitteln.
Daraus läßt sich
dann die Richtung des Signals ermitteln.
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Die
Schaltung 12 zur Ermittlung der Amplitude des empfangenen
Signals kann über
folgendes Verfahren ermittelt werden:
Zuerst wird das Quadrat
des Eingangssignals über ca.
eine Periode hinweg gemittelt. Anstatt den Mittelwert des quadrierten
Signals durch einen Integrator zu bilden, kann man dies über andere
Varianten, wie etwa einen Tiefpass-Filter erreichen. Da sehr kleine Differenzen
gemessen werden müssen,
ist eine rauscharme, aus möglichst
wenigen Komponenten bestehende Schaltung vorteilhaft.
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Dieses
Verfahren misst kleine Differenzen der empfangenen Feldstärke, in
dem es aus dem Ursprungssignal ein Gleichspannungssignal durch Quadrieren,
gefolgt von Mitteln, erzeugt. Das Ergebnis dieser Schritte ist proportional
zum Quadrat der Eingangsamplitude und umgekehrt proportional zur Frequenz
der empfangenen Strahlung, die aber bekannt ist. Bei diesem Verfahren
ist die Winkelauflösung
nicht konstant, sondern sie nimmt mit abnehmendem Abstand zur Ortungshilfe 1 stark
zu, da der relative Abstand der Antennen in der Sucheinheit zur Ortungshilfe 1 stärker als
linear abnimmt.
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Dem
Fachmann ist des Weiteren bekannt, dass ein entsprechendes Ortungsverfahren
auch mit einer größeren Anzahl
Antennen in der Sucheinheit durchgeführt werden kann. Dies hat den
Vorteil, dass eine höhere
Genauigkeit erzielt werden kann und/oder einfache, bzw. nicht-omnidirektionale
Antennen verwendet werden können.
Um jedoch ein aufwendiges Berücksichtigen
der winkelabhängigen Empfangsempfindlichkeit
der verwendeten Antennen bei der Auswerteelektronik der Sucheinheit
zu vermeiden, ist es von Vorteil, omnidirektionale Antennen zu verwenden.
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Den
hier beschriebenen Ausführungsformen ist
gemein, dass mindestens an drei verschiedenen, nicht auf einer Geraden
liegenden Orte eine Amplitude gemessen werden kann.
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Eine
Richtungsbestimmung gemäß dieses Verfahrens
wird vorteilhaft mit drei omnidirektionalen Antennen durchgeführt. Dem
Fachmann ist bekannt, dass dieses Verfahren auch mit nur zwei omnidirektionalen
Antennen durchgeführt
werden kann, insbesondere wenn der Benutzer die Position der zwei
Antennen ändert,
zum Beispiel durch Drehen der Sucheinheit während der Richtungsbestimmung.
Die Richtung wird dann aus zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen,
die mit unterschiedlichen Positionen der beiden omnidirektionalen
Antennen durchgeführt
werden, bestimmt. Auf diese Weise wird wieder an drei linear unabhängigen Positionen
die Amplitude der einfallenden Funksignale gemessen.
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7 zeigt
eine Schaltung für
eine weitere mögliche
Anordnung zur Auswertung des Peilsignals gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dieses Verfahren misst die Phasendifferenz eines Signals, das von zwei
Antennen erfaßt
wird.
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Zuerst
wird das Signal, welches von der Antenne über die elektrische Leitung 21 ankommt, durch
den variablen Hochfrequenzverstärker 22 verstärkt. Es
ist von Vorteil, die Verstärkung
programmierbar auszulegen, so dass die Verstärkung an die Signalintensität angepaßt werden
kann.
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Des
Weiteren ist es vorteilhaft, einen Bandfilter entsprechend der erwartenden
Frequenz zwischen die Antenne und den variablen Hochfrequenzverstärker 22 zu
setzen, damit Rauschen und unerwünschte
Signale die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigen
können.
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Nach
der Verstärkung
erfolgt eine Multiplikation des Signals von je zwei Antennen durch
einen Multiplikatorbaustein 23. Es werden dabei folgende Multiplikationen
ausgeführt:
Signal A wird einmal mit Signal B multipliziert und Signal A wird
einmal mittels eines Bausteins zur Phasenverschiebung 24 90°-Phasenverschoben
mit Signal B multipliziert. Das Resultat wird mit Hilfe eines Integrator 25 gemittelt
und zur weiteren Verarbeitung an die Analog-Digital- Wandler 26 weitergeleitet.
Nach diesem Schritt liegt eine Spannung am Anschluß 27 an,
die proportional zum Sinus der Phasendifferenz ist. Am Anschluß 28 liegt
eine Spannung an, die proportional zum Kosinus der Phasendifferenz
ist. Danach stehen die Werte in digitaler Form der Programmlogik
in der Suchhilfe zur Verfügung.
Aus den beiden digitalisierten Spannungen läßt sich die Phasendifferenz
direkt berechnen. Die vollständige
Rechnung ist in den 10a und 10b gezeigt.
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Diese
Schaltung erlaubt eine sehr genaue Ortung des zu findenden Gegenstands
mit sehr einfachen Mitteln, da ein einfacher Analog-Digital-Wandler-Baustein
verwendet werden kann: Das hochfrequente Signal wird in eine Gleichspannung verwandelt,
aus welcher sich die Phasendifferenz direkt errechnen lässt.
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Der
Vorteil dieser Schaltung ist es, dass die Sucheinheit sehr kompakt,
bzw. mit dicht nebeneinander angeordneten, omnidirektionalen Antennen ausgebildet
sein kann.
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Ein
Verfahren, dass sich zur Richtungsbestimmung einer Schaltung wie
in 7 gezeigt, bedient, ergibt eine konstante Winkelauflösung. Gemessen
wird der Zeitunterschied im Empfang von Signalen von jeweils zwei
omnidirektionalen Antennen mit einer hohen Genauigkeit. Diese Schaltung
ermittelt die Phasendifferenz des momentanen Signals zwischen zwei
Antennen, die durch die Laufzeitunterschiede aufgrund des leicht
unterschiedlichen Abstands zur Ortungshilfe, also der Quelle der
Funksignale zustande kommen. Die Phasendifferenz des Signals, welches
an zwei unterschiedlichen Positionen gemessen wird, ist proportional
zum Zeitunterschied des Signalempfangs. Damit kennt man, wenn man eine
ebene Welle voraussetzt, bzw. die Wellengeometrie kennt, die Richtung
zur Quelle. Dazu wird ein rechtwinkliges Dreieck gebildet, aus dem
zwei Abstände
und der rechte Winkel bekannt sind. Somit kann die Richtung der
Ortungshilfe 1 bestimmt werden.
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Da
die zeitliche Auflösung
nur vom Abstand der beiden Antennen in der Sucheinheit abhängt, ist die
resultierende Winkelauflösung
der Sucheinheit konstant. Die Winkelausdehnung des zu findenden Gegenstandes
nimmt jedoch mit kleiner werdendem Abstand zu. Das bedeutet, dass
bei gleichbleibender Auflösung
mit abnehmendem Abstand ein scheinbar immer größerer Gegenstand gefunden wird.
Die Genauigkeit der Peilung nimmt also mit kleiner werdendem Abstand
der Sucheinheit zur Ortungshilfe mehr als linear zu.
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- 1
- Ortungshilfe
- 2
- Logikchip
- 3
- Funkchip
- 4
- Batterie
- 5
- Antenne
- 6
- Trägerplatte
- 7
- Kontaktanschlussfläche
- 8
- Kunststoffmasse
- 9
- Gehäuse
- 11
- Omnidirektionale
Antenne
- 12
- Schaltung
zur Ermittlung der Amplituden
- 13
- Operationsverstärker
- 14
- Anschluß (zum Analog-Digital-Wandler)
- 21
- elektrische
Leitung
- 22
- Variabler
Hochfrequenzverstärker
- 23
- Multiplikatorbaustein
- 24
- 90-Grad-Phasenverschiebungsbaustein
- 25
- Integrator
- 26
- Analog-Digital-Wandler
- 27
- Anschluß an die
interne digitale Logik der Sucheinheit
- 28
- Anschluß an die
interne digitale Logik der Sucheinheit