DE4318108C1 - Verfahren zur Durchführung eines drahtlosen Datenaustauschs zwischen einer Feststation und Sende-/Empfangsgeräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines drahtlosen Datenaustausches zwischen einer Feststation und Sende-/Empfangsgeräten an Bord von sich relativ zur Feststa­ tion, vorzugsweise in Fahrspuren, bewegenden Fahrzeugen, mit Hilfe einer Antennenanordnung der Fest­ station, deren variierende Ausrichtung eines Sende- und/oder Empfangsprofils ein Absuchgebiet hinsichtlich eines Sende/Empfangsgerätes eines Fahrzeugs überstreicht, während der Daten­ austausch vorgenommen wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 41 07 803 A1 bekannt. Als eine Anwendungsmöglichkeit der darin beschriebenen Abfrageanordnung ist die automatische Zahlung von Mautgebühren aufgeführt. Jedes Fahrzeug, das eine Mautgebühr zu zahlen hat, ist mit einer automatischen Abbu­ chungseinrichtung ausgestattet, welche ein Sende-/Empfangsge­ rät besitzt. Das Sende-/Empfangsgerät wird von einer an der Mautstelle fest installierten Sende-/Empfangseinrichtung akti­ viert und es wird ein Dialog zwischen beiden aufgenommen. Da­ bei verbucht zunächst die Abbuchungseinrichtung die Mautgebühr und sendet anschließend eine Quittung darüber an die Sende-/ Empfangseinrichtung der Mautstelle. Während dieses Vorgangs wird für jedes der Fahrzeuge von einer Antennenanordnung, be­ stehend aus mehreren einzelnen Antennenelementen, ein Sende- und/oder Empfangsprofil erzeugt. Dazu sind entweder gemäß ei­ ner ersten Lösung Antennen vorgesehen, deren Sende- und/oder Empfangsprofile auf vorgegebene Ausleuchtegebiete fixiert sind. Es muß in diesem Fall also für jede Fahrspur oder für jedes Segment einer Fahrspur, in dem ein Fahrzeug fährt, eine Antenne vorhanden sein. Besteht das zu erfassende Gebiet aus vielen Fahrspuren, so ist eine sehr aufwendige, aus vielen Antennen bestehende Anordnung erforderlich. In einer zweiten Lösung besteht die Antennenanordnung aus mehreren phasenge­ steuerten Einzelantennen, welche in der Lage sind, den sich bewegenden Fahrzeugen die Sende- und/oder Empfangsprofile nachzuführen. Allerdings werden dazu Informationen über den Ort der einzelnen Fahrzeuge benötigt. Diese Ortsinformationen liefern in die Straße eingelassene Induktionsschleifen. Die Gewinnung der Ortsinformationen wird dadurch recht aufwendig und ist häufig auch nicht genau genug, da mit Induktions­ schleifen allenfalls der Ort des Fahrzeuges, nicht jedoch die Position des Sende-/Empfangsgeräts innerhalb des Fahrzeuges abschätzbar ist.

Aus der US 3,474,460 ist ein Radarsystem zur Erkennung eines Fahrzeugs bekannt, bei dem eine umlaufende Antenne ein Suchgebiet abtastet. Erhält es von einem Fahrzeug innerhalb des Suchgebietes zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Antwortsignal, dann kann aus dem Drehwinkel und dem Zeitpunkt eine Ortsbestimmung für das Fahrzeuggerät durchgeführt werden. Bei diesem Radarsystem kann zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein Fahrzeug erfaßt werden, nicht jedoch alle Fahrzeuge, die sich in dem Abtastgebiet befinden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung besteht somit darin, für ein Verfahren der eingangs erwähnten Art die Ermittlung der Ortsinformation zu verbessern, wobei der Auf­ wand an zusätzlich erforderlichen technischen Mitteln mög­ lichst gering sein sollte.

Die Lösung dieses Problems ist bei dem Verfahren der eingangs er­ wähnten Art erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 dazu angegebenen Merkmale beschrieben.

Das Verfahren beruht darauf, daß die Ortsin­ formation mit der Antennenanordnung der Feststation ermittelt wird, wobei für die Ortsbestimmung eine besondere Absuchphase innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, während der eigentliche Datenaustausch in der nachfolgenden zweiten Phase geschieht. Durch die Trennung des Verfahrens in einen Absuchvorgang zur Ortsermittlung und einen anschließenden Datenaustauschvorgang ist es möglich, die Ortsbestimmung in einfacher Weise und sehr schnell ohne einen nennenswerten Datenaustausch vorzunehmen und den Datenaus­ tausch dann gezielt in der zweiten Phase durchzuführen, in der der Ort des Sende-/Empfangsgeräts des Fahrzeugs oder Objekts hinreichend ge­ nau abgeschätzt ist, so daß das Sende- und/oder Empfangsprofil der Antennenanordnung auf dieses Objekt zum Zwecke des Daten­ austauschs eingestellt werden kann. Dabei wird es im allgemei­ nen vorteilhaft sein, das Sende- und/oder Empfangsprofil der Antennenanordnung während des Datenaustausches nachzuführen. Dies kann mit an sich bekannten Techniken geschehen, indem beispielsweise eine Amplitudenveränderung des von der Feststa­ tion beim Datenaustausch empfangenen Signals ausgewertet wird. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des Absuchvorganges bereits die Ge­ schwindigkeit des Objekts abgeschätzt und die Nachführung in der zweiten Phase aufgrund der abgeschätzten Geschwindigkeit vorgenommen. Die während des Absuchvorgangs eingestellten Sen­ de- oder Empfangsprofile können überlappen, so daß mehrfache Antwortsignale auftreten können. Durch eine Auswertung der von der Antennenanordnung empfangenen jeweiligen Signalamplitude kann eine gute Schätzung des Ortes vorgenommen werden.

Die Genauigkeit der Ortsbestimmung in der Absuchphase kann dadurch erhöht werden, daß das Absuchgebiet von dem Sende- und/oder Empfangsprofil der Antennenanordnung mehrfach über­ strichen wird. Das wiederholte Überstreichen des Absuchgebie­ tes kann in anderer Weise als ein vorhergehendes Überstreichen stattfinden, beispielsweise mit einer veränderten Ausrichtung des Sende- und/oder Empfangsprofils, mit einer anderen Ge­ schwindigkeit oder auch dadurch, daß nur ein Teil des Absuch­ gebietes überstrichen wird. Zweckmäßigerweise wird das wieder­ holte Überstreichen in Abhängigkeit von beim vorhergehenden Überstreichen empfangenen Antwortsignalen gesteuert. Da sich während mehrfacher Absuchvorgänge das Objekt weiterbewegt, kann aus den Antwortsignalen auch die Richtung der Bewegung abgeschätzt werden. Diese Information kann vorteilhaft für den Nachführvorgang genutzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf Fahrzeuge mit Sende-/Empfangsgeräten, die sich einer Feststation nähern

Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine elektronisch steuerbare Antenne

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Absuchvor­ ganges mit Hilfe einer Antenne gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient dazu, Fahrzeuge 1, die sich innerhalb eines vorgegebenen Abschnitts 2 einer Stra­ ße bewegen und mit einem Sende-/Empfangsgerät 3 versehen sind, durch eine Feststation 4 zu erfassen, die die Straße bei­ spielsweise brückenartig überspannt und mit mehreren elektro­ nisch steuerbaren Antennen 5 versehen ist, die beispielsweise jeweils einer Fahrspur 6 zugeordnet sein können.

Die Sende-/Empfangsgeräte 3 der Fahrzeuge 1 sind mit einem Prozessor ausgestattet, der beispielsweise einer einen Geldbe­ trag speicherbaren Scheckkarte eine geforderte Mautgebühr ab­ bucht. In dem Gebiet 2 muß jedes Fahrzeug 1 einer Kontrolle darüber unterzogen werden, ob es die vorgeschriebene Mautge­ bühr abgebucht hat. Dazu sendet die Feststation 4 ein Funksi­ gnal, beispielsweise ein Mikrowellensignal aus, das die Sender der Sende-/Empfangsgeräte 3 der Fahrzeuge 1 aktiviert, so daß diese ein Quittungssignal über die durchgeführte Abbuchung aussenden. Die Feststation 4 überprüft jedes einzelne Fahrzeug 1 in dem Gebiet 2 daraufhin, ob ein Quittungssignal ausgesen­ det worden ist. Ist das nicht der Fall, kann z. B. durch Foto­ grafieren des Fahrzeugs dessen Kennzeichen festgehalten und damit der Fahrzeughalter ermittelt werden, so daß von diesem später die Mautgebühr eingezogen werden kann.

Die Datenübertragung zwischen den Fahrzeugen 1 und der Fest­ station 4 erfolgt im Halbduplex, d. h. es werden im Wechsel Daten von der Feststation 4 zu den Fahrzeugen 1 (downlink) und in umgekehrter Richtung (uplink) übertragen. Die Antennen 5 der Feststation 4 senden beim downlink während des Datenaus­ tausches Informationen (z. B. über den zu zahlenden Betrag) an das Fahrzeug 1, wobei jedem Fahrzeug seine Information mittels einer Kennung zugeordnet wird.

Fig. 1 verdeutlicht, daß das von den Antennen 5 erfaßbare Gebiet 2 unterteilt ist in ein Absuchgebiet 7 und ein Daten­ austauschgebiet 8. Die Antennen 5 überstreichen den ihnen zu­ geordneten Teil des Absuchgebiets 7, der sich auch auf über­ lappende Bereiche in den Fahrspuren 6 beziehen kann und loka­ lisieren die Sende-/Empfangsgeräte 3 von Fahrzeugen 1, die sich in dem Absuchgebiet 7 befinden. Nach dieser Ortsbestim­ mung findet der Datenaustausch in dem Datenaustauschgebiet 8 statt, wobei die zugehörige Antenne 5 auf das jeweilige Fahr­ zeug 1 bzw. dessen Sende-/Empfangsgerät 3 fest eingestellt bleibt und ggf. entsprechend der Bewegung des Fahrzeugs 1 nachgeführt wird.

Da für das Absuchen in dem Absuchgebiet 7 lediglich die Exi­ stenz eines Antwortsignals durch die Feststation 4 überprüft werden muß, kann der Absuchvorgang außerordentlich schnell durchgeführt werden. Es ist daher auch möglich, Absuchvorgänge zu wiederholen, und zwar vorzugsweise mithin Abhängigkeit von empfangenen Antwortsignalen geänderten Absuchstrategien. Auf­ grund des festgestellten Ortes eines Fahrzeuges 1 bzw. seines Sende-/Empfangsgeräts 3 läßt sich zumindest die Anfangsposi­ tion für den Datenaustausch im Datenaustauschgebiet 8 mit aus­ reichender Bestimmtheit angeben. In vielen Fällen wird sich der Datenaustausch dann so schnell bewerkstelligen lassen, daß sich das Fahrzeug bei den maximal möglichen Geschwindigkeiten innerhalb des eingestellten Sende- und/oder Empfangsprofils der zugehörigen Antenne 5 für die gesamte Dauer des Datenaus­ tausches befindet, also quasi stationär bleibt. Es ist aber möglich und für die Erhöhung der Zuverlässigkeit vorteilhaft, das Sende- und/oder Empfangsprofil der jeweiligen Antenne 5 dem Fahrzeug 1 nachzuführen. Dies ist vorzugsweise mit Hilfe einer beim Absuchvorgang abgeschätzten Geschwindigkeit und ggfs. Bewegungsrichtung des Fahrzeugs 1 möglich.

Fig. 2 zeigt eine Antenne 5, die aus einer Mehrzahl von An­ tennenelementen 9 besteht. Diese sind mit einem Strahlfor­ mungsnetzwerk 10 verbunden, mit dem das Sende- und/oder Emp­ fangsprofil der Antenne 5 einstellbar ist.

Für den hier dargestellten Fall des Empfangs des Signals eines Sende-/Empfangsgeräts 3 eines Fahrzeugs 1 sind die Ausgangs­ signale der Antennenelemente 9 so gewichtet, daß die Antenne 5 auf das Fahrzeug 1 für die Datenübertragung von ihm zu der Feststation 4 eine eigene Hauptempfangskeule richtet.

Es ist vorteilhaft, solche Antennenelemente zu verwenden, die zirkular polarisierte Signale empfangen, weil diese bezüglich einfach und auch mehrfach reflektierter Signale (z. B. Refle­ xion an der Straße, am eigenen Fahrzeug oder Nachbarfahrzeu­ gen) weniger störanfällig sind. Eine ebenfalls zu einer gerin­ geren Störanfälligkeit führende erhöhte Richtwirkung der ein­ zelnen, den Fahrzeugen 1 zugeordneten Empfangsprofile wird dadurch erreicht, daß jedes Empfangsprofil von mehreren, zu einer Strahlergruppe zusammengeschalteten Antennenelementen 9 erzeugt wird. Jede Strahlergruppe liefert dann ein Empfangs­ signal.

Für die Ortung einzelner Fahrzeuge 1 im Absuchgebiet 7 empfängt die Antenne 5 von Fahrzeugen 1, die sich in dem Ab­ suchgebiet 7 für diese Antenne 5 befinden, Signale. Ein Pro­ zessor 11 leitet aus den Empfangssignalen X(t) der einzelnen Antennenelemente 9 Informationen über den augenblicklichen Ort der einzelnen Fahrzeuge 1 ab. Mit diesen Ortsinformationen werden in der Datenaustauschphase in dem zu jeder Antenne 5 gehörenden Strahlformungsnetzwerk 10 die Signale der einzelnen Antennenelemente 9 so gewichtet - d. h. es wird die Signalpha­ se und/oder -amplitude eines jeden Antennenelements 9 so ein­ gestellt -, daß die Antenne 5 für jedes Fahrzeug 1 ein solches Richtdiagramm erzeugt, daß eine Hauptempfangskeule auf das betreffende Fahrzeug 1 gerichtet ist und daß das Empfangspro­ fil in Richtung der jeweils anderen, potentiell störenden Fahrzeuge 1 eine möglichst hohe Empfangsdämpfung gegenüber der Hauptempfangskeule aufweist. Die für jedes Antennenelement 9 einzustellende Phase und Amplitude eines jeden Empfangsprofils werden im folgenden zusammenfassend als komplexer Gewichtsvek­ tor w(t) bezeichnet. Die Wichtung kann entweder auf kontinu­ ierliche analoge oder zeitdiskrete digitale Antennenempfangs­ signale x(t) angewendet werden. Dementsprechend sind die in jedem Empfangssignalwert vorhandenen Schaltungsmittel für die Wichtung zu realisieren. Die Wichtungen einzelner Antennenemp­ fangssignale x(t) können kontinuierlich aber auch nur zu dis­ kreten Zeitpunkten geändert werden. Es sind so viele Antennen 5 mit Strahlformungsnetzwerken 10 angeschlossen, wie das von der Feststation 4 erfaßbare Gebiet 2 maximal an Fahrzeugen 1 aufnehmen kann, so daß jedem Fahrzeug 1 ein eigenes Empfangs­ profil zugeordnet werden kann.

Die von jedem Fahrzeug 1 empfangenen und im zugehörigen Strahlformungsnetzwerk 10 entsprechend gewichteten Empfangs­ signale werden in einem Summierer 12 überlagert und das gebil­ dete Summensignal y(t) einem Empfänger 13 zugeführt.

Ist es erforderlich, das Empfangsprofil der Position des Fahr­ zeugs anzupassen, kann die Adaption durch eine Ortsermittlung während des Datenaustausches (zwischen zwei uplink-Übertragun­ gen) wiederholt werden.

Ein anderes Adaptionsverfahren zur Verbesserung der Genauig­ keit der Ortsermittlung besteht darin, daß aus dem Ausgangs­ signal des Empfängers 13 nach einem Gütekriterium Steuersigna­ le für die komplexen Gewichtsvektoren w(t) abgeleitet werden. Eine Auswerteschaltung ermittelt in Verbindung mit dem Prozes­ sor 11 aus dem Empfängerausgangssignal- und ggf. den Einzelsi­ gnalen der Antennenelemente 9 z. B. das Verhältnis von Nutzsi­ gnal zur Störsignalleistung, wobei das Nutzsignal das von dem­ jenigen Fahrzeug empfangene Signal ist, auf das die Hauptemp­ fangskeule gerichtet sein sollte, und Störsignale, die von anderen Fahrzeugen empfangenen Signale sind, auf welche mög­ lichst stark gedämpfte Bereiche, im Idealfall Nullstellen, des Empfangsprofils gerichtet sein sollten. Aus dem so ent­ standenen Gütesignal e(t) ermittelt der Prozessor 7 solche komplexen Gewichtsvektoren w(t) für das Strahlformungsnetzwerk 10, das es zu einer Ausrichtung der Hauptempfangskeule und der stark gedämpften Bereiche des Empfangsprofils kommt, welche das Gütesignal e(t) maximal werden läßt. Hierfür kann der Pro­ zessor 11 auch Informationen über die komplexen Gewichtsvekto­ ren w_n(t) von benachbarten Strahlformungsnetzwerken erhalten.

Vorteilhaft für die Anfangseinstellung der Gewichtsvektoren w(t) ist es, wenn die Auswertungsschaltung 14 eine beim Ab­ suchvorgang ermittelte Amplitude s(t) des Antwortsignals oder Amplituden s(t) sowie eine Information über eine festgestell­ te Geschwindigkeit v(t) des Fahrzeugs 1 auf den Prozessor 11 übermitteln kann.

Fig. 3 verdeutlicht den Absuchvorgang im Absuchgebiet 7, das zu einer Antenne 5 gehört. Die eingezeichneten Kreise 15 cha­ rakterisieren -3 dB-Konturen der ausgebildeten Kommunikations­ zone beim Überstreichen des Absuchgebiets 7 zur Ortsbestim­ mung. Dabei ist erkennbar, daß sowohl das Absuchgebiet 7 als auch das Datenaustauschgebiet 8 nicht streng von dem entspre­ chenden Gebiet einer benachbarten Antenne 5 getrennt ist, woraus sich ergibt, daß es sinnvoll ist, auch Informationen der benachbarten Antennen 5 (und der Gewichtsvektoren w_n(t) der benachbarten Strahlformungsnetzwerke 10) zu berücksichtigen.

Anhand der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist es deut­ lich geworden, daß sowohl das Absuchen als auch das Nachführen dadurch erfolgt, daß das Sende- und/oder Empfangsprofil aus­ schließlich bezüglich des Empfangs keulenartig ausgebildet wird, so daß bezüglich der Sendesignale der Feststation 4 kei­ ne Richtungsselektion erforderlich ist. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, unselektiv zu empfangen und ein definiertes Sendeprofil für den Absuchvorgang und den Datenaustauschvor­ gang zu verwenden. Ferner können ein örtlich definiertes Sen­ deprofil wie auch Empfangsprofil in Kombination verwendet wer­ den.

Claims (9)

1. Verfahren zur Durchführung eines drahtlosen Datenaustausches zwischen einer Feststation (4) und Sende-/Empfangsgeräten (3) an Bord von sich relativ zur Feststation (4), vorzugsweise in Fahrspuren (6), bewegenden Fahrzeugen (1), mit Hilfe einer Antennenanordnung (5) der Feststation (4), deren variierende Ausrichtung eines Sende- und/oder Empfangsprofils ein Absuchgebiet (7) hinsichtlich eines Sende-/Empfangsgerätes (3) eines Fahrzeugs (1) überstreicht, während der Datenaustausch vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, a) daß in einer ersten Phase das überstrichene Absuchgebiet (7) auf Antwortsignale eines Sende-/Empfangsgerätes (3) eines Fahrzeugs (1) derart überprüft wird, daß der Zeitpunkt des Empfangs eines Antwortsignals mit den momentanen Einstellwerten (w(t)) des Sende- und/oder Empfangsprofils zur Ortsbestimmung des sich bewegenden Fahrzeugs (1) korreliert wird und b) daß in einer zweiten Phase das sende- und/oder Empfangsprofil der Feststation (4) dem Sende-/Empfangsgerät (3) des Fahrzeugs (1) nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absuchgebiet (7) zur genaueren Bestimmung des Ortes bzw. einer Bewegungsrichtung von Sende-/Empfangsgeräten (3) von Fahrzeugen (1) mehrfach überstrichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem wiederholten Überstreichen des Absuchgebietes eine veränderte Ausrichtung des Sende- und/oder Empfangsprofils benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem wiederholten Überstreichen das Absuchgebiet (7) nur teilweise überstrichen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein wiederholtes Überstreichen des Absuchgebiets (7) mit einer unterschiedlichen Geschwindigkeit gegenüber dem vorherigen Überstreichen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein wiederholtes Überstreichen in Abhängigkeit von beim vorhergehenden Überstreichen empfangenen Antwortsignalen gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschätzung der Geschwindigkeit des ermittelten Fahrzeugen (1) vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung des Sende- und/oder Empfangsprofils unter Verwendung der abgeschätzten Geschwindigkeit vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch eine Amplitude des empfangenen Antwortsignals ermittelt wird.