专利名称：用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法。
背景技术：
在导航学或计量学中重要的是知道空间中的移动物体相对于固定位置的距离或 距离的变化和/或方向。当今，已知多种用于测定移动物体定位的方法。例如，借助于惯性 传感器系统，即，通过磁场传感器、陀螺仪或加速度传感器，可测定物体的移动和方向，且这 种方法和这种装置分别公开于EP1521165A2中。这种实施方式的缺点在于，实际上传感器 的未知偏差或误差包含在测定变量中而导致位置和方向的测定结果的误差，且该误差随时 间增加而增大。这种误差通常通过其他系统的维护测量来测定并修正。基于照相机的系统 代表了用于测定物体的方向和位置的另外的出发点。在这方面，为待测物体施加至少三个 标记，这些标记通过照相机来检测，且测定它们彼此关联地位置和方位，由此可以在空间中 测定待测物体。采用这种方法的实例公开于DE69804U8T2和W099/21134中。一种用于测量船舶定位的装置公开于GB2130040A中，该装置使用GPS系统。用旋 转天线或由多个天线的组合通过切换得到的类似旋转天线来接收来自卫星的无线电信号， 且通过天线的旋转周期和具有周期分布的相位测量、多普勒测量、振幅测量或距离测量的 旋转周期之间的相位比较来测定信号入射方向。船舶定位可通过此方法并借助卫星位置和 船舶自身的位置来测定。

发明内容
本发明的根本目标在于根据一种不同的测量原理提供一种用于测定距离和/或 方向的装置和方法，该装置和方法可通过相对简单的计算得到具有令人满意的结果的。该目的根据本发明通过独立权利要求的特征得以实现。有利地进一步发展和改进可通过从属权利要求中阐述的特征得以实现。根据本发明，在装置和方法中使用至少一个发射器和至少一个接收器，它们中的 一个具有具备公知极化面的天线，且它们(发射器和接收器)中的另一个具有左旋圆极化 天线和右旋圆极化天线。术语左旋天线和右旋天线旨在涵盖各种具备可以产生左旋极化和 右旋极化的天线装置。通过接收到的两个信号和发射信号来确定相位，并将相位彼此比较。 通过接收和发射信号之间的相位的不同分布来进行比较。因此获得两个接收器模块的两个 测量相位值。这样的测量过程基于载波相位的纯计算。因此，采集测量值无需调制发射信 号。但是，在诸多方面，对发射信号进行调制有利于提高精度和弹性，并允许随后的符号的 可分性。随后，可从测定的测量相位值来计算移动物体的距离和/或方向。如果不知道起 始位置，则假设一个任意的起始位置，并确定距离变化和/或方向变化。因此也能借助于物 体在至少某一时刻的已知位置和/或方向来确定绝对距离和/或方向。可利用最简单的布局，S卩，发射器和接收器，来测定一维方向变化或距离变化，且随后将发射器时钟和接收器时钟彼此同步，或者测定时间差并通过本身公知的方法修正误 差。在确定一维绝对定向优选实施例中可使用具有已知方向的参考发射器或对应的参考接 收器。 如果发射器和接收器没有彼此同步，则必须提供另外的接收器，以便利用 TDOA(到达时间差)消除未知的传送时间。 当应用根据本发明的方法时，通过至少一个接收器相对于已知频率的发射器的相 位来测定两个接收信号的相位，且将两个接收信号的相位彼此比较。术语比较也旨在涵盖 了中间过程，例如利用TDOA方法对具有非同步发射器/接收器的未知频率偏移的消除。可以提供一种配置作为圆极化天线的一个简单实施例，其包括具备相移器的两个 交叉的线性天线，优选为90°相移器。根据所选择的系统，可以提供多维定位系统，其具有具备圆极化天线的多个接收 器或发射器，其中，如果发射器和接收器之间不存在同步，则至少四个具有圆极化天线的接 收器或发射器可配置在空间分布中，用于空间中的移动物体的三维方向的探测。优选地，在具有两个圆极化天线的发射器中选择两个发射信号的信号形状，以便 上述信号形状可在接收器处被识别出来。可以采用用于实现正交码序列的编码方法，例如 用于CDMA (码分多址)方法中的编码方法。但是，也可使用不同的载波频率，它们是严格耦 合的，即都来源于一个时钟脉冲源。交替使用传送通道的脉冲猝发调制的应用也可以想象， 例如在使用TDMA(时分多址)方法时的情况。


本发明的实施例示于附图中，并将在下文中更详细地说明。其中图1是根据本发明并根据第一实施例的装置的示意图；图2是根据图1的进一步图示，其中发射天线的极化面围绕发射器/接收器的轴 旋转；图3是根据图1的具有参考发射器的示意图；图4是根据本发明另一实施例的装置的示意图；以及图5示出根据图4的装置，其中使用了附加的参考接收器。
具体实施例方式图1中从原理上示出根据本发明的装置，其用于测定在预设点移动物体的距离和 /或方向。在这方面，移动物体具有发射器1，其位置相对于固定的发射器2可变化。发射 器连接到天线3，天线3发射产生于发射器1中的发射信号，且天线3是线性极化的，即以已 知的线性极化面发射。发射器1产生具有确定频率的任意信号，该信号优选是在具有确定 频率fo的载波上调制的信号。在这方面，可根据具体情况选择调制类型。接收器2连接到两个天线4、5，这两个天线4、5各自关联到接收模块(未示出)。 天线4、5都是圆极化天线，天线4具有右旋圆极化，而天线5具有左旋圆极化。当然地可采 用不同的天线构造来产生所期望的极化。两个接收器路径或接收器模块的不同之处仅在于 两个天线的旋转场强矢量的旋转方向不同。未示出地，接收器2配备或连接到计算装置。天线4、5接收发射器通过天线3发射的具有确定频率&的发射信号，，且接收器2或计算单元相对于发射器1的确定频率&的相位来确定两个接收信号的载波频率的相位。 为了使这种比较成为可能，发射器和接收器的时钟脉冲必须彼此同步，即，时钟脉冲源必须 彼此连接，并具有锁相。这可通过寻址相同的参考时钟脉冲实现，例如经由玻璃光纤网络或 经由无线电或通过使用原子钟，并任选地进行后续的修正或控制。通过将各个接收器模块的接收信号的相位与发射信号的相位比较而获得测量值， 该测量值在下文称为测量相位值Ψ·和WmeP(rad)。当考虑发射器1的移动时可获得不同测量相位分布如果发射器1向接收器运动或远离接收器运动，则接收器2的两个模块的测定的 测量相位值以相同方式变化。如果发射器1向接收器2移动所发出的发射信号的一个波长 的距离，则接收器2的两个接收器模块都记录增加360°的相位。这些过程作为定位系统中 的载波相位测量被公知。但是在这方面必须指出的是，相位在一个波长间隔中重复所以这 里会产生不定性结果。发射器天线围绕发射器/接收器轴旋转会致使线性极化的旋转。如果发射器1发 生物理旋转，则极化面的定位会发生变化，其记录在接收器2中并转化成测量变量。极化面 在接收天线上的入射角承载着要被测量的信息。当发射器1的已知极化面围绕发射器/接 收器轴旋转时，如图2中所示，连接到天线4的接收器模块记录相位的增加，并在连接到天 线5的接收器模块中记录相等的大的衰减。因此，如果ΦΚΙ 的数值增大，则9LHCP的数值相 应地减小。发射器1例如围绕图2中示出的旋转轴的旋转会改变总计360°的测量相位值 的结果，而这两个测量值表现出与彼此相反。测量相位值的提高或降低取决于发射器1的 旋转方向。因此，发射器1的旋转方向可借助测量相位值的变化来测定。因此对于已知旋 转方向而言，可分别利用图1或图2中的装置来测定方向的变化，即相对方向。可通过下式计算发射器1和接收器2之间的距离
权利要求
1.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置，包括至少一个附接到物体并具有确定频率的发射器(1)，且具有至少一个接收器O)，其中 发射器(1)具有具备已知极化面的天线(3)，且接收器( 具有左旋和右旋圆极化天线(4， 5)，且接收器( 配备或连接到计算装置，该计算装置根据两个接收信号确定测量相位值， 在考虑发射器(1)的相位的情况下，借助该计算装置计算距离和/或方向。
2.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置，包括至少一个发射器(8)和至少一个接收器(9)，接收器(9)提供在移动物体上或其内，其 中发射器(8)具有左旋(11)和右旋(10)圆极化天线，通过它们发出具有确定频率的各个 信号，且接收器(9)具有天线(12)，该天线(12)具有已知极化面，该接收器(9)配备或连接 到计算装置，该计算装置确定测量相位值，在考虑发射器(8)的相位的情况下，借助该计算 装置通过两个接收信号来计算距离和/或方向。
3.根据权利要求1或2所述的装置，特征在于提供具有已知方向的参考发射器(6)或 参考接收器(13)以及具有已知极化面的天线(7，14)，用于测定绝对距离和/或绝对方向。
4.根据权利要求1至3其中之一所述的装置，特征在于发射信号是在具有确定频率的 载波上调制的信号。
5.根据权利要求2所述的装置，特征在于设置两个发射信号，从而使它们能够被接收 器(9)识别。
6.根据权利要求5所述的装置，特征在于两个发射信号都是诸如用于CDMA方法中的正 交码序列，或都是诸如用于CDMA方法中的交替使用传输通道的脉冲猝发调制信号，或是不 同的，但是它们都严格耦合到载波频率。
7.根据权利要求1至6其中之一所述的装置，特征在于发射器时钟和接收器时钟彼此 同步。
8.根据权利要求1至7其中之一所述的装置，特征在于提供具有圆极化天线0，5，10， 11)的多个接收器(2)或发射器(8)，以用于形成空间中的多维定位系统。
9.根据权利要求1至7其中之一所述的装置，特征在于每个圆极化天线都构造为两个 交叉的线性天线和相移器，优选为90°相移器。
10.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的方法，其中至少一个具有具备已知极 化面的天线C3)的发射器(1)将具有确定频率的信号发射至至少一个具有两个圆极化天线 (4,5)的接收器O)，所述两个圆极化天线G，5)中的一个是左旋的，而另一个是右旋的，其 中相对于发射器(1)的相位确定两个接收信号的相位，从而计算移动物体的距离和/或方 向。
11.一种用于测定移动物体的距离和/或方向的方法，其中至少一个发射器(8)通过左 旋圆极化天线(11)和右旋圆圆极化天线(10)将具有确定频率的各个信号发射至至少一个 具有具备已知极化面的天线(12)的接收器(9)，其中相对于发射器(8)的相位确定两个接 收信号的相位，从而计算移动物体的距离和/或方向。
12.根据权利要求11所述的方法，特征在于选择两个发射信号的信号形式以便它们能 在接收器被识别。
全文摘要
本发明涉及一种用于测定移动物体的距离和/或方向的装置和方法，具有至少一个附接到物体的发射器，所述发射器具有确定频率，具有接收器，其中发射器具有具备已知极化面的天线，接收器具有反时针方向和顺时针方向圆极化天线，接收器配备或连接到分析装置，该分析装置根据考虑确定频率的两个接收信号确定测量向两个相位测量值，根据所述两个信号计算距离和/或方向。在相反操作装置中，发射器具有两个圆极化天线，接收器具有具备已知极化面的天线。
文档编号G01S5/06GK102138080SQ200980129197
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月27日 优先权日2008年7月25日
发明者亚历山大·波普加耶夫, 安德烈亚斯·艾德洛斯, 汉斯·阿德尔, 约恩·蒂勒埃克 申请人:埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学, 弗兰霍菲尔运输应用研究公司