Im Bereich der Materialverfolgung und Logistik besteht ein großer Bedarf an Systemen, die in der Lage sind, neben der lokalen Position von Transportmitteln, wie Kranen, Fahrzeu¬ gen, Trolleys, Hubwagen, Gabelstapler, AGVs (automated guided vehicles) auch den Riσhtungsvektor des Fahrzeuges während der Fahrt und vor allem im Stillstand zu bestimmen. Des Weiteren besteht bei Methoden, die nach dem Prinzip der Laufzeitmes¬ sung arbeiten, das Problem der Störeinstrahlung über Mehrwe¬ geausbreitung.

Bisher ist mittels lokaler Positionsmesssysteme (Loσal Posi- tioning Radar, LPR) nur eine Richtungsbestimmung während ei¬ ner Bewegung möglich gewesen. Durch Approximation der jeweils letzten n Messpunkte durch eine Gerade, wobei eine sinnvolle Zahl der Punkte von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges abhän- gig ist, ist bei Bewegung eine grobe Ermittlung der Richtung möglich. Allerdings ist die Genauigkeit des zu bestimmenden Vektors geschwindigkeitsabhängig. Steht das zu messende Ob¬ jekt, so versagt dieses Verfahren gänzlich.

In Watanabe M., Tanaka S.: "Directional Beam MAC for Node Di- rection Measurement in Wireless Ad Hoc Network", EUMW 2003, München ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Raumwinkels eines mobilen Objekts in einem drahtlosen Ad-Hoc-Netzwerk an¬ gegeben.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei¬ ne Möglichkeit der zuverlässigen Bestimmung eines Raumwinkels (Winkel im Raum, Ausrichtung, Richtung, Richtungsvektor, Ori¬ entierung) eines mobilen Objektes bzw. eines daran angeordne- ten Transponders oder einer daran angeordneten Basisstation anzugeben, die insbesondere auch dann noch funktioniert, wenn das mobile Objekt steht. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Beschrieben wird eine Lösung, durch die, insbesondere bei laufzeitbasierten Entfernungsmessverfahren, über eine System¬ erweiterung um gerichtete Antennen eine Bestimmung der Orien¬ tierung der messenden Einheit möglich wird, sowie Störrein- flüsse unterdrückt werden können. Eine Ausführungsform erhöht zudem die Reichweite.

Dementsprechend verfügt eine Anordnung zum Bestimmen eines Raumwinkels eines mobilen Objekts, insbesondere eines Trans- portmittels in Form eines Krans, Fahrzeugs, Trolleys, Hubwa¬ gens, Gabelstaplers oder AGVs, über eine Basisstation zum Aussenden eines Basisstationssignals und/oder Empfangen von Transpondersignalen, über eine Mehrzahl von Transpondern zum Empfang des Basisstationssignals und zum Aussenden von Transpondersignalen und über eine Antenne mit richtungsabhän¬ giger Empfangs- und/oder Sende-Charakteristik. Darüber hinaus weist die Anordnung Mittel zum Bestimmen eines Raumwinkels des mobilen Objekts in Abhängigkeit der Amplitude eines von der Antenne empfangenen und/oder gesendeten Transponder- und/oder Basisstationssignals auf, wobei zur Bestimmung des Raumwinkels die Richtungsabhängigkeit der Charakteristik der Antenne berücksichtigt wird.

Vorzugsweise ist die Basisstation an einem mobilen Objekt an- geordnet, also ihr Raumwinkel veränderlich, und die Antenne der Basisstation zugeordnet. Wenn das Signal ein empfangenes Signal ist, handelt es sich in diesem Fall dann um ein Transpondersignal, bei einem gesendeten Signal um ein Basis¬ stationssignal. Alternativ ist die Antenne einem der Transponder zugeordnet ist und das Signal, wenn es ein empfangenes Signal ist, ein Basisstationssignal, sonst ein Transpondersignal.

Vorzugsweise weist die Anordnung eine zweite Antenne mit richtungsabhängiger Charakteristik und Mittel zum Bestimmen eines Raumwinkels des mobilen Objekts durch Vergleich der von der Antenne empfangenen Amplitude mit der von der zweiten An¬ tenne empfangenen Amplitude des Transponder- und/oder Basis- stationssignals aufweist.

Bei dieser Richtungsbestimmung mittels Diversity wird der Raumwinkel vorteilhaft unter Anwendung der Monopuls- Fehlerfunktion bestimmt.

Für eine möglichst gute Raumabdeckung weist die Antenne ins¬ besondere eine nierenförmige richtungsabhängige Charakteris¬ tik auf.

Die Antenne ist vorteilhaft eine integrierte Patchantenne mit einem Faltdipol-Array. Entsprechend lassen sich die Antenne und die zweite Antenne mit zwei einander gegenüber angeordne¬ te Faltdipol-Arrays realisieren.

Vorzugsweise hat die Antenne eine von ihrer Hauptstrahlrich¬ tung ausgehend monoton fallende richtungsabhängige Charakte¬ ristik, so dass sich eine eindeutige Richtungsabhängigkeit der empfangenen Amplitude ergibt.

Darüber hinaus kann die Richtung der richtungsabhängigen Cha¬ rakteristik der Antenne schwenkbar sein. Dies kann beispiels¬ weise durch Schwenken eines Spiegels geschehen, aber auch durch ein verstellbares Gräting, indem die Anordnung eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Spiegeln aufweist, die zum lateralen Schwenken der Strahlen verstellbar sind, indem sie senkrecht zur Richtung, in der sie nebeneinander angeordnet sind, relativ zueinander bewegbar sind. Sind die Antennen so angeordnet werden, dass sich ihre Strahlkeulen so wenig überlagern, dass das Transpondersignal eines der Iransponder nur von einer der Antennen empfangen wird, so kann ohne große vergleichende Signalverarbeitung auf den Raumwinkel geschlossen werden.

Vorzugsweise ist die Anordnung ein lokales Positionsmesssys¬ tem, indem sie Mittel zum Bestimmen der Position und/oder Entfernung des mobilen Objekts unter Berücksichtigung der Transpondersignale aufweist.

Die Mittel zum Bestimmen der Position und/oder Entfernung des mobilen Objekts enthalten insbesondere Mittel zur Laufzeit- messung.

Durch Berücksichtigung der richtungsabhängigen Charakteristik der Antenne sind Mehrfachreflektionen der Transpondersignale beim Bestimmen der Position und/oder Entfernung des mobilen Objekts unterdrückbar.

Bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Raumwinkels wird eine Basisstation zum Aussenden eines Basisstationssignals und/oder Empfang eines Transpondersignals, eine Mehrzahl von Transpondern zum Empfang des Basisstationssignals und Aussen¬ den von Transpondersignalen, eine Antenne mit richtungsabhän¬ giger Charakteristik verwendet und ein Raumwinkel des mobilen Objekts in Abhängigkeit eines von der Antenne empfangenen und/oder gesendeten Transponder- und/oder Basisstationssig- nals bestimmt, wobei bei der Bestimmung des Raumwinkels die Richtungsabhängigkeit der Charakteristik der Antenne berück¬ sichtigt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich ana- log zu den vorteilhaften Ausgestaltungen der Anordnung und umgekehrt. Dabei werden Mittel der Anordnung durch entspre¬ chende Schritte des Verfahrens realisiert und umgekehrt. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschrei¬ bung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

Figur 1 ein lokales Positionsmesssystem;

Figur 2 ein Blockschaltbild zur Ansteuerung einer Antenne und einer zweiten Antenne;

Figur 3 die richtungsabhängigen Charakteristiken der Anten¬ ne und der zweiten Antenne, wobei die Antenne und die zweite Antenne in Form einer Doppelantenne rea¬ lisiert sind;

Figur 4 die Monopulsfunktion der Antenne und der zweiten Antenne in Abhängigkeit des Winkels;

Figur 5 eine Bestimmung eines Raumwinkels;

Figuren 6 bis 8 einen Aufbau der Antenne und der zweiten An¬ tenne in Form einer Doppelantenne;

Figur 9 die vertikale Richtungsabhängigkeit;

Figur 10 die horizontale Richtungsabhängigkeit.

Wichtige Eigenschaften der im Weiteren beschriebenen Verfah¬ ren bestehen darin, dass a) eine LPR-Basistation basierend auf dem beschriebenen Verfahren in der Lage ist, auch im Stillstand eine Richtungs¬ bestimmung vorzunehmen, b) das beschriebene Verfahren mit höherer und vor allem mit geschwindigkeitsunabhängiger Genauigkeit arbeitet, c) sich durch die hierzu verwendete Diversity-Antenne eine höhere Genauigkeit in der LPR-Positionsmessung ergibt, d) sich durch das neuartige Antennenkonzept Diversity bei gleichzeitig kompakter Bauweise realisieren lässt, e) ein weiterer, unabhängiger Messkanal zur Positionsbe¬ stimmung herangezogen werden kann, f) eine Reduzierung bzgl. der Empfindlichkeit gegenüber störender Mehrwegeausbreitung erfolgt.

Figur 1 zeigt eine Anordnung zum Bestimmen des Raumwinkels eines mobilen Objekts, die in ein Lokales Positionsmesssystem integriert ist.

Beispielsweise an den Wänden und/oder der Decke einer Halle sind an definierten Orten, deren Koordinaten im globalen Ko¬ ordinatensystem vermessen werden müssen, Transponder Tl, T2, ... , Tn montiert. Vorzugsweise werden die Transponder so an¬ gebracht, dass eine Basisstation Bl an jedem Ort des Messare¬ als möglichst viele und möglichst etwa immer gleich viele und im Mittel etwa gleich weit entfernte Transponder in Ihrem Er¬ fassungsbereich auffinden kann. Eine gleichmäßige aber vor- zugsweise an den gegenüberliegenden Wänden um 50% versetzte Anordnung der Transponder, wie in Figur 1 angedeutet, löst diese Aufgabe z.B. für schmale rechtwinklige Areale, also z.B. für typische Fabrikhallen, vorteilhaft.

Die Transponder Tl, T2, ... , Tn sind lediglich mit Energie zu versorgen und erhalten ihre charakteristische Modulations¬ frequenz/Codierung z.B. durch einen Programmiervorgang oder auch durch einen Programmierstecker. Es fallen keine Messda¬ ten an den Transpondern Tl, T2, ... , Tn an und somit ent- fällt ein aufwendiges Hintergrundnetzwerk. Die Transponder fungieren praktisch als Ortsmarken. Die Entfernungsinformati¬ on fällt exklusiv an der auf einem mobilen Objekt montierten Basisstation Bl an, was den Vorteil hat, dass direkt am mobi¬ len Objekt auch die auf Messdaten basierende Steuerungen vor- genommen werden können. Möchte man die Daten an einem statio¬ nären Punkt, z.B. in einer Zentralstation Z am Hallenrand, zur Verfügung haben, können die Daten von der Basisstation beispielsweise über eine LAN-Schnittstelle (Local Area Net¬ work) LAN, vorzugsweise über eine übliche WLAN (Wireless LAN) Funkschnittstelle, dorthin weitergeleitet werden.

Da die Transponder Tl, T2, ... , Tn im einfachsten Falle we¬ der eine Schnittstelle noch Mittel zur Signalverarbeitung enthalten müssen, können sie sehr kostengünstig und Strom sparend ausgeführt und des Weiteren einfach montiert und in¬ stalliert werden. Demzufolge ist es bzgl. der Kosten vertret- bar, relativ viele derartige Ortsmarken zu verwenden. Dadurch dass die Basisstation Bl immer in der Lage ist, eine Vielzahl von Ortsmarken Tl, T2, ... , Tn zu bestimmen, ergeben sich einige wichtige Vorteile. Zum einen erhöht jeder zusätzliche radiale Entfernungs-Messwert zu einer Ortsmarke die Genauig- keit der räumlichen Ortsbestimmung. Insbesondere kann eine hohe Diversifikation der Messwege das physikalisch unvermeid¬ bare Problem der Messungenauigkeiten aufgrund von Mehrwegere¬ flexionen sehr effektiv vermindern. Mehrwegereflexionen, also die Eigenschaft, dass Funksignale nicht nur über den kürzes- ten Weg von der Basisstation Bl zum Transponder Tl, T2, ... , Tn und umgekehrt gelangen, sondern auch an Gegenständen und Wänden reflektiert auf Umwegen übertragen werden, sind die Hauptursache für Messfehler bei funkbasierten Entfernungs¬ messsystemen im Innenbereich.

Zum anderen ergibt sich durch eine große Anzahl von Ortsmar¬ ken eine hoch redundante Anordnung. Der Ausfall einzelner Transponder Tl, T2, ... , Tn führt bei geeigneter Systemaus¬ legung nur zu einem sehr geringen Genauigkeitsverlust, die Grundfunktionalität der Anordnung bleibt aber auf jeden Fall erhalten. Ein als defekt identifizierter Transponder kann zu¬ dem im laufenden Betrieb ausgetauscht werden. Letztere Eigen¬ schaft kann insbesondere in Produktionsanlagen zu ganz erheb¬ lichen Kostenersparnissen führen, da nicht jede Störung zu einem Produktionsstopp führt. Durch geeignete Algorithmen, die z.B. prüfen ob an der aktuell bestimmten Position alle zu erwartenden Ortsmarken auffindbar sind, kann das Fehlen bzw. der fehlerhafte Betrieb eines Transponders von der Basissta¬ tion erkannt werden. Eine Fehlermeldung an die Leitwarte kann dann die notwendigen Reparaturmaßnahmen zielgerichtet auslö¬ sen.

Bisher wurde in den Ausführungen nur eine Topologie mit genau einer Basisstation Bl dargestellt. Selbstverständlich ist die Anordnung aber auch auf Topologien mit mehreren Basisstatio¬ nen erweiterbar, von denen beispielsweise jeweils eine an ei- nem von mehreren beweglichen Objekten angeordnet ist.

An der Basisstation Bl und damit am mobilen Objekt sind eine Antenne Al und eine zweite Antenne A2 in Form einer zweige¬ teilten Doppelantenne angeordnet. Über Antennen Al, A2, die aus zwei in entgegengesetzte Richtungen weisenden Dipol- Strukturen bestehen, ist es durch wechselnden Betrieb der beiden Strukturen möglich, einen Raumwinkel (Winkel im Raum, Ausrichtung, Richtung, Richtungsvektor, Orientierung) der Ba¬ sisstation Bl in einem Transponderfeld zu bestimmen. Wie in Figur 1 dargestellt werden beim lokalen Positionsmesssystem zwischen einer beweglichen Basisstation und vielen am Rand montierten festen Transpondern Tl, T2, ... , Tn jeweils die Entfernungen gemessen und daraus die kartesischen Koordinaten der Basisstation Bl berechnet. Setzt man nun für die Basis- Station keine Rundstrahlantenne, sondern die zwei Antennen Al7 A2 ein, die einen Halbraum von jeweils 180° abdecken, und sorgt für eine entgegengesetzte Ausrichtung, so sieht man mit jeweils einer Antenne verstärkt nur die Transponder der einen Halbebene. Dies ist in Figur 1 durch die Schraffur der beiden von den Antennen Al, A2 erfassten Halbräume angedeutet.

In Figur 2 erkennt man ein Blockschaltbild der Ansteuerung der Antennen Al, A2 des Diversity. Während des Messbetriebes wird abwechselnd zwischen der Antenne Al und der zweiten An- tenne A2 umgeschaltet und somit ein abwechselndes Messen in die jeweilige Richtung realisiert. Dazu ist die Basisstation Bl über eine Steuerleitung STL und eine Signalleitung SGL mit einem Hochfrequenzschalter HF-S verbunden, an den die Anten¬ nen Al, A2 über eine Antennenaus- und Eingang AA angeschlos¬ sen sind.

Um jedoch von jeder Antenne für jeden Transponder eine Rich¬ tungsinformation zu erhalten, ist eine wie in Figur 3 aufge¬ zeigte nierenförmige Richtcharakteristik der Antennen hilf¬ reich. Man realisiert hierdurch über alle Richtungen hinweg eine recht gleichmäßige maximale Leistungsverteilung, für je- de einzelne Antenne jedoch eine deutlich winke1abhängige Strahlungsleistung, die bei einer bekannten Position auf den Orientierungswinkel der Basisstation relativ zu einem Transponder zurückschließen lässt.

Des Weiteren misst die Antenne auch entgegen ihrer Haupt¬ strahlrichtung zwar deutlich gedämpft, aber noch auswertbar.

Hätte man wie im Richtdiagramm dargestellte ideale Ausbrei¬ tungsbedingungen ohne Einbrüche, könnte man die Winkelbestim- mung über den Pegel einer einzigen Antenne durchführen. In der Praxis gibt es jedoch durch Multipath-Effekte verursachte winkel- und ortsabhängige Einbrüche, die für eine große Unge- nauigkeit in der Winkeldetektion sorgen.

Deshalb wird vorgeschlagen, dass die zwei entgegengerichteten Antennen Al, A2 verwendet werden. Diese sind in einer örtli¬ chen Einheit realisiert, für die die ortsabhängigen Pegelein¬ brüche nahezu gleich sind.

Trägt man das Verhältnis zwischen der Differenz und der Summe der Pegel von beiden Antennen über dem Winkel auf, so erhält man die so genannte Monopuls-Fehlerfunktion: Sie ist in Figur 4 dargestellt und zeigt die Dämpfung der An¬ tenne Al zur zweiten Antenne A2 in Abhängigkeit des Winkels

Durch diese reziproke Vorgehensweise ist eine von örtlichen Pegeleinbrüchen weitgehend unabhängige Winkelbestimmung mit hoher Genauigkeit möglich.

Durch abwechselnde Pegelbestimmung in beide Antennenrichtun¬ gen und Berechnung der Monopulsfunktion ist nun auch zu jeder Transponder-Abstandsmessung eine Winkelbestimmung bezüglich des gemessenen Transponders möglich.

Neben der Richtungsfunktion besteht auch der Wunsch nach ei¬ ner kompakten Antennenbausweise. Neu im Vergleich zu herkömm- liehen aus mehreren baulich getrennten Antennen bestehenden Monopuls-Verfahren ist hier, dass man ohne Schwenkbewegung statisch aus einer integrierten Antennenstruktur mit zwei ge¬ genüber angeordneten Faltdipol-Arrays eine genaue und aufbau¬ technisch sehr kompakte Methode zur Winkelbestimmung gefunden hat.

Für jeden LPR-Positionsmesszyklus steht neben den Koordinaten (XTn, YTn) des Transponders, den gemessenen Entfernungen und damit den Koordinaten (XBl, YBl) der Basisstation Bl auch der Winkel zu diesem Transponder α zur Verfügung, über den sich nach Durchführung der in Abbildung 5 dargestellten Transfor¬ mation aus dem bekannten Winkel Y die Orientierung der Basis¬ station im Raum ß ermitteln lässt.

Mittels dieses Verfahrens lässt sich über jeden messbaren Transponder ein Riσhtungsvektor der Basisstation bestimmen. Im Idealfall haben diese Vektoren alle die gleiche Orientie¬ rung. Aufgrund von Ungenauigkeiten in den Pegelwerten ergibt sich in der Praxis eine leichte Streuung, so dass ein geeig- netes Mittelungsverfahren anzuwenden ist. Zur Realisierung des Konzeptes wird die bereits erwähnte Dop¬ pelantenne mit Diversity in Form der ersten Antenne Al und der zweiten Antenne A2 vorgeschlagen, mit der es möglich ist, die gewünschten Charakteristiken durch zwei auf einer ebenen Struktur befindlichen Arrays aus Dipolen erzielen.

Besonders vorteilhaft ist die von der Hauptstrahlrichtung des horizontalen Richtdiagramms ausgehende monoton fallende Amplitudenwichtung in den Pol der Antenne, da sich nur dann eine Monopulsfunktion mit einer eindeutigen Zuordnung über das Intervall [0...π] ergibt.

Die Figuren 6 bis 8 zeigen einen bevorzugten mechanischen Aufbau einer solchen Doppelantenne in Form der Antenne Al und der zweiten Antenne A2 als 5,8 GHz Diversity-Antenne in Ar¬ rays aus Stripline gespeisten Faltdipolen. Eine Anpassung er¬ folgt über Balun. Es ergibt sich ein paralleles Stripline Verteilnetzwerk. Der Aufbau erfolgt mit zwei aufeinander lie¬ genden Substraten eps_r=3,38, t=0,51mm, 60mmxl30mm und zwei Metall-Blechen, t=lmm, verschraubt, die als Masse und zur mechanischen Stabilisierung dienen.

Figur 9 zeigt ein vertikales (Elevation) Richtdiagramm der Diversity-Antenne im Fernfeld mit den Werten Frequenz = 5,8 GHz, Hauptkeulengröße = 9,8 dBi, Hauptkeulenrichtung = 9070 Grad, Winkelweite (3dB) = 20,4 Grad und Seitenkeulenun- terdrückung = 11,7 dB.

Figur 10 zeigt ein horizontales (Azimut) Richtdiagramm der Diversity-Antenne im Fernfeld den Werten Frequenz = 5,8 GHz, Hauptkeulengröße = 9,8 dBi, Hauptkeulenrichtung = 0,0 Grad, Winkelweite (3dB) = 207,2 Grad und Seitenkeulenunterdrückung = 11,7 dB.

In einer alternativen Ausführungsform, die in Figur 11 darge¬ stellt ist, werden Antennen mit Richtcharakteristik so ange¬ ordnet, dass ihre Strahlkeulen sich nicht oder wenig überla¬

ll gern. Die Transponder Tl, T2, ... , Tn werden dann nur von jeweils einer dieser Antennen "gesehen" und können so neben der Laufzeit auch, einem Winkelsegment zugeordnet werden. Da¬ durch steht ein weiterer, unabhängiger Parameter zur Bestim- mung der Position der Transponder im Raum zur Verfügung. Be¬ sonders vorteilhaft ist bei dieser Anordnung, dass störende Mehrwegeausbreitungen oft außerhalb der Antennenkeule liegen, d.h., die Genauigkeit der Entfernungsmessung kann so erhöht werden. Die Kenntnis des Eintreffwinkeis kann auch zur Selek- tion verschiedener Echos verwendet werden, d.h. zur Klassifi¬ zierung als direktes oder indirektes Echo. Eine weitere Aus¬ führung ergibt sich durch sequentielles Durchschalten der An¬ tennen: Hier werden die einzelnen Antennen nacheinander ange¬ steuert, so dass die erlaubte Abstrahlleistung pro Segment, und damit die Reichweite, höher ist.

Neben diskret angeordneten Antennen können auch Strahl- schwenkverfahren eingesetzt werden. Diese weisen den Vorteil einer besonders guten Winkelauflösung auf, erfordern aber technischen Mehraufwand.

Die beschriebenen Anordnungen und Verfahren weisen unter an¬ derem einen oder mehrere der folgenden Vorteile auf:

- Platzbedarf-optimierte Integration einer 5,8 GHz Diversi- ty-Antenne, - Erhöhung der LPR-Messgenauigkeit durch den Diversity- Effekt und damit verbunden Erhöhung der effektiven Transponderzahl, - Bestimmung der Richtung/Orientierung unabhängig von Fahrt¬ geschwindigkeit möglich, - Monopuls-Verfahren ohne räumlich getrennte oder sich bewe¬ gende Antennenvorrichtungen realisiert, - Erhöhung der Messgenauigkeit durch Unterdrückung von Mehr- wegeechos auf Grund der direktiven Antennen, - Zusätzlicher unabhängiger Messparameter zur Erhöhung der Messgenauigkeit des Systems, - Erhöhung der Reichweite mittels Strahlschwenkverfahren.