DE102004017268A1

DE102004017268A1 - Verfahren und Anordnung zur Positionsbestimmung eines Objekts

Info

Publication number: DE102004017268A1
Application number: DE102004017268A
Authority: DE
Inventors: Mark Christmann; Martin Prof. Vossiek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-11-03

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts (O), bei dem
- mittels mehrerer Radarmodule (m₁, m₂, m₃) Signale in die Richtung des zu vermessenden Objekts gesendet werden,
- die Radarmodule Strahlkeulen unterschiedlicher Breite ausstrahlen,
- mittels mindestens eines ersten Radarmoduls (m₃) die Position des Objekts mit einem Phasen- oder Amplituden-Monopuls-Verfahren geschätzt wird,
- zusammen mit der vom ersten Radarmodul ermittelten Schätzung weitere Radarmodule (m₁, m₂) die Position des Objekts auf der Basis eines Triangulations- oder Trilaterationsprinzips ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines Objekts, insbesondere mittels Radar.
Der Begriff Radar bedeutet „Radio Detection and Ranging" und wird nachfolgend als ein Verfahren verstanden, bei dem mittels Radiowellen (Radio) Objekte detektiert (Detection) und die Entfernungen (Ranging) zu ihnen ermittelt werden können.

Bisherige Radarsysteme sind nur bedingt in der Lage lateral aufzulösen. Sie können die Entfernung eines Objekts von einer Position bestimmen, nicht aber die Position des Objekts entlang eines durch die Ausstrahlung eines Signals charakterisierten Kreisbogens, dessen Radius durch die gemessene Entfernung bestimmt ist. Nachfolgend bezieht sich der Begriff „Kreisbogen„ stets auf diese Bedeutung. Bildgebende Verfahren wie z.B. das der Mikrowellenholographie [1] sind technisch nur aufwendig realisierbar.

Triangulations-, Trilaterations-, oder Mehrstrahlverfahren bzw. scannende Systeme sind technisch einfach zu realisieren und in der Lage lateral aufzulösen. Triangulations- bzw. Trilaterationsverfahren bestimmen ein Ort in einer Ebene durch die Berechnung der Schnittpunkte zweier Geraden und/oder Kreise. Die Positionen der Kreiszentren werden als bekannt vorausgesetzt und entsprechen in der Regel den Positionen der für die Ausstrahlung von Signalen verantwortlichen Sendeeinheiten.

Beim Triangulationsverfahren sind die Messgrößen die Winkel zwischen der jeweiligen Verbindungslinie vom Kreiszentrum zu der zu bestimmenden Position und der Geraden zwischen den Kreiszentren.

Zur Bestimmung der Position eines Objekts O in einem Triangulationsverfahren gemäß 1 werden die von Empfangseinheiten wie z.B. Radarmodule m_n gemessenen Entfernungswerte

zum Objekt als Kreisbögen m_nk um die Radarmodule m_n mit dem Radius

dargestellt. Da ein einziger Kreisbogen m_nk keine eindeutige laterale Position angeben kann (stattdessen nur die Entfernung

), ist eine zweite Signalquelle bzw. ein zweites Radarmodul m₂ notwendig, welches einen zweiten Kreisbogen m_nk erzeugt, sodass die zwei-dimensionale Position des Objekts O vom Schnittpunkt dieser mindestens zwei Kreisbögen m_nk angegeben wird. Hier wird aus dem Radarmodul m₂ ein Signal ausgesendet, das nach der Entfernung

gemäß des dort befindlichen Kreises m₂₁, vom Objekt reflektiert wird. Ähnlich wird aus Radarmodul m₁ ein Signal ausgestoßen, welches nach der Entfernung

gemäß des dort befindlichen Kreises m₁₁ vom Objekt reflektiert wird. Somit kann mit den Entfernungen

und

sowie mit der bekannten Entfernung D zwischen den Radarmodulen m₁ und m₂ der Winkel α zum Objekt O berechnet und die Position des Objekts bestimmt werden.

Dabei ergeben sich aber folgende Probleme:

– Ein Schnittpunkt ist umso schlechter auflösbar, je weiter das Objekt von der Sendeeinheit bzw. Apertur der Sendeeinheit entfernt ist. Für die laterale Genauigkeit der Trilateration kann der maximale Fehler für Entfernungen, die größer sind als der Abstand zwischen den Messpunkten, wie folgt angegeben werden:
Der Fehler ist also proportional zum Abstand.
– eine eindeutige Zuordnung des Schnittpunkts zum Objekt, sowie die Unterdrückung von Phantomechos (siehe dazu auch 4) kann nur mit großem Aufwand oder überhaupt nicht gewährleistet werden.
– Für die Berechnung des Schnittpunktes von zwei Kreisen werden mindestens zwei Messungen des Objekts von unterschiedlichen Radarmodulen benötigt.

Im Trilaterationsverfahren werden die Längen von den drei Seiten eines Dreiecks gemessen. Die Länge der einen Seite ist durch das Wissen der Koordinaten ihrer Endpunkte bekannt. Bei der Trilateration sind die Messgrößen die Entfernungen zu dem zu bestimmenden Ort, ausgehend von dem jeweiligen Kreiszentrum.

Radarsysteme, die auf der Basis von Trilaterationsverfahren arbeiten, weisen den Nachteil auf, dass sie einen stark eingeschränkten Messbereich besitzen. Sie werden deshalb vorwiegend in Anwendungen, die nur eine Nahbereichsmessung erfordern, eingesetzt, wie z.B. als Einparkhilfe für Vehikel. Die Festlegung des Messbereichs erfolgt in der Regel in Abhängigkeit der spezifischen Anwendung, der Einbauposition von Radarmodulen, der geforderten Messgenauigkeit und der Reflektivität des zu vermessenden Objekts.

Im Multilaterationsverfahren wird die Position eines Objekts unter Verwendung der Laufzeitunterschiede von Empfangssignalen, die bei mehreren Sensoren eingehen, bestimmt.

Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der lateralen Position eines Objekts ist die Verwendung von Mehrstrahlsystemen mit diskreten, also in ihren Ausmaßen eindeutig begrenzten, Strahlkeulen, wie sie z.B. für ACC „Automatic Cruise Control" Radare zur Überwachung des Fernbereiches eingesetzt werden. Bei einem Mehrstrahlsystem wird der Messbereich (eine Fläche oder ein Raum) durch mehrere Radarmodule mit Antennenkeulen unterschiedlicher Hauptstrahlrichtung (Sektoren) abgedeckt, die gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig messen. Die Winkelauflösung ergibt sich aus Breite der Antennenkeule in Hauptstrahlrichtung. Dabei wird ein Objekt nur von einer Antenne gesehen, in deren diskreten Strahlkeule es sich befindet. Dadurch wird lediglich eine grobe Auflösung des Winkels α (siehe 1) des Vektors, welcher zum Objekt O aus einer vordefinierten Position zeigt, möglich. Einfache Mehrstrahlsysteme können ihren Messbereich maximal in die Anzahl Segmente unterteilen, die der Anzahl der Strahlkeulen des Systems entsprechen. Durch spezielle Verfahren wie z.B. Phasen-Monopuls oder Sequential Lobing sind aber Winkelmessgenauigkeiten unterhalb der maximalen Strahlkeulenbreite möglich.

Beim sogenannten Phasen-Monopuls Verfahren wird eine Antennenanordnung benutzt, bei der zwei Antennen um einen um einen Bruchteil der Wellenlänge des Trägersignals verschiedenen Signalweg aufweisen [2]. Dadurch kann die Winkelbestimmung aus dem Summen- und Differenzsignal der beiden Antennen auf der ZF-Ebene erfolgen.

Amplituden Monopuls und Sequential Lobing Verfahren umfassen die Auswertung unkorrelierter, mit verschiedenen Antennen oder mit geschwenktem Strahl (Schwenken der Antennenhauptkeule durch Phased Array oder mechanisch) empfangener Radarsignale unter Berücksichtigung von Antennenrichtcharakteristiken [3]. Beim Amplituden-Monopuls Verfahren werden dabei die Radarsignale gleichzeitig aufgenommen. Beim Sequential Lobing Verfahren werden sequentiell aufgenommene Radarsignale unter Berücksichtigung des zeitlichen Versatzes entsprechend dem Amplituden Monopuls Verfahren ausgewertet.

Scannende Systeme sind den Mehrstrahlsystemen ähnlich, weisen aber die Einschränkung auf, dass die einzelnen Sektoren entweder durch Umschalten zwischen physikalisch fest eingebauten Antennen oder durch mechanisches oder elektronisches Schwenken der Antennenhauptstrahlrichtung abgetastet werden.

Die dem Stand der Technik entsprechenden Mehrstrahlsysteme wie z.B. ACC-Radare weisen aber folgende Nachteile auf:

– sie haben im Nahbereich ein sehr eingeschränktes Sichtfeld, da die Ausbreitung der Strahlkeulen mit einem Punkt an der Signalquelle beginnt und somit das Sichtfeld in der Nähe der Signalquelle sehr schmal ist;
– Verfahren zur Erhöhung der Winkelauflösung wie Amplituden-Monopuls und Sequential-Lobing haben einen auf den Bereich zwischen den Maxima der beiden Strahlkeulen, also die Strahlkeulen, die mindestens notwendig sind um Sequential Lobing oder Amplitudenmonopulseberechnungen durchzuführen, beschränkten Eindeutigkeitsbereich;
– die Verfahren Sequential-Lobing und Phasen-Monopuls erfordern technischen Aufwand in der Form spezieller, digitaler Nachverarbeitung, sowie im Falle des Phasen-Monopuls Verfahrens auch ein spezielles, technisch aufwendiges Radarmodul;
– für das Amplituden-Monopuls Verfahren werden mindestens zwei Messungen eines Objekts von unterschiedlichen Radarmodulen benötigt.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine eindeutige Position eines oder mehrerer zu vermessenden Objekten mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird, wobei die Position des Objekts insbesondere in einem Entfernungsbereich liegt, welcher für den Fahrzeug-, Flugzeug-, oder Schiffsverkehr relevant ist, vorzugsweise ein Bereich zwischen 1m bis 200m. Im Fahrzeugverkehr wird die Breite einer Straße als gegebener Faktor bei der Positionsbestimmung eines oder mehrerer Objekte vorausgesetzt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, das genannte Verfahren mit möglichst geringem technischem Aufwand zu realisieren.

Die Lösung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Lösung umfasst ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts, bei dem

– mittels mehrerer Radarmodule Signale in die Richtung eines zu vermessenden Objekts gesendet werden,
– die Radarmodule Strahlkeulen unterschiedlicher Breite ausstrahlen,
– mittels mindestens eines ersten Radarmoduls die Position des Objekts mit einem Phasen- oder Amplituden Monopuls Verfahren geschätzt wird,
– zusammen mit der vom ersten Radarmodul ermittelten Schätzung weitere Radarmodule die Position des Objekts auf der Basis eines Triangulations- oder Trilaterationsprinzips ermitteln.

Das Verfahren wird dadurch erweitert, dass im Falle, dass ein erstes Radarmodul kein gültiges, reflektiertes Signal erhalten hat,

– die Richtung der Hauptstrahlkeule des ersten Radarmoduls ermittelt wird,
– der Winkel des Objekts relativ zu den weiteren Radarmodulen, welche gültige, reflektierte Signale erhalten haben, geschätzt wird,
– die Schätzung des Winkels des Objekts relativ zu den weiteren Radarmodulen derart verbessert wird, dass der ermittelte Winkel der Hauptstrahlkeule vom ersten Radarmodul derart von dem von den weiteren Radarmodulen ermittelten

Winkel abgezogen wird, dass die Schätzung über die Position des Objekts verfeinert wird.

Als reflektiertes Signal wird natürlich der reflektierte Anteil des ursprünglichen Sendesignals verstanden.

Bei mehreren Radarmodulen ist es vorteilhaft, wenn die Winkel der Hauptstrahlkeulen aller Radarmodule, welche kein gültiges, reflektiertes Signal erhalten haben, zur Verfeinerung der Schätzung über die Position des Objekts herangezogen werden.

Es ist besonders günstig, wenn die Strahlkeule des ersten Radarmoduls gegenüber den übrigen Strahlkeulen länger und schmäler ist, da in diesem Falle die Position eines entfernten Objekts leichter bestimmbar ist.

Zur Auswertung der von den Radarmodulen gelieferten Information werden vorzugsweise die geschätzten Positionen des Objekts in die Zellen einer rechnergestützten Gitterkarte gespeichert.

Es ist günstig, wenn ein Polygon aus der in den Zellen eingetragenen wahrscheinlichen Positionen des Objekts aus der Sicht eines Radarmoduls gebildet wird. Dabei wird vorzugsweise eine Schnittmenge des Polygons mit der Gitterkarte gebildet wird. Die Zellen der Gitterkarte können einen Zeiger auf eine Tabelle erhalten, welche über die Daten des Objekts verfügt. Die Tabelle kann dabei über die Daten der Amplitude des vom Objekt reflektierten Signalanteils, der Entfernung zum Objekt, und Angaben über die für die Messungen verantwortlichen Radarmodule verfügt.

Zur Bestimmung der Position eines Objekts mittels Radar wird eine Anordnung vorgeschlagen, die folgende Merkmale aufweist:

– mindestens ein erstes Radarmodul welches ein Mehrstrahlsystem umfasst, mit dem die Position eines Objekts anhand ei nes Phasen- oder Amplituden Monopulsverfahrens schätzungsweise ermittelbar ist,
– mindestens ein weiteres Radarmodul das in der Lage ist, die Laufzeit eines gesendeten und empfangenen Signals im Zuge eines Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens zu ermitteln,
– eine Auswerteeinheit, mit der die genauere Position des Objekts durch eine Kombination der vom ersten Radarmodul ermittelten Position und der anhand eines Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens von dem mindestens einen weiteren Radarmodul ermittelten Position ermittelbar ist.

Das Mehrstrahlsystem sollte vorzugsweise mehrere Sende- und Empfangseinheiten aufweisen, wobei eingehalten werden sollte, dass alle Radarmodule mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.

Es ist für eine vereinfachte Konstruktion günstig, wenn die Radarmodule Richtkoppler zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen aufweisen.

Zur Auswertung der von den Radarmodulen empfangenen Signale bzw. Signalanteile wird bevorzugt, dass die Auswerteeinheit, je nach Bedarf einen Prozessor, Filter und/oder Verstärker aufweist.

Durch das erfinderische Verfahren und durch die entsprechende Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass der für eine genaue Entfernungsmessung nötige technische Aufwand gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert wird. Außerdem ergibt sich der Vorteil, dass die Nachteile der einzelnen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ausgeglichen werden.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
2 eine Anordnung von Strahlkeulen, welche aus einer Kombination von Trilaterations- und Mehrstrahlsystemen ausgesendet werden,
3 eine Darstellung eines Verfahrens (CPAE) zur Abschätzung der Position eines Objekts bei fehlenden Messinformationen,
4 eine Darstellung von mehrdeutigen Phantomechos,
5 eine bevorzugte Anordnung von Strahlkeulen,
6 eine weitere, bevorzugte Anordnung von Strahlkeulen,
7 eine für eine Datenfusion verwendete Datenmatrix.
2 zeigt eine Anordnung von Strahlkeulen welche aus 3 Signalquellen, m₁, m₂ und m₃, aus unterschiedlichen Positionen ausstrahlen, und ein Verfahren, bei dem ein Trilaterationsverfahren mit einem Amplituden Monopulsverfahren kombiniert wird. In dieser Anordnung sind vorzugsweise zwei möglichst weit voneinander entfernte Radarmodule m₁ und m₂ mit bezüglich ihrer Richtcharakteristik an den Messbereich angepassten Antennen angeordnet. Für eine Trilateration müssen wenigstens 2 Radarmodule mit unterschiedlicher Position vorhanden sein, wobei die Laufzeit eines gesendeten und empfangenen Signals im Zuge des Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens ermittelt werden kann. Durch die verhältnismäßig große Entfernung zwischen den Radarmodulen m₁ und m₂ ist eine genaue Winkelberechnung nach einem Trilaterationsverfahren möglich, wenn sich auch ein Monopuls Mehrstrahlsystem m₃, bzw. eine Signalquelle m₃ welche ein solches System verkörpert, zwischen den beiden äußeren Antennen befindet, die in Kombination mit den Radarmodulen m₁ und m₂ zur Berechnung der Trilateration herangezogen wird. Das Mehrstrahlsystem weist vorzugsweise mehrere Sende- und Empfangseinheiten auf, z.B. mehrere Antennen jeweils mit Richtkopplern. Für eine Monopulsauswertung sind nämlich mindestens 2 Antennen nötig, die einen gemeinsamen Ursprung m₃ besitzen. Die Anordnung kann also insgesamt 5 oder mehr, vorzugsweise identische, Radarmodule aufweisen und es können Objekte in einer radialen Entfernung von 13 bis 40 Metern und in einer Breite von 3 bis 8 Metern erkannt werden.
Die spezielle Anordnung von unterschiedlichen Signalquellen gemäß 2 ermöglicht insbesondere die Kombination dreier Auswerteverfahren zur Bestimmung einer zwei-dimensionalen Position eines Objekts:
Das erste Auswerteverfahren ist die bereits genannte Trilateration, bei dem mindestens 3 Radarmodule zur Berechnung von Kreisschnittpunkten bzw. Radien der Kreise verwendet werden müssen.
Das zweite Auswerteverfahren umfasst die Amplituden Monopuls oder Sequential Lobing Verfahren, bei denen ausschließlich die gemessenen Amplituden von zurückreflektierten Signalen zur Winkelberechnung verwendet werden. Hier liegen Amplitude und Radius bzw. Entfernung als Messgrößen vor.
Das dritte Auswerteverfahren ist eine erfindungsgemäße Wahrscheinlichkeitsberechnung für die Position des zu vermessenden Objekts bzw. für den Winkel zum Objekt, und wird vorzugsweise eingesetzt, wenn durch mindestens ein Radarmodul keine gültige Messung erfolgen konnte. Das besondere dabei ist die Verwendung fehlender Informationen dem Radarmodul welcher keinen Messwert aufnehmen konnte. Für die Wahrscheinlichkeitsberechnung über die Position des zu vermessenden Objekts wird die Richtcharakteristik des Radarmoduls herangezogen, das keine Information über das Objekt liefern konnte. Dieses Auswerteverfahren kann erfindungsgemäß als CPAE (Conditional Probability Angle Estimation) bezeichnet und kann folgendermaßen beschrieben werden:
Aufgrund der Ausbreitung von Strahlkeulen über mehrere Wege von den unterschiedlichen Radarmodulen und aufgrund der Abhängigkeit des Radarrückstreuquerschnittes RCS (Radar Cross Section) des Objekts von der Position der Antenne eines Radarmoduls kommt es immer wieder vor, dass mindestens ein Radarmodul die Entfernung zu einem Objekt nicht bestimmen kann.
Unter solchen Umständen ist eine Positionsbestimmung des Objekts weder mit dem Amplituden Monopuls-, Sequential Lobingnoch mit dem Trilaterationsverfahren möglich. Eine von einem Radarmodul ausgeführte Messung ohne Empfang eines reflektierten Signalanteils (fehlende Information) kann dennoch für die zwei-dimensionale Positionsbestimmung des Objekts herangezogen werden, wenn für den Winkel des Objekts relativ zu diesem Radarmodul die Richtung der Hauptstrahlkeule diese Radarmoduls angenommen wird, also vorzugsweise die Strahlkeule mit der höchsten Intensität, und diese Schätzung mit dem Winkel einer Strahlkeule aus einem Radarmodul mit gültiger, gemessenen Entfernung kombiniert wird, bzw. dass die Richtung der Hauptstrahlkeule als Winkel von den von den weiteren Radarmodulen ermittelten Winkel abgezogen wird. Aus der Halbwertsbreite, z.B. +/–5°, der Antenne des Radarmoduls mit der fehlenden Information kann die laterale Position des vom Objekt reflektierten Signals, bzw. des gemessenen Echos eingegrenzt werden und für mögliche Winkelwerte verwendet werden. Die möglichen Werteintervalle, d.h. die Radiale Position des Objekts +– Messfehler und die Laterale Position des Objekts +– entfernungsabhängiger Messfehler einer Messung werden üblicherweise als Varianz angegeben, die sich aus den bekannten Systemdaten wie z.B. Richtcharakteristik einer Antenne und Entfernungsmessgenauigkeit abschätzen lassen.
Für die Formgebung der in den Messungen eingesetzten Signale kann ein FMCW Verfahren oder eine Kombination von Puls- und FMCW Verfahren, je nach Anwendung, mit deren dafür geeigneten Radaren eingesetzt werden. Die Messung erfolgt vorzugsweise mittels nicht-kohärenter Signale, wobei diese Signale zeitkodiert von den Radarmodulen ausgesendet werden.
Es wird bevorzugt, dass die Radarmodule Taktquellen aufweisen, welche untereinander synchronisiert sind, damit ein gegenseitiges Stören der Radarmodule vermieden wird.
3 zeigt wie die wahrscheinliche Position eines Objekts anhand des CPAE Verfahren eingegrenzt werden kann. Die wahrscheinliche Position eines Objekts, dessen Entfernung nur von einem Radarmodul m₃ gemessen wurde, kann aufgrund der Antennenrichtcharakteristik dieses Radarmoduls auf die graue Ellipse E1 der linken Grafik eingeschränkt werden. Das Verfahren geht davon aus, dass nur ein Modul ein Echo erkannt hat. Es sind also weder Partner, d.h. die nötigen zusätzlichen Radarmodule, für eine Trilateration noch Partner für eine Monopulsauswertung vorhanden. Aus der gemessenen Entfernung zu diesem einen gemessenen Echo ergeben sich Entfernungsintervalle in den anderen Modulen m₁ und m₂, wo das Echo hätte erkannt werden müssen. Dies wird mit den schraffierten Ringsegmenten in der Figur dargestellt. Das Echo eines einzelnen Radarmoduls hat zu Anfang des CPAE Verfahrens einen lateralen Fehler der Größe der Antennenkeule (Halbwertsbreite bzw. 3dB Breite). Gibt es bei dieser Entfernung benachbarte oder überlappende Antennenkeulen anderer Radarmodule, die nichts gemessen haben, so wird die Fehlerellipse verkleinert (E2-rechte Abbildung). Der Verkleinerungsprozess wird so lange wiederholt, bis alle benachbarten und überlappenden Antennenkeulen der anderen Radarmodule berücksichtigt wurden. Die Zahlen 1 bis 5 dieser Figuren stellen die aus den Radarmodulen stammenden Strahlkeulen dar, wobei nochmals drauf hingewiesen wird, dass hier das mittlere Radarmodul m₃ ein Mehrstrahlsystem mit einem verhältnismäßig kleinem Öffnungswinkel α umfasst.
4 zeigt wie das erfindungsgemäße CPAE Verfahren auch die Beseitigung von Mehrdeutigkeiten in der Form von mehrdeu tigen Echos MES aufgrund der gewählten Richtcharakteristiken der Antennen ausschließt. Es werden zwei Objekte in unterschiedlichen Entfernungen (dunkle Ellipsen) erkannt. Beide Radarmodule R1 und R2 messen jeweils zwei Echos ES und MES, da sie jeweils 2 Radien messen, aus denen sich dann durch Trilateration 4 mögliche Objektpositionen ergeben. Zwei davon sind Phantomechos MES, bzw. falsch. Wenn für beide Radarmodule ein 180° Öffnungswinkel angenommen wird, z.B. um einen möglichst flächendeckenden Bereich abzutasten, ergibt sich eine mehrdeutige Situation wie sie in dieser Figur dargestellt ist. Durch die Verkleinerung des Öffnungswinkels (und dessen Eingabe im Algorithmus als Randbedingung) können aber Mehrdeutigkeiten reduziert werden. Eine Verkleinerung des Winkels ist aber erst dann sinnvoll, wenn zur Kompensierung der Verkleinerung des Messbereichs ein drittes Radarmodul m₃ eingesetzt wird, dass vorzugsweise wie zu den 2 und 3 beschrieben ein Mehrstrahlsystem, auch mit kleinem Öffnungswinkel, umfasst. Durch das zusätzliche Radarmodul kann das CPAE Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Objekts durchgeführt und gleichzeitig die mehrdeutigen Echos zu beseitigen werden.
5 zeigt ein alternatives Muster von Strahlkeulen welche ebenfalls aus einer Anordnung von unterschiedlichen Radarmodulen m₁, m₂ und m₃ aus unterschiedlichen Positionen ausstrahlen. Diese Figur zeigt wie der Öffnungswinkel des mittleren Radarmoduls gegenüber 2 reduziert ist. Eine Skalierung der Messregion ist anhand dieses Beispiels ersichtlich. Prinzipiell gilt der Grundsatz, dass je schmaler die Antennenkeule, desto weiter sieht das Radar. Dazu gegenläufig ist allerdings der Sichtbereich: je schmaler die Radarkeule, desto kleiner ist der durch dieses Radar abgedeckte Sektor. Je nach Anwendung könnte also eine Anordnung nach dieser Figur oder eine Anordnung nach 2 bevorzugt werden.
6 zeigt ein weiteres Muster von Strahlkeulen welche aus einer Anordnung von mehreren Radarmodulen m₁, m₂ und m₃ aus strahlen. Eine Vergrößerung der Messregion ist durch die gewollte Ausbildung von Nebenkuhelen N1 und N2 aus äußeren Radarmodulen möglich. Dadurch wird die Erkennung von Objekten im Nahbereich ermöglicht. Durch diese Maßnahme kann das System insbesondere als Einparkhilfe für Vehikel genutzt werden. Jede Antenne hat Nebenkeulen. Wenn die Nebenkeulen bekannt sind können sie mit in die Auswertung einbezogen werden. Theoretisch sollte es also möglich sein auch mit den Nebenkeulen Objekte zu erkennen.
Vor der Berechnung von Trilateration und Amplituden Monopuls (siehe dazu die Beschreibung zu 2) müssen die Messwerte der einzelnen Radarmodule hypothetischen Objekten zugeordnet werden. Die Zuordnung der Entfernungsdaten ist ein wichtiger Schritt in der Signalverarbeitung.
7 zeigt wie die Zuordnung dadurch erreicht wird, dass die Schnittmenge der Bereiche, in denen sich das Objekt aus der Sicht der einzelnen Radarmodule wahrscheinlich befindet, gebildet wird. Dafür ist eine rechnergestützte Gitterkarte G bereitgestellt, deren Zellen G_nm mit der wahrscheinlichen Position des Objekts aus der Sicht der Radarmodule entsprechend belegt bzw. gespeichert werden. Hierbei erhalten die Zellen G_nm Zeiger auf eine Tabelle D, in der alle gemessenen Entfernungen spaltenweise aufsteigend eingetragen sind. In jeder Zeile z dieser Tabelle D stehen, wie in 7 rechts gezeigt, die für das Messergebnis wichtigen Parameter. Diese sind die Entfernung d, das Radarmodul m, mit dem die Messung der Entfernung d erfolgte, die Amplitude A des vom Objekt reflektierten Signals bzw. Amplitude des empfangenen Echos, die radiale Geschwindigkeit v des Objekts und ein Flag fl. Der Flag zeigt mittels der binären Werte 1 und 0, ob der Messwert bereits für eine Datenfusion verwendet wurde. Ein Datenfusionsverfahren ist in [4] eingehend beschrieben.
Die Berechnung einer zwei-dimensionalen, endgültigen Echoliste mit der Position eines Objekts wird wie folgt ausgeführt:

1. Alle gemessenen Entfernungen d werden wie bereits beschrieben die Gitterkarte G eingetragen.
2. Für einen speziellen, typischerweise kleinsten und noch nicht in einer vorherigen Datenfusion verwendeten Messwert, wie z.B. die Entfernung zu einem Objekt, das für die Reflektion eines Signal verantwortlich war, wird ein Polygon für die wahrscheinliche Position des Objekts aus der Sicht des Radarmoduls, mit dem diese Messung erfolgte, berechnet.
3. Die Schnittmenge des Polygons mit der Gitterkarte G wird gebildet. Die Schnittmenge wird anders ausgedrückt durch die Überlagerung des Polygons auf die Gitterkarte und der dadurch erzeugten Kreuzungsfläche gebildet.
4. Die Schnittmenge wird durch Plausibilitätstests wie z.B. sinnvolles Geschwindigkeitsverhältnis von mehreren Echos gebildet Ob es sich dabei um Echos von einem Objekt oder von unterschiedlichen Objekten handelt ist aus den Daten nicht erkennbar. Die Einzelmessungen werden überprüft und gegebenenfalls verkleinert.
5. Existiert eine Schnittmenge, so wird abhängig von den beteiligten Radarmodulen eine Trilateration oder eine Amplituden Monopulsauswertung durchgeführt und anschließend aus der Entfernungsmessgenauigkeit und der entfernungsabhängigen Winkelgenauigkeit der Radarmodule die Varianz der ermittelten zwei-dimensionalen Position des Objekts berechnet. Im Falle einer Schnittmenge mit mehr als einem Messwert ist die Verwendung eines erweiterten Kalman Filters zur Positionsberechnung vorteilhaft, da dieses in der Lage ist, die einzelnen Messergebnisse entsprechend den Rechenvorschriften für Trilateration und Amplituden Monopuls zu mitteln. Die Rechenvorschrift ist zu dieser Mittelung ist z.B. durch das Kalmanfilter gegeben. Bei der Trilateration und bei Amplituden Monopuls können mehr als die zur Positionsberechnung notwendige Echos vorhanden sein. Diese werden dann für eine genauere Positionsschätzung gemittelt und die Varianz des gemittelten Ergebnisses, also die Positionsschätzung eines Objekts und die geschätzte Varianz des Messfehlers angegeben
6. Existiert keine Schnittmenge, so findet das CPAE Verfahren Anwendung.
7. Die berechneten Objektpositionen werden in einer Objektliste in Form einer weiteren Matrix E gespeichert, die neben der zweidimensionalen Objektposition weitere Merkmale des Echos wie z.B. die geschätzte Varianz der Position sowie die Geschwindigkeit des Objekts enthalten kann.
8. Die Schritte 2 bis 7 werden so lange wiederholt, bis alle Messungen an einer Datenfusion beteiligt waren.

Die für die Datenfusion der Messdaten genutzte Datenmatrix, also die Gitterkarte zusammen mit der Tabelle D, kann zusätzlich zur Datenfusion von Positionsprädiktionen aus einer dem erfindungsgemäßen System angeschlossenen Echoverfolgung, auch Tracking genannt, eingesetzt werden. Hierzu wird die von dem Tracking Filter, beispielsweise ein Alpha Beta oder Kalman oder ähnliche Filter, für den Zeitpunkt der Messung berechnete Vorhersage der Position, in die Datenmatrix eingetragen. Die von der Vorhersage belegte Fläche in der Datenmatrix entspricht der geschätzten Standardabweichung aus dem Tracking Filter. Weiterhin wird die Vorhersage mit in die Datenmatrix aufgenommen und in dem erfindungsgemäßen Verfahren als weiterer Messwert behandelt. Technische Vorteil der vorgeschlagenen Lösung sind die vom erfindungsgemäßen System gelieferten Abschätzungen der Fehler, die gemessenen Positionen, die von modellbasierten Tracking Filtern als Eingangsgrößen benötigt werden und sonst in einem ungenauen, auf Hypothesenbildung beruhenden weiteren Schritt generiert werden müssten.
E. Literaturverzeichnis
Im Rahmen dieses Dokuments werden folgende Quellen angegeben:

[1] Luigi Giubbolini "Amulti-FMCW Modulation Technique for 3D Reconstruction of Reflectivity and Radial Velocity of Automotive Scenario", CNR-IRITI Politecnico di Torino, Turin, Italy
[2] Jonathan D. Frederik "A Novel Single Card FMCW Radar Transceiver With On Board Monopulse Processing" PhD Thesis University of California, Los Angeles, 2000
[3] Adel Agah "Entwicklung von Postprocessing-Algorithmen für automotive Radarsysteme", Dissertation der Technischen Universität Hamburg-Harburg, 2001
[4] Robust Probabilistic Positioning based on High-Level Sensor-Fusion and Map Knowledge Technical Report No. 421, April 18, 2003

Claims

Verfahren zur Positionsbestimmung eines Objekts (O), bei dem – mittels mehrerer Radarmodule (m₁, m₂, m₃) Signale in die Richtung des zu vermessenden Objekts gesendet werden, – die Radarmodule Strahlkeulen unterschiedlicher Breite ausstrahlen, – mittels mindestens eines ersten Radarmoduls (m₃) die Position des Objekts mit einem Phasen- oder Amplituden Monopuls Verfahren geschätzt wird, – zusammen mit der vom ersten Radarmodul ermittelten Schätzung weitere Radarmodule (m₁, m₂) die Position des Objekts auf der Basis eines Triangulations- oder Trilaterationsprinzips ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Falle, dass ein erstes Radarmodul (m₃) kein gültiges, reflektiertes Signal erhalten hat, – die Richtung der Hauptstrahlkeule des ersten Radarmoduls (m₂) ermittelt wird, – der Winkel des Objekts (O) relativ zu den weiteren Radarmodulen (m₁, m₂), welche gültige, reflektierte Signale erhalten haben, geschätzt wird, – die Schätzung des Winkels des Objekts relativ zu den weiteren Radarmodulen derart verbessert wird, dass der ermittelte Winkel der Hauptstrahlkeule vom ersten Radarmodul derart von dem von den weiteren Radarmodulen ermittelten Winkel abgezogen wird, dass die Schätzung über die Position des Objekts verfeinert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Winkel der Hauptstrahlkeulen aller Radarmodule (m₁, m₂, m₃), welche kein gültiges, reflektiertes Signal erhalten haben, zur Verfeinerung der Schätzung über die Position des Objekts (O) herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geschätzten Positionen des Objekts (O) in die Zellen (G_nm) einer rechnergestützten Gitterkarte (G) gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein Polygon aus der in den Zellen (G_nm) eingetragenen wahrscheinlichen Positionen des Objekts (O) aus der Sicht eines Radarmoduls (m₁, m₂, m₃) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine Schnittmenge des Polygons mit der Gitterkarte (G) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Zellen (G_nm) der Gitterkarte (G) einen Zeiger auf eine Tabelle (D) erhalten, welche über die Daten des Objekts (O) verfügt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Tabelle (D) über die Daten der Amplitude (A) des vom Objekt (O) reflektierten Signalanteils, der Entfernung (d) zum Objekt, und Angaben über die für die Messungen verantwortlichen Radarmodule (m₁, m₂, m₃) verfügt.
Anordnung zur Bestimmung der Position eines Objekts mittels Radar, aufweisend: – mindestens ein erstes Radarmodul (m₃), mit dem die Position eines Objekts (O) anhand eines Phasen- oder Amplituden Monopulsverfahrens schätzungsweise ermittelbar ist, – mindestens ein weiteres Radarmodul (m₁, m₂), das in der Lage ist, die Laufzeit eines gesendeten und empfangenen Signals im Zuge eines Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens zu ermitteln, – eine Auswerteeinheit, mit der eine genauere Position des Objekts durch eine Kombination der vom ersten Radarmodul ermittelten Position und der anhand eines Trilaterations- oder Triangulationsverfahrens von dem mindestens einen weiteren Radarmodul ermittelten Position ermittelbar ist.
Anordnung nach Anspruch 9, bei der das erste Radarmodul (m₃) ein Mehrstrahlsystem mit mehrere Sende- und Empfangseinheiten umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der alle Radarmodule (m₁, m₂, m₃) mindestens eine Sende- und mindestens eine Empfangseinheit aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Radarmodule Richtkoppler zur Trennung von Sende- und Empfangssignal (m₁, m₂, m₃) en aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Radarmodule mit einer gemeinsamen Taktquelle verbunden und untereinander synchronisiert sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinheit zur Auswertung der von den Radarmodulen erhaltenen Signale einen Prozessor, Filter und/oder Verstärker aufweist.