DE19548363B4

DE19548363B4 - Kommunikationssystem für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19548363B4
Application number: DE1995148363
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kariya Yoshida; Taisei Kariya Kato; Toshihide Kariya Ando; Manabu Kariya Matsumoto; Mutsushi Kariya Yamashita; Yoshiyuki Kariya Kago
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: SG38901A1; MY114911A; DE19548363A1; JP3185576B2; US5751227A; JPH08180228A

Abstract

Kommunikationssystem für Fahrzeuge mit:
einer Antenneneinheit (16, 17, 18), die über einer Straße (11) verteilt angeordnet ist, um einen Kommunikationsbereich (19, 20, 21) einzustellen, indem ein Betrieb mit einer vorbestimmten Oszillationsfrequenz erfolgt; wobei der Kommunikationsbereich (19, 20, 21) eine Längenabmessung (La) hat, die etwa so groß oder kleiner ist als die Längenabmessung eines Fahrzeuges,
einem Antennenelement (22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b), das innerhalb der Antenneneinheit (16, 17, 18) angeordnet ist und das eine Vielzahl von Feldern (30a–30h) und eine Energieversorgungsleitung (31a–31d) zur Verbindung der Vielzahl von Feldern (30a–30h) hat, wodurch ein Richtantennensystem gebildet wird; und
einer Kommunikationssteuereinrichtung (26, 42a, 42b, 43), die innerhalb der Antenneneinheit (16, 17, 18) vorgesehen ist, um die Übertragung und den Empfang von Signalen an der Antenneneinheit (16, 17, 18) zu steuern
dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieversorgungsleitung (31a–31d) Endabschnitte (31a, 31b), die Endfelder (30a, 30d, 30e, 30h) mit mittleren Feldern...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem für Fahrzeuge, insbesondere ein Kommunikationssystem für Fahrzeuge, mit einer oberirdischen Einheit zur Festsetzung eines bestimmten Kommunikationsbereiches auf einer Straße und mit fahrzeugseitigen Respondern, die an den Fahrzeugen befestigt sind, um eine Kommunikation mit der oberirdischen Einheit zu ermöglichen, wenn die Fahrzeuge den Kommunikationsbereich durchqueren.

Für ein Verfahren zur Eintreibung oder Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren, im folgenden Maut genannt, für eine mautpflichtige Straße, wie beispielsweise eine Autobahn, wurde ein System vorgeschlagen, mit einer Kommunikationseinheit (fahrzeugseitiger Responder), in der eine Identifikationsnummer oder ähnliches vor Inbetriebnahme abgespeichert ist und die fahrzeugseitig befestigt ist und mit einer Kommunikationseinheit (oberirdische Einheit), die an einem Ort für die Mauterhebung auf der Straße derart angeordnet ist, daß dann, wenn ein Fahrzeug den von der oberirdischen Einheit bestimmten Kommunikationsbereich durchquert, eine Kommunikation zwischen der oberirdischen Einheit und dem fahrzeugseitigen Responder durchgeführt wird und dabei das den Kommunikationsbereicht durchquerende Fahrzeug mit der gespeicherten Identifikationsnummer erkannt wird und eine auf den gespeicherten Daten basierende Maut festgelegt wird.

Die oberirdische Einheit hat ein Antennenelement für die Kommunikation. Im allgemeinen hat das Antennenelement eine Vielzahl von Feldern auf einer Oberflächenseite einer bedruckten Schaltungsplatte, im folgenden Leiterplatte genannt und jedes Feld ist mit einer Übertragungsleitung zur Energieversorgung verbunden.

Im allgemeinen wird dann, wenn eine Vielzahl von Feldern P verwendet wird, um wie in 23 dargestellt, eine Antennenanordnung zu bilden, keulenförmige Abstrahlungsbereiche mit einer Hauptkeule ML und einer seitlichen Keule SL durch die gegenseitigen Interferenzen der von jedem Feld P abgegebenen Wellen erzeugt. Wenn die seitliche Keule SL erzeugt wird, bildet sich zwischen der seitlichen Keule SL und der Hauptkeule ML ein Bereich aus, in dem sich die Wellen gegenseitig durch Interferenz auslöschen oder abschwächen (das heißt eine Totzone DZ).

Falls die Totzone in der Höhe des fahrzeugseitigen Responders, die in dieser Figur mit gestrichelten Linien angedeutet ist, erzeugt wird, tritt ein Problem derart auf, daß dann, wenn der fahrzeugseitige Responder die seitliche Keule SL, die Totzone DZ und die Hauptkeule ML in dieser Reihenfolge durchquert, die Mauterhebung wiederholt und die Kommunikation unnützerweise durchgeführt wird.

Das Dokument EP 0 609 453 A1 bezieht sich auf eine Identifizierungsvorrichtung für mobile Objekte mit über der Straße angebrachten Antenneneinheiten, ohne eine Offenbarung zu einer mit der voriegenden Erfindung vergleichbaren, speziellen Struktur der Energieversorgungsleitungen von einem Antennenelement.

Im Dokument US 4 203 116 A wird zwar eine Impedanzanpassung vorgenommen. Diese erfolgt jedoch vor der Zuleitung zu den Strahlungselementen.

Angesichts der oben genannten Problemstellung liegt eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Kommunikationssystem für Fahrzeuge zu schaffen, durch das eine wiederholte Mauterhebung und eine unnütze Kommunikation verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem für Fahrzeuge ist die Größe der seitlichen Keule des festgelegten Kommunikationsbereichs verringert, indem die Impedanz der die einzelnen Felder verbindenden Energieversorgungsleitungen angepaßt oder justiert wird. Daher ist es mög lich, den Kommunikationsbereich mit geringen Abweichungen in der Höhenrichtung vorzubestimmen, während eine Länge beibehalten werden kann, die erforderlich ist, um die Kommunikation in Übereinstimmung mit der Breite jeder Fahrspur zu ermöglichen. Dementsprechend ist es möglicht, die Kommunikationsverarbeitung durchzuführen, indem ein konstanter Kommunikationsbereich unabhängig von der Montagehöhe der fahrzeugseitigen Responder bestimmt wird, wobei letztere abhängig von der Größe des fahrenden Fahrzeugs variieren kann.

Abhängig von der Anzahl und dem Layout der Felder kann des weiteren ein geeigneter Kommunikationsbereich entsprechend den Anforderungen in Abhängigkeit von der Fahrbahnbreite der Straße, der Installationshöhe des Antennenelements und anderer äußerer Bedingungen bestimmt werden, so daß der Freiheitsgrad erhöht wird.

Es ist festzuhalten, daß die Antenneneinheit derart aufgebaut werden kann, daß sie eine Vielzahl von Antennenelementen aufweist, die die jeweiligen kommunikationsfähigen Bereiche aufweisen und die sich voneinander unterscheiden. Wenn der Kommunikationsbereich der Antenneneinheit vorbestimmt wird durch Erzeugung eines kommunikationsfähigen Bereiches unterhalb des ersten Antennenelementes durch Verwendung des ersten Antennenelementes und eines Kommunikationsbereiches an der weiter entfernten Seite durch Verwendung des zweiten Antenennelementes, kann selbst dann, wenn beispielsweise ein kleines Fahrzeug unmittelbar hinter einem großen Fahrzeug fährt, die in dem Kommunikationsbereich durch das große Fahrzeug erzeugte Totzone beseitigt werden wenn das große Fahrzeug passiert, und die Kommunikationsverarbeitung im Zusammenhang mit dem kleinen Fahrzeug innerhalb des kommunikationsfähigen Bereiches, der durch das erste Antennenelement bestimmt ist, kann exakt durchgeführt werden. Dies führt zum Ergebnis, daß lediglich kleine Totzonen beim Passieren eines Fahrzeuges auftreten können und daß die Kommunikationsverarbeitung exakt durchgeführt werden kann.

Falls eine Richtungseinstelleinrichtung zur Einstellung der Wirkrichtung des Kommunikationsbereichs bei der Installation des Antennenelements vorgesehen wird, ist es möglich, die Einstell- oder Wirkrichtung in Abhängigkeit von der Straße und der Installationsposition des Antennenelementes feineinzustellen. Es ist demzufolge möglich, den Kommunikationsbereich auf einen gewünschten Bereich einzustellen und den Freiheitsgrad bei der Installationsarbeit zu erhöhen.

Wenn eine Vielzahl von Antenneneinheiten vorgesehen sind und des weiteren die zueinander benachbarten Antenneneinheiten derart eingestellt werden, daß sie jeweils Kommunikationstaktzeiten und Oszillationsfrequenzen aufweisen, die sich voneinander unterscheiden, erhält selbst dann, wenn der fahrzeugseitige Responder die überlappenden Bereiche der durch die Antenneneinheiten vorbestimmten vorbestimmten Kommunikationsbereiche durchquert, der fahrzeugseitige Responder nicht gleichzeitig Abfragesignale von beiden Antenneneinheiten, sondern enthält von einer der Antenneneinheiten früher Abfragesignale, so daß der fahrzeugseitige Responder, der die Abfragesignale erhalten hat, die Kommunikation mit derjenigen Antenneneinheit durchführen kann, die die Abfragesignale an den fahrzeugseitigen Responder abgegeben hat.

Im vorliegenden Fall kann selbst dann, wenn die Längenabmessungen des Kommunikationsbereichs auf einen Wert voreingestellt sind, der gleich oder geringer als ungefähr die Längenabmessung des Fahrzeuges ist, auch wenn eine Vielzahl von Fahrzeugen im Stoßstange-an-Stoßstange-Zustand den Bereich durchquert – solange dies im normalen Fahrbetrieb erfolgt – eine Kommunikationsverarbeitung für jedes Fahrzeug durchgeführt werden und die Wahrscheinlichkeit der Unmög lichkeit einer Kommunikation aufgrund von Inteferenzen oder ähnlichem kann minimiert werden.

Wenn das erfindungsgemäße Kommunikationssystem für Fahrzeuge bei der Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren für mautpflichtige Straßen eingesetzt wird, kann die herkömmliche Straßenbenutzungsgebührenerhebung durch Hand an Mautstationen usw. eingespart werden und demzufolge kann ein Verkehrsstau an den Mautstationen verringert werden und es können Kosten eingespart werden durch Verringerung der Arbeit und durch Durchführung einer bargeldlosen, beschleunigten Gebührenfestlegung und Eintreibung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung der Gesamtanordnung eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
2 eine vertikale Schnittdarstellung eines Antennenteils;
3 eine perspektivische Darstellung einer Antenneneinheit;
4 eine perspektivische Darstellung eines Antennenelementes;
5 eine Draufsicht auf ein Antennenelement eines fahrzeugseitigen Responders;
6 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung des elektrischen Aufbaus einer Antenneneinheit;
7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des elektrischen Aufbaus eines fahrzeugseitigen Responders;
8 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des elektrischen Aufbaus einer Kommunikationsschaltung des fahrzeugseitigen Responders;
9 eine Darstellung der Trägerwellenfrequenz des Antennenelementes und der Antennencharakteristiken des fahrzeugseitigen Responders;
10 ein Wellenform-Diagramm der Ausgangssignal-Wellenform des Antennenelementes;
11 ein Diagramm mit dem Frequenzgang oder der charakteristischen Frequenz des Ausgangssignals des Antennenelementes;
12 eine Seitenansicht eines Kommunikationsbereichs;
13A bis 13C Draufsichten auf den Kommunikationsbereich mit unterschiedlichen Höhenabmessungen;
14A bis 14E Draufsichten zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen der Anzahl der Felder und dem kommunikationsfähigen Bereich des Antennenelementes;
16 eine Seitenansicht der Form der Hauptkeule und der seitlichen Keule einer Antenneneinheit;
17 eine Seitenansicht des Reichweitenbereichs der Antwortsignale des fahrzeugseitigen Responders innerhalb des Kommunikationsbereiches der Antenneneinheit;
18 eine Darstellung zur Verdeutlichung eines Falls, in dem zwei fahrzeugseitige Responder gleichzeitig innerhalb des gleichen Kommunikationsbereiches existieren;
19A bis 19E Zeitdiagramme der Ausgangssignale dreier Antenneneinheiten und zweier fahrzeugseitiger Responder (Teil I);
20A bis 20E Zeitdiagramme der Ausgangssignale dreier Antenneneinheiten und zweier fahrzeugseitiger Responder (Teil II);
21 eine Seitenansicht zur Verdeutlichung der Kommunikation, wenn ein Motorrad unmittelbar hinter einem großen Fahrzeug fährt (Teil I);
22 eine Seitenansicht zur Verdeutlichung der Kommunikation, wenn ein Motorrad unmittelbar hinter einem großen Fahrzeug fährt (Teil II) und
23 eine Seitenansicht der Form der Hauptkeule und der seitlichen Keule einer herkömmlichen Antenneneinheit.
Im folgenden wird anhand der 1 bis 22 ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein System zur Erhebung von Straßenbenutzungsgebühren an einer Autobahn angewendet wird.
Gemäß 1, die die Gesamtanordnung einer erfindungsgemäßen Konstruktion zeigt, hat eine Autobahn 11 (gezeigt ist lediglich der Verkehrsbereich an einer Seite) drei Fahrbahnen 12, 13 und 14 an jeder Seite. An einem bestimmten Mauterhebungspunkt ist eine Brücke 15 als eine oberirdische Einheit, die sich über die Autobahn 11 erstreckt angeordnet. An dieser Brücke 15 sind nach unten gerichtete Antenneneinheiten 16, 17 und 18 angeordnet, um die Fahrbah nen 12, 13 bzw. 14 zu zählen und um Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 zu bilden oder zu bestimmen.
Die Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 werden von den Antenneneinheiten 16, 17 und 18 in der Annäherungsrichtung von Fahrzeugen (beispielsweise 32 und 33 in 1) eingestellt. Die Antenneneinheit 16 ist mit Antennenelementen 22a und 22b versehen. Der Kommunikationsbereich 19 ist gebildet durch Einstellung von kommunikationsfähigen Bereichen 19a und 19b für diese Antennenelemente 22a bzw. 22b. Auf gleiche Weise ist die Antenneneinheit 17 mit Antennenelementen 23a und 23b versehen, und ein Kommunikationsbereich 20 ist gebildet durch Einstellung von kommunikationsfähigen Bereichen 20a bzw. 20b, und die Antenneneinheit 18 ist mit Antennenelementen 24a und 24b versehen, wobei der Kommunikationsbereich 20 gebildet ist durch Einstellung von kommunikationsfähigen Bereichen 21a bzw. 21b.
Gemäß den 2 und 3 sind auf den Antenneneinheiten 16, 17 und 18 (obwohl lediglich die alle Antenneneinheiten representierende Antenneneinheit 16 in dieser Fig. dargestellt ist, haben die sonstigen Antenneneinheiten den gleichen Aufbau) ein auf einer Basis an der Bodenfläche der Brücke 15 vorgesehenes Steuerschaltungsteil 26 und die Antennenelemente 22a und 22b angeordnet. Die Gesamtanordnung ist von einer Kunststoffabdeckung 27 abgedeckt, um einen wasserfesten Aufbau zu bilden, der für elektrische Wellen durchlässig ist. Der Steuerschaltungsteil 26 ist mit einem elektrischen Schaltkreis (dieser wird später beschrieben) versehen, um die Antennenelemente 22a und 22b anzutreiben und zu steuern und um Übertragungs- und Empfangsoperationen durchzuführen.
Gemäß den 2 und 3 sind die Antennenelemente 22a und 22b drehbar durch Lagerbolzen 28 als Richtseinstelleinrichtungen derart gelagert, daß die Ausrichtungen der Abstrahlungsoberflächen der Antennenelemente 22a und 22b ein stellbar sind. Die Antennenelemente 22a und 22b sind ebenfalls drehbar durch einen bekannten (nicht gezeigten) Aufbau in denjenigen Richtungen abgestützt, die rechtwinklig zu den Lagerbolzen 28 verlaufen. Die Abstützung erfolgt dabei in einer Weise, daß die Richtungen der Abstrahlungsoberflächen der Antennenelemente 22a und 22b in der Richtung einstellbar sind, die rechtwinklig zu den jeweiligen Lagerbolzen 28 verläuft.
Des weiteren werden gemäß den Winkeln der Abstrahlungsoberflächen der Antennenelemente 22a und 22b die kommunikationsfähigen Bereiche 19a bzw. 19b eingestellt und durch Zusammenfügen oder Kombinieren dieser kommunikationsfähigen Bereiche 19a und 19b wird der Kommunikationsbereich 19 erhalten. Zwischen diesen beiden kommunikationsfähigen Bereichen 19a und 19b ist jedoch ein duplizierter Bereich oder Überlappungsbereich 19c vorgesehen, um die kommunikationsfähigen Bereiche 19a und 19b ohne Unterbrechung zu verbinden (die anderen Antennenelemente 23a, 23b, 24a und 24b sind ebenfalls in der gleichen Weise mit duplizierten Bereichen oder Überlappungsbereichen 20c und 21c versehen). Wie im folgenden beschrieben wird, sind die Antennenelemente 22a und 22b derart angeordnet, daß sie durch Abgabe von Mikrowellen mit jeweils geeigneten, sich voneinander unterscheidenden Frequenzen kommunizieren.
Alle Antennenelemente 22a, 22b, 23a, 23b, 24a und 24b sind Antennenelemente in Mikrostripanordnung, die acht Teile von rechteckigen Feldern 30a bis 30h auf einer Oberflächenseite einer Leiterplatte 29 bilden (obwohl lediglich ein Antennenelement 22a dargestellt ist, das alle Antennenelemente representiert, weisen die sonstigen Antenneneinheiten den gleichen Aufbau auf), die zusammengefügt sind mit Übertragungsleitungen 31a, 31b und 31c zur Verbindung mit einem Netzanschluß 31d.
Im vorliegenden Fall ist die Leiterplatte 29 aus Kunststoffmaterial hergestellt, das mit einem Leiter an beiden Oberflächen (zweiseitig bedruckte Leiterplatte) bedruckt ist, wobei eine Änderung in der Temperaturcharakteristik der Elektrizitätskonstanten des Kunststoffmaterials innerhalb des Arbeitstemperaturbereichs (beispielsweise eines Hochtemperaturbereichs bis hinauf zu etwa 120°C) nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist (beispielsweise nicht größer als 1 %). Es wird z.B. BT-Kunststoffmaterial oder Glas-Epoximaterial verwendet. Die acht Teile der Felder 30a bis 30h sind in zwei Reihen ausgelegt, wobei vier Teile von Feldern 30a bis 30d in einer Reihe und vier Teile von Feldern 30e bis 30h in einer anderen Reihe angeordnet sind, wobei die sich jeweils gegenüberliegenden Scheitel (vertexes) leicht ausgeschnitten sind. Diese Felder 30a bis 30h sind ausgebildet, indem sie gemeinsam mit den Übertragungsleitungen 31a bis 31d ausgeätzt werden. Als Material für die Felder 30a bis 30h und die Übertragungslinien 31a bis 31d wird Aluminium verwendet. Durch leichtes Ausschneiden der einander gegenüberliegenden Scheitel werden die zu übertragenden Signale zu zirkular polarisierten Wellensignalen. Desweiteren ist die Anordnung so vorgenommen, daß durch die oben beschriebene Anordnung der Felder 30a bis 30h ein gewünschter kommunikationsfähiger Bereich erhalten werden kann. Auf der anderen Seite sind die Drahtstärken der Verbindungs-/Übertragungsleitung 31a und 31b so gewählt, daß sie hinsichtlich der Impedanz höher sind als die Übertragungsleitung 31c. Als ein Verfahren zur Einstellung der Impedanz kann ein Verfahren zur Verringerung der Drahtstärke der Übertragungsleitung 31a und 31b während des Ätzvorgangs verwendet werden, so daß diese schmaler sind als die Drahtstärken der Übertragungsleitung 31c oder es kann ein Verfahren zur Nachbearbeitung der Übertragungsleitungen 31a, 31b und 31c nach dem Ätzen Verwendung finden.
Im allgemeinen ändern sich in einer Antennenanordnung, in der eine Vielzahl von Feldern ausgelegt oder verwendet werden, um kommunikationsfähige Bereiche zu bilden, wie sie in den 14A bis 14E und den 15A bis 15E dargestellt sind, die Formen der kommunikationsfähigen Bereiche entsprechend der Anzahl der Felder P. Zumindest dann, wenn wie in den 14A bis 14D dargestellt, die Felder P in einer Reihe für ein Teil, zwei Teile, drei Teile oder vier Teile angeordnet sind, werden die Abmessungen der kommunikationsfähigen Bereiche S1 bis S4 in der in rechten Winkeln zu der Reihe der Felder P verlaufenden Richtung länger, während die Änderung in der Richtung, in der sich die Reihen der Felder P erstrecken gering bleibt. Gemäß 14E wird dann, wenn acht Teile der Felder P in zwei Reihen angeordnet werden, d.h., vier Teile in jeder Reihe, der kommunikationsfähige Bereich S5 in Richtung der Reihe breiter verglichen zu den anderen Layouts. Auf der anderen Seite erstrecken sich die kommunikationsfähigen Bereiche S1 bis S4 in der Richtung der Wellenabstrahlung entsprechend des Ansteigens der Anzahl der Felder P weiter, wie dies in den 14A bis 15D dargestellt ist. In diesem Fall reicht sogar dann, wenn die Anzahl der Felder P gemäß 15E acht beträgt, der kommunikationsfähige Bereich S5 fast genauso weit wie derjenige, der in 15E dargestellt ist.
Wie oben dargestellt wurde, ist es durch geeignete Wahl der Anzahl der Felder P zur Verwendung in den Antennenelementen möglich, die kommunikationsfähigen Bereiche derart einzustellen, daß sie die gewünschte Gestalt aufweisen, insbesondere diejenige Form, die in den 14E und 15E gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt sind.
Die Antennenelemente 22a und 22b gemäß der Erfindung sind mit den kommunikationsfähigen Bereichen 19a bzw. 19b versehen, wie in 12 dargestellt ist. In 12 ist angenommen, daß die Höhe für die Installation der Antenneneinheit 16 6 m beträgt, das Antennenelement 22a, das den kommunikationsfähigen Bereich 19a unterhalb der Antennen einheit 16 zur Verfügung stellt, ist derart angeordnet, daß der Winkel von deren Abstrahlungsoberfläche gegenüber der Vertikalen um etwa 5° geneigt ist, während das Antennenelement 22b derart angeordnet ist, daß der Winkel von deren Abstrahlungsoberfläche um etwa 60° gegenüber der Horizontalrichtung (etwa 30° gegenüber der Vertikalrichtung) geneigt ist.
Des weiteren sind bei der Antenneneinheit 16 (17, 18) gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Übertragungsleitungen 31a, 31b und 31c, mit denen die acht Teile der Felder 30a bis 30h verbunden sind derart vorgewählt, daß sie bei den jeweiligen Antennenelementen 22a und 22b in der Impedanz ungleich sind, wie dies in 4 dargestellt ist. Als ein Ergebnis dieser Anordnung werden die Amplituden der von den Feldern 30b, 30c, 30f und 30g abgegebenen Wellen, die in dem Mittelteil auf der Leiterplatte 29 angeordnet groß und die Amplituden der Wellen, die von den Feldern 30a, 30d, 30e und 30h abgegeben wurden, die an den Endteilen der Leiterplatte 29 angeordnet sind, werden klein. Dementsprechend wird, wie in 16 dargestellt ist, der seitliche Kegel SL klein. In 16 kennzeichnet die gestrichelte Linie eine Position, auf deren Niveau ein am Fahrzeug befestigter Responder sein soll (beispielsweise das Niveau eines Fahrzeugdaches).
Durch den oben beschriebenen Aufbau können, wie in den 13A, 13B und 13C dargestellt, in jeder Höhenposition von 2 m, 1,5 m und 1 m kommunikationsfähige Bereiche 19a1, 19a2 und 19a3 sowie 19b1, 19b2 und 19b3 mit nahezu gleichen Dimensionen erhalten werden, wodurch der Kommunikationsbereich 19 dazu geeignet ist, um fast den gleichen Bereich auch mit unterschiedlichen Höhen zu überdecken.
An den auf der Autobahn 11 fahrenden Fahrzeugen (beispielsweise Bezugszeichen 32 und 33 in 1) sind Responder 34 und 35 im Bereich der jeweiligen Dächer angeord net. Jeder dieser fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 ist mit einem Steuerschaltungsteil 26 (2) und einer Antenne 36 versehen, die die Abfragesignale von den Antenneneinheiten 16, 17 und 18 an der oberirdischen Einheit (Brücke) 15 erhält. Diese Antenne 36 ist eine Microstrip-Antenne mit rechteckigen Feldern 38 und 39, die an einer Leiterplatte 37 ausgebildet sind, die gleich derjenigen ist, die für das oben beschriebene Antennenelement 22a verwendet ist. In diesem Fall sind die Felder 38 und 39 als ein einzelnes Feld ausgebildet, das zum Empfangen und Übertragen von Wellen vorgesehen ist.
Die Felder 38 und 39 sind derart ausgebildet, daß ihre einander gegenüberliegenden Scheitel ausgeschnitten sind, um Wellen zirkular zu polarisieren, und sie sind derart angeordnet, daß sie mit dem netzanschlußseitigen Punkt mittels Übertragungsleitungen 40a bzw. 40b über einen Verstärker 41 verbunden sind. Demgemäß ist der Aufbau so gewählt, daß dann, wenn die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 sich innerhalb des Kommunikationsbereiches 19 befinden, ein Ansprechen beispielsweise innerhalb eines weniger gerichteten Bereiches SA möglich ist, wie er in 17 dargestellt ist. Die Antenne 36 ist derart aufgebaut, daß bei der Übertragung von Ansprechsignalen eine Übertragung durch Modulation unmodulierter Trägerwellen durchgeführt ist, die von Seite der Antenneneinheit 16 erhalten werden, indem Antwortsignale verwendet und die modulierten Trägerwellen reflektiert werden. Genauer gesagt heißt das, daß die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 unmodulierte Trägerwellen von den Antenneneinheiten 16, 17 und 18 innerhalb der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 erhalten und diese reflektieren, während diese erhalten werden, so daß dadurch die Antwortsignale übertragen werden können.
Im folgenden wird der Aufbau der elektrischen Schaltung des Steuerschaltungsteils 26 unter Bezugnahme auf die 6 bis 11 beschrieben.
6 zeigt den gesamten Aufbau. Ein Steuerteil 43, welches die Steuerschaltungen 42a und 42b der jeweiligen Antennenelemente 22a und 22b steuert, besteht aus einem Steuerkreis 44, einer Spannungs- oder Stromversorgungsschaltung, im folgenden Netzanschlußschaltung 45 genannt und einer Schnittstellenschaltung 46 zum Datenaustausch mit der Umgebung. Da in dieser Figur der Steuerkreis 42b der gleiche ist wie der Steuerkreis 42a, kann auf eine Darstellung des inneren Aufbaus des Steuerkreises 42b verzichtet werden. Bei den Steuerkreisen 42a und 42b, die dazu vorgesehen sind, um in Wechselbeziehung mit den Antennenelementen 22a bzw. 22b zu treten, ist eine Modulationsschaltung 47 derart angeordnet, um die vom Oszillator 48 abgegebenen Schwingungen, die eine vorbestimmte Frequenz aufweisen als Trägerwellen zu verwenden und diesselben durch Verwendung der Pilot-Abfragesignale oder der vom Steuerkreis 44 abgegebenen Steuersignale zu modifizieren und selbige über einen Zirkulator 49 abzugeben. Mit Pilot-Abfragesignalen sind Signale bezeichnet, die einen Responder aktivieren, der an einem Fahrzeug befestigt ist und die den Responder nach dem Fahrzeugtyp abfragen.
Eine Empfangsschaltung 50 zur Signalverarbeitung, wie beispielsweise einer Demodulation, ist mit einer Mischstufe 51 verbunden. Die Mischstufe 51 ist derart angeordnet, daß sie vom Oszillator 48 abgegebene Oszillationen oder Schwingungen als Trägerwellen empfängt und auch Wellensignale vom Antennenelement 21a über den Zirkulator 49 entsprechend der Trägerwellen und der Ansprechsignale erhält. Die Trägerwellen und die Wellensignale gemäß den Antwortsignalen werden durch die Mischstufe 51 zusammengefügt und dann an die Empfangsschaltung 50 abgegeben. Die Empfangsschaltung 50 ist derart angeordnet, daß sie die Ansprechsignale erhält, indem die gegebenen zusammengesetzten Signale demoduliert werden und diese an den Steuerkreis 44 abgegeben werden.
Die entsprechenden Oszillatoren 48, die dazu vorgesehen sind, um mit den oben beschriebenen Ausgangssignalen (wie Trägerwellen, beispielsweise wie Quasi-Mikrowellen des 2,45GHz-Bandes, die als ein spezifizierter Frequenzbereich verteilt sind) der Antennenelemente 22a bis 24b in Wechselwirkung zu treten (Counter), und die daher derart aufgebaut sind, daß sie Frequenzen f1 bis f6 verteilen und abgeben, die schmale, unterschiedliche Frequenzbereiche in dem Frequenzband aufweisen. Andererseits ist der Responder 34 (35), der an dem Fahrzeug befestigt ist, derart ausgebildet, daß er Signale empfangen kann, die all den Oszillationsfrequenzen f1 bis f6 der jeweiligen Oszillatoren 48 entsprechen (wird später ausgeführt).
Die Antenneneinheiten 16, 17 und 18, die den oben beschriebenen Aufbau aufweisen, sind so angeordnet, daß sie Taktsignale empfangen können, die die Antenneneinheiten 16, 17 in Übereinstimmung zu den Antennenelementen 22a bis 24b über einen Controller (nicht dargestellt) betreiben, mit dem die Antenneneinheiten 16, 17 und 18 über die Schnittstellenschaltung 46 verbunden sind. Im vorliegenden Fall wird der Ausgabetakt der Pilot-Abfragesignale und der Abfragesignale an die Kommunikationsbereiche 18, 20 und 21 so gewählt, daß sie eine Zeitverzögerung um einen halben Zyklus voneinander zwischen den benachbarten Antenneneinheiten 16 und 17 und zwischen den benachbarten Antenneneinheiten 17 und 18 aufweisen. Diese Anordnung gewährleistet, daß sogar dann, wenn der den Kommunikationsbereich 19, 20 oder 21 durchquerende fahrzeugseitige Responder 34 (35) beispielsweise den Überlappungsbereich der Kommunikationsbereiche 19 und 20 passiert, der Responder 34 (35) derart verschaltet ist, daß er nicht gleichzeitig Pilot-Abfragesignale von zwei Antenneneinheiten 16 und 17 empfängt.
Gemäß den 7 und 8, die den elektrischen Aufbau eines Steuerschaltungsteils des fahrzeugseitigen Responders 34 (35) zeigt, hat ein Steuerkreis 52 zur Steuerung der Einheit einen Mikrocomputer, einen ROM, einen RAM etc. und es ist ein Kommunikationsprogramm für die gesamte Kommunikationssteuerung abgespeichert. Der fahrzeugseitige Responder 34 hat eine Kommunikationsschaltung 53, eine IC-Karten-Interface 54 und ein Anzeigeteil 55 zur Anzeige des Kommunikationszustandes.
Die Kommunikationsschaltung 53, die ausgestaltet ist, um Signale über die oben beschriebene Antenne 36 zu übertragen und zu empfangen wird mit einer Starterschaltung 53a versehen, die derart aufgebaut ist, daß das gesamte System in Betrieb genommen wird, nachdem ein Pilot-Abfragesignal erhalten wird. Das heißt, wenn keine Kommunikation durchgeführt wird, sind die meisten Komponenten, einschließlich des Steuerkreises 52 im inaktiven Zustand, das heißt, im "Sleep"-Zustand (Stand by) und werden durch die Starterschaltung 53a aktiviert und in den kommunikationsfähigen Zustand, das heißt den "Wake up"-Zustand gebracht.
Wie in 8 dargestellt ist, ist die Kommunikationsschaltung 53 so verschaltet, daß Empfangssignale von einer Empfangsantenne 38 an einen Wellendetektor 63 und einen Übertragungssignal-Modulator 64 abgegeben werden und der Wellendetektor 63 kann die Empfangssignale erfassen und die selbigen an den Steuerkreis 52 abgeben. Ein Datensignalmodulations-Schaltkreis 65 ist derart aufgebaut, daß nach dem Empfang von Übertragungsdatensignalen vom Steuerkreis 52, die Übertragungssdatensignale frequenzmoduliert oder phasenmoduliert werden und diese an die Übertragungssignalmodulationsschaltung 64 abgegeben werden. Die Übertragungssignalmodulationsschaltung 64 ist derart aufgebaut, daß sie die von der Empfangsantenne 38 empfangenen Trägerwellensignale unter Verwendung von Modulationssignalen moduliert, die durch die Datensignalmodulationsschaltung 65 erzeugt wurden und diese als Übertragungs-Wellensignale über die Übertragungsantenne 39 abgibt.
In dem obigen Fall ist der Steuerkreis 52 so angeordnet, daß das Übertragungstiming der zu übertragenden Daten gewählt wird, indem ein Zeitschlitz beliebig unter einer Vielzahl von vorbestimmten Zeitschlitzen gesetzt oder gewählt wird und der gewählte Zeitschlitz in der im folgenden beschriebenen Art und Weise verwendet wird. Das heißt, die Steuerschaltung ist derart ausgebildet, daß selbst dann, wenn Übertragungssignale von einer Vielzahl von fahrzeugseitigen Respondern 35 (45) miteinander konkurrieren oder gleichzeitig abgegeben werden, eine unterschiedliche Wahl (Differentiation) eines Zeitschlitzes eine gleichzeitige Übertragung der Übertragungssignale verhindern kann, so daß entsprechend Interferenzerscheinungen vermieden werden können.
Das IC-Karten-Interface 54 ist derart ausgebildet, daß in ihm eine IC-Karte 66 installierbar ist, die für jeden Benutzer (Person) oder das Fahrzeug registriert ist und die im IC-Karten-Interface 54 installiert werden kann. Auf der IC-Karte 66 sind verschiedene Daten, einschließlich des registrierten Identifikationscodes abgespeichert, und sie verfügt über eine beschreibbare Speichereinrichtung, und die IC-Karte 66 ist derart aufgebaut, daß über das IC-Karten-Interface 54 verschiedene Daten, einschließlich der Mauterhebungsdaten ausgetauscht werden können.
Im folgenden wird nun auf die Längenabmessungen La der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 gemäß 1 eingegangen. Wenn der fahrzeugseitige Responder 64 den Kommunikationsbereich 19, 20 oder 21 passiert, muß eine exakte Kommunikation mit dem fahrzeugseitigen Responder 34 gesichert sein. Als eine Minimumanforderung muß die Längenabmessung La entlang der Fahrtrichtung auf der Autobahn 11 auf eine bestimmte Länge oder mehr eingestellt sein, um zu verhindern, daß die Fahrzeuge während der Kommunikation zwischen den Kommunikationsbereichen 19, 20 und 21 wechseln.
Zunächst werden die Anforderungen an die Längenabmessung La der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt: La > (C/S + t) × V × n (1)wobei C einen Dateninformationsgehalt (byte), S eine Kommunikationsgeschwindigkeit (byte/sec), t eine Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb des Systems (sec), V eine Fahrzeuggeschwindigkeit (m/sec), und n die Anzahl der Rückübertragungen (Retransmissionen) ist, die definiert ist als die Anzahl der erforderlichen Kommunikationen für einen Datenaustausch im Zusammenhang mit einer Mautgebührenerhebung.
Wenn die Berechnung in einem Fall vorgenommen wird, mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 120km/h, einem Informationsgehalt von 150bytes, einer Datenverarbeitungsgeschwindigkeit von 10ms und einer Kommunikationsgeschwindigkeit von 100Kbyte und wenn die Anzahl der Kommunikationen 3 beträgt, wurde bei Verwendung der obigen Gleichung gefunden, daß die für die Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 erforderliche Längenabmessung La 2,2m oder länger sein sollte.
Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten muß die Längenabmessung La der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 gemäß der obigen Gleichung erhöht werden, um eine Anpassung an die höhere Geschwindigkeit vorzunehmen. Wenn die Längenabmessung La zu lang wird, ist es wahrscheinlich, daß eine Vielzahl von fahrzeugseitigen Respondern 34 (35) gleichzeitig in die Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 eintritt, so daß mit hoher Wahrscheinlichkeit das Problem einer Interferenz auftreten kann. Demzufolge sollte der Wert der Längenabmessung La vorzugsweise kürzer gehalten werden, als die Länge des kleinsten Fahrzeugs unter all den Fahrzeugen.
In Anbetracht der obigen Ausführungen wird es bevorzugt, zur Anpassung an Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge die Kommunikationsgeschwindigkeit S auf einen größeren Wert zu setzen, anstatt die Längenabmessung La der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 auf einen größeren Wert zu bringen. Daher soll das Prinzip zur Erhöhung der Kommunikationsgeschwindigkeit S im folgenden dargelegt werden.
Die Kommunikation zwischen dem fahrzeugseitigen Responder 35 und der oberirdischen Einheit (Brücke) 15 wird durch Modulation der unmodulierten Trägerwellen durchgeführt, die von der oberirdischen Einheit 15 erhalten werden und durch Übertragung der Antwortsignale zur Seite der oberirdischen Einheit 15 hin, während diese an dem fahrzeugseitigen Responder reflektiert werden. Im vorliegenden Fall wird die Kommunikationsgeschwindigkeit S in Übereinstimmung der belegten Bandbreite der modulierten Wellen (modulierten Signale) aller Übertragungssignale bestimmt. Die belegte Bandbreite der elektrischen Leistung, die erhalten wird aus dem Spektrum der Übertragungssignale kann berechnet werden, indem die Spektrumsbreite (Bandbreite) erhalten wird, die 99% der gesamten Sendeleistung abdeckt. 11 zeigt in typischer Weise modulierte Signale und die Spektren. Der Prozentsatz der elektrischen Leistung Kn (n = 1, 3, 5, ...) wenn die Spektren der modulierten Signale für n Teile bestimmt werden, kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
In obiger Gleichung kann mit der Anstiegszeit des modulierten Signals τ die Kipprate (tilt rate) durch 2τ/S ausgedrückt werden, und der Wert, der durch Multiplikation der Kipprate des modulierten Signales mit n erhalten wird ist gleich ψ (= 2πτ/S). Demzufolge ist dann, wenn die Kipprate des modulierten Signales 0,3 ist, der Wert ψ gleich 0.03π, und es kann K9 = 98,9% und dann K11 = 99,3% von der obigen Gleichung (2) erhalten werden. Aus diesen Ergebnissen kann die belegte Bandbreite bestimmt werden, indem die Spektren bis zum elften Grad bestimmt werden. Unter der Voraussetzung, daß bespielsweise die Kommunikationsfrequenz 2.5MHz betragen soll, kann die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit auf 114kbps gesetzt werden. Zur Steigerung der Kommunikationsgeschwindigkeit sind Verfahren bekannt, bei denen das Kommunikationsfrequenzband auf einen größeren Wert gesetzt wird, die Kipprate des modulierten Signales auf eine größere Rate gesetzt wird usw. Insbesondere durch Setzen der Anstiegszeit τ des vom Antennenelement abgegebenen modulierten Signales auf einen größeren Wert (siehe 10) kann die Kommunikationsgeschwindigkeit erhöht werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Frequenz der verwendeten Trägerwellen auf einen Bereich von 2.45GHz und das nutzbare Frequenzband auf 26MHz gesetzt. Dieses nutzbare Frequenzband ist in 12 Kanale unterteilt und 2.17MHz sind auf jedem Kanal als Kommunikationsfrequenzband verteilt. Durch dessen Modulation unter Verwendung eines modulierten Signales mit einer Kipprate des modulierten Signals von 0.03 kann eine Kommunikationsgeschwindigkeit von 100kbps erhalten werden.
Entsprechend wurden 12 Teile von Antennenelementen hergestellt und jede Kommunikationsfrequenz wurde auf 2451± (n × 2.17) MHz gesetzt. Darin ist n eine ganzzahlige Zahl zwischen 1 und 6. Zwei Teile der Antennenelemente mit den derart voreingestellten Frequenzen werden in den jeweiligen Antenneneinheiten 16, 17 und 18 installiert. Genauer gesagt, werden unterschiedliche Frequenzen f1 bis f6 den entsprechenden Antennenelementen 22a bis 24b der entsprechenden Antenneneinheiten 16, 17 und 18 zugeordnet und diese Antennenelemente 22a bis 24b an der Brücke 15 angeordnet.
Die Antennencharakteristiken der fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 mit den entsprechenden Trägerwellenfrequenzen f1 bis f6 innerhalb der belegten Bandbreite sind in 9 dargestellt. Um diesen Aufbau kompatibel zu dem Fall zu gestalten, bei dem die Fahrzeuggeschwindigkeit 120km/h beträgt, wird der Informationsgehalt auf 150 Bytes, die Anzahl der Retransmissionen auf 3 und die Größe der Längenabmessung La auf 3m gesetzt.
Um die kommunikationsfähige Längenabmessung La voreinzustellen, wird desweiteren eine zweiseitig bedruckte Leiterplatte aus BT-Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstante von 3.7 als Leiterplatte 29 verwendet, und die Felder 30a–30h wurden mit 30mm Seitenlänge (in side) ausgeführt. Darüberhinaus wurde die Ausgangsleistung jedes Antennenelements auf 20mW festgelegt und der Übertragungszeitintervall des Pilot-Abfragesignales wurde auf 10ms gesetzt. Durch diese Voreinstellungen ist gewährleistet, daß bei jedem Fahrzeug 32, das auf der Autobahn 11 fährt und die Kommunikationsbereiche 19, 20 oder 21 durchquert, entweder die Antenneneinheit 16, 17 oder 18 mit dem am Fahrzeug 32 befestigten Responder 34 korrespondieren kann.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beschrieben. Im Normalfall, bei dem angenommen wird, daß jedes Fahrzeug separat auf einer der Fahrbahnen 12, 13 oder 14 fährt, ist es möglich, daß die Kommunikationsverarbeitung mit dem am Fahrzeug montierten Responder 34 durchgeführt wird, der die Kommunikationsbereiche 19, 20 oder 21 passiert und die Maut kann auf exakte Weise für jedes Fahrzeug in der gleichen Art wie bei den herkömmlichen Methoden erhoben werden.
In den folgenden Ausführungen, die sich auf eine Situation beziehen, bei der herkömmlicherweise mit einer Interferenz zu rechnen ist, wird beschrieben, wie die Kommunikation auf exakte Weise in einer derartigen Situation durch geführt werden kann. Wie in 18 dargestellt ist, treten zwei Einheiten der Fahrzeuge 32 und 33 nahezu gleichzeitig in den Kommunikationsbereich 21 der Antenneneinheit 18 ein, so daß die Antenneneinheit 18 nun dazu in der Lage ist, mit den an den Fahrzeugen 32, 33 befestigten Respondern 34 bzw. 35 zu kommunizieren. In diesem Fall wird angenommen, daß das Fahrzeug 33 den überlappenden Kommunikationsbereich durchquert, der durch Überlappung mit dem Kommunikationsbereich 20 der Antenneneinheit 17 gebildet ist.
In einer derartigen Situation erfolgt die Kommunikation in einer Weise, wie sie in einer der 19A–19E und den 20A–20E dargestellt ist. Das heißt, in den 19A–19C geben die Antenneneinheiten 16 und 18 wiederholt Pilot-Abfragesignale in einer Zeit t0 bis zu einer Zeit t7 mit einem Zeitintervall Δt ab. Die Antenneneinheit 17 gibt jedoch im Unterschied zu den benachbarten Antenneneinheiten 16 und 18 in der gleichen Zeitspanne wiederholt Pilot-Abfragesignale in der gleichen Art und Weise ab, bei denen jedoch der Zeitintervall Δt um Δt/2 zeitverschoben ist.
Gemäß den 19D und 19E werden dann, wenn die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 Pilot-Abfragesignale PLT von der Antenneneinheit 18 (Zeit T0) erhalten, die jeweiligen fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 durch die Starterschaltung 35A vom Sleep-Zustand in den Wake-Up-Zustand umgeschaltet; sie beginnen mit der Kommunikationsverarbeitung und erkennen und speichern den Code zur Kennzeichnung des Ortes und die Codenummer der Brücke, die in den Pilot-Abfragesignalen PLT enthalten sind. Wie oben beschrieben, erzeugen die Responder dann jeweils Antwortsignale RSP1 bzw. RSP2 und übertragen diese. In dem Fall wird die Übertragung der Antwortsignale RSP derart vorgenommen, daß die unmodulierten Trägerwellen, die von der Antenneneinheit 18 erhalten werden durch die Antwortsignale in Übertragungswellen moduliert und auf die oben beschriebene Art und Weise reflektiert werden.
Die Antwortsignale RSP1 und RSP2 enhalten die jeweiligen Identifikationscodes, die in den jeweiligen IC-Karten 66 abgespeichert sind und die in den jeweiligen IC-Karten Interfaces 54 installiert wurden. Die Übertragungstaktzeiten der Antwortsignale RSP1 und RSP2 werden so gewählt, daß sie auf die jeweiligen Zeitschlitze eingestellt sind, die jeweils unter einer Vielzahl von Zeitschlitzen beliebig ausgewählt wurden. Demzufolge ist selbst dann, wenn die Antwortsignale RSP gleichzeitig von einer Vielzahl von fahrzeugseitigen Respondern 34 und 35 ausgesandt werden, die Wahrscheinlichkeit, daß derartige Übertragungstaktzeiten dupliziert werden verringert, und die Wahrscheinlichkeit, daß eine unmögliche Kommunikation aufgrund einer Interferenzerscheinung auftritt, kann verringert werden.
In den 19A bis 19E treffen die Übertragungssignale des fahrzeugseitigen Responders 35 auf einen Zeitschlitz für eine frühere Übertragungstaktzeit der Übertragungssignale, als die Übertragungstaktzeiten, die vom fahrzeugseitigem Responder 34 abgegeben werden, so daß die Antenneneinheit 18 die Empfangsfolge für die Antwortsignale RSP1 und RSP2 derart bestimmt, daß der fahrzeugseitige Responder 35 der erste und der fahrzeugseitige Responder 34 der zweite ist. Die Antenneneinheit 18 sendet Anforderungssignale zur Übertragung von Informationen über den fahrzeugseitigen Responder als Abfragesignale an den fahrzeugseitigen Responder 35 (Zeit t1). Die Anforderungssignale RC1 zur Übertragung von Information über den fahrzeugseitigen Responder enthalten den Code zur Positionserkennung, die Codenummer der Brücke und den Identifikationscode, der in der IC-Karte 66 des angesprochenen fahrzeugseitigen Responder 35 abgelegt ist. Wenn die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 die Anforderungssignale RC1 zur Übertragung von Informationen über den Fahrzeugresponder erhalten, wird durch den fahrzeugseitigen Responder 35 eine Empfangsoperation durchgeführt, während der fahrzeugseitige Responder 34 erkennt, daß die Anforderungssignale RC1 zur Übertragung von Informationen über den fahrzeugseitigen Responder nicht für diesen bestimmt sind, da eine Diskrepanz hinsichtlich des Identifikationscodes vorliegt, so daß dieser keine Kommunikationsverarbeitung durchführt.
Nach dem Erhalt der Anforderungssignale RC1 zur Übertragung von Informationen über den fahrzeugseitigen Responder, liest der fahrzeugseitige Responder 35 den IC-Kartenidentifikationscode, Daten über den Kontostand (balance amount) und andere auf der IC-Karte 66 gespeicherte Daten aus, erzeugt ein Kartenlesesignal RD1 und überträgt dieses an die Antenneneinheit 18 in der gleichen Weise wie sie oben beschrieben wurde. Nach dem Empfang der Kartenlesesignale RD1 gibt die Antenneneinheit 18 vorbestimmte Daten zur Datenverarbeitung für die Mauterhöhung, wie Kartenschreibsignale WD1 an den fahrzeugseitigen Responder 35 (Zeit t2) ab. In diesem Fall enthalten die Karten Schreibsignale WD1 den Code zur Mauterhebung (toll collection order code), die Mautdaten, die Positionscodenummer, die Codenummer der Brücke, den Identifikationscode des fahrzeugseitigen Responders 35, die Daten zur Verarbeitungszeit usw.. Für den Fall, daß die vom fahrzeugseitigen Responder 35 abgegebenen Antwortsignale RSP unnormal sind, ist die Antenneneinheit 18 so ausgelegt, daß sie eine vorbestimmte Fehlersuchroutine durchführt.
Nach dem Erhalt der Kartenschreibsignale WD1, liest der fahrzeugseitige Responder 35 deren Inhalt aus und führt eine vorbestimmte Schreibroutine durch. Dann gibt der fahrzeugseitige Responder 35 in der gleichen Weise wie oben beschrieben Schreibbeendigungssignale END1 an die Antenneneinheit 18 ab, die die Codenummer der Brücke und den Identifikationscode des fahrzeugseitigen Responder 35 enthalten. Nach dem Empfang der Schreibbeendigungssignale END1 gibt die Antenneneinheit ein Enderkennungssignal ACK1 an den fahrzeugseitigen Responder 35 ab, um über den Empfang der Schreibbeendigungssignale END1 zu informieren. Nach dem Erhalt der Enderkennungssignale ACK1, erkennt der fahrzeugseitige Responder 35 darauf, daß die Kommunikation vollendet ist und schaltet in den Sleep-Zustand zurück, wenn die Starterschaltung 53 stoppt.
Im vorliegenden Fall sind die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 derart angeordnet, daß selbst dann, wenn die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 das Pilot-Abfragesignal PLT nochmals in dem Fall innerhalb der Kommunikationsbereiche 19, 20 oder 21 erhalten, in dem die Kommunikationsverarbeitung bereits abgeschlossen ist, die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 den Abschluß der Kommunikationsbearbeitung erkennen und auf die in ihnen abgespeicherten Kommunikationsergebnisse verweisen und die Pilot-Abfragesignale PLT ignorieren. Demzufolge ist die Kommunikation mit jedem anderen fahrzeugseitigen Responder vor Interferenz geschützt. Dies verhindert auch jede doppelte Kommunikation innerhalb des gleichen Kommunikationsbereiches 21 oder der Kommunikationsbereiche 19, 20 oder 21 der gleichen Brücke 15.
Bei der aktuellen Durchführung der Gebührenerhebung, ist vorgesehen, daß nach dem Durchqueren des Kommunikationsbereichs 18 der fahrzeugseitige Responder 35 (34) diejenigen Daten über das IC-Karten-Interface 54 auf die IC-Karte 66 schreibt oder auf dieser abspeichert, die der Gebührenrechnung und/oder den Mautdaten entsprechen, über die gerade eine Kommunikation erfolgte und die basierend auf unterschiedlichen Schreibdaten übertragen wurden, die durch die oben beschriebenen Schreibsignale WD1 spezifiziert sind.
Als nächstes gibt die Antenneneinheit 18 an den fahrzeugseitigen Responder 34 die Anforderungssignale RC1 zur Übertragung von Informationen über den fahrzeugseitigen Responder ab, der als derjenige bestimmt ist, der in der Kom munikationsfolge die zweite Stelle einnimmt, wobei die Übertragung in der gleichen Weise wie oben beschrieben erfolgt und die Kommunikation mit dem fahrzeugseitigen Responder 34 begonnen wird. Nachdem die Antenneneinheit 18 sequentiell Kartenschreibsignale WD2 und Enderkennungssignale ACK2 sequentiell abgibt und eine Kommunikation mit dem fahrzeugseitigen Responder 34 durchführt, um die Kommunikationsverarbeitung zu vollenden, wird auch der fahrzeugseitige Responder 34 in seinen Sleep-Zustand zurückgeschaltet. Demzufolge kann selbst dann, wenn beide der fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 nahezu gleichzeitig in den Kommunikationsbereich 21 der Antenneneinheit 18 eintreten, eine Kommunikation zwischen der Antenneneinheit 18 und beiden fahrzeugseitigen Respondern 34 und 35 in exakter Weise durchgeführt werden. Im vorliegenden Fall ist die Anordnung so gewählt, daß so lange, wie die Fahrzeuge 32 und 33, an denen die Responder 34 bzw. 35 befestigt sind mit normalen Geschwindigkeiten fahren, eine Kommunikationsverarbeitung in hinreichender Weise beendet werden kann, bevor die Fahrzeuge 32 und 33 den Kommunikationsbereich 21 verlassen.
Im oben genannten Fall erfolgte die Kommunikationsverarbeitung der beiden fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 mit der Antenneneinheit 18. In dem Fall, in dem jedoch der fahrzeugseitige Responder 35 den Überlappungsbereich durchquert, der durch Überlappung mit dem benachbarten Kommunikationsbereich 20 entsteht, kann der fahrzeugseitige Responder 35, in Abhängigkeit von dem Timing der empfangenen Signale Pilot-Abfragesignale von der Antenneneinheit 17 empfangen und mit der Antenneneinheit 17 kommunizieren. In den 20A bis 20E sind die Inhalte einer derartigen Kommunikationsverarbeitung dargestellt, auf die im folgenden eingegangen wird.
In diesem Fall erhalten die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 gleichzeitig die Pilot-Abfragesignale PLT der Antenneneinheit 18 und geben die Pilot-Antwortsignale RSP mit unterschiedlichen Zeitschlitzen ab. Da der fahrzeugseitige Responder 34 eine derartige Übertragung mit einer früheren Taktzeit durchführt, wird der fahrzeugseitige Responder 34 zum ersten und der fahrzeugseitige Responder 35 zum zweiten in der Kommunikationsreihenfolge mit der Antenneneinheit 18. Wenn die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 die Antwortsignale RSP1 bzw. RSP2 abgeben, empfängt der fahrzeugseitige Responder 35 in der Folge Abfragesignale PLT von der Antenneneinheit 17.
Die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 legen das Objekt der Kommunikation zu der Zeit fest, zu der sie die Abfragesignale erhalten, nachdem die Antwortsignale RSP1 bzw. RSP2 abgegeben wurden. Die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 sind so ausgelegt, daß ohne derartige Abfragesignale jedoch die Antwortsignale RSP im Ansprechen auf die Pilot-Abfragesignale PLT wiederholt abgegeben werden. Da der fahrzeugseitige Responder 35 als derjenige bestimmt wurde, der der zweite in der Kommunikationsreihenfolge an der Antenneneinheit 18 ist, wurden die von der Antenneneinheit 18 an den fahrzeugseitigen Responder 35 abzugebenden Abfragesignale noch nicht abgegeben, die von der Antenneneinheit 17 zum fahrzeugseitigen Responder 35 abzugebenden Abfragesignale wurden jedoch an diesen abgegeben.
Demzufolge führt der fahrzeugseitige Responder 35 eine Kommunikationsverarbeitung mit der Antenneneinheit 18 durch, während der fahrzeugseitige Responder 35 eine Kommunikationsverarbeitung mit der Antenneneinheit 17 durchführt. Demzufolge führen die fahrzeugseitigen Responder 34 und 35 individuell und gleichzeitig eine individuelle Kommunikationsverarbeitung durch. In diesem Fall ist daher im Vergleich zu dem anhand der 19A bis 19E beschriebenen Fall die gesamte Kommunikationszeit kürzer, so daß eine effizientere Kommunikationsverarbeitung ermöglicht ist. Das heißt, während die Fahrzeuge 32 und 33 die Kommunikationsbereiche 20 und 21 durchqueren, kann eine exakte Kommunika tionsverarbeitung durchgeführt werden. Gemäß der oben beschriebenen Erfindung können die folgenden Wirkungen erzielt werden.

1.) Da die Kommunikationsbereich bestimmt sind durch Verbindung der Felder 30a bis 30h der Antennenelemente 22a bis 24b mit den Übertragungsleitungen 31a, 31b und 31c, die unterschiedliche Impedanzen aufweisen und die dadurch die seitliche Keule minimieren, können eine Ungleichmäßigkeit der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 aufgrund einer Differenz in der Höhenposition minimiert und dadurch konstante Kommunikationsbedingungen gesichert werden.
2.) Da die Erfindung so ausgebildet ist, daß überlappende Kommunikationsbereiche zwischen den benachbarten Kommunikationsbereichen 19, 20 und 21 geschaffen werden und Pilot-Abfragesignale wechselweise übertragen werden, kann selbst dann, wenn ein Fahrzeug die Fahrspur wechselt, eine Kommunikationsverarbeitung für ein derartiges Fahrzeug in jeder der Kommunikationsbereiche durchgeführt werden.
3.) Da die Längenabmessung La der Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 unter Verwendung der Gleichung (1) bestimmt wurde, kann, solange ein Fahrzeug fährt, das Auftreten des Betriebszustandes minimiert werden, bei dem eine Kommunikation mit einem Responder erfolgt, der an einem anderen Fahrzeug befestigt ist.
4.) Da das Übertragungstiming (Übertragungstaktzeit) der Antwortsignale der fahrzeugseitigen Responder 34 (35) mit einem Zeitschlitz bestimmt wird, der beliebig unter einer Vielzahl von Zeitschlitzen gewählt wird, ist es selbst dann, wenn eine Vielzahl von fahrzeugseitigen Respondern gleichzeitig Pilot-Abfragesignale erhält möglich, die Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Absendens von Pilot-Antwortsignalen zu verringern und dadurch eine Interferenz zu verhindern.
5.) Da für die Antennenelemente 22a bis 24b jeweils Antennenelemente der Microstrip-Bauart unter Verwendung von acht Teilen von Feldern 30a bis 30h verwendet werden, ist es möglich, die Kommunikationsbereiche mit einem gewissen Freiheitsgrad in einer vorbestimmten Form einzustellen.
6.) Da die Kommunikationsbereiche 19, 20 und 21 ebenfalls unterhalb der Antenneneinheiten 16, 17 bzw. 18 angeordnet sind, kann das Auftreten jedweder Totzone für die Kommunikation mit Respondern, die an kleinen Fahrzeugen oder Motorrädern angeordnet sind, die unmittelbar hinter großen Fahrzeugen fahren minimiert werden, so daß eine Kommunikationsverarbeitung auf exakte Weise durchführbar ist. Bei einem großen Fahrzeug 78 wird, wie in 21 dargestellt ist, das große Fahrzeug 78 den Kommunikationsbereich der Antenneneinheit 17 unmittelbar hinter ihm abschatten und somit eine Totzone DZ1 ausbilden. Wenn ein Motorrad auf der Seite des kommunikationsfähigen Bereiches 20b angeordnet ist, befindet sich das Motorrad 79 in der Totzone DZ1 und eine Kommunikation mit dem Motorrad 79 ist unmöglich. Da bei diesem Ausführungsbeispiel unterhalb des Kommunikationsbereiches 20 mittels der Antenneneinheit 17 ein kommunikationsfähiger Bereich 20a ausgebildet wurde (siehe 22) wird dann, wenn das große Fahrzeug 78 die Antenneneinheit 17 passiert, eine Totzone DZ2 (22) kleiner als die Totzone DZ1 (21). Auf diese Weise kann der kommunikationsfähige Bereich für das Motorrad 79 gesichert werden, so daß in diesem Fall eine Kommunikationsverarbeitung auf exakte Weise durchführbar ist und die Daten zur Mauterhebung ausgetauscht werden können.
7.) Da vorgesehen ist, daß die IC-Karte 66 im fahrzeugseitigen Responder 34 (35) installiert wird, kann die Gebührenerhebung in Abhängigkeit von den jeweiligen Nutzern durchgeführt werden.

Für die Fachleute liegt es auf der Hand, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern daß sie in der unten beschriebenen Weise modifiziert oder erweitert werden kann.
Zusätzlich zu Mauterhebungsvorgängen auf Autobahnen kann die vorliegende Erfindung auch angewendet werden bei Gebührenerhebungsvorgängen für gebührenpflichtige Garagen. In diesem Fall kann die Erfindung derart ausgeführt werden, daß die Fahrzeuge gleichzeitig auf einer Vielzahl von Fahrspuren einfahren, so daß keine Notwendigkeit für die Fahrer besteht, am Eingang/Ausgang zur Gebührenzahlung anzuhalten. Auf diese Weise kann ein effizientes Einfahren und Ausfahren der Fahrzeuge durchgeführt werden und die Arbeit zur Gebührenerhebung wird reduziert.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Maut- und Gebührenerhebungsvorgängen kann die vorliegende Erfindung auch angewendet werden zum Austausch von unterschiedlichen Daten, wie beispielsweise zur Erforschung von Fahrzeugverkehrszuständen. So kann die vorliegende Erfindung beispielsweise angewendet werden zur Untersuchung des Fahrzeugaufkommens, zur Vorbereitung von Straßeninformationen, für die städtische Verkehrsplanung oder ähnliches.
Die Anzahl der Fahrspuren ist nicht auf drei beschränkt, sondern sie kann auch 2, 4 oder mehr betragen.
Der fahrzeugseitige Responder kann so aufgebaut sein, daß er anstelle der Verwendung einer IC-Karte fest im Fahrzeug eingebaut ist.
Der fahrzeugseitige Responder ist nicht auf einen Aufbau beschränkt, bei dem der Wake-Up-Zustand nach dem Erhalt der Pilot-Abfragesignale erreicht wird, sondern es sind auch Lösungen vorstellbar, bei denen er ständig in Betrieb ist.
Beim Antennenelement können auch andere Vorrichtungen als die Felder Verwendung finden.
Das Antennenelement kann derart ausgebildet werden, daß die Felder und die Übertragungsleitungen durch einen Dünnschichtprozeß ausgebildet werden, wobei eine Keramikplatte anstelle einer bedruckten Leiterplatte verwendet wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der vorgenannten bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, liegt es für die Fachleute auf der Hand, daß Änderungen in der Form und im Detail durchgeführt werden, ohne daß der Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen definiert ist, verlassen wird.
Offenbart ist ein Kommunikationssystem für Fahrzeuge, das eine exakte Kommunikationsverarbeitung mit Respondern ermöglicht, die an Fahrzeugen befestigt sind, die auf einer Straße mit einer Vielzahl von Fahrbahnen fahren. Eine Autobahn 11 hat drei Fahrbahnen 12, 13 und 14. Eine Brücke 15 ist in einer vorbestimmten Position an der Autobahn 11 angeordnet. An der Brücke 15 sind Antenneneinheiten 16, 17 und 18 angeordnet, um die jeweiligen Fahrbahnen 12, 13 und 14 abzutasten. Die Antenneneinheiten 16, 17 und 18 sind mittels einem Paar von Antennenelementen 22a und 22b, 23a und 23b und 24a und 24b mit Kommunikationsbereichen 19, 20 und 21 versehen. Das Antennenelement 22 besteht aus einer Mikrostrip-Antennenanordnung, die aus acht Teilen von Feldern besteht, die in zwei Reihen mit jweils vier Teilen in jeder Reihe ausgestaltet ist. Die Antenneneinheiten 16, 17 und 18 steuern die Kommunikationsverarbeitung, um mit zueinander benachbarten Fahrzeugen zu kommunizieren. Wenn von den fahrzeugseitigen Respondern 34 Antwortsignale ausge sandt werden, wird dieser fahrzeugseitige Responder 34 fixiert oder ausgewählt und die Kommunikationsverarbeitung zur Mauterhebung durchgeführt. Demzufolge kann die Kommunikationsverarbeitung mit Respondern 34 und 35, die an Fahrzeugen 32 bzw. 33 befestigt sind, welche auf den entsprechenden Fahrbahnen 12, 13 und 14 fahren auf exakte Weise durchgeführt werden.

Claims

Kommunikationssystem für Fahrzeuge mit: einer Antenneneinheit (16, 17, 18), die über einer Straße (11) verteilt angeordnet ist, um einen Kommunikationsbereich (19, 20, 21) einzustellen, indem ein Betrieb mit einer vorbestimmten Oszillationsfrequenz erfolgt; wobei der Kommunikationsbereich (19, 20, 21) eine Längenabmessung (La) hat, die etwa so groß oder kleiner ist als die Längenabmessung eines Fahrzeuges, einem Antennenelement (22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b), das innerhalb der Antenneneinheit (16, 17, 18) angeordnet ist und das eine Vielzahl von Feldern (30a–30h) und eine Energieversorgungsleitung (31a–31d) zur Verbindung der Vielzahl von Feldern (30a–30h) hat, wodurch ein Richtantennensystem gebildet wird; und einer Kommunikationssteuereinrichtung (26, 42a, 42b, 43), die innerhalb der Antenneneinheit (16, 17, 18) vorgesehen ist, um die Übertragung und den Empfang von Signalen an der Antenneneinheit (16, 17, 18) zu steuern dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungsleitung (31a–31d) Endabschnitte (31a, 31b), die Endfelder (30a, 30d, 30e, 30h) mit mittleren Feldern (30b, 30c, 30f, 30g) verbinden, und einen mittleren Abschnitt (31c), der die Verbindung zu mittleren Feldern (30b, 30c, 30f, 30g) herstellt, hat und dass die Endabschnitte (31a, 31b) eine höhere Impedanz als der mittlere Abschnitt (31c) haben.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 1, wobei die Anzahl und das Layout der Felder in Abhängigkeit von einer Erstreckung des Kommunikationsbereiches gewählt sind.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Antenneneinheit (16, 17, 18) enthält: ein erstes Antennenelement (22a, 23a, 24a), das einen kommunikationsfähigen Bereich (19a, 20a, 21a) unterhalb eines Teiles bestimmt, an dem die Antenneneinheit angeordnet ist und ein zweites Antennenelement (22b, 23b, 24b), das einen kommunikationsfähigen Bereich (19b, 20a, 21a) an einer weiter entfernten Seite als der kommunikationsfähige Bereich (19a, 20a, 21a) des ersten Antennenelementes (22a, 23a, 24a) bestimmt.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Antennenelemente (22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b) Richtungseinstelleinrichtungen (28) haben, zur Einstellung einer Wirkbestimmungsrichtung des Kommunikationsbereichs.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 4, mit einem fahrzeugseitigen Responder (34, 35), der an dem Fahrzeug (32, 33) befestigt ist, um in Folge auf den Empfang eines Abfragesignals ein Antwortsignal durch Modulation und Reflexion empfangener unmodulierter Trägerwellen abzugeben.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei eine Vielzahl von Antenneneinheiten (16, 17, 18) oberhalb der Straße (11) angeordnet ist, wobei sich die Übertragungsfrequenz und die Übertragungstaktzeit zwischen benachbarten Antenneneinheiten (16, 17, 18) jeweils voneinander unterscheiden.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 5, wobei die Kommunikationssteuereinrichtung (26, 42a, 42b, 43) derart aufgebaut ist, daß die Vielzahl von Antenneneinheiten (16, 17, 18) wiederholt Pilot-Abfragesignale in einem bestimmten Zeitintervall abgibt, und daß diejenige Antenneneinheit von der Vielzahl von Antenneneinheiten, die ein Pilot-Antwortsignal von einem bestimmten fahrzeugseitigen Responder (34, 35) erhalten hat, darauffolgend das Abfragesignal überträgt, um mit dem bestimmten fahrzeugseitigen Responder zu kommunizieren; und wobei der fahrzeugseitige Responder (34, 35) eine am Fahrzeug montierte Antwortsteuereinrichtung (52) zur Abgabe des Pilot-Antwortsignals im Ansprechen auf den Erhalt des Pilot-Abfragesignales hat und das Antwortsignal im Ansprechen auf das in der Folge erhaltene Abfragesignal abgibt.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 1, wobei das Antennenelement (22a, 22b, 23a, 23b, 24a, 24b) als Mikrostrip-Antenne ausgebildet ist.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 7, wobei die am Fahrzeug befestigte Antwortsteuereinrichtung (52) das Antwortsignal mit dem Takt eines Zeitschlitzes überträgt, der beliebig ausgewählt ist, unter einer Vielzahl von Zeitschlitzen, wenn der fahrzeugseitige Responder (34, 35) das Pilot-Abfragesignal erhält.
Kommunikationssystem für Fahrzeuge gemäß Patentanspruch 1, wobei die Antenneneinheit (16, 17, 18) an einer Mautstraße angeordnet ist und das Kommunikationssystem derart aufgebaut ist, um die für den passierenden Verkehr erforderlichen Mauterhebungsdaten auszutauschen.