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Die
vorliegende Erfindungsmeldung bezieht sich auf Positionsbestimmung
von mobilen Geräten.
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Mit
stetig zunehmender Verbreitung von handlichen, mobilen Geräten (z.B.
PDAs) in Verbindung mit einer flächendeckenden
Verfügbarkeit
von digitalen Übertragungstechnologien
(z. B. WLAN, etc. UMTS, GPRS) wächst
der Markt für
Anwendungen, die den Nutzer in jeder Situation mit standortrelevanten
Informationen versorgen. Aus diesem Grunde wächst die Bedeutung einer effizienten
Lokalisierung von mobilen Geräten
für moderne,
benutzerfreundliche Anwendungen.
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Im
Bereich innerhalb von Gebäuden
(Indoor-Bereich) ist die Entwicklung von geeigneten Lokalisierungsverfahren
eine Herausforderung, da Wände
und Einrichtungsgegenstände
den Einsatz gängiger
Positionierungs-Technologien erheblich erschweren oder unmöglich machen
können.
Doch gerade in Gebäuden
oder im kombinierten Innen- und Außenbereich ergeben sich vielfältige ortsabhängige Anwendungen,
wie z. B. Führungs-
oder Leitsysteme zum Auffinden von Räumen, Gegenständen und
Mitarbeitern, Patientennotfallsysteme im medizinischen Bereich oder
Anwendungen im Bereich des Workfloor-Managements.
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Um
diese Unterstützung
sinnvoll durchführen
zu können,
ist es unumgänglich,
dass ein Teilnehmer zu jedem Zeitpunkt (respektive an jedem Ort
des Gebäudes,
also flächendeckend)
in der Lage ist, seine Position im Gebäude abzufragen.
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Bei
den bekannten Verfahren zur Positionsbestimmung handelt es sich
beispielsweise um GPS, Triangulation über Laufzeitmessungen oder
auch Funkzellenerkennung über
Basisstations identifikation. Nachteilig an diesen Konzepten ist
jedoch deren große
Komplexitiät,
die mit hohen Kosten verbunden ist, sowie eine unter Umständen hohe
Ungenauigkeit.
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WO
02/054813 A1 offenbart ein Verfahren zum Schätzen einer Position eines Empfängers in
einer drahtlosen Kommunikationsumgebung, die über mehrer Kanäle verfügt. Jeder
Kanal hat zumindest einen Signalparameter, der in Abhängigkeit
von der Position variiert, wobei diese Variierung für jeden
Kanal unterschiedlich ist. Für
jeden Kalibrierungspunkt wird ein Satz von Kalibrierungsdaten bestimmt,
wobei jeder Satz die Position und zumindest einen gemessenen Signalparameter
für jeden
der Kanäle
umfasst. Die Kalibrierungsdaten dienen als eine Basis für ein statistisches
Modell der Signalparameter in Abhängigkeit von einer Position
des Empfängers.
Es wird ferner ein Satz von beobachteten Signalparametern bestimmt,
der zumindest einen Signalparameter für jeden der Mehrzahl der Kanäle umfasst.
Auf der Basis des statistischen Modells und des Satzes der beobachteten
Signalparameter wird die Position des Empfängers approximiert. Da dieses
Verfahren von der Annahme ausgeht, dass jedem der Kanäle ein unterschiedlicher
Signalparameter zugeordnet werden kann, der für diesen Kanal und an einer
bestimmten Position unterschiedlich von allen anderen Signalparametern
ist, kann dieses Verfahren ausschließlich für ein derartiges Szenario eingesetzt werden.
Ein weiterer Nachteil an dem in der obigen Schrift offenbarten Konzept
besteht darin, dass das statistische Modell auf der Basis einer
Wahrscheinlichkeitsverteilung gewonnen wird, was mit einer hohen
Berechnungskomplexität
sowie einer Restunsicherheit hinsichtlich der Position des Empfängers verbunden
ist.
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Die
EP 1022578 A2 befasst
sich mit einer Vorrichtung, die eine Funksignalstärke verwendet, um
die momentane Position eines mobilen Körpers relativ zu einer Karte
abzuschätzen.
Die Vorrichtung empfängt
periodisch einen Satz gemessener Werte der Funkfeldstärke jeweiliger
Funksignale von einer Mehrzahl von Basisstationen von dem mobilen
Körper,
spei chert diese Sätze
und wendet Mittelungsverfahren auf die gesamte Sequenz von Sätzen von
gemessenen Funksignalstärkewerten
an, um eine entsprechende Sequenz von Sätzen von geglätteten Funksignalstärkewerten
zu erhalten. Basierend auf vorher gemessenen Werten der Funksignalstärke, die
vorher für
jeden einer Mehrzahl von vorbestimmten Punkten, wie z.B. Straßenkreuzungen,
erhalten wurden, ist die Vorrichtung hinsichtlich der Sequenz von
Sätzen
von geglätteten
Funksignalstärkewerten wirksam,
um diejenigen der vorbestimmten Punkte abzuschätzen, die durch den mobilen
Körper
nacheinander bis zum momentanen Zeitpunkt überquert wurden, um dadurch
die momentane Position des mobilen Körpers abzuschätzen.
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Aus
der WO 98/15149 ist ein Verfahren zum Lokalisieren einer Mobilstation
bekannt, bei dem Informationen, die durch eine Mobilstation empfangen und
gemessen werden, zu einem Netzwerkverwaltungssystem übertragen
werden. Die Informationen werden mit den Feldstärkeinformationen in einer Feldstärkematrix
verglichen, wobei der Ort der Mobilstation als Koordinaten der Feldstärkematrix
relativ zu der Basisstation der Dienststelle und der Basisstation
einer Nachbarzelle abgeschätzt
wird, auf eine solche Weise, dass die Informationen, die durch die Mobilstation
empfangen und gemessen werden, den Feldstärkeinformationen in der Feldstärkematrix
so genau wie möglich
entsprechen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Konzept
zur Positionsbestimmung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Ermitteln einer aktuellen
Position eines mobilen Gerätes
gemäß Anspruch
1, oder durch ein Verfahren zum Ermitteln einer aktuellen Position
eines mobilen Gerätes
gemäß Anspruch
13 oder durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Position
eines mobilen Gerätes
in einer Umgebung, in der eine oder mehrere Basisstationen angeordnet
sind, effizient bestimmt werden kann, indem ein kartographisches
Modell der Umgebung, das beispielsweise Hindernisse aufweist, herangezogen
wird, um auf der Basis eines beispielsweise aktuell gemessenen Feldstärkewertes
und einer beispielsweise zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten
Position des mobilen Gerätes
dessen aktuelle Position zu ermitteln, die am wahrscheinlichsten ist.
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Dadurch,
dass bei der Positionsbestimmung ein Umgebungsmodell herangezogen
wird, können, ausgehend
von beispielsweise einer vorherig bestimmten Position des mobilen
Gerätes,
Positionen von vornherein ausgeschlossen werden, die ausgehend von
der vorherigen Position von dem mobilen Gerät entweder aufgrund eines Hindernisses
nicht erreicht werden können
oder die innerhalb eines Zeitintervalls, beispielsweise einer Millisekunde,
durch Bewegung des mobilen Gerätes
nicht erreichbar sind. Analog kann im Vorfeld, ausgehend von der
vorherigen Position, eine Vorauswahl der Positionen getroffen werden,
die für
die aktuelle Position des mobilen Gerätes überhaupt in Frage kommen. Dadurch wird
zum Einen die Positionsbestimmung vereinfacht, da eine Anzahl der
in Frage kommenden Positionen reduziert wird. Zum Anderen kann dadurch eine
sichere und genaue Positionsbestimmung erzielt werden.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden anhand von beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Ermitteln einer aktuellen Position eines mobilen
Gerätes
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 das
erfindungsgemäße Konzept;
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3 Ermittlung
einer aktuellen Position eines mobilen Gerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
und
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4 Ermittlung
einer aktuellen Position eines mobilen Gerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
ein prinzipielles Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Ermitteln einer aktuellen Position eines mobilen Gerätes in einer
Umgebung, in der zumindest ein Sender, beispielsweise eine Basisstation,
angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung 101 zum
Liefern einer kartographischen Karte der Umgebung, die bevorzugt
Feldstärkereferenzwerte
an Referenzpunkten der Umgebung umfasst. Die Einrichtung 101 zum
Liefern der kartographischen Karte der Umgebung ist gekoppelt mit
einer Einrichtung 103 zum Ableiten eines erreichbaren Referenzpunktes,
der ausgehend von einer vorherigen Position, die beispielsweise
zu einem vorherigen Zeitpunkt bestimmt worden ist, durch Bewegung
des mobilen Gerätes
in der Umgebung innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls erreichbar
ist. Die Einrichtung 103 zum Ableiten des erreichbaren
Referenzpunktes ist gekoppelt mit einem Vergleicher 105 zum
Vergleichen eines Feldstärkewertes
mit einem Feldstärkereferenzwert
an dem erreichbaren Referenzpunkt. Bei dem Feldstärkewert
handelt es sich um einen Feldstärkewert
an der aktuellen Position des mobilen Gerätes. Um diesen Feldstärkewert
zu ermitteln, umfasst die in 1 gezeigte
Vorrichtung ferner eine Einrichtung 107 zum Ermitteln eines
Feldstärkewertes,
die mit dem Vergleicher 105 gekoppelt ist.
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Bevorzugt
ist die Einrichtung 107 zum Ermitteln des Feldstärkewertes
ausgebildet, um den Feldstärkewert
an der ak tuellen Position, an der sich das mobile Gerät momentan
befindet, zu messen. Hierzu kann die Einrichtung 107 zum
Ermitteln des Feldstärkewertes
beispielsweise einen Feldstärkesensor
umfassen. Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiels
umfasst die Einrichtung 107 zum Ermitteln des Feldstärkewertes
einen Empfänger,
der ausgebildet ist, um die von dem in der Umgebung aufgestellten Sender
oder um die von einer Mehrzahl von der in der Umgebung aufgestellten
Sendern ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen zu empfangen,
und um auf der Basis der empfangenen Wellen die Feldstärkewerte
zu ermitteln.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 107 ausgebildet,
um die Feldstärkewerte
in regelmäßigen Messintervallen
zu messen. Beispielsweise ist die Einrichtung 107 zum Ermitteln
des Feldstärkewertes ausgebildet,
um die Feldstärkewerte
zu regelmäßigen Zeitpunkten,
die die Messintervalle definieren, zu messen, wobei ein zeitlicher
Abstand zwischen zwei Messzeitpunkten beispielsweise eine Millisekunde beträgt.
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Darüber hinaus
kann die Einrichtung 107 zum Ermitteln des Feldstärkewertes
ausgebildet sein, um die für
die Positionsbestimmung benötigten Feldstärkereferenzwerte
beispielsweise während
einer Einlernphase zu ermitteln. Hierzu kann die Einrichtung 107 zum
Ermitteln ausgebildet sein, um einen Feldstärkereferenzwert durch eine
Mittelung zwischen einem aktuell gemessenen Feldstärkewert und
einem zu einem früheren
Zeitpunkt bestimmten Mittelwert von gemessenen Feldstärkewerten
zu bestimmen.
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Um
die kartographische Karte der Umgebung hinsichtlich der Feldstärkereferenzwerte
zu aktualisieren, kann die Einrichtung 101 zum Liefern
der kartographischen Karte der Umgebung ausgebildet sein, um einen
oder mehrere Feldstärkereferenzwerte,
die von der Einrichtung 107 zum Ermitteln des Feldstärkewertes
bestimmt worden sind, in die kartographische Karte der Umgebung
an den dazugehörigen
Referenzpunk ten einzutragen, wobei ein Referenzpunkt beispielsweise
durch eine Angabe seiner dreidimensionalen Koordinaten (x, y, z),
beispielsweise in Metern, in der Umgebung lokalisierbar ist.
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Die
Einrichtung 103 zum Ableiten des erreichbaren Referenzpunktes
kann bevorzugt ausgebildet werden, um den erreichbaren Referenzpunkt aus
der kartographischen Karte der Umgebung abzuleiten. Bei dem vorbestimmten
Zeitintervall kann es sich beispielsweise um ein Zeitintervall zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Messvorgängen
handeln, die von der Einrichtung 107 zum Ermitteln des
Feldstärkewertes
durchgeführt
werden. Das Zeitintervall kann beispielsweise zwischen einer und
10 ms sein.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 107 zum Ableiten
eines erreichbaren Referenzpunktes ausgebildet, um den erreichbaren
Referenzpunkt auf der Basis einer Berechnung eines kürzesten
Weges zwischen einer vorherigen Position des mobilen Gerätes und
einer Mehrzahl von der vorherigen Position aus durch Bewegung des
mobilen Gerätes
erreichbaren Referenzpunkten zu bestimmen.
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Beispielsweise
ist die Einrichtung 103 ausgebildet, um eine Routing-Karte
zu erstellen, die alle möglichen
Verbindungen zwischen Referenzpunkten in der Umgebung, die durch
Bewegung des mobilen Gerätes
erreichbar sind, umfasst. Beispielsweise ist die Einrichtung 107 zum
Ableiten ausgebildet, um eine kürzeste
Verbindung zwischen einem ersten Referenzpunkt und einem zweiten
Referenzpunkt zu berechnen, die dann eine mögliche Verbindung darstellt,
wobei hierzu beispielsweise graphentheoretische Algorithmen eingesetzt
werden können.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 103 zum Ableiten
ausgebildet, um die oben erwähnte Routing-Karte
unter Verwendung eines Routing-Algorithmus, beispielsweise des Dijkstra-Algorithmus, zu bestimmen.
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Der
in 1 dargestellte Vergleicher 105 ist bevorzugt
ausgebildet, um die aktuelle Position des mobilen Gerätes auf
der Basis eines Vergleiches des aufgenommenen Feldstärkewertes
an der aktuellen Position mit bevorzugt einer Mehrzahl von Feldstärkereferenzwerten
an verschiedenen, von der vorherigen Position aus erreichbaren Referenzpunkten,
zu bestimmen, wobei die aktuelle Position dem Referenzpunkt in der
Umgebung entspricht, dem ein Feldstärkereferenzwert zugeordnet
ist, der einen geringsten Unterschied zu dem aktuell aufgenommenen Feldstärkewerts
aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist der Vergleicher 105 ausgebildet,
um den Feldstärkewert
mit dem Feldstärkereferenzwert
an dem erreichbaren Referenzpunkt und mit einem weiteren Feldstärkereferenzwert
an einem weiteren Referenzpunkt, der von der vorherigen Position
aus erreichbar ist, zu vergleichen, und um einen Referenzpunkt als
die aktuelle Position zu ermitteln, der mit einem Feldstärkereferenzwert
zusammenhängt,
der dem Feldstärkewert
am ehesten entspricht.
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Gemäß einem
weitern Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Vergleicher 105 ausgebildet sein,
um den erreichbaren Referenzpunkt als die aktuelle Position zu ermitteln,
wenn der Feldstärkereferenzwert
mit dem Feldstärkewert,
der momentan aufgenommen ist, innerhalb eines vorbestimmten Werteintervalls übereinstimmt.
Bei dem vorbestimmten Werteintervalls kann es sich um ein relatives,
auf den Feldstärkereferenzwert
bezogenes Intervall handeln, das beispielsweise Werte zwischen 0,51
und 1 umfasst.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Positionsbestimmung
ein Positionsalgorithmus eingesetzt, der beispielsweise ortsabhängige Referenzdaten
(physikalisches Modell) nutzt, die in einer Einlernphase gewonnen
werden. Die Positionierung basiert auf dem Abgleich aktueller Messdaten
gemäß den Referenzdaten.
Eine Beschrei bung der Umgebung, beispielsweise in Form der bereits
erwähnten
kartographischen Karte der Umgebung, bei der es sich im Gegensatz
zu dem physikalischen Model um ein logisches Modell handelt, erlaubt
es, mögliche
Bewegungsrichtungen zu erkennen und unmögliche auszuschließen, beispielsweise
eine Bewegung durch eine Wand.
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Der
Kern des Positionsalgorithmus kann beispielsweise eine Modellierung
der Umgebung durch Modelle sein. Ausgangspunkt ist hierbei eine
geographische Umgebungsbeschreibung, beispielsweise in der Form
eines Bauplans. Die geographische Umgebungsbeschreibung kann ferner
Informationen über die
Lage von Räumen,
Wänden,
Durchgängen
(Türen,
Treppen) und überbauliche
Gegebenheiten umfassen. Diese Daten liegen üblicherweise als Papierplan
oder CAD-Datei von der Planung des Gebäudes vor. Aus diesem Plan können die
Umgebungsmodelle abgeleitet werden.
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In 2 ist
das erfindungsgemäße Konzept veranschaulicht.
Die geographische Umgebungsbeschreibung, beispielsweise in der Form
der bereits erwähnten
kartographischen Karte der Umgebung, besteht aus einem physikalischen
Modell, das beispielsweise Referenzpunkte umfasst, und aus einem logischen
Modell, das beispielsweise Routing-Punkte oder Nachbarschaftslisten
umfasst. Das physikalische Modell liefert dabei eine funktechnische
Charakteristik, wo hingegen aus dem logischen Modell Bewegungsmöglichkeiten
abgeleitet werden können. Auf
der Basis der funktechnischen Charakteristik und den Bewegungsmöglichkeiten
kann die Positionierung durchgeführt
werden.
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Das
physikalische Modell beinhaltet beispielsweise die Ausbreitungscharakteristik
der Signale aller Sender, beispielsweise aller Funkbasisstationen,
die in der Umgebung aufgestellt sind. Es besteht aus einer Menge
von Referenzpunkten, an denen die Feldstärke aller dort empfangbaren
Stationen bekannt ist. Das physikalische Modell kann durch beispielsweise
explizites Sammeln der Daten in einer Ein lernphase gewonnen werden.
Obwohl aufwändig, so
liefert dieses Verfahren sehr exakte Ergebnisse.
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Das
logische Modell erlaubt es, schnell und effizient zu entscheiden,
ob eine Bewegung zwischen zwei Punkten auf direktem Wege zulässig ist
und wie der kürzeste
real zurückzulegende
Weg zwischen zwei Punkten der Umgebung, beispielsweise zwischen
zwei Referenzpunkten, aussieht. Es besteht aus vorher berechneten
Routing-Informationen. Zum Aufbau des logischen Modells werden aus
der geographischen Umgebungsbeschreibung Räume und Verbindungen zwischen
Räumen
(Türen,
Durchgängen
etc.) extrahiert. Dadurch entsteht ein Graph von Räumen. Überall dort,
wo im Graph Verbindungen bestehen, ist ein direkter Übergang
möglich.
Der Graph liefert beispielsweise die Grundlage für eine grobe Wegeberechnung
zwischen Punkten in unterschiedlichen Räumen. Die grobe Wegberechnung liefert
eine Abfolge von Räumen
vom Startraum zum Zielraum. Hierzu können, wie es bereits erwähnt worden
ist, Routing-Algorithmen eingesetzt werden, beispielsweise der A*-Algorithmus.
Bei dem A*-Algorithmus handelt es sich um eine für eine Wegfindung optimierte
Variante des weithin bekannten Algorithmus von Dijkstra.
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Zur
Feinberechnung des Weges (Wegfindung innerhalb von Räumen oder
von einem Punkt in Raum zur Tür)
wird, gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegednen Erfindung, in jedem Raum eine Menge
von Punkten (Routing-Punkten) definiert. Jeder Referenzpunkt im
physikalischen Modell ist gleichzeitig ein Routing-Punkt im logischen
Modell. Punkte an den Raumübergängen (z.
B. Mittelpunkt einer Tür)
können
ebenfalls als Routing-Punkte definiert werden. Zwischen den Routing-Punkten eines Raumes
werden die jeweils kürzesten
Wegverläufe vorberechnet,
vorbei ebenfalls eine möglicherweise angepasste
Form des A*-Routing-Algorithmus zum Einsatz kommen kann, somit nicht
eine direkte Verbindung, beispielsweise Luftlinie möglich ist.
Durch die Kombination mit der oben beschriebenen Grobberechnung
kann nun zwischen allen Referenzpunkten des physikalischen Modells
der kürzeste
reale Weg effizient berechnet werden.
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Das
logische Modell kann gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zusätzlich eine Nachbarschaftsliste
umfassen, die jedem Routing-Punkt eine Menge an Nachbarrouting-Punkten zuordnet.
Der Maximalabstand an realem Weg ist konfigurierbar und hängt von
der erwarteten Maximalgeschwindigkeit der mobilen Endgeräte ab. Die Nachbarschaftsliste
wird beim Aufbau des Modells aus den obigen Routing-Informationen gewonnen.
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Wie
es bereits erwähnt
worden ist, können die
Referenzdaten in einer Einlernphase gewonnen werden. Beispielsweise
werden die Referenzdaten in der Einlernphase an verschiedenen Positionen
im Gebäude
aufgenommen. Für
einen eingelernten Referenzpunkt werden beispielsweise dessen Position (x,
y und z) in Realkoordinaten, beispielsweise Metern, sowie eine Liste
der an diesem Punkt gehörten Funkbasisstationen
mit deren mittleren Feldstärke, deren
Standardabweichung und der Empfangshäufigkeit (beispielsweise prozentual)
gespeichert. Das Einlernverfahren ist automatisiert und in der Hinsicht, dass
der Nutzer sich im Gebäude
an beliebige Punkte bewegen kann, und durch einen Klick an den Raumplan,
die im System die aktuelle Position vorgibt und damit den Einlernvorgang
anstößt. Das
System führt
daraufhin periodisch eine Scan-Operation mit der Funknetzkarte durch.
Dabei werden alle im Empfangsbereich befindlichen Basisstationen
detektiert und mit ihrer momentanen Empfangsfeldstärke erfasst.
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Die
Scan-Operation wird so oft durchgeführt, bis die gelieferten Ergebnisse
stabil sind, das heißt, bis
sich der Mittelwert der Messwerte jeder einzelnen Basisstation nur
noch weniger als ein konfigurierbarer Schwellenwert ändert. Unter
Mittelwert wird dabei ein gegen Ausreißer robustes Mittelungsverfahren verstanden,
das im Ergebnis dem Median ähnelt,
jedoch schneller zu berechnen ist (sog. robuster Mit telwert). Zusätzlich zum
Feldstärkewert
kann aufgezeichnet werden, wie häufig
jede Basisstation gemessen wurde. Kommt es während der Messwertaufnahme
zu Aufzeichnungsfehlern oder ergibt sich auch nach einer konfigurierbaren
Maximalanzahl von Messungen kein stabiler Mittelwert, z. B. weil
der Benutzer während
der Messungen weiterläuft,
statt am Messpunkt zu bleiben, so wird die Messung abgebrochen und
der Benutzer darüber
informiert.
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Die
gewonnenen Informationen (Koordinaten sowie Liste der Basisstationen
mit mittlerer Feldstärke,
Standardabweichung und Empfangshäufigkeit)
werden als Teil des physikalischen Umgebungsmodells in einer Datenbank
abgelegt, um nur eine unter vielen Möglichkeiten einer Datenspeicherung
zu erwähnen.
Nach Abschluss wird der Benutzer informiert und kann sich an einen
neuen Punkt bewegen.
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Zu
Positionsbestimmung werden beispielsweise in regelmäßigen Intervallen
aktuelle Messwerte (eine Liste von aktuell im Empfangsbereich befindlichen
Basisstationen zusammen mit den zugehörigen Feldstärkewerten)
von der Funkkarte ermittelt.
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Diese
Werte können
durch einen konfigurierbaren Filter nachbearbeitet werden, und dadurch werden
Fehlmessungen minimiert und es wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht. Bei
dem Filter kann es sich beispielsweise um eine gewichtete Mittelung
zwischen dem neu gemessenen Wert einer Basisstation und dem im Filter
gespeicherten letzten Mittelwert handelt. Zur Mittelung kommt beispielsweise
das bereits erwähnte
Verfahren (robuster Mittelwert) zum Einsatz. Bevorzugt kommen keine
weiteren (z. B. statistischen) Verfahren zur Aufbereitung der Rohdaten
zum Einsatz. Nach dieser Phase steht eine Liste von Basisstationen
mit geglätteten
Feldstärkewerten
zur Verfügung.
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Anschließend wird
aufgrund der letzten berechneten geographischen Position eine Auswahl von
Referenzpunkten (Kandi daten-Punkte) getroffen, die als neue Position
in Frage kommen. Dies erfolgt beispielsweise in zwei Schritten.
Zunächst
wird der nächste
Routing-Punkt zur letzten berechneten Position (vorherige Position)
ermittelt. Anschließend
wird die oben erwähnte
Nachbarschaftsliste des logischen Modells herangezogen, in der die
in Frage kommenden Referenzpunkte nachgeschlagen werden können. Auf
diese Weise schließt
das logische Modell die Referenzpunkte aus, die zwar geographisch
nah sind, aber erst durch einen Umweg real zu erreichen sind.
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Aus
den Referenzpunkten wird durch einen Abgleich der aktuellen mit
den gespeicherten Messwerten ein wahrscheinlichster neuer Referenzpunkt bestimmt,
der als eine mögliche
aktuelle Position in Frage kommt. In den Abgleich gehen dabei beispielsweise
die Unterschiede der Messwerte (Feldstärkeinformation), die in der
Einlernphase ermittelte Empfangshäufigkeit, die relative Stärke der
Signale unterschiedlicher Stationen (Ordnung der Stationen nach Feldstärke), sowie
Referenzen zwischen aktuellen empfangenen Stationen und Stationen
in den Referenzpunkten ein. Der unten diesen Gesichtspunkten wahrscheinlichste
Referenzpunkt wird in eine Prädiktionseinheit
eingespeist. Aus den genannten Kriterien wird zusätzlich ein
Gütewert
berechnet, der eine Aussage darüber
liefert, wie gut der Satz an aktuellen Messwerten auf diesen Referenzpunkt
passt.
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Die
Positionsprädiktionseinheit
berechnet beispielsweise unter Zuhilfenahme der Routing-Informationen
des logischen Modells aus der letzten Position und der Position
des wahrscheinlichsten Referenzpunktes eine neue Position. Damit
geht ein, dass der Weg zwischen alter und neuer Position unter Umständen nicht
auf direktem Weg überwunden
werden kann, da z. B. ein Durchgang nur durch eine Tür in einem
Meter Entfernung möglich
ist. Die Positionsprädiktionseinheit
berechnet daher eine Position auf dem aus dem logischen Umgebungsmodell
möglichen
Weg von der alten Position zum wahrscheinlichsten Referenzpunkt.
Diese Position geht als aktuelle Position in die nächste Iteration
der Berechnung ein.
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3 veranschaulicht
eine Struktur des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Ermitteln einer aktuellen Position gemäß einem weitern Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Zunächst findet
im Schritt 301 eine Messwertaufnahme, beispielsweise eine
Messung der Feldstärken,
statt. In einem weiteren Schritt 303 werden die Messwerte
aufgearbeitet, wobei, wie es bereits erwähnt worden ist, eine Filterung
vorgenommen wird. Danach findet im Schritt 305 eine Kandidatenauswahl
sowie im Schritt 307 eine nachfolgende Messwertkandidatenabgleichung
statt. Auf der Basis der Messwertkandidatenabgleichung wird im Schritt 309 eine
Wegberechnung durchgeführt.
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Gemäß einem
weitern Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Positionierungsalgorithmus durch
eine Vielzahl an Konfigurationsparametern an die speziellen Verhältnisse
angepasst werden. Die Parameter legen beispielsweise fest, in welche
Frequenz die Datenerfassung und Neuberechnung der Position erfolgen
soll oder von welcher Maximalgeschwindigkeit des mobilen Endgeräts ausgegangen werden
kann. Der Algorithmus besteht beispielsweise aus einem Satz ineinandergreifender
Teilalgorithmen, die in verschiedenen Varianten vorliegen (z. B. optimiert
für eine
Messeumgebung oder Büroumgebung). Über die
Konfigurationsparameter kann ein aktuell optimaler Satz an Teilalgorithmen
zu einem angepassten Gesamtsystem verknüpft werden.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
kann beispielsweise innerhalb eines zellularen Funksystems (z. B.
WLAN oder DECT) mit mindestens einer Basisstation eingesetzt werden,
wobei das Funksystem eine eindeutige Identifikation einer Basisstation
ermöglicht.
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Das
erfindungsgemäße System
kann beispielsweise ein Empfängersystem
zur Erfassung der Basisstationidentifikation und zur Erfassung der
Signalparameter, z. B. Empfangsfeldstärke, RSSI-Datenerfassung (RSSI
= radio signal strength indicator) aller zu einem Zeitpunkt der
empfangbaren Signale der einzelnen Basisstationen. Das Empfängersystem kann
beispielsweise mobil oder fest eingebaut sein, z. B. PDA, Mobiltelefon,
Gürtelgerät, Notebook,
Uhr, Erweiterungsbox etc.
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Das
erfindungsgemäße System
kann ferner eine Verarbeitungseinheit zur Durchführung der Positionierungsalgorithmen,
ein Umgebungsmodell zur Beschreibung der Umgebung, eine Datenbasis
mit Referenzwerten der Signalparameter, die in der Umgebung gemessen
werden, etc. umfassen.
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Das
System kann ferner Konfigurationsparameter zur Anpassung der Positionierungsalgorithmen
an verschiedene Umgebungsbedingungen oder Prädiktionsmodelle umfassen. Darüber hinaus
kann optional eine Nachverarbeitung zur Aufbereitung der Positionsdaten,
z. B. Interpolation von Zwischenwerten, Mittelung etc., vorgesehen
werden.
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4 verdeutlicht
das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung der aktuellen Position gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Datenerfassung erfolgt auf dem Gerät, für welches die Position bestimmt
werden soll. Alle weiteren Verarbeitungseinheiten können verteilt
werden, das heißt,
man ergänzt
dann das Verfahren mit einer Einheit zur Übertragung der Erfassungsdaten, der
Zwischenergebnisse oder der berechneten Positionsdaten mit dem Ziel
einer Weiterverarbeitung in einem weiterführenden Netzwerk mit verteilten
Verarbeitungseinheiten oder in eine Zentraleinheit.
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Gemäß einem
weitern Aspekt der vorliegenden Erfindung werden beispielsweise
in einer Einlernphase Referenzmessungen der Signalparameter an Punkten
der Zielumgebung, z. B. mögliche
Aufenthaltsorte, vorgenommen. Diese werden aufbereitet und in einer
Datenbasis gespeichert. Gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
werden in einem Umgebungsmodell bevorzugt in einem Koordinatensystem
die Eigenschaften und Gegebenheiten, wie z. B. Wände, Typ, Türen, unmögliche Bereiche, Treppen, etc.
beschrieben. Es ergibt sich damit eine logische und physikalische
Beschreibung der Umgebung.
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Die
Konfigurationsparameter enthalten Informationen zur Steuerung der
Algorithmen, wie z. B. maximale Geschwindigkeiten der mobilen Endgeräte, Gewichtungsfaktoren
etc. Möglich
sind Profile für gewisse
Zielanwendungen, welche durch einen Satz an Konfigurationsparametern
gekennzeichnet sind.
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Zur
Positionsberechnung werden aktuelle Signalparameter erfasst, verarbeitet
und als Rohdaten dem Positionsalgorithmus übergeben. Dieser ermittelt
unter Zuhilfenahme der Referenzmessungen, der Umgebungsbeschreibung
und der Konfigurationsparameter den wahrscheinlichsten Aufenthaltsort.
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Durch
eine Einbeziehung der Umgebungsmodellierung wird eine Erhöhung der
Genauigkeit erreicht, da die erfindungsgemäße Umgebungsmodellierung selbständig nicht-mögliche Wege
ausschließt,
wie z. B. Gang durch eine Wand.
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Die
vorliegende Erfindung schafft, gemäß einem weiteren Aspekt, ein
Positionierungssystem mit einer Vorrichtung zum Bestimmen der aktuellen
Position, wie sie obenstehend beschrieben ist. Das System umfasst
beispielsweise eine oder mehrere Antennen, um die Signale der Sender
(Basisbandstationen zu empfangen). Das System kann beispielsweise
von einem mobilen Gerät,
z. B. einem Mobiltelefon, und der Vorrichtung zum Ermitteln der
aktuellen Position gebildet sein. Das Positionierungssystem kann
ferner alle oben Beschrieben Funktionalitäten in beliebiger Kombination
umfassen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das System jedoch
stationär sein
und zentral wie von einer Mehrzahl von in den Räumen aufgestellten Antennen
detektierte Signale der Basisbandstationen auswerten, um beispielsweise
die beschriebene kartographische Karte der Umgebung zu erstellen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können in einem erfindungsgemäßen Positionierungssystem
mehrere Antennen verwendet werden, um aufgrund der damit erreichten Antennendiversität eine genauere
und zuverlässige Bestimmung
der RSSI-Werte zu erzielen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Kompass zur
Verbesserung der räumlichen
Orientierung des Benutzers, das heißt des mobilen Endgerätes, verwendet
werden. In diesem Fall umfasst beispielsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Ermitteln der aktuellen Position einen Kompass.
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Gemäß einem
weitern Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum
Ermitteln der aktuellen Position ferner Sensorsysteme, z. B. Geschwindigkeits-
oder Beschleunigungssensoren, umfassen, die auf spezielle Applikationen,
wie z. B. Laufen, Fahren etc., angepasst sind, um eine optimierte Positions-
und Orientierungsbestimmung zu ermöglichen. Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise in
einem Endgerät
eine Kombination des Empfängers
mit inertialen Sensor-Systemen, wie z. B. oben beschrieben, vorgesehen
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann in einem Empfänger, bei
dem es sich beispielsweise um das erfindungsgemäße System zur Positionsbestimmung
handeln kann, eine Kombination verschiedener Funksysteme, wie z.B. DECT,
WLAN, Bluetooth, vorgesehen werden, um die Flächendeckung des Navigationssystems
und die Genauigkeit der Posi tionslösung zu verbessern. Eine optimierte
Unterstützung
des Benutzers kann somit erreicht werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Kombination
mit anderen Lokalisierungsverfahren, z. B. GPS, Ultraschall, Infrarot,
Abstandsmessverfahren usw. vorgesehen werden, um die Positionsbestimmung
unter Umständen
effizienter zu gestalten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Steuereinheit
eingesetzt, die zeitlich oder ereignisgesteuert eine Positionserfassung,
Positionsberechnung oder Positionsübermittlung steuert. Die Steuereinheit
kann beispielsweise von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln
der aktuellen Position umfasst sein und beispielsweise aufgrund
einer detektierten Bewegung (Ereignissteuerung) eine Ermittlung
der aktuellen Position auszulösen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Sätze an Konfigurationsparametern
(Profile) verwendet werden, die ferner eine adaptive Anpassung erfassen können.
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Neben
den bereits beschriebenen Vorteilen kann das erfindungsgemäße Positionierungssystem in
Abhängigkeit
des verwendeten Funksystems auch rein passiv realisiert werden,
das heißt,
es ist keine Subscription, Anmeldung oder ähnliches am Netzwerk notwendig.
Dadurch lassen sich insbesondere vorhandene Systeme, wie z. B. WLAN-Netzwerke oder
DECT-Telefonanlagen
in Bürogebäuden, Flughäfen oder
etc. ohne technische Erweiterung verwenden. Mobile Systeme mit Positionsbestimmung lassen
sich einfach ohne Administration des Netzwerkes oder der Telefonanlage
in das System einbringen und betreiben. Durch das passive Verhalten entstehen
ferner keine störenden
Einflüsse
auf die Funktionalität
und Verfügbarkeit
des Funksystems.
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Darüber hinaus
ist das erfindungsgemäße System
durch seine Parametrisierbarkeit, bei der beispielsweise folgende
Parameter verwendet werden: Kanalmodelle, Basisstationsinformationen,
Umgebungsinformationen, universell an neue Umgebungen adaptierbar
bzw. dynamisch vor Ort nachladbar.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung kann ein Personal Digital Assistent (PDA)
mit einer WLAN PCMCIA-Einsteckkarte erweitert werden. Dadurch lassen
sich eindeutige MAC-Adressen der Basisstationen und die dazugehörigen Empfangsfeldstärken ermitteln.
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Eine
Treiber-Software beinhaltet alle weiteren, oben beschriebenen Komponenten
und stellt einer Visualisierungsoberfläche auf Anfrage die Positionsdaten
zur Verfügung.
Als Eingabeparameter verwendet die Treibersoftwareinformationen über die Basisstationen,
die Umgebung und weitere Konfigurationsdaten. Mit solchen Systemen
kann dann z. B. ein Führungs-
oder Informationssystem realisiert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Ermitteln der aktuellen Position einen Bildschirm, der ausgebildet
ist, um die ermittelte, aktuelle Position in der Umgebung anzuzeigen.
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Abhängig von
den Gegebenheiten können die
erfindungsgemäßen Verfahren
in Hardware oder in Software implementiert werden. Die Implementierung
kann auf einem digitalen Speichermedium, beispielsweise einer Diskette
oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die
so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass
das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht
die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem
auf einem maschinenlesbaren Träger
gespeicherten Programmcode zur Durchführung des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens,
wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In
anderen Worten ausge drückt,
kann die Erfindung somit auch als ein Computer-Programmcode zur Durchführung zumindest
eines Verfahrens rasiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer
abläuft.