DE102008032749A1

DE102008032749A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ortsbestimmung

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Publication number: DE102008032749A1
Application number: DE200810032749
Authority: DE
Inventors: Bilal Khaddaj; Alejandro Ramirez; Christian Dr. Schwingenschlögl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2010-05-06
Also published as: WO2010003722A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station (MS) mittels einer Vielzahl von Basistationen (BS). Es soll die erforderliche Anzahl von Messungen, der Energieverbrauch, eine durch einen erforderlichen Bedarf an Bandbreite bewirkte Kanalbelegung und eine Anzahl von Kollisionen von Datenpaketen gegenüber dem Stand der Technik wirksam verkleinert werden. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Signale (AS, ACK) zwischen einer m-ten Basisstation (BSm) und der mobilen Station (MS) ausgetauscht werden, die Zeitdauern jeweils zwischen dem an allen weiteren Basisstationen (BS) erfolgenden Empfang der beiden Signale (AS, ACK) mittels Zeiterfassungseinrichtungen erfasst werden und mittels einer Rechnereinrichtung und mittels der erfassten Zeitdauern der Ort der mobilen Station (MS) berechnet wird. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Ortsbestimmung in geschlossenen Räumen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Verwendung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station mittels einer Vielzahl von Basisstationen.
Es werden zahlreiche herkömmliche Verfahren zur drahtlosen Ortsbestimmung bereitgestellt. Die meisten der herkömmlichen Systeme verwenden zur Ortsbestimmung die empfangene Signalstärke (Received Signal Strength – RSS), wobei die Energie des empfangenen Signals mit dem durch das Signal zurückgelegten Weg korreliert wird. Derartige Systeme sind zwar leicht zu verwirklichen, aber diese weisen eine geringe Genauigkeit auf.
Des Weiteren existieren Systeme, die die Durchlaufzeit (Time-of-Flight – ToF) eines Funksignales verwenden. Es existieren beispielsweise drei herkömmliche Verfahren zur Ortsbestimmung mittels der Durchlaufzeit (ToF).

1. Gemäß einem Ankunftszeit-(Time of Arrival – ToA)Verfahren sendet eine Sendestation ein Signal zu einer vollständig synchronisierten Empfangsstation. Die Ausbreitungszeit ist zu der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit proportional. Nachteiligerweise muss der Ablauf durch drei oder mehr sendenden Stationen wiederholt werden, wobei die genaue Zeit jeder Übertragung ebenso zu der empfangenen Station zugeleitet werden muss. 1 zeigt eine Darstellung zum Prinzip Ankunftszeit (ToA).
2. Das Verfahren des Zeitunterschiedes der Ankunft (Time Difference of Arrival – TDoA). Dieses Verfahren ist eine Erweiterung des vorstehend beschriebenen Ankunftszeit-(ToA)-Verfahrens. Gemäß diesem Verfahren werden eine Sendestation und mehrere Empfangsstationen verwendet. Alle Stationen sind derart vollständig synchronisiert, dass die Ausbreitungszeit unter Verwendung des gleichen Ablaufs wie beim ToA-Verfahren gemessen werden kann. Das durch die Sendestation ausgesendete Radiosignal ist das gleiche, das zur Messung aller Entfernungen verwendet wird. 2 zeigt eine Darstellung zum Prinzip des Verfahrens der Zeitdifferenz der Ankunft (TDoA).
3. Round-Trip-Time of Flight (RToF). Gemäß diesem Verfahren wird ein Signal durch eine Funkstation A zu einer Funkstation B gesendet. Nachdem die Station B die Nachricht empfängt, antwortet diese der Station A zurück. Station A misst diese Zeitdifferenz, die erneut der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit korreliert wird, zusätzlich zu einer internen Verarbeitungsverzögerung in der Station B. Da keine Synchronisation erforderlich ist, ist die Komplexität des Systems wirksam verringert, aber nachteiligerweise muss das gleiche Verfahren durch mindestens drei Funkstationen zum Finden der Position einer Funkstation B wiederholt werden. Ein weiterer Vorteil des RToF-Verfahrens ist dass keine explizite Messung oder Zusammenarbeit von und mit der Station B erforderlich ist. 3 zeigt eine Darstellung des Prinzips des RToF-Verfahrens.

Des Weiteren ist ein Verfahren zur In-Raum-Positionsbestimmung von Funkvorrichtungen beruhend auf Messungen einer Round-Trip-Time (RTT) zwischen der Basisstation (BS) und der mobilen Station (MS) bereitgestellt. Die Round-Trip-Time (RTT) ist die Zeit, die zum Senden eines Paketes und Empfangen dessen Bestätigung erforderlich ist. Wie es in 4 dargestellt ist, stellen diese Messungen die jeweiligen Entfernungen zwischen den Basisstationen (BS) und der mobilen Station (MS) dar. Mit den gegebenen Koordinaten der Basisstationen (BS) werden zur Ortsbestimmung der mobilen Station (MS) verbundene oder getrennte Maschinenlernalgorithmen, Wahrscheinlichkeitsmodelle und Trilateration verwendet. 4 stellt das Prinzip der RTT-Ortsbestimmung dar. Jede RTT-Messung bestimmt einen Abstand.
Gemäß einem herkömmlichen RToF-Ortsbestimmungssystem müssen alle Basisstationen mit der mobilen Station zur Bestimmung der Position kommunizieren. Dies bewirkt nachteiligerweise einen signifikanten Verbrauch an Bandbreite, zusätzlich zu Datenpaketkollisionen, die in dem Medium, das bspw. ein Handynetzwerk, ein RFID-Netzwerk (radio frequency identification) oder allgemein ein Radiosystem sein kann, stattfinden. Des Weiteren sind bei Verwendung von tragbaren Vorrichtungen, wie dies meistens bei der Verwendung von mobilen Stationen der Fall ist, Energieverbrauch und Batterieversorgung zu verbessern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Ort einer mobilen Station mittels einer Vielzahl von Basisstationen derart zu bestimmen, dass die erforderliche Anzahl von Messungen, der Energieverbrauch, eine durch einen erforderlichen Bedarf an Bandbreite bewirkte Kanalbelegung und eine Anzahl von Kollisionen von Datenpaketen gegenüber dem Stand der Technik wirksam verkleinert werden. Es sollen keine expliziten Messungen durch die mobile Station erforderlich sein.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch, eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Es wird ein neuartiges hybrides Verfahren vorgeschlagen, mit dem die Vorteile von TDoA genutzt und die Nachteile der Verwendung von RToF vermieden werden können.
Die vorgeschlagene Lösung nutzt den Vorteil der Natur von Funkkanälen, indem lediglich eine Basisstation direkt mit der mobilen Station kommuniziert, wobei die weiteren Basisstationen dieser Unterhaltung zuhören, sobald sie in Reichweite sind. Eine ausführliche Schritt-für-Schritt-Beschreibung des vorgeschlagenen Messverfahrens ist in Verbindung mit 13 bis 29 gegeben.
Die vorliegende Erfindung weist den Vorteil auf, dass die gesamte Menge an erforderlichen Messungen gegenüber den herkömmlichen Verfahren auf weniger als 33% der ursprünglichen Menge reduziert werden kann. Der Energieverbrauch wird wirksam verringert. Eine Kanalbelegung kann ebenso wirksam verringert werden, so dass mehr Raum für Echtzeitübertragungen bereitgestellt werden, wie es beispielsweise Voice over IP (Internet-Telefonie, VoIP) oder industrielle zeitkritische Übertragungen sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Aussenden eines Aussendesignals an die mobile Station und an alle weiteren Basisstationen mittels der m-ten Basisstation, wobei m = 1, 2 ... n, erfolgt ein Senden eines Bestätigungssignals an alle Basisstationen nach dem Empfang des Aussendesignals mittels der mobilen Station, erfolgt ein Erfassen der jeweiligen Zeitdauern zwischen Empfang des Aussendsignals und Empfang des Bestätigungssignals mittels den zu allen weiteren Basisstationen jeweils zugeordneten Zeiterfassungseinrichtungen.
Auf diese Weise werden die zwei Signale, und zwar das Aussendesignal und das Bestätigungssignal, zwischen der m-ten Basisstation und der mobilen Station ausgetauscht. Die Zeiterfassungseinrichtungen erfassen die Zeitdauern jeweils zwischen dem an allen weiteren Basisstationen erfolgenden Empfang des Aussendesignals und des Bestätigungssignals. Mittels der Rechnereinrichtung und aller erfassten Zeitdauern kann ein Berechnen des Orts der mobilen Station erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt ein Erfassen der Zeitdauer zwischen Aussenden des Aussendesignals und Empfang des Bestätigungssignals mittels einer der m-ten Basisstation zugeordneten Zeiterfassungseinrichtung. Auf diese Weise kann eine genauere Ortsbestimmung ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sendet die mobile Station das Bestätigungssignal nach einer internen Verarbeitungszeit aus.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bestimmt die Rechnereinrichtung eine für jeweils eine Basisstation erfasste Zeitdauer durch die Gleichung (1):
mit

T_process:: = Verarbeitungszeit bei der mobilen Station (MS) = interne Verzögerung bei der mobilen Station (MS) zwischen Empfangen des Aussendesignals (AS) und Antworten durch das Bestätigungssignal (ACK).
d(a, b):: = der Abstand zwischen zwei Stationen a und b.
c:: = Lichtgeschwindigkeit im Medium.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ordnen die Rechnereinrichtungen eine Vielzahl von Gleichungen (1) in einer Matrixform (2). Das heißt, für n verfügbare Basisstationen, mit der m-ten Basisstation, die direkt mit der mobilen Station kommuniziert, kann eine Matrix in der Form der Gleichung (2) angeordnet werden:
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen und mobiler Station mittels einer Gleichung (3) berechnen, wobei A eine Matrix vollständiger Ordnung ist. Der Abstand zwischen der mobilen Station und der Basisstation kann mittels der Gleichung (3) berechnet werden, und zwar unter der Annahme, dass die Zeiterfassungseinrichtungen unbegrenzte Auflösung besitzen:
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen und mobiler Station mittels Gleichung (4). Gleichung (4) gibt die Beziehung zwischen den Abständen zwischen den Basisstationen und der mobilen Station an.
{x₁, x₂, ... x_m, ..., x_n}&{y₁, y₂, ..., y_m, y_n} stellen die entsprechenden Ordinaten und Abszissen der n Basisstationen in einem orthogonalen Bezugsrahmen dar. (X_MS, Y_MS) sind die Koordinaten der zu bestimmenden mobilen Station:
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station mittels den Abständen, Trilaterationen und Gleichung (5). Das heißt, sind einmal die Abstände zu der mobilen Station bestimmt, werden Trilaterationen bzw. im Allgemeinen, abhängig von der Anzahl der Basisstationen, Multilaterationen zur Bestimmung der Koordinaten der mobilen Station verwendet, wobei die vorstehenden Gleichungen (1) bis (4) in einer Matrixform gemäß Gleichung (5) dargestellt werden können:
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung berechnet die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station mittels eines Verfahrens des kleinsten quadratischen Fehlers und der Gleichung (6). Da gemäß Gleichung (5) K = (m – 1)·2 ist, und zwei Unbekannte zu bestimmen sind, ist das Ergebnis des Systems von Gleichung (5) überbestimmt. Gleichung (6) verwendet das Verfahren des kleinsten quadratischen Fehlers zur Bestimmung der Ortskoordinaten der mobilen Station (x_MS, y_MS):
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Zeiterfassungseinheiten jeweils in den Basisstationen integriert.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens;
2 ein zweites herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens;
3 ein drittes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens;
4 eine Darstellung zum herkömmlichen RTT-Ortsbestimmungsverfahren;
5 bis 9 zeigen ein herkömmliches Ausführungsbeispiel einer Ortsbestimmung;
10 bis 12 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens;
13 bis 29 zeigen einen genaueren Ablauf des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines Ortsbestimmungsverfahrens;
30 zeigt schematisch eine Basisstation;
31 zeigt schematisch das Verfahren zur Ortsbestimmung einer mobilen Station.
1 zeigt ein erstes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens. Das dargestellte Ankunftszeit-(Time of Arrival – ToA)-Verfahren wird folgendermaßen ausgeführt: Ein Sender sendet ein Signal zu einer perfekt synchronisierten Empfängerstation. Die Ausbreitungszeit ist zu der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit proportional. Dieser Ablauf muss durch drei oder mehr sendende Stationen wiederholt werden und die genaue Zeit jeder Sendung muss ebenso zu der empfangenden Station zugeleitet werden. Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Sender, Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Empfänger.
2 zeigt ein zweites herkömmliches Ausführungsbeispiel eines Ortsbestimmungsverfahrens. Ein derartiges Verfahren ist durch die Zeitdifferenz der Ankunft bestimmt (Time Difference of Arrival – TDoA). Dieses Verfahren ist eine Erweiterung des in Verbindung mit 1 beschriebenen Verfahrens der Ankunftszeit (ToA). Gemäß diesem Verfahren werden eine Sendestation und mehrere Empfangsstationen verwendet. Alle Stationen sind perfekt synchronisiert, so dass die Ausbreitungszeit unter Verwendung desselben Ablaufs wie bei der ToA gemessen werden kann. Das durch die sendende Station ausgesendete Radiosignal wird zur Messung aller Abstände verwendet.
3 zeigt ein drittes herkömmliches Ausführungsbeispiel eines RToF-Ortsbestimmungsverfahrens. Bezugszeichen 1 kennzeichnet einen Sender, Bezugszeichen 2 kennzeichnet einen Empfänger.
Round-Trip-Time of Flight (RToF). Gemäß diesem Verfahren wird ein Signal durch eine Funkstation A zu einer Funkstation B gesendet. Nachdem die Station B die Nachricht empfängt, antwortet diese der Station A zurück. Station A misst diese Zeitdifferenz, die erneut der Entfernung und der Lichtgeschwindigkeit korreliert wird, zusätzlich zu einer internen Verarbeitungsverzögerung in der Station B. Da keine Synchronisation erforderlich ist, ist die Komplexität des Systems wirksam verringert, aber nachteiligerweise muss das gleiche Verfahren durch mindestens drei Funkstationen zum Finden der Position einer Funkstation B wiederholt werden. Ein weiterer Vorteil des RToF-Verfahrens ist dass keine explizite Messung oder Zusammenarbeit von und mit der Station B erforderlich ist. 3 zeigt eine Darstellung des Prinzips des RToF-Verfahrens.
4 zeigt ein herkömmliches Ausführungsbeispiel eines RTT-Ortsbestimmungsverfahrens.
Des Weiteren ist ein Verfahren zur In-Raum-Positionsbestimmung von Funkvorrichtungen beruhend auf Messungen einer Round-Trip-Time (RTT) zwischen der Basisstation (BS) und der mobilen Station (MS) bereitgestellt. Die Round-Trip-Time (RTT) ist die Zeit, die zum Senden eines Paketes und Empfangen dessen Bestätigung erforderlich ist. Wie es in 4 dargestellt ist, stellen diese Messungen die jeweiligen Entfernungen zwischen den Basisstationen (BS) und der mobilen Station (MS) dar. Mit den gegebenen Koordinaten der Basisstationen (BS) werden zur Ortsbestimmung der mobilen Station (MS) verbundene oder getrennte Maschinenlernalgorithmen, Wahrscheinlichkeitsmodelle und Trilateration verwendet. 4 stellt das Prinzip der RTT-Ortsbestimmung dar. Jede RTT-Messung bestimmt einen Abstand.
5 bis 9 zeigen eine ausführliche Darstellung eines herkömmlichen RToA-Ortsbestimmungsverfahrens. Gemäß 5 sendet die Station AP₁ ein Signal zu der mobilen Station MS. Die mobile Station MS antwortet zurück. Die Station AP₁ misst die Zeit, um die Entfernung zu bestimmen. 6 zeigt das durch die Station AP₂ erfolgende Messen der Entfernung zwischen Station AP₂ und der mobilen Station MS. 7 zeigt, dass die Station AP₃ ebenso den entsprechenden Abstand misst. 8 zeigt wie die Station AP₄ den Abstand misst. 9 zeigt wie abschließend die Station AP₅ eine eigene Messung ausführt. 5 bis 9 zeigen zehn Sendungen, die für den RToE-Algorithmus erforderlich sind.
10 bis 12 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahrens. Ein derartiges Verfahren wird hier als ein Round-trip-time-difference-of-arrival-(RTDOA-)Verfahren bezeichnet. 10 zeigt, dass eine Basisstation BS ein Paket PACK zu der mobilen Station MS sendet. Das Paket PACK entspricht einem Aussendesignal AS. Die verbleibenden Basisstationen BS starten jeweils lokale interne Zeiterfassungseinrichtungen beim Erfassen, dass ein Paket PACK ausgesendet wurde. Die mobile Station MS antwortet der Basisstation BS mit einem Bestätigungssignal ACK nach dem Empfangen des Pakets. Dies stellt 11 dar. Das Bestätigungssignal ACK wird ebenso durch die anderen Basisstationen BS im Bereich erfasst, wobei die lokalen Zeiterfassungseinrichtungen bei Empfang des Bestätigungssignals ACK gestoppt werden. 10 zeigt, dass eine Basisstation BS zu der mobilen Station MS sendet, wobei die weiteren Basisstationen BS empfangen. 11 zeigt, dass die mobile Station MS mit einem Bestätigungssignal ACK antwortet, das alle Basisstationen BS empfangen. Es wird also vorgeschlagen, dass die Basisstationen BS, die derzeit nicht in die Punkt zu Punkt-Übertragung einbezogen sind, dem Kanal zuhören und die Zeit zwischen dem ersten Paket AS und dem entsprechenden Bestätigungssignal ACK messen, das von der mobilen Station MS als Antwort ausgesendet wurde. Da diese Zeiten nicht auf einfache Weise in echte Abstände umgewandelt werden können, da die geometrischen Lagen der Stationen kompliziert sind, wird eine mathematische Lösung vorgeschlagen.
Die verstrichene Zeit, die durch eine Basisstation BS bemessen wurde, wird indirekt auf die Entfernung zu der mobilen Station MS bezogen. Ein Zeitablaufdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens wird in Verbindung mit 12 dargestellt. Die Basisstation BS_m stellt die Basisstation dar, die direkt mit der mobilen Station MS kommuniziert. Die gestrichelte Linie ist das Paket, das von der Basisstation BS_m zu der mobilen Station MS gesendet wird. Die durchgezogene Linie stellt das Radiopaket dar, das von der mobilen Station MS zu der Basisstation BS_m gesendet wurde. Die weiteren Basisstationen BS hören den Radiokanal ab. Die Basisstation BS_i ist physikalisch näher an der Basisstation BS_m angeordnet, wobei die Basisstation BS_j weiter beabstandet ist. 12 stellt die verstrichene Zeit an den Basisstationen BS dar. Die Basisstation BS_m sendet deren Paket beziehungsweise Aussendesignal zu der mobilen Station MS. Das Paket löst die Zeiterfassungseinrichtungen der Basisstationen BS_i und BS_j aus. Diese beiden Basisstationen werden zu verschiedenen absoluten Zeiten ausgelöst. Es ist eine Verarbeitungszeit durch die mobile Station MS vor Antworten an die Basisstation BS_m mit einem Bestätigungssignal ACK erforderlich. Diese Verarbeitungsverzögerung ist um mehrere Größenordnungen größer als die Ausbreitungszeiten der Radiosignale. Wenn die mobile Station MS antwortet, gelangen die Pakete über verschiedene Pfade zu den Basisstationen BS_i und BS_j Die durchgezogenen Linie zwischen der mobilen Station, der Basisstation BS_i und BS_j weisen eine zu der gestrichelten Linie unterschiedliche Steigungen auf. Die verstrichene Zeit, die durch eine Basisstation BS gemessen wird, ist durch die Gleichung (1) bestimmt:
mit

Diese Zeiten sind in 12 vertikal dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren verringert die Gesamtgröße von Messungen, die erforderlich sind, auf weniger als 33% der ursprünglichen Größe. Bei einer Realisierung des vorgeschlagenen Systems, wenn fünf messende Stationen verwendet werden, ist die Batterielebensdauer sechs Mal länger als bei einer Realisierung eines herkömmlichen RToF-Verfahrens. Die Kanalbelegung wird ebenso um das Zehnfache verringert, so dass mehr Raum für Echtzeitübertragungen bereitgestellt wird, wie dies beispielsweise Voice over IP oder industrielle zeitkritische Kommunikation sind.
13 bis 22 zeigen ausführliche Darstellungen zum erfindungsgemäßen Ortsbestimmungsverfahren, das als RTDoA-Verfahren abgekürzt wird. 13 zeigt wie eine Basisstation AP₁ ein Datenpaket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS zu der mobilen Station MS sendet. Eine Zähleinrichtung bei der Basisstation AP₁ wird zum Beginnen des Zählvorgangs aktiviert. Die Zähleinrichtung wird gestoppt, wenn die entsprechende Antwort empfangen wurde. Aufgrund der Rundfunkeigenschaften des Funkmediums und der örtlichen Anordnung der Moden in diesem Ausführungsbeispiel, ist die Basisstation AP₃ die erste, die das gesendete Paket empfängt. Dies zeigt 13. Zu diesem Zeitpunkt startet die Basisstation AP₃ deren interne Zähleinrichtung. Das Aussenden des Aussendesignals AS ist in den 13 bis 17 mit PACK dargestellt.
Dasselbe Datenpaket PACK, das durch die Basisstation AP₁ ausgesendet worden ist, kommt an der mobilen Station MS an. Dies zeigt 14. Daraufhin bereitet die mobile Station MS eine Antwort, und zwar das Aussenden des Bestätigungssignals ACK als Antwort auf das Paket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS vor.
15 stellt dar, wie das durch die Basisstation AP₁ ausgesendete Datenpaket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS an der Basisstation AP₂ ankommt. An der Basisstation AP₂ wird die lokale Zähleinrichtung beziehungsweise Zeiterfassungseinrichtung gestartet.
16 stellt dar, wie dasselbe Datenpaket PACK an der Basisstation AP₅ ankommt. Die lokale Zähleinrichtung der Basisstation AP₅ beginnt mit dem Zählen.
17 stellt dar, wie die Basisstation AP₄ als letzte Basisstation das Datenpaket PACK empfängt, da die Basisstation AP₄ am weitesten von der Basisstation AP₁ entfernt ist. Die entsprechende lokale Zähleinrichtung startet den Zählvorgang.
Zu diesem Zeitpunkt wird ein neuer Ablauf gestartet. Alle Basisstationen AP₂ bis AP₅ haben dasselbe Paket PACK beziehungsweise Aussendesignal AS empfangen, das durch die Basisstation AP₁ ausgesendet worden ist. Jetzt ist die interne Verarbeitungszeit in der mobilen Station MS abgelaufen und es wird ein Bestätigungssignal ACK beziehungsweise ein ACK-Paket an die Adresse der Basisstation AP₁ ausgesendet.
18 stellt dar, wie das Bestätigungssignal ACK, das durch die mobile Station MS ausgesendet worden ist, zuerst an der Basisstation AP₄ ankommt, da diese der mobilen Station MS örtlich am nächsten ist. Die mit 17 gestartete Zähleinrichtung wird nun gestoppt.
19 stellt dar, wie das Bestätigungssignalpaket ACK bei der Basisstation AP₂ ankommt. Nun wird der dortige Zähler gestoppt.
20 stellt dar, wie das Bestätigungssignal ACK bei der Basisstation AP₁ ankommt, wobei die dortige lokale Zeiterfassungseinrichtung gestoppt wird.
21 stellt dar, dass das Bestätigungssignal ACK bei der Basisstation AP₅ anlangt. Die dortige lokale Zeiterfassungseinrichtung wird gestoppt.
22 zeigt die Ankunft des Bestätigungssignals ACK an der Basisstation AP₃, die in diesem Fall von der mobilen Station MS am weitesten entfernt ist. Die Zeiterfassungseinrichtung der Basisstation AP₃ wird gestoppt.
Zu diesem Zeitpunkt haben alle Basisstationen AP ihre Messungen beendet. Diese Messungen entsprechen nicht direkt den Entfernungen, aufgrund der komplizierten Geometrie, die der gemessenen Zeit zugeordnet ist. Um auf der Grundlage dieser Messungen zu der Position der mobilen Station MS zu gelangen, müssen mathematische Verfahren angewendet werden. Derartige Verfahren sind in Verbindung mit den Ansprüchen beansprucht.
23 bis 29 sind zeitliche Darstellungen zum besseren Verständnis der verwendeten mathematischen Gleichungen (1) bis (6).
23 stellt dar, dass die Basisstation BS_m die Übertragung zu der mobilen Station MS beginnt. Da die Basisstation BS_i einen kleineren Abstand von der Basisstation BS_m als die mobile Station MS aufweist, wird das Paket PACK beziehungsweise das Aussendesignal AS zuerst an der Basisstation BS_i ankommen. 24 stellt dar, wie das Packet PACK bei der mobilen Station MS angelangt ist.
25 stellt dar, wie das Paket PACK bei der Basisstation BS_j ankommt, wobei diese eine Basisstation darstellt, die weiter als die mobile Station MS von der Basisstation BS_m entfernt positioniert ist. Gemäß 26 wird dargestellt, dass die mobile Station MS nun genug Zeit gehabt hat, ein Bestätigungssignal ACK vorzubereiten und dieses zu senden. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Basisstation BS_j näher an der mobilen Station MS als jede andere Basisstation BS.
Gemäß 27 wird dargestellt, wie das Bestätigungssignal ACK an der Basisstation BS_m als nächsten Schritt in der Zeitdarstellung ankommt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Entfernung zwischen der mobilen Station MS und der Basisstation BS_m kleiner als die Entfernung zwischen der mobilen Station MS und der Basisstation BS_i. 28 stellt dar, wie das Bestätigungssignal ACK abschließend an der Basisstation BS_i ankommt. Es wird auf die unterschiedlichen Gradienten der durchgezogenen Linie hingewiesen, die durch die räumliche Geometrie der teilnehmenden Stationen verursacht ist.
29 stellt in vertikalen Richtungen die Zeitunterschiede dar, die durch die örtlichen internen Zeiterfassungseinrichtungen gemessen worden sind. Diese Informationen werden für den erfindungsgemäßen mathematischen Ansatz gemäß den Ansprüchen verwendet.
Die 30 zeigt schematisch eine Basisstation BS_m, die bei dem beschriebenen Verfahren zum Einsatz kommen kann. Die Basisstation BS_m weist hierzu die bereits erwähnte Zeiterfassungseinrichtung 110 sowie die Rechnereinrichtung 120 auf.
In der 31 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Ortsbestimmung einer mobilen Station schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 210 werden zwei Signale AS, ACK zwischen einer m-ten Basisstation BS_m und der mobilen Station MS ausgetauscht. Mittels der Zeiterfassungseinrichtungen 110 werden in einem zweiten Schritt 220 die Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale AS, ACK jeweils an allen weiteren Basisstationen erfasst. Im dritten Schritt 230 wird schließlich mittel der Rechnereinrichtung 120 der Ort der mobilen Station MS mittels der erfassten Zeitdauern errechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Ortsbestimmung außerhalb geschlossener (outdoors) Räume, da in diesem Fall in der Regel gewährleistet ist, dass sich keine Hindernisse zwischen den Stationen befinden, die die Übertragung zwischen den Stationen stören könnte.

Claims

Verfahren zur Ortsbestimmung einer mobilen Station (MS) mittels einer Vielzahl (n) von Basisstationen (BS₁, ... BS_m, ... BS_n), gekennzeichnet durch Austauschen von zwei Signalen (AS, ACK) zwischen einer m-ten Basisstation (BS_m) und der mobilen Station (MS); mittels Zeiterfassungseinrichtungen erfolgendes Erfassen der Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale (AS, ACK) jeweils an allen weiteren Basisstationen; mittels einer Rechnereinrichtung erfolgendes Berechnen des Orts der mobilen Station (MS) mittels der erfassten Zeitdauern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal ein mittels der m-ten Basisstation (BS_m) an die mobile Station (MS) und an alle weiteren Basisstationen ausgesendetes Aussendesignal (AS) ist; das zweite Signal ein mittels der mobilen Station (MS) nach dessen Empfang des Aussendesignals (AS) an alle Basisstationen gesendetes Bestätigungssignal (ACK) ist; allen weiteren Basisstationen jeweils eine Zeiterfassungseinrichtung zugeordnet ist, die jeweils eine Zeitdauer zwischen Empfang des Aussendesignals (AS) und Empfang des Bestätigungssignals (ACK) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mittels einer der m-ten Basisstation (BS_m) zugeordneten Zeiterfassungseinrichtung erfolgendes Erfassen der Zeitdauer (T_BSm) zwischen Aussenden des Aussendesignals (AS) und Empfangen des Bestätigungssignals (ACK).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mobile Station (MS) das Bestätigungssignal (ACK) nach einer internen Verarbeitungszeit (T_process) aussendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine für jeweils eine Basisstation (BS_i) erfasste Zeitdauer durch die Gleichung
mit T_process: = Verarbeitungszeit bei der mobilen Station (MS) = interne Verzögerung bei der mobilen Station (MS) zwischen Empfangen des Aussendesignals (AS) und Antworten durch das Bestätigungssignal (ACK). d(a, b): = der Abstand zwischen zwei Stationen a und b. c: = Lichtgeschwindigkeit im Medium. bestimmt ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Gleichungen (1) in einer Matrixform anordnet
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen (BS) und mobiler Station (MS) mittels folgender Gleichung
berechnet, wobei A eine Matrix vollständiger Ordnung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Abstände zwischen Basisstationen (BS) und mobiler Station (MS) mittels folgender Gleichung
berechnet, wobei x und y die entsprechenden Abszissen- und Ordinatenwerte der Stationen darstellen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station (MS) mittels den Abständen, Trilateration und folgender Gleichung
berechnet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinrichtung die Koordinaten der mobilen Station (MS) mittels eines Verfahrens des kleinsten quadratischen Fehlers und folgender Gleichung
berechnet.
Vorrichtung zur Ortsbestimmung einer mobilen Station (MS) mittels einer Vielzahl (n) von Basisstationen (BS₁, ... BS_m, ... BS_n), gekennzeichnet durch eine m-te Basisstation (BS_m) und die mobile Station (MS) zum Austauschen von zwei Signalen (AS, ACK); Zeiterfassungseinrichtungen zum Erfassen der Zeitdauern zwischen dem Empfang der beiden Signale (AS, ACK) jeweils an allen weiteren Basisstationen; eine Rechnereinrichtung zum Berechnen des Orts der mobilen Station (MS) mittels der erfassten Zeitdauern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal ein mittels der m-ten Basisstation (BS_m) an die mobile Station (MS) und an alle weiteren Basisstationen ausgesendetes Aussendesignal (AS) ist; das zweite Signal ein mittels der mobilen Station (MS) nach dessen Empfang des Aussendesignals (AS) an alle Basisstationen gesendetes Bestätigungssignal (ACK) ist; allen weiteren Basisstationen jeweils eine Zeiterfassungseinrichtung zugeordnet ist, die jeweils eine Zeitdauer zwischen Empfang des Aussendesignals (AS) und Empfang des Bestätigungssignals (ACK) erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der m-ten Basisstation (BS_m) eine Zeiterfassungseinrichtung zur Erfassung der Zeitdauer (T_BSm) zwischen Aussenden des Aussendesignals (AS) und Empfangen des Bestätigungssignals (ACK) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiterfassungseinrichtungen jeweils in den Basisstationen integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch die mobile Station (MS) zum Aussenden des Bestätigungssignals (ACK) nach einer internen Verarbeitungszeit (T_process)
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 15, gekennzeichnet durch die Rechnereinrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 10.