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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kommunikationssignalbasierten Positionsermittlung von Objekten im Straßenverkehr gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur kommunikationssignalbasierten Positionsermittlung von Objekten im Straßenverkehr gemäß Oberbegriff von Anspruch 22 sowie deren Verwendung.
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Im Stand der Technik ist bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorvorrichtungen zur Umfelderfassung bekannt. Beispiele für zur Umfelderfassung geeignete und übliche Sensoren sind etwa Mono- oder Stereokameravorrichtungen, Radarvorrichtungen und Ultraschallvorrichtungen. Ebenso ist es bekannt, über drahtlos übertragende Fahrzeug-zu-X-Kommunikationsvorrichtungen Informationen über die Fahrzeugumgebung nicht nur zu erhalten sondern auch zu versenden. Insgesamt zeichnet sich eine schnelle und deutliche Entwicklung zu immer mehr und immer zuverlässigeren Fahrzeugsystemen ab, welche zur Informationserfassung über eine Vielzahl von unterschiedlichen Vorrichtungen befähigt sind. Je unterschiedlicher dabei die Wirkprinzipien dieser Vorrichtungen sind, desto besser sind die von einem gemeinsamen Fahrzeugsystem umfassten Vorrichtungen geeignet, die jeweils erfassten Informationen untereinander zu validieren.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2008 061 304 A1 eine Fahrzeug-zu-X-Kommunikationseinrichtung für ein Fahrzeug zum drahtlosen Übertragen von fahrzeugrelevanten Daten. Diese Daten werden dabei an Umgebungsfahrzeuge oder an Infrastruktureinrichtungen übertragen. Die beschriebene Kommunikationseinrichtung umfasst zwei getrennte Kommunikationseinheiten, wobei die erste Kommunikationseinheit auf der Basis einer WLAN-Verbindung und die zweite Kommunikationseinheit auf Basis einer Remote Keyless Entry(RKE)-Verbindung ausgeführt ist.
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Die
DE 10 2007 048 809 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung von verdeckten Objekten im Straßenverkehr. Dabei wird die Umgebung eines Fahrzeugs zunächst mittels Sensoren erfasst und entsprechende Informationen werden anschließend mittels einer Schnittstelle zur Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation an im Umfeld befindliche Fahrzeuge übertragen. Die übertragenen Informationen werden von den Umgebungsfahrzeugen empfangen und von diesen dazu verwendet, ein Umfeldmodell zu erweitern, so dass das Umfeldmodell auch Informationen über Objekt umfasst, welche vom jeweiligen Umgebungsfahrzeug selbst nicht erfasst werden können. Weiterhin werden eine Situationsanalyse des solcherart erweiterten Umfeldmodells sowie eine Bewertung der Situation des eigenen Fahrzeugs durchgeführt.
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Aus der
DE 10 2007 058 192 A1 ist ein zentrales Steuergerät für mehrere in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Assistenzsysteme bekannt, welche zumindest teilweise mit Umfeldsensoren ausgestattet sind, wobei gemäß der
DE 10 2007 058 192 A1 auch ein Telematiksystem als Umfeldsensor verstanden wird. Das zentrale Steuergerät ist auf Datenebene mit den einzelnen Assistenzsystemen verbunden und plausibilisiert die Informationen einzelner Umfeldsensoren mittels der Informationen anderer Umfeldsensoren. Z. B. kann die Bildinformation einer Kamera die Abstandsmessung eines Radarsensors bestätigen. Einzelne Sensorinformationen können somit bestätigt werden und liegen redundant vor. Eine derartige Kopplung von Einzelsignalen verschiedener Sensoren ist auch als Sensorfusion bekannt.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es jedoch, dass zur zuverlässigen und insbesondere redundanten Erfassung von Objekten eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren verschiedener Sensorgattungen notwendig ist, was wiederum mit einem vergleichsweise hohen Kostenaufwand verbunden ist. Sofern Informationen über ein Objekt mittels Fahrzeug-zu-X-Kommunikation erfasst werden, besteht in der Regel außerdem die Notwendigkeit, diese vor einer Verarbeitung und insbesondere vor einer Verwendung in einem sicherheitsrelevanten Assistenzsystem einem rechenaufwändigen Authentizitätsverfahren zu unterziehen oder mittels Umfeldsensorinformationen zu validieren, da ein böswilliger Absender bewusst falsche Informationen senden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, welches unter Vermeidung von Informationseinbußen und Sicherheitseinbußen die gemäß dem Stand der Technik benötigte Sensorvielzahl zu reduzieren hilft.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur kommunikationssignalbasierten Positionsermittlung von Objekten im Straßenverkehr gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur kommunikationssignalbasierten Positionsermittlung von Objekten im Straßenverkehr, bei welchem mindestens ein Daten transportierendes Kommunikationssignal von mindestens einem Absender kabellos gesendet wird, wobei das mindestens eine Kommunikationssignal an mindestens einem Objekt zumindest anteilig als Reflektionssignal reflektiert wird und wobei von einem Empfänger das mindestens eine Kommunikationssignal und das Reflektionssignal des mindestens einen Kommunikationssignals empfangen werden, kennt der Empfänger seine Eigenposition und einen Standort des mindestens einen Absenders. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vom Empfänger eine Laufzeitdifferenz des Kommunikationssignals und des Reflektionssignals des mindestens einen Kommunikationssignals bestimmt.
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Die Erfindung bietet somit den Vorteil, dass mittels eines kabellosen Kommunikationssignals bzw. im Rahmen eines kabellosen Kommunikationsvorgangs eine Positionsermittlung von Objekten stattfindet, welche im Ausbreitungsfeld der Kommunikationssignale liegen und diese reflektieren. Da es sich bei Objekten im Straßenverkehr typischerweise um Kraftfahrzeuge handelt, welche aufgrund ihrer metallischen Bauweise über vergleichsweise gute Reflektionseigenschaften hinsichtlich der Kommunikationssignale verfügen, ist auch das Reflektionssignal vergleichsweise stark und gut erfassbar. Somit kann ohne zusätzlichen Sensoraufwand eine Positionsbestimmung der Objekte alleine über die Kommunikationssignale einer geeigneten, kabellos sendenden Kommunikationsvorrichtung erfolgen. Es ist dabei nicht einmal notwendig, dass der Empfänger ebenfalls zum Senden der für die Positionsermittlung genutzten Kommunikationssignale befähigt ist. Die Erfindung zeigt somit ein ebenso kostengünstiges wie effektives Verfahren zur Positionsbestimmung von Objekten.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, dass auf das Kommunikationssignal und das Reflektionssignal ein an sich bekanntes Range-Doppler-Verfahren angewandt wird, welches auch beim an sich bekannten, bildgebenden „Synthetic Aperture Radar” und beim ebenfalls an sich bekannten „4D Pulse Doppler Radar” Anwendung findet. Beim Range-Doppler-Verfahren werden empfangene Signale in einer digitalen Karte dargestellt, welche die bestimmte Dopplerfrequenz über der Entfernung des Objekts zum Empfänger enthält.
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Über die Laufzeitdifferenz des Kommunikationssignals vom Absender zum Empfänger und des Reflektionssignals vom Absender zum Objekt und vom Objekt zum Empfänger wird erfindungsgemäß bevorzugt zunächst über die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit des Kommunikationssignals bzw. des Reflektionssignals eine zurückgelegte Wegstreckendifferenz des Kommunikationssignals und des Reflektionssignals bestimmt.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass aus der Laufzeitdifferenz, der Eigenposition und dem Standort eine Ellipse bestimmt wird, deren Umfangslinie eine Position des mindestens einen Objekts enthält. Da dem Empfänger sowohl seine Eigenposition als auch der Standort des Absenders bekannt sind, kann er zunächst die Wegstrecke vom Absender zum Empfänger bestimmen. Somit kann über die bekannte Wegstrecke vom Absender zum Empfänger und die sich aus der Laufzeitdifferenz ergebende Wegstreckendifferenz auch die absolute Wegstrecke vom Absender über das Objekt zum Empfänger bestimmt werden. Der Empfänger bestimmt somit also prinzipbedingt eine Ellipse, auf deren Umfangslinie sich das Objekt befinden muss und in deren einem Brennpunkt sich der Absender und in deren anderem Brennpunkt sich der Empfänger befindet.
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Die Positionsermittlung erfolgt prinzipbedingt in alle Richtungen um den Empfänger herum und ist im Gegensatz zu üblicherweise verwendeten Umfeldsensoren nicht auf einen Raumausschnittsbereich beschränkt. Die einzige mögliche Einschränkung des Erfassungsbereichs besteht in Abschattungen der zum Empfang genutzten Antenne oder Antennen einer das Kommunikationssignal bzw. Reflektionssignal empfangenden Kommunikationsvorrichtung gegen bestimmte Raumrichtungen, z. B. durch bauliche Designvorgaben der Kommunikationsvorrichtung. Dies stellt jedoch einen Sonderfall dar und kann durch eine entsprechende Anordnung der Antenne oder auch mehrerer Antennen vermieden werden, so dass tatsächlich eine Positionsermittlung in einem Erfassungswinkel von 360° um den Empfänger herum möglich ist.
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Da jedes Objekt zum Entstehen einer Ellipse führt, kann hieraus z. B. auch eine simple Klassifizierung des Umfelds des Empfängers erfolgen, welche zumindest angibt, ob sich viele oder wenige Objekte im Umfeld des Empfängers befinden. Zusätzliche Ellipsen, die durch zusätzliche Absender entstehen, können durch Abgleich der empfangenen Kommunikationssignale bzw. Reflektionssignale erkannt werden, so dass eine Vielzahl von Absendern nicht zu einer falschen Klassifizierung führt.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass vom Empfänger aus dem mindestens einen Kommunikationssignal und dem Reflektionssignal des mindestens einen Kommunikationssignals eine durch eine Relativbewegung des Objekts zu einer Basislinie zwischen dem Empfänger und dem Absender erzeugte Dopplerfrequenz bestimmt wird. Die Dopplerfrequenz entsteht dabei alleine aus der Relativbewegung des Objekts zur Basislinie und kann durch Abgleichen der Frequenzen des Kommunikationssignals mit dem Reflektionssignal ermittelt werden. Die Dopplerfrequenz ist dabei proportional zur Geschwindigkeit des Objekts in Richtung der Basislinie. Somit können über die Dopplerfrequenz zusätzliche Informationen über ein Objekt erfasst werden.
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Vorzugsweise zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die mindestens eine Dopplerfrequenz durch Mischen des mindestens einen Kommunikationssignals mit dem zugehörigen Reflektionssignal bestimmt wird. Dies stellt eine unaufwändige und effiziente Möglichkeit zur Bestimmung der Dopplerfrequenz dar. Durch das Mischen erhält der Empfänger die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des Kommunikationssignals und der Frequenz des Reflektionssignals. Diese Differenzfrequenz entspricht der Dopplerfrequenz. Besonders bevorzugt wird das Mischen mittels einer komplex konjugierten Multiplikation umgesetzt, da dies vergleichsweise besonders wenig elektronischen Rechenaufwand erfordert und somit auch mit vergleichsweise kostengünstigen Rechenmodulen problemlos möglich ist. Alternativ besonders bevorzugt wird eine sogenannte programmierbare Hardware (FPGA, field programmable gate array) oder eine sogenannte anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (ASIC, application sopecific integrated circuit) herangezogen. Auch eine Kombination des Mischverfahrens über die komplex konjugierte Multiplikation und das Heranziehen von programmierbare Hardware oder anwendungsspezifisch integrierten Schaltungen ist möglich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Dopplerfrequenz mittels eines Tiefpasses, insbesondere mittels eines digitalen Tiefpasses, gefiltert wird. Dies bewirkt, dass – abhängig von der Auslegung des Tiefpasses – Dopplerfrequenzen, welche eine bestimmte Grenzfrequenz überschreiten, gefiltert und nicht zur weiteren Auswertung herangezogen werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Tiefpass derart ausgelegt, dass durch Differenzgeschwindigkeiten von über 400 km/h erzeugte Dopplerfrequenzen gefiltert werden.
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Insbesondere folgt auf die digitale Tiefpassfilterung eine an sich bekannte Unterabtastung der empfangenen Signale. Dadurch verringert sich der Rechenaufwand für die jeweils nachfolgende schnelle Fouriertransformation erheblich. Bevorzugt werden nur unaufwändige schnelle Fouriertransformationen gerechnet, da mit geringen Dopplerfrequenzen zu rechnen ist (aufgrund üblicherweise geringerer Differenzgeschwindigkeiten als 400 km/h). Durch das Rechnen mit derart geringen Dopplerfrequenzen ergeben sich auch entsprechend verkürzte Latenzzeiten. Dies ist bei einer Verkehrsortung von Vorteil, da stets aktuelle Daten über Zielobjekte benötigt werden. Die in diesem Zusammenhang tolerierbaren Latenzzeiten sind bevorzugt kürzer als 250 ms.
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Bei einigen gängigen drahtlosen Kommunikationstechniken kann zudem der Fall auftreten, dass ein Kommunikationssignal bzw. Reflektionssignal bzw. ein einzelnes Kommunikationspaket zeitlich zu kurz ist, um die Dopplerfrequenz direkt zu bestimmen, da nicht genügend Nulldurchgänge auftreten. In diesem Fall wird die Dopplerfrequenz bevorzugt aus der Phasenlage des Kommunikationssignals bzw. des Reflektionssignals bzw. des Kommunikationspakets ermittelt, indem die Phasenlage jeweils am Anfang und am Ende des Kommunikationssignals bzw. des Reflektionssignals bzw. des Kommunikationspakets erfasst wird und z. B. mittels linearer Extrapolation fortgeschrieben wird, so dass anschließend aus der Extrapolation die Dopplerfrequenz bestimmt werden kann.
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Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass vom Empfänger durch zeitliches Beobachten einer Änderung der Dopplerfrequenz dieser eine relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve zugeordnet wird, deren Verlauf die Position des mindestens einen Objekts enthält. Sofern sowohl der Empfänger als auch der Absender in Bewegung sind, beschreibt die relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve dabei eine geschwungene Linie. Von jedem Punkt dieser Linie aus würde ein auf der Linie befindliches Objekt beim Empfänger eine identische Dopplerfrequenz erzeugen.
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Sofern insbesondere sowohl der Absender als auch der Empfänger in Ruhe sind, stellt die relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve im Wesentlichen eine zweimal abknickende Gerade dar, deren erstes Abknicken am Ort des Empfängers und deren zweites Abknicken am Ort des Absenders ist. Der Empfänger und der Absender selbst sind dabei folglich durch die Gerade geradlinig verbunden. Durch eine auftretende Doppeldeutigkeit gabelt sich die Gerade sowohl am Ort des Empfängers als auch am Ort des Absenders auf, wodurch letztendlich jeweils zwei Geraden vom Ort des Empfängers in die dem Absender abgewandte Richtung als auch vom Ort des Absenders in die dem Empfänger abgewandte Richtung ausgehen.
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Die derart bestimmte relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve kann der zuvor bestimmten Ellipse überlagert werden. Die relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve und die Ellipse schneiden sich dabei an maximal vier verschiedenen Stellen. An einer dieser Stellen befindet sich das Objekt, dessen Position ermittelt werden soll. Durch diese Eingrenzung der Aufenthaltsmöglichkeiten kann die Positionsermittlung des Objekts weiter verbessert werden.
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Insbesondere ist es zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Änderung der Dopplerfrequenz mittels einer schnellen Fouriertransformation der relativgeschwindigkeitsabhängigen Entfernungskurve zugeordnet wird. Die schnelle Fouriertransformation hat sich in diesem Zusammenhang als besonders geeignet erwiesen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass auch der Empfänger zum Senden von Daten transportierenden Kommunikationssignalen befähigt ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass auch der Empfänger selbst Kommunikationssignale senden kann und somit für andere Empfänger, z. B. andere Fahrzeuge, in seiner Umgebung als Absender im Sinne der Erfindung genutzt werden kann. Somit können die anderen Empfänger über die Kommunikationssignale und die zugehörigen Reflektionssignale ebenfalls eine Positionsermittlung über das erfindungsgemäße Verfahren vornehmen können.
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Bevorzugt wird die bereits beschriebene Tiefpassfilterung kontinuierlich auf die bestimmte Dopplerfrequenz angewandt, während die schnelle Fouriertransformation anlassbezogen bevorzugt mit ein bis zehn Rechenschritten pro Sekunde ausgeführt wird.
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Außerdem ist es vorteilhaft, dass bei einer Vielzahl von Absendern und einer Vielzahl von Kommunikationssignalen, welche am mindestens einen Objekt jeweils zumindest anteilig als eine Vielzahl von Reflektionssignalen reflektiert werden, vom Empfänger jeweils ein Vielzahl von Laufzeitdifferenzen aus der Vielzahl von Kommunikationssignalen und den zugehörigen Reflektionssignalen bestimmt wird. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren voreilhaft auch bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Absendern zur Anwendung kommen. Es ist hierbei wichtig, jedem Kommunikationssignal das zugehörige Reflektionssignal zuzuordnen. In der Regel ist die über die Sendefrequenz des Kommunikationssignals und des Reflektionssignals auch einfache Weise möglich.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass vom Empfänger aus der Vielzahl von Laufzeitdifferenzen eine Vielzahl von Ellipsen bestimmt wird, wobei mindestens ein Schnittpunkt der Vielzahl von Ellipsen die Position des mindestens einen Objekts enthält. Somit wird also eine Vielzahl von Ellipsen bestimmt, in deren einem Brennpunkt sich jeweils der Empfänger und in deren anderem Brennpunkt sich jeweils einer der Absender befindet. Die Ellipsen erzeugen also zwangsläufig Schnittpunkte, wobei sich das Objekt an einem der Schnittpunkte befindet. Über eine zeitliche Beobachtung und eine Beobachtung der räumlichen Verschiebung der Schnittpunkte kann die tatsächliche Position des Objekts weiter eingegrenzt werden und die Positionsermittlung weiter verbessert werden. Die Beobachtung der räumlichen Verschiebung kann z. B. in Form einer Zielverfolgung erfolgen, welche physikalisch unmögliche Veränderungen aussortiert.
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Sofern sich eine Vielzahl von Objekten in der Umgebung des Empfängers befindet, so erzeugt jeder Absender mittels jedes zusätzlichen Objekts eine zusätzliche Ellipse.
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Außerdem ist es besonders vorteilhaft, dass das Verfahren von einer Vielzahl von Empfängern ausgeführt wird, wobei die Empfänger mittels der Kommunikationssignale untereinander die Schnittpunkte beschreibende Daten austauschen. Somit ergibt sich der Vorteil, dass jeder Empfänger von den anderen Empfängern in seiner Umgebung bzw. in Empfangsreichweite zusätzliche Informationen erhält, welche ihm eine zusätzliche Positionsermittlung von zusätzlichen Objekten ermöglicht bzw. eine verbesserte Positionsermittlung von bereits erfassten Objekten ermöglicht. Die verbesserte Positionsermittlung ergibt sich insbesondere aus den unterschiedlichen Positionen der Vielzahl von Empfängern, da diese in unterschiedlichen Brennpunkten unterschiedlicher Ellipsen liegen. Da ein Schnittpunkt sozusagen also von unterschiedlichen Richtungen betrachtet wird, kann dessen Position mittels Triangulation genauer bestimmt werden.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, dass vom Empfänger aus der Vielzahl von Kommunikationssignalen und der Vielzahl von Reflektionssignalen durch eine Vielzahl von Relativbewegungen einer Vielzahl von Objekten zu einer Basislinie zwischen dem Empfänger und dem Absender eine Vielzahl von erzeugten Dopplerfrequenzen bestimmt wird. Der Empfänger bestimmt also für jedes Objekt eine eigene, dem Objekt zugeordnete Dopplerfrequenz.
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Auch in diesem Fall werden die Dopplerfrequenzen bevorzugt mittels eines Tiefpasses gefiltert, um den nachfolgenden elektronischen Rechenaufwand sinnvoll begrenzt zu halten.
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Insbesondere ist es weiterhin zweckmäßig, dass vom Empfänger durch zeitliches Beobachten von Änderungen der Vielzahl von Dopplerfrequenzen der Vielzahl von Dopplerfrequenzen jeweils eine relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve zugeordnet wird, deren Verläufe die Position des mindestens einen Objekts enthalten. Die Zuordnung der Änderung der Dopplerfrequenz zu den relativgeschwindigkeitsabhängigen Entfernungskurven erfolgt bevorzugt mittels schneller Fouriertransformation, welche sich auch in diesem Zusammenhang als besonders geeignet erwiesen hat.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die mindestens eine relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve und die mindestens eine Ellipse auf einer digitalen Positionskarte überlagert werden, wobei die Schnittpunkte der mindestens einen relativgeschwindigkeitsabhängigen Entfernungskurve und der mindestens einen Ellipse die Position des mindestens einen Objekts enthalten. Durch die Überlagerung der Ellipsen und der relativgeschwindigkeitsabhängigen Entfernungskurven können die tatsächlichen Positionen der Objekte weiter eingegrenzt werden und die Positionsermittlung der Objekte somit verbessert werden.
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Insbesondere ist es bevorzugt, dass die mindestens eine relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve einer in digitalem Kartenmaterial enthaltenen Straßenkarte überlagert wird, wobei die mindestens eine Position des mindestens einen Objekts ausschließlich einer in der digitalen Straßenkarte verzeichneten Straße zugeordnet wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine mögliche Position eines Objekts weiter eingegrenzt werden kann, da Positionen, die nicht auf einer in der digitalen Straßenkarte verzeichneten Straße liegen, verworfen werden. Es werden also nur die Positionen für die Positionsermittlung als tatsächliche Position in Betracht gezogen, die auf einer Straße liegen. Da Objekte im Straßenverkehr üblicherweise auf einer Straße liegen, werden somit in der Regel keine Fehlerkennungen verursacht.
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Besonders bevorzugt ist es, dass die mindestens eine Ellipse einer in digitalem Kartenmaterial enthaltenen Straßenkarte überlagert wird, wobei die mindestens eine Position des mindestens einen Objekts ausschließlich einer in der digitalen Straßenkarte verzeichneten Straße zugeordnet wird. Indem auch die Ellipsen einer in digitalem Kartenmaterial enthaltenen Straßenkarte überlagert werden, ergibt sich auch hier der Vorteil, dass nur diejenigen Positionen für die Positionsermittlung als tatsächliche Position in Betracht gezogen, die auf einer Straße liegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Standort des mindestens einen Absenders dem digitalen Kartenmaterial entnommen wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass der Absender nicht regelmäßig seinen Standort über das Kommunikationssignal versenden muss. Stattdessen erkennt der Empfänger den Absender, z. B. einen Radiosender anhand seiner Sendefrequenz, und entnimmt dessen Standort aus dem digitalen Kartenmaterial. Dies vereinfacht und beschleunigt das erfindungsgemäße Verfahren.
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Zweckmäßigerweise ist es vorgesehen, dass die in der Vielzahl von Kommunikationssignalen transportierten Daten vom Empfänger zumindest anteilig ausgewertet werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein für gewöhnlich stattfindender Kommunikationsvorgang weiterhin unbeeinflusst und uneingeschränkt ausgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu keinerlei Einschränkung der Kommunikationsfähigkeit des Empfängers.
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Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Standort des mindestens einen Absenders und/oder des Empfängers in den vom Kommunikationssignal transportierten Daten enthalten ist. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich beim Absender um einen mobilen Absender wie z. B. ein zur Fahrzeug-zu-Kommunikation befähigtes Fahrzeug handelt. Außerdem kann im Falle eines stationären Absender, z. B. eines Radio- oder Fernsehsenders, der in den vom Kommunikationssignal transportierten Daten enthaltene Standort mit dem im digitalen Kartenmaterial enthaltenen Standort abgeglichen werden, um diesen zu verifizieren.
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Außerdem ist es bevorzugt, dass das mindestens eine Kommunikationssignal ein Kommunikationssignal einer der folgenden Kommunikationsgattungen ist:
- – WLAN-Kommunikation, insbesondere nach IEEE 802.11p,
- – WiFi-Direct-Kommunikation,
- – ISM-Kommunikation (Industrial, Scientific, Medical Band), insbesondere über eine funkverbindungsfähige Schließvorrichtung,
- – Bluetooth-Kommunikation,
- – ZigBee-Kommunikation,
- – UWB-Kommunikation (Ultra Wide Band),
- – WiMax-Kommunikation (Worldwide Interoperability for Microwave Access),
- – Remote-Keyless-Entry-Kommunikation,
- – Mobilfunk-Kommunikation, insbesondere GSM-, GPRS-, EDGE-,
- – UMTS-Kommunikation,
- – LTE-Kommunikation,
- – Infrarot-Kommunikation,
- – Radio-Kommunikation und
- – TV-Kommunikation.
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Die mobilfunkbasierten Kommunikationsmittel sind dabei besonders bevorzugt einem automatischen Notruf-Modul zugeordnet. Die aufgeführten Verbindungsarten bieten hinsichtlich ihrer Kommunikationseigenschaften unterschiedliche Vor- und Nachteile, je nach Art, Wellenlänge und verwendetem Datenprotokoll. WLAN-Verbindungen ermöglichen z. B. eine hohe Datenübertragungsrate und einen schnellen Verbindungsaufbau. ISM-Verbindungen bieten hingegen nur eine geringere Datenübertragungsrate, sind aber hervorragend zur Datenübertragung um Sichthindernisse herum geeignet. Infrarotverbindungen wiederum bieten ebenfalls eine geringe Datenübertragungsrate. Mobilfunkverbindungen schließlich werden durch Sichthindernisse nicht beeinträchtigt und bieten eine gute Datenübertragungsrate. Dafür ist der Verbindungsaufbau von Mobilfunkverbindungen jedoch vergleichsweise langsam.
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Ein automatisches Notruf-Modul ist auch bekannt als sogenanntes eCall-Modul.
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Da es nicht notwendig ist, dass die Kommunikation über die zur Positionsermittlung genutzten Kommunikationsgattungen bidirektional ist, werden im Sinne der Erfindung auch bevorzugt die genannten, üblicherweise monodirektional ausgeführten Kommunikationsgattungen wie Radio-Kommunikation und TV-Kommunikation herangezogen.
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Ein weiterer Vorteil beim Heranziehen von feststehenden analogen oder digitalen Sendern, wie z. B. Radio- und Fernsehstationen, ist es, dass der Standort der entsprechenden Sendemasten aus einer Karte entnommen werden kann. In diesem Fall kann besonders einfach auch die Dopplerfrequenz zur Auswertung herangezogen werden, weil sich zumindest der Sender nicht bewegt. Damit kann vergleichsweise einfach eine evtl. Mehrdeutigkeit der Position eines Objekts aufgelöst werden.
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Im Allgemeinen wird eine Kommunikationsgattung umso bevorzugter zur Verwendung gemäß der Erfindung herangezogen, je größer ihre mögliche Übertragungsbandbreite ist, da eine größere Bandbreite eine genauere Positionsermittlung ermöglicht.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die transportierten Daten und/oder die bestimmten Positionen an mindestens ein Fahrerassistenzsystem weitergeführt werden. Somit können sowohl die transportierten Daten als auch die bestimmten Positionen – ggf. auch gemeinsam – von einem entsprechenden Fahrerassistenzsystem verarbeitet und zur Fahrerunterstützung verwendet werden.
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Insbesondere ist es bevorzugt, dass die in den transportierten Daten enthaltenen Standortangeben mittels der bestimmten Positionen validiert werden.
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Außerdem ist insbesondere bevorzugt, dass das Fahrerassistenzsystem zur Ausführung eines autonomen Bremseneingriffs und/oder eines autonomen Lenkeingriffs und/oder einer Bewarnung eines Fahrers ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine sicherheitssteigernde Nutzung der vorhandenen Informationen und Daten.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur kommunikationssignalbasierten Positionsermittlung von Objekten im Straßenverkehr, welche eine Kommunikationseinheit zum kabellosen Empfangen und Senden von Daten transportierenden Kommunikationssignalen und zum kabellosen Empfangen von an Objekten reflektierten Reflektionssignalen der Kommunikationssignale umfasst sowie Standortbestimmungsmittel zur Bestimmung von Standorten von Absendern von Kommunikationssignalen und Eigenpostionsbestimmungsmittel zur Bestimmung einer Eigenposition der Vorrichtung umfasst. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung weiterhin Laufzeitdifferenzbestimmungsmittel umfasst und dass die Vorrichtung insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Da das erfindungsgemäße System somit alle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Mittel umfasst und insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, ergeben sich hieraus die bereits beschriebenen Vorteile.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung weiterhin Dopplerfrequenzbestimmungsmittel zur Bestimmung von durch Relativbewegungen der Objekte zu einer Basislinie zwischen dem Empfänger und dem Absender erzeugten Dopplerfrequenzen umfasst. Die Dopplerfrequenz wird dabei insbesondere bevorzugt durch Mischen eines Kommunikationssignals mit seinem zugehörigen Reflektionssignal bestimmt. Entsprechend umfassen die Dopplerfrequenzbestimmungsmittel insbesondere bevorzugt einen Signalmischer sowie ganz besonders bevorzugt zusätzlich einen Tiefpass, insbesondere einen digitalen Tiefpass und ggf. ein Rechenmodul zum Rechnen von schnellen Fouriertransformationen.
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Zweckmäßigerweise ist der Empfänger zudem für den Empfang von Breitbandsignalen ausgelegt und umfasst einen an sich bekannten Quadraturdemodulator. Der Quadraturdemodulator ermöglicht es, sich nähernde und sich entfernende Objekte durch das Vorzeichen der bestimmten Dopplerfrequenz zu unterscheiden.
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Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung weiterhin Entfernungszuordnungsmittel umfasst, welche durch zeitliches Beobachten einer Änderung der Dopplerfrequenzen diesen jeweils eine relativgeschwindigkeitsabhängige Entfernungskurve zuordnen, deren Verläufe die Position des mindestens einen Objekts enthalten. Dies ermöglicht eine verbesserte Positionsermittlung eines Objekts, da somit zusätzliche Informationen, welche die Position des Objekts beschreiben, zur Verfügung stehen.
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Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass die Kommunikationseinheit zum gleichzeitigen Senden und Empfangen ausgeführt ist. Um ein gleichzeitiges Senden und Empfangen der Kommunikationseinheit zu gewährleisten, ist diese zweckmäßigerweise mit getrennten Sende- und Empfangsantennen versehen oder umfasst einen sogenannten, an sich bekannten Zirkulator oder einen Richtkoppler oder eine Ringleitung.
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Gleichzeitiges Senden und Empfangen kann sowohl mittels eines Richtkopplers, eines Zirkulators, einer Ringleitung oder mittels getrennter Antennen für die Sendeeinheit und die Empfangseinheit realisiert werden. Sofern die Positionsermittlung mittels einer anderen, vom Empfänger nicht selbst zum Senden genutzten Kommunikationsgattung erfolgt, wie z. B. TV-Kommunikation, so werden in der Regel getrennte Antennen verwendet. Der Mehraufwand für die Fähigkeit zur Positionsermittlung gegenüber der reinen Kommunikationsfunktion ist vergleichsweise gering, da die Signalverarbeitung und die Auswertung zum größten Teil mit den für die Kommunikationsvorrichtung ohnehin benötigten Mitteln ausgeführt werden. Da zudem die Empfängerkomponenten größtenteils schon durch die Hauptanwendung, nämlich die Fahrzeug-zu-X-Kommunikation, bezahlt sind, ergibt sich nur ein vergleichsweise geringer Aufpreis.
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Außerdem ist es vorgesehen, dass die Standortbestimmungsmittel elektronische Auswertemittel zum Auswerten mindestens eines Anteils der Daten sind und eine in den transportierten Daten enthaltene Standortbezeichnung des Absenders auswerten und/oder ein digitales Kartenmaterial enthaltender digitaler Speicher sind, in welchem eine Vielzahl von Standorten einer Vielzahl von Absendern bezeichnet sind. Somit stehen zwei unterschiedliche Möglichkeiten der Standortbestimmung zur Verfügung, welche besonders bevorzugt auch parallel genutzt werden. Die erstgenannte Möglichkeit der Standortbestimmung aus der in den transportierten Daten enthaltene Standortbezeichnung bietet dabei den Vorteil vergleichsweise großer Flexibilität und Kostengünstigkeit, da die empfangenen Daten in der Regel ohnehin ausgewertet werden. Die zweitgenannte Möglichkeit der Standortbestimmung über digitales Kartenmaterial hingegen ist unabhängig von zusätzlichen Informationen und somit nicht darauf angewiesen, dass der Absender seinen Standort in den vom Kommunikationssignal transportierten Daten beschreibt.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Eigenpostionsbestimmungsmittel ein globales Satellitennavigationssystem sind und/oder ein umfeldsensorbasiertes Karteneinpassungssystem sind. Globale Satellitennavigationssysteme, wie z. B. GPS, sind bereits weit verbreitet und in vielen Fahrzeugen serienmäßig vorhanden. Zudem sind diese Systeme vergleichsweise zuverlässig und genau. Eine Alternative hierzu stellen sogenannte Karteneinpassungssysteme, die auch als Map-Matching-Systeme bekannt sind, dar, welche mittels Umfeldsensoren ihre Umgebung identifizieren und somit die Eigenposition einer Ortsposition in digitalem Kartenmaterial zuordnen können. Besonders bevorzugt wird eine Kombination der beiden genannten Systeme genutzt, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der bestimmten Eigenposition zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigen
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1 einen beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine zeitliche Serie einer Vielzahl von sich verändernden Ellipsen und
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3 eine Überlagerung einer relativgeschwindigkeitsabhängigen Entfernungskurve mit zwei Ellipsen.
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1 zeigt einen ebenso beispielhaften wie schematischen Aufbau von erfindungsgemäßer Vorrichtung 100 zur kommunikationssignalbasierten Positionsermittlung von Objekten im Straßenverkehr. Vorrichtung 100 umfasst eine Kommunikationseinheit, welche aus Sendestufe 101 zum Senden von Kommunikationssignalen, Empfangsstufe 102 zum Empfangen von Kommunikationssignalen und Reflektionssignalen und Antenne 103, welche sowohl zum Senden als auch zum Empfangen genutzt wird, und Zirkulator 104 besteht. Antenne 103 ist über Zirkulator 104 sowohl mit Sendeeinheit 101 als auch mit Empfangseinheit 102 elektrisch verbunden. Mittels Zirkulator 104 kann Antenne 103 sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Informationen genutzt werden. Weiterhin umfasst Vorrichtung 100 Modulator 105 zum Modulieren von zu transportierenden Daten in ein zu sendendes Kommunikationssignal, Digital-Analog-Wandler 106 zum Wandeln von digitalen Daten in analoge Signale, Analog-Digital-Wandler 107 zum Wandeln von analogen Signalen in digitale Daten und Demodulator 108 zum demodulieren von empfangenen Kommunikationssignalen und Reflektionssignalen. Weiterhin umfasst Vorrichtung 100 Eigenpositionsbestimmungsmittel 109 in Form eines GPS-Sensors, Laufzeitdifferenzbestimmungsmittel 110 in Form einer elektronischen Recheneinheit zum Bestimmen einer Laufzeitdifferenz des Kommunikationssignals und des Reflektionssignals jeweils auf der Strecke vom Absender zum Empfänger und Standortbestimmungsmittel 111 zum Bestimmen einer Ellipse um den Absender und um den Empfänger, auf deren Umfangslinie die Position des das Reflektionssignal erzeugenden Objekts liegt. Standortbestimmungsmittel 111 sind ebenfalls als elektronische Recheneinheit ausgebildet. Vorrichtung 100 ist beispielsgemäß zur Kommunikation über WLAN nach IEEE 802.11p ausgelegt, wobei sie über 2 jeweils 10 MHz Bandbreite aufweisende Kanäle kommuniziert, welche durch einen dritte, ungenutzten und ebenfalls 10 MHz Bandbreite aufweisenden Kanal getrennt sind.
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2a zeigt Ellipsen 201–210, deren Schnittpunkte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche Positionen von Objekten 211–216 beschreiben. In den jeweiligen Brennpunkten der Ellipsen liegen jeweils unterschiedliche Absender 217–221 sowie jeweils identischer Empfänger 222. Beispielsgemäß existiert nur Objekt 216 tatsächlich, während es sich bei Objekten 211–215 um sogenannte „Geisterziele” handelt, also in der Realität nicht existierende Objekte. Ob es sich bei Objekten 211–216 um tatsächliche Objekte oder Geisterziele handelt, ist dem Empfänger zum Zeitpunkt der Bestimmung von Ellipsen 201–210 jedoch noch nicht bekannt. Geisterziele können im weiteren Verlauf durch zeitliche Beobachtung der Schnittpunkte von Ellipsen 201–210 mittels statistischer Verfahren als solche erkannt werden. Da es sich bei Absendern 217–221 und bei Empfänger 222 um sich fortbewegende Fahrzeuge handelt, ist deren Geschwindigkeit jeweils durch einen in Fahrtrichtung zeigenden Pfeil dargestellt.
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2b stellt noch einmal die gleiche Situation wie 2a dar, jedoch nach Ablauf einer Zeitspanne von 1,5 s. Da es sich bei Absendern 217–221 um Fahrzeuge handelt, haben sich diese relativ zu Empfänger 222, der ebenfalls ein Fahrzeug ist, bewegt. Entsprechend hat eine Verschiebung der Ellipsen stattgefunden, welche auch zu einer Verschiebung der Positionen der Schnittpunkte und damit zu einer Verschiebung der Positionen von möglichen Objekten 211–216 geführt hat. Wie zu sehen ist, haben sich Geisterziele 213 und 214 in jeweils zwei Geisterziele 213a, 213b und 214a, 214b aufgespalten.
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In 2c ist nochmals die bereits beschriebene Situation zu sehen, diesmal jedoch nach nochmaligem Ablauf einer zusätzlichen Zeitdauer von 1,5 s. Da Geisterziele 212, 213, 214a, 214b, 215a und 215b ein ungewöhnliches Bewegungsverhalten aufweisen und sich ihre Position zudem keinem in einer digitalen Karte hinterlegtem Straßenverlauf zuordnen lässt, werden sie als Geisterziele erkannt und verworfen. Tatsächlich existierendes Objekt 216 hingegen weist ein gleichmäßiges, für Fahrzeuge typisches Bewegungsverhalten auf und lässt sich einem in einer digitalen Karte hinterlegtem Straßenverlauf zuordnen. Somit wird Objekt 216 als tatsächlich existierend erkannt.
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3 zeigt eine Überlagerung einer relativgeschwindigkeitsabhängigen Entfernungskurve 36 mit zwei Ellipsen und 32, welche beispielsgemäß nahezu kreisförmig ausgebildet sind. Empfänger 33 liegt in einem ersten Brennpunkt von Ellipsen 31 und 32, während Absender 34 in einem zweiten Brennpunkt von Ellipsen 31 und 32 liegt. Die in 3 weiß dargestellten Linien sind Linien gleicher Dopplerfrequenz. Eine von Empfänger 33 gemessene Dopplerfrequenz verringert sich mit zunehmender Annäherung an Objekt 35, durchläuft einen Nulldurchgang beim Passieren von Objekt 35 und wächst mit negativem Vorzeichen bei anschließend wieder zunehmender Entfernung zu Zielobjekt 35. Entfernungskurve 36 schneidet Ellipsen 31 und 32 an vier stellen 35, 37, 38 und 39. Somit kennt Empfänger 33 vier mögliche Positionen von Objekt 35. Diese Mehrdeutigkeit der Position von Objekt 35 kann Empfänger 35 durch zeitliches Beobachten des Bewegungsverhaltens von Objekt 35 auflösen und so die tatsächliche Position von Objekt 35 ermitteln.
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Gemäß einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine Breitbandempfangseinheit in Form eines analogen Fernsehempfängers mit 5 MHz Bandbreite am Basisband-Ausgang. Durch einen Frequenzwechsel über verschiedene Sender hinweg kann eine Karte mit den Positionen der Objekte erstellt werden. Vergleichsweise gut sind hierfür sogenannte Inflektoren als Objekte geeignet, da sie die Kommunikationssignale über vergleichsweise weite Entfernungen reflektieren. Reine Rückreflektionen hingegen erreichen den Empfänger in diesem Fall oftmals nicht mehr. Die Objekte liegen auf den Schnittpunkten von Ellipsen, in deren einem Brennpunkt der Empfänger und in deren anderem Brennpunkt der jeweilige Absender steht. Die Unterscheidung der tatsächlich existierenden Objekte von den Geisterzielen findet über zeitliche Beobachtung und sogenannte Markov-Bewegungsmodelle statt. Wenn sich die Position bzw. der Standort von Absender, Empfänger oder Objekt ändert, können die Geisterziele von echten Objekten unterschieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008061304 A1 [0003]
- DE 102007048809 A1 [0004]
- DE 102007058192 A1 [0005, 0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEEE 802.11p [0040]
- IEEE 802.11p [0063]
