DE10142953B4

DE10142953B4 - Verfahren zur Ortung mit einem mobilen Endgerät

Info

Publication number: DE10142953B4
Application number: DE10142953A
Authority: DE
Inventors: Harry-H. Evers
Original assignee: Individual
Current assignee: Ims - Innovative Mobile Solutions Ug (haftungs De
Priority date: 2001-09-01
Filing date: 2001-09-01
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2021-09-02
Also published as: DE10142953A1

Abstract

Verfahren zur Ortung mit einem mobilen Endgerät (M) in mindestens einem Mobilfunknetz mit einer Vielzahl von Basisstationen (BTS), wobei zur Ortung die Empfangsfeldstärken empfangbarer Basisstationen (BTS) durch das mobile Endgerät (M) gemessen und die gemessenen Empfangsfeldstärken mit entsprechenden ortsabhängigen Referenz-Pegeldaten korreliert werden, gekennzeichnet durch
– komprimiertes Abspeichern der Referenz-Pegeldaten für ein definiertes beschränktes räumliches Gebiet oder für definierte Verkehrswege in dem mobilen Endgerät (M) als Näherungsfunktionen oder Parameter davon,
– Berechnen der Position des mobilen Endgerätes (M) durch Einsetzen der gemessenen Empfangsfeldstärken und/oder von aufeinander bezogenen Empfangsfeldstärken in die Näherungsfunktionen und Lösen der Näherungsfunktionen im mobilen Endgerät (M),

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung mit einem mobilen Endgerät in mindestens einem Mobilfunknetz mit einer Vielzahl von Basisstationen, wobei zur Ortung die Empfangsfeldstärken empfangbarer Basisstationen durch das mobile Endgerät gemessen und die gemessenen Empfangsfeldstärken mit entsprechenden ortsabhängigen Referenz-Pegeldaten korreliert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Computer-Programm und ein mobiles Endgerät zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Navigation, Fuhrparksteuerung und Verkehrslagedatenerfassung ist es erforderlich, die Positionen mobiler Verkehrsteilnehmer regelmäßig zu erfassen. Vor allem zur Verkehrslagedatenerfassung (z. B. in einem Verkehrsmanagementsystem) müssen möglichst alle relevanten Wegedaten, wie z. B. Fahrtbeginn und Fahrtende, Quelle und Ziel, Fahrzweck, Verkehrsmittel und Route, von einer Vielzahl von Verkehrsteilnehmern ohne einen nennenswerten Zusatzaufwand für die Verkehrsteilnehmer automatisch erfasst werden.
Zur Ortung sind satellitengestützte Ortungsverfahren bekannt, bei denen mit Hilfe von Navigationssatelliten, insbesondere mit dem Global-Positioning-System (GPS) die Positionen relativ genau bestimmt werden können. Diese Verfahren erfordern nachteilig relativ aufwendige und teure Satelliten-Navigationsempfänger, die energieintensiv und störanfällig sind. Zudem bestehen Empfangslöcher z. B. in U-Bahnen, Tunnel etc., in denen eine Satelliten-Positionsbestimmung nicht möglich ist.
Es sind weiterhin z. B. aus der DE-OS 38 16 377 A1 und EP 0 838 692 A1 Ortungsverfahren in einem Mobilfunksystem bekannt, bei denen die Laufzeiten von Signalen zwischen mobilen Endgeräten und Basisstationen gemessen werden. Die Laufzeitmessung und Positionsauswertung erfolgt zentral in der Basisstation. Sie weist nur eine relativ geringe Genauigkeit auf. Die Kapazität dieses Systems ist begrenzt und daher nicht im großen Maßstab einsetzbar.
Zur Erfassung des Verkehrs werden weiterhin Detektionsschleifen in Fahrbahnen eingelassen, um Fahrzeuge lokal zu zählen. Zudem sind Infraroterfassungsgeräte vor allem auf Autobahnen oberhalb der Fahrbahn angebracht. Diese Maßnahmen sind sehr kostenaufwendig und bieten nur Informationen für einen bestimmten Streckenabschnitt. Eine Aussage über das Verkehrsverhalten individueller Verkehrsteilnehmer kann mit diesen Maßnahmen nicht gewonnen werden.
Bei der sogenannten FCD-Methode (Floating-Car-Data) werden fahrzeugbezogene Kenngrößen wie Position und Geschwindigkeit mit Sensoren ermittelt, die in den Fahrzeugen eingebaut sind, und über Datenfunk an eine Zentrale übertragen. Die FCD-Methode erfordert nachteilig eine entsprechende Aufrüstung der Fahrzeuge mit einem Satelliten-Navigationsempfänger und einem Kommunikationssystem.
In der DE-OS 37 16 320 A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung mit Hilfe von Mobiltelefonen beschrieben, wobei eine Position mit Hilfe der Feststations nummer einer Basisstation ermittelt wird, in dessen Funkzelle sich das Mobiltelefon befindet. Hierdurch kann die Position in einer Genauigkeit entsprechend der Ausdehnung der Funkzelle bestimmt werden. Als zusätzliche Standortinformation wird die Feldstärkeinformation der Basisstation gemessen und mit bekannten Sollwerten verglichen. Die gemessenen Feldstärkeinformationen können jedoch nicht eindeutig einer Position zugeordnet werden. Zudem sind sie stark von Umwelteinflüssen abhängig.
In der EP-PS-O 777 863 B1 ist ein Navigationsinformationssystem beschrieben, bei dem mobile Einheiten über einen Satelliten-Navigationsempfänger oder über ein Funkortungssystem des Kommunikationssystems ermittelt und die Positionen der mobilen Einheiten an eine Zentrale gesendet werden. Die Routenplanung erfolgt in einer Zentrale, die auf eine Datenbank mit geographischen Daten zurückgreift. Hierdurch entfällt ein aufwendiges Navigationssystem im Fahrzeug. Durch das Satelliten-Navigationssystem können relativ genaue Koordinaten ermittelt werden. Dies ist jedoch teuer und aufwendig. Das System hat weiterhin den Nachteil, dass das Verkehrsverhalten nur in definierten Zonen ermittelt werden kann.
In der WO 98/12683 A ist ein Verfahren zur Verkehrsdatenerfassung mit Mobiltelefonen beschrieben, bei dem die Position des Mobiltelefons mit Hilfe der Basisstationskennung und funktechnischen Informationen bestimmt wird. Dabei erfolgt eine Zuordnung der Position auf das Wegenetz in der Zelle, die in einer geographischen Informationsdatenbank abgespeichert ist.
Die in den dezentralen Einheiten gesammelten Daten werden an eine Zentrale übermittelt, in der die Daten unter Verwendung von zellcharakteristischen Informationen geographische Informationen über das Wegenetz zugeordnet werden, um den Fahrweg eines Fahrzeugs zu rekonstruieren.
Eine bestimmte Route wird hierbei insbesondere durch Auswertung des Zellkennungswechsels ermittelt. Diese Route wird den Verkehrswegen zugeordnet, die für diese ermittelten Routen verfügbar sind. Ein solches Verfahren ist auch in der DE-OS 197 55 891 A1 beschrieben.
In der DE-PS 198 24 528 ist ein Verfahren zur Detektion von Transpondern anhand definierter Feldcharakteristika beschrieben. Nach Detektion eines Transponders in einer ersten Zelle wird die Feldcharakteristik einer benachbarten Zelle derart eingestellt, dass sich diese von derjenigen der ersten Zelle unterscheidet.
In der WO 96/42179 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Auflösung eines Ortungssystems mit Mobiltelefonen beschrieben, bei dem gemessene Positionen gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Zusatzinformationen wie Geschwindigkeit auf Transportwege projiziert werden.
In der EP 0 290 725 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des ungefähren Aufenthaltsortes einer mobilen Funkstation offenbart, bei dem die Feldstärkeinformation eines von einer Feststation an die mobile Funkstation ausgesendeten Datentelegramms gemessen und ausgewertet und als zusätzliche Standortinformation an die Feststation zurückgesendet wird.
In Martin Junius: „Intelligentes Radio Ressource Management Mustererkennung mit GSM-Funkmessdaten und Anwendung”, in: ITG-Fachberichte, 27. September 1993, ist ein Verfahren beschrieben, bei dem Pegel von bis zu sechs Nachbarzellen von einem mobilen Endgerät gemessen werden und entsprechende Messwertreporte periodisch an eine Basisstation geschickt und dort mit Mustererkennungsverfahren zur Ortsbestimmung ausgewertet werden. Ein entsprechendes Verfahren ist auch in Martin Junius und Olrik Kennemann: „New Methods for Processing GSM-Radio Measurement Data: Applications for Locating, Handover and Network Management”, in: Proceedings of the Vehicular Technology Conference, US, New York, IEEE, Bd. Conf. 44, 08. Juni 1994, Seiten 338 bis 342, offenbart.
In der WO 01/01715 A1 wird zur Verbesserung der bekannten Verfahren ein Ortungsverfahren vorgeschlagen, bei denen die gemessenen Empfangsfeldstärken von mindestens zwei Basisstations-Sendeempfängern eines Mobilfunknetzes aufeinander bezogen und diese aufeinander bezogenen Empfangsfeldstärken mit positionsabhängig gespeicherten Referenzfeldstärke-Pegelmustern verglichen werden. Dadurch, dass nicht nur eine absolute Feldstärkeinformation, sondern die Verhältnisse der Empfangsfeldstärken verschiedener Basisstations-Sendeempfänger eines Mobilfunknetzes zueinander berücksichtigt werden, kann eine Position relativ eindeutig bestimmt werden. Auch wenn die absoluten Feldstärkeinformationen eines Basisstations-Sendeempfängers an mehreren Orten gleich ist, trifft dies in der Regel nicht für das Verhältnis der Empfangsfeldstärken benachbarter Basissations-Sendeempfänger zueinander zu.
Das Problem bei diesen bekannten Verfahren, in denen die absoluten Feldstärkeinformationen ausgewertet und mit Referenzdaten verglichen werden, besteht darin, dass erhebliche Mengen an Referenzdaten abgespeichert und verwaltet werden müssen. Das Berechnen der Position durch Korrelation der gemessenen Empfangsfeldstärken mit den Referenz-Pegeldaten erfolgt daher herkömmlicherweise in der Zentrale, wobei die gemessenen Empfangsfeldstärken von den mobilen Endgeräten zusammen mit Zeitinformationen gesammelt und periodisch an die Zentrale geschickt werden.
Aufgabe der Erfindung war es, ein noch weiter verbessertes Ortungsverfahren mit einem mobilen Endgerät zu schaffen, wobei die Position mit dem mobilen Endgerät berechnet werden kann, das eine begrenzte Speicherkapazität und Rechenleistung hat.
Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch

– komprimiertes Abspeichern der Referenz-Pegeldaten für ein definiertes beschränktes räumliches Gebiet oder für definierte Verkehrswege in dem mobilen Endgerät als Näherungsfunktionen oder Parameter davon, und
– Berechnen der Position des mobilen Endgerätes durch Einsetzen der gemessenen Empfangsfeldstärken und/oder von aufeinander bezogenen Empfangsfeldstärken in die Näherungsfunktionen und Lösen der Näherungsfunktionen im mobilen Endgerät.

Es wird somit vorgeschlagen, die Pegeldaten als Näherungsfunktionen abzubilden. Dies hat den Vorteil, dass nur noch die Parameter der Näherungsfunktionen abgespeichert werden müssen und damit ein hoher Komprimierungsfaktor erreicht wird. Gleichzeitig wird zudem der Rechenaufwand erheblich reduziert, da zur Positionsbestimmung die gemessenen Empfangsfeldstärken in das System Näherungsfunktionen eingesetzt und das Gleichungssystem mit bekannten Methoden algorithmisch gelöst wird. Ein rechenaufwendiger Mustervergleich ist nicht mehr erforderlich.
Vorteilhafterweise werden Referenz-Pegeldaten nur für ein definiertes beschränktes räumliches Gebiet oder definierte Verkehrswege, wie z. B. Autobahnen und Landstraßen in dem mobilen Endgerät abgespeichert. Auf diese Weise kann der erforderliche Speicher- und Rechenbedarf weiter reduziert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die komprimierten Referenz-Pegeldaten über einen Mobilfunkkanal von einer Ortungszentrale an das mobile Endgerät übertragen werden. Dann können die Daten insbesondere beschränkt auf ein definiertes räumliches Gebiet bedarfsweise von dem Nutzer z. B. in einem Mehrwertdienst angefordert werden. Die Nutzbarkeit der Referenz-Pegeldaten ist vorzugsweise, insbesondere bei einem Mehrwertdienst, zeitlich begrenzt, so dass neben der räumlichen auch eine zeitliche Beschränkung der Ortungsfunktionalität im Endgerät besteht.
Die Referenz-Pegeldaten werden durch geeignet gewählte Funktionen mit kompakten oder unendlichem Träger approximiert. Die Näherungsfunktionen sind vorzugsweise lineare Näherungsfunktionen, wie z. B. Lagrange-Oberflächenfunktionen. Es können aber auch sonstige Funktionen, insbesondere zweidimensionale Polynome höherer Ordnung und quadratische oder kubische Funktionen verwendet werden.
Die Positionsberechnung kann unter Umständen bereits in den komprimierten und transformierten Referenz-Pegeldaten erfolgen. Zumindestens kann der zur Lokalisierung in Frage kommende Bereich durch einen Vergleich der Ortungsdaten mit den transformierten Signalen eingegrenzt werden, so dass nur noch ein begrenzter Teilbereich, in dem dann die exakte Lokalisierung stattfindet, zur Positionsberechnung zurücktransformiert werden muss. Dies spart Zeit und Speicherplatz.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – Skizze eines Ausschnitts eines Mobilfunknetzes mit vier Basisstationen und einem mobilen Endgerät;
2 – Referenz-Pegeldaten-Diagramme des Mobilfunknetzes und daraus abgeleitete lineare Näherungsfunktionen.
Die 1 lässt eine Skizze eines Ausschnittes eines Mobilfunknetzes mit vier Zellen A₁, A₂, A₃ und A₄ erkennen. Jede Zelle A₁, A₂, A₃ und A₄ hat eine Basisstation BTS1, BTS2, BTS3, BTS4, um die Kommunikation mit einem mobilen Endgerät M zu ermöglichen. Die Basisstationen BTS sind in bekannter Weise zu einem Telekommunikationsnetz verschaltet.
Zur Ortung wird ausgenutzt, dass die Positionen der Basisstationen BTS und die Bereiche der Zellen A bekannt sind. Befindet sich das mobile Endgerät M, wie dargestellt, im Schnittbereich der Zellen A₁, A₃ und A₄, so werden die Service-Zellen-Identifikationen der drei empfangbaren Basisstationen BTS1, BTS3 und BTS4 der drei Zellen A₁, A₃ und A₄ gemessen. Die Position des mobilen Endgerätes M kann somit auf die Schnittfläche S der drei Zellen A₁, A₃ und A₄ eingeschränkt werden.
Zur Verfeinerung der Ortsbestimmung wird die Empfangsfeldstärke der drei empfangbaren Basisstationen BTS1, BTS3 und BTS4 gemessen. Diese Empfangsfeldstärken werden gegebenenfalls zusätzlich aufeinander bezogen, indem zum Beispiel die Quotienten oder Differenzen der Empfangsfeldstärken zueinander berechnet werden. Diese gemessenen Empfangsfeldstärken werden mit entsprechenden vorher ausgemessenen und abgespeicherten Referenz-Pegeldaten korreliert. Hierzu werden erfindungsgemäß die Referenz-Pegeldaten als lineare Näherungsfunktionen abgebildet und die gemessenen Empfangsfeldstärken und gege benenfalls die aufeinander bezogenen Empfangsfeldstärken in das Gleichungssystem der linearen Näherungsfunktionen eingesetzt und dieses in bekannter Weise gelöst.
Die 2 lässt die Transformation der Referenz-Pegeldaten in zweidimensionale lineare Näherungsfunktionen erkennen. In Messfahrten werden Referenz-Empfangsfeldstärken als Referenz-Pegeldaten aufgenommen und diese Daten georeferenziert. Hierzu werden die Referenz-Pegeldaten z. B. in Abhängigkeit von den X- und Y-Koordinaten oder von den Längen- und Breitengraden abgespeichert.
Herkömmlicherweise findet ein Mustervergleich zwischen den gemessenen Empfangsfeldstärken und den Referenz-Pegeldatenmustern statt.
Erfindungsgemäß werden aus den Referenz-Pegeldaten lineare Näherungsfunktionen abgeleitet. Hierbei werden die Empfangsfeldstärken für jede Basisstation BTS als lineare Näherungsfunktionen komprimiert abgespeichert. Die linearen Näherungsfunktionen können z. B. Polgnome n-ter Ordnung sein. Zum Übertragen und Abspeichern der Näherungsfunktionen werden nur die Parameter und der Grad des entsprechenden Polynoms berücksichtigt.
Zusätzlich können die linearen Näherungsfunktionen jeweils aufeinander bezogen werden, indem z. B. die Quotienten gebildet werden. Zur Positionsberechnung werden die gemessenen Empfangsfeldstärken in das so erhaltene System linearer Näherungsfunktionen eingesetzt und dieses in bekannter Weise z. B. mit numerischen Verfahren gelöst.
Die Referenz-Pegeldaten werden vorzugsweise von einer Zentrale auf Anforderung durch das mobile Endgerät für eine bestimmte Region linearisiert und komprimiert an das mobile Endgerät M gesendet. Das mobile Endgerät hat einen Algorithmus zur Korrelation der übertragenen Referenzdaten mit den aktuellen Messwerten der Empfangsfeldstärken und zur Berechnung der Position mit reduziertem Rechenaufwand. Die Referenz-Pegeldaten werden über einen Mehrwertdienst begrenzt auf ein bestimmtes Gebiet von der Zentrale bezogen, so dass auch nur für diese Region eine Positionsbestimmung möglich ist. Die Gültigkeit der Referenz-Pegeldaten kann zeitlich begrenzt werden, so dass neben der räumlichen auch eine zeitliche Beschränkung der Ortungsfunktionalität im mobilen Endgerät M möglich ist. Diese Beschränkungen richten sich nach den abgeschlossenen Verträgen mit den Lieferanten der Referenzdatenbank, die entsprechende Staffelungen vorsehen können.
Beispielsweise können auch Referenz-Pegeldaten generiert werden, die sich lediglich auf das bundesdeutsche Autobahnnetz oder eine Stadt beziehen. Bei Anwendung des Ortungsalgorithmus ist dann lediglich die Positionsbestimmung innerhalb der aufgeführten und vorhandenen Referenz-Pegeldatenausschnitte möglich.
Eine sehr effiziente Methode hinsichtlich des Komprimierungsfaktors und der Rechenzeit zur Komprimierung der zweidimensionalen Referenz-Pegeldaten ist die Berechnung einer 2-dimensionalen Wavelet-Transformation, die vorteilhaft mit dem aus dem JPEG2000-Komprimierungsstandard bekannten „Lifting Scheme” ausgeführt werden kann. Dies entspricht einer Approximation des Signals durch geeignet gewählte Wavelet-Funktionen. Es wird eine Multi-Skalen Zerlegung des Signals berechnet, wobei grobe Skalen die langwelligen Anteile des Signals und feine Skalen die kurzwelligen Anteile, d. h. die Details, des Signal beinhalten. Je nach erforderlichem Übereinstimmungsgrad des komprimierten Signals mit dem Original-Signal werden entsprechend viele Skalen berechnet und übertragen. Die Genauigkeit und damit auch das Datenvolumen ist somit skalierbar. Ein Weglassen von feinen Skalen bewirkt eine unter Umständen erwünschte Glättung des Signals.
Die Berechnung der Wavelet-Transformation kann im beliebig dimensionalen Raum erfolgen oder es können die Wavelet-Funktionen mehrfach für jeden Kanal separat berechnet werden. Dabei ist die Wavelet-Transformation lokal, das heißt es kann das abgegrenzte Areal in kleine Teile unterteilt werden, für die seriell oder ggf. parallel der Vergleich mit den Ortungsdaten durchgeführt wird. Bei begrenztem Speicherplatz ist es vorteilhaft, die Synthese der Referenz-Pegeldaten päärchenweise durchzuführen.

Claims

Verfahren zur Ortung mit einem mobilen Endgerät (M) in mindestens einem Mobilfunknetz mit einer Vielzahl von Basisstationen (BTS), wobei zur Ortung die Empfangsfeldstärken empfangbarer Basisstationen (BTS) durch das mobile Endgerät (M) gemessen und die gemessenen Empfangsfeldstärken mit entsprechenden ortsabhängigen Referenz-Pegeldaten korreliert werden, gekennzeichnet durch – komprimiertes Abspeichern der Referenz-Pegeldaten für ein definiertes beschränktes räumliches Gebiet oder für definierte Verkehrswege in dem mobilen Endgerät (M) als Näherungsfunktionen oder Parameter davon, – Berechnen der Position des mobilen Endgerätes (M) durch Einsetzen der gemessenen Empfangsfeldstärken und/oder von aufeinander bezogenen Empfangsfeldstärken in die Näherungsfunktionen und Lösen der Näherungsfunktionen im mobilen Endgerät (M),
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zeitliche Beschränkung der Nutzbarkeit der Referenz-Pegeldaten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch Übertragen der komprimierten Referenz-Pegeldaten über einen Mobilfunkkanal von einer Ortungszentrale an das mobile Endgerät (M).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Näherungsfunktionen lineare Lagrange-Oberflächenfunktionen, quadratische oder kubische Näherungsfunktionen sind.
Computerprogrammprodukt mit Programm-Code-Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programm in einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird.
Mobiles Endgerät mit einem Programm zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programm auf der Datenverarbeitungseinheit des mobilen Endgeräts (M) ausgeführt wird.