DE102006010380A1 - In einem tragbaren mobilen Endgerät vorgesehene Indoor-Navigationsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Navigationsvorrichtung ist in einem tragbaren mobilen Endgerät zur Bereitstellung und Anzeige von Navigationsinformationen für Personen innerhalb von Gebäuden (Indoor-Navigation) unter Verwendung von Funksignalen vorgesehen. Eine Sendeeinrichtung (4) mit Antenne (5) dient zur Aussendung von Ultrabreitband(UWB)-Datensignalen in Form einer Folge extrem kurzer Impulse im Pikosekundenbereich. Eine stets unmittelbar nach Aussendung einer Impulsfolge eingeschaltete UWB-Empfangseinrichtung (6) empfängt über eine Antenne (7) Reflexionssignale der ausgesendeten UWB-Impulsfolgesignale. Eine empfangsseitig angeordnete Auswerte- und Bewegungsdetektionseinrichtung (8, 10) ermittelt Veränderungen der reflektierten Impulssignale in Bezug auf deren Laufzeit und Dopplerverschiebung als Kanalimpulsantwort und bestimmt aus diesen Veränderungen die aufgetretene Lageänderung bzw. Bewegung des mobilen Endgeräts durch Schätzung, die als Navigationsinformation zur Anzeige bereitgestellt wird. Vorzugsweise sind im Endgerät mehrere Sende-/Empfangszüge mit jeweils einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung vorgesehen. Anwendung bei der Indoor-Navigation.

Description

• Die Erfindung betrifft eine in einem tragbaren mobilen Endgerät vorgesehene Navigationsvorrichtung zur Bereitstellung und Anzeige von Navigationsinformationen für Personen innerhalb von Gebäuden (Indoor-Navigation) unter Verwendung von Funksignalen.
• In den letzten Jahren hat sich die Navigation mit Hilfe von Satellitensignalen (GNSS; Global Satellite Navigation Systems) als ein nicht mehr wegzudenkender Bestandteil unserer modernen technischen Infrastruktur entwickelt. Neben dem verbreitet angewandten US-System GPS (Global Positioning System) wird in Europa das sogenannte "Galileo"-System entwickelt, welches in wenigen Jahren in Betrieb genommen werden soll. Bislang liegen vielfältige Anwendungen dieser Systeme in den Bereichen Logistik, Verkehr und Überwachung von Personen und Gütern. GNSS hat die Eigenschaft, dass gleichzeitig im Wesentlichen "Sichtkontakt" zu mindestens drei Satelliten bestehen muss, um eine Positionsfeststellung vorzunehmen. Dies hat zur Folge, dass innerhalb von Gebäuden Anwendungen der Satellitennavigation nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich sind.
• Im Bereich der Personennavigation hat sich aber in einigen Anwendungsfeldern GNSS als Mittel der Wahl durchgesetzt, z.B. als mitgeführtes GPS-Empfangsgerät für den Wanderer und Bergsteiger oder für den Touristen zu Fuß in einer Stadt. Bei diesen bekannten Anwendungen muss sich der Benutzer allerdings im Klaren darüber sein, dass eine Navigation nur im Freien einwandfrei funktioniert, was beispielsweise beim Bergsteigen zutrifft. Jedoch haben Personen auch und gerade in Gebäuden das Bedürfnis nach Orientierung und Wegweisung. Beispiele sind das Bewegungs- und Positionsinformationen in den Untergeschossen großer Städte, in Kaufhäusern, in Museen, in Flughäfen und Bahnhöfen sowie in fremden Firmengeländen oder Behördengebäuden.
• Die gegenwärtig verwendeten Navigationssysteme für Fußgänger beruhen also zumeist auf GPS oder aber es handelt sich um dedizierte, einen hohen Infrastrukturaufwand erfordernde Indoor-Systeme mit Infrarotbaken.
• Aus DE 101 21 260 A1 ist ein Navigationssystem bekannt, das in der Lage ist, auch innerhalb eines Gebäudes oder wenn keine Satellitennavigationssignale zu empfangen sind, mit einem mobilen Endgerät die aktuelle Position genau zu bestimmen. Dieses System sieht für eine Person eine tragbare Navigationsvorrichtung vor, die mindestens einen Empfänger zum Empfang von Positionsinformationen, Verarbeitungsmittel zur Verarbeitung empfangener Positionsinformationen und Anzeigemittel zur Anzeige empfangener Positionsinformationen umfasst, wobei mindestens einer der Empfänger derart aufgebaut ist, dass Positionsinformationssignale empfangbar sind, die keine von Satelliten stammenden Signale sind. Es kann sich hierbei beispielsweise um Positionsinformationssignale handeln, die von einem Transponder, einer Induktionsschleife oder einem Bild-/Texterkennungsmittel ausgesendet und für die mobile Navigationsvorrichtung bereitgestellt werden. Für dieses bekannte Navigationssystem ist demnach die Einrichtung einer umfangreichen und aufwendigen technischen Infrastruktur in den betreffenden Gebäuden erforderlich, da eine Ermittlung der Bewegung und der Lage des mobilen Endgeräts und damit der dieses Endgerät tragenden Person allein mit GPS-Maßnahmen im Gebäude in weiten Bereichen wegen der GPS-Signalempfangsprobleme nur unzureichend möglich ist.
• Grundsätzlich kann die Bewegung eines tragbaren Navigationsendgeräts auch mit einem darin eingebauten oder zusätzlichen Kreiselsystem ermittelt werden. Kreiselsysteme sind jedoch für den Betrieb in Verbindung mit einem tragbaren Endgerät gewöhnlich zu groß und außerdem viel zu teuer.
• Beschleunigungsmesser ohne Kreiselsystem sind in Verbindung mit einem tragbaren Endgerät ebenfalls nur sehr bedingt einsetzbar.
• Prinzipiell lassen sich zum Zweck einer die Bewegung und Lage in einem Gebäude erfassenden Indoor-Navigation auch Magnetfeldsensoren in einem tragbaren Endgerät verwenden. Magnetfeldsensoren sind allerdings bezüglich magnetischer Störungen äußerst anfällig, so dass von einer Anwendung derartiger Sensoren eher abzuraten ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Navigationsvorrichtung zum Einsatz in einem tragbaren mobilen Endgerät zu schaffen, mit dem sich ohne aufwendige Infrastruktur die Bewegung des mit der Navigationsvorrichtung ausgestatteten, mobilen Endgeräts bzw. dessen Lage innerhalb eines Gebäudes zuverlässig schätzen lässt.
• Gemäß der Erfindung, die sich auf eine in einem tragbaren mobilen Endgerät vorgesehene Navigationsvorrichtung der eingangs genannten Art bezieht, ist die Lösung dieser Aufgabe gekennzeichnet durch:
  eine Sendeeinrichtung mit Antenne zur Aussendung von Ultra breitband(UWB)-Datensignalen in Form einer Folge extrem kurzer Impulse im Pikosekundenbereich,
  eine stets unmittelbar nach Aussendung einer Impulsfolge eingeschaltete Empfangseinrichtung von Ultrabreitband(UWB)-Sig nalen zum Empfang von Reflexionssignalen der ausgesendeten UWB-Impulsfolgesignale über eine Antenne, und
  eine empfangsseitig angeordnete Auswerte- und Bewegungsdetektionseinrichtung, in welcher Veränderungen der reflektierten Impulssignale in Bezug auf deren Laufzeit und Dopplerverschiebung als Kanalimpulsantwort ermittelt werden und aus diesen Veränderungen die aufgetretene Lageänderung bzw. Bewegung des mobilen Endgeräts durch Schätzung bestimmt wird, die als Navigationsinformation zur Anzeige bereitgestellt wird.
• Durch die Einführung von Ultrabreitband(UWB)-Technologien für die Datenübertragung werden auf dieser Technologie beruhende Systeme auch in mobilen Telefonen und anderen mobilen Endgeräten zum Einsatz kommen. Die Ultrabreitband(UWB)-Technologie beschreibt die Nutzung extrem großer Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz oder von mindestens 20 % der Mittenfrequenz. Die Dateninformationen werden bei dieser Technologie nicht einer bestimmten sinusförmigen Trägerfrequenz aufmoduliert, sondern durch eine definierte Folge kurzer Impulse übertragen. Dadurch wird das Trägersignal sehr breitbandig und die Sendeleistung verteilt sich auf einen großen spektralen Bereich. Für einen schmalbandigen Empfänger erscheint ein UWB-Signal wie Rauschen.
• Für die Navigationsvorrichtung nach der Erfindung ist der sogenannte "Short Pulse Mode" von vordringlichem Interesse. In diesem Modus sendet die UWB-Sendeeinrichtung Folgen aus extrem kurzen Impulsen im Pikosekundenbereich aus, welche die Daten tragen.
• Bei der Navigationsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird die Sendeeinrichtung nach der Sendung einer UWB-Datenimpulsfolge abgeschaltet und auf Empfang umgeschaltet, so dass die Reflexionen der ausgesendeten Impulssignale an Wänden, Schränken und anderen Funksignale reflektierenden Gebäudeeinrichtungen empfangen und detektiert werden können. Die Veränderung der reflektierten Impulse in Bezug auf deren Laufzeit und Dopplerverschiebung kann nur aus einer Lageveränderung bzw. Bewegung des mobilen Endgeräts herrühren, so dass sich mittels einer Laufzeit- und Dopplerverschiebungsauswertung auf Position und Bewegung des mobilen Endgeräts und somit der das Endgerät tragenden Person rückschließen lässt.
• Die Navigationsvorrichtung nach der Erfindung stellt damit einen völlig neuen tragbaren, innerhalb eines mobilen Endgeräts integrierbaren Bewegungssensor dar, der die Positionsfeststellung und Bewegung von Personen in Gebäuden drastisch verbessert.
• Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, im tragbaren mobilen Endgerät mehrere Sende-/Empfangszüge und damit parallel mehrere Sendeeinrichtungen und Empfangseinrichtungen anzuordnen und eine für alle Empfangseinrichtungen gemeinsame Bewegungsdetektionseinrichtung vorzusehen, mittels welcher unter Heranziehung der Kanalimpulsantworten aller Empfangseinrichtungen die Schätzung der Bewegung und/oder der Lage des mobilen Endgeräts durchgeführt wird.
• Eine noch genauere Ermittlung von Positionen und Positionsänderungen in Gebäuden wird in zweckmäßiger Weise durch eine im mobilen Endgerät vorgesehene Kombination der erfindungsgemäß ausgebildeten Navigationsvorrichtung mit einer oder mehreren zusätzlichen Navigationsquellen erreicht. Eine derartige zusätzliche Navigationsquelle kann durch eine Empfängereinrichtung für Satellitennavigationssignale, z.B. GPS- oder Galileo-Signale, realisiert sein, so dass sich beide Navigations systeme gegenseitig stützen und eine Verbesserung der Positionsergebnisse herbeiführen. Es ist allerdings dabei zu berücksichtigen, dass in vielen Innenraumbereichen die Satellitennavigationssignale nur schwach oder überhaupt nicht empfangen werden können. Eine weitere zusätzliche Navigationsquelle kann in Form einer MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)-Kreiseleinrichtung zum Einsatz kommen, wodurch sich noch bessere und zuverlässigere Positions- und Bewegungsergebnisse erzielen lassen. Unter MEMS versteht man eine Kombination aus mechanischen Elementen, Sensoren, Aktuatoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat bzw. Chip. MEMS-Systeme beruhen auf der Halbleiter-Elektronik. Die Mikroelektronik beschränkt sich auf elektrische Komponenten wie z.B. Transistoren und Kondensatoren. Die Mikrosystemtechnik erweitert diese Palette um mechanische, optische, chemische und/oder biologische Komponenten.
• Bei Verwendung von zwei oder mehr kombinierten Navigationsquellen ist in der Navigationsvorrichtung vorteilhaft ein Aggregator vorgesehen, der die Signale der Navigationsquellen zusammenfasst und daraus eine neue Lage und/oder Bewegung bestimmt. Zur Bestimmung der neuen Lage und/oder Bewegung können beispielsweise Kalmann-Filter-Techniken benutzt werden.
• In besonders vorteilhafter Weise erfolgt bei Benutzung von zwei oder mehr kombinierten Navigationsquellen aber die Bestimmung der neuen Lage und/oder Bewegung durch Selektion, Mittelung oder durch Algorithmen nach dem an sich bekannten Soft-Location(SoLo)-Verfahren erfolgt, bei dem die Daten von verschiedenen Lokalisierungssensoren als zwei- oder dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen dargestellt werden, die implizit eine Aussage über die Genauigkeit der jeweiligen Lokalisierungsverfahren beinhalten und eine Schnittstelle definieren, um die Lage- und/oder Bewegungsin formationen geeignet zu verarbeiten. Das Soft-Location(SoLo)-Verfahren ist z.B. aus dem Beitrag von K. Wendlandt, A. Ouhmich, M. Angermann, P. Robertson: "Implementation of Soft Location on mobile devices", International Symposium on Indoor Localisation and Position Finding, July 2nd 2002, DGON, Bonn (Germany) bekannt.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass in Ergänzung des mobilen Endgeräts ein oder mehrere lokale, ortsfeste Endgeräte, z.B. Baken, vorgesehen sind, an welche in der Navigationsvorrichtung empfangsseitig aus der Kanalimpulsantwort ermittelte "Fingerprints" drahtlos übertragen werden, und dass die lokalen Endgeräte so ausgebildet sind, dass sie mittels einer Karte von Fingerprints die Position des mobilen Endgeräts schätzen und die geschätzte Position an die Navigationsvorrichtung im mobilen Endgerät zurückmelden.
• Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den sich auf den Patentanspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbeziehenden Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Figur in Blockschaltbildform dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
• Die Figur zeigt eine für die Verwendung in einem mobilen Endgerät vorgesehene Navigationsvorrichtung mit drei parallel arbeitenden Sende-/Empfangszügen 1, 2 und 3, von denen zur Vereinfachung in der Figur nur der Aufbau des Sende-/Empfangszugs 1 im Einzelnen dargestellt ist. Die Sende-/Empfangszüge 1, 2 und 3 enthalten jeweils eine Ultrabreitband(UWB)-Sendeeinrichtung 4 mit Antenne 5, eine Ultrabreitband(UWB)-Empfangseinrichtung 6 mit Antenne 7 und eine Auswerteelektronik 8. In den Sende-/Empfangszügen 1, 2 und 3 wird von der Sendeeinrichtung 4 über die Antenne 5 jeweils ein Ultrabreitband-Funksignal in Form von Impulsfolgen aus extrem kurzen Impulsen im Pikosekundenbereich ausgestrahlt, welche die Daten tragen. Nach der Aussendung einer Impulsfolge wird im Sende-/Empfangszug 1, 2 und 3 jeweils auf Empfang geschaltet, so dass von der Empfangseinrichtung 6 über deren Antenne 7 die an Reflektoren 9, wie z.B. Wänden und Schränken, reflektierten Funksignale als Echosignale der vorher ausgesendeten Impulsfolge empfangen werden. Der empfangene Echopulszug wird jeweils in der Empfangseinrichtung 6 detektiert und der Auswerteelektronik 8 zugeführt, so dass als Ergebnis in jedem Sende-/Empfangszug 1, 2 und 3 eine Kanalimpulsantwort entsteht. Aus den Kanalimpulsantworten lässt sich die Veränderung der reflektierten Impulse in Bezug auf deren Laufzeit und Dopplerverschiebung entnehmen. Aus dieser Veränderung kann auf die erfolgte Lageänderung bzw. Bewegung des mobilen Endgeräts rückgeschlossen werden, da eine Veränderung der reflektierten Impulse bezüglich deren Laufzeit und Dopplerverschiebung nur aus einer Lageänderung bzw. Bewegung des mobilen Endgeräts resultieren kann. Die Kanalimpulsantworten der drei Empfangszüge 1, 2 und 3 werden in einer Bewegungsdetektionseinrichtung 10 rechnerisch ausgewertet, wobei eine Schätzung der Bewegung (geschätzte dreidimensionale Geschwindigkeit) und/oder der Lage des mobilen Endgeräts durchgeführt wird.
• Zur Verbesserung der Genauigkeit des Ergebnisses der Positionsänderung werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel noch zwei zusätzliche Navigationsquellen eingesetzt. Zum einen ist als zusätzliche Navigationsquelle eine Empfängereinrichtung 11 für Satellitennavigationssignale, z.B. GPS- oder Galileo-Signale, und zum anderen eine MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)-Kreiseleinrichtung 12 vorgesehen. Die Navigations quellen stützen sich gegenseitig und verbessern das Positionsergebnis, insbesondere weil in Innenräumen von Gebäuden die Satellitennavigationssignale vielfach nur sehr schwach oder überhaupt nicht empfangen werden können.
• Die Ermittlung der neuen Position und/oder der Bewegung erfolgt in einer SoLo-Einheit 13 durch Selektion, Mittelung oder durch Algorithmen nach dem bekannten Soft-Location(SoLo)-Verfahren, bei dem in diesem Ausführungsbeispiel die Daten der Bewegungsdetektionseinrichtung 10, der Satellitennavigationssignal-Empfängereinrichtung 11 und der MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)-Kreiseleinrichtung 12 als dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen dargestellt werden, die implizit eine Aussage über die Genauigkeit der drei genannten Lokalisierungsverfahren beinhalten und eine Schnittstelle definieren, um die einzelnen Positions- und/oder Bewegungsinformationen geeignet zu verarbeiten. Aus dieser Schnittstelle ergibt sich dann die endgültige momentane Positionsangabe des mobilen Endgeräts.

1, 2, 3

Sende-/Empfangszug

4

UWB-Sendeeinrichtung

5

Antenne

6

UWB-Empfangseinrichtung

7

Antenne

8

Auswerteelektronik

9

Reflektor

10

Bewegungsdetektionseinrichtung

11

Satellitennavigationssignal-Empfängereinrichtung

12

MEMS-Kreiseleinrichtung

13

Soft-Location(SoLo)-Einheit

Claims (9)

1. In einem tragbaren mobilen Endgerät vorgesehene Navigationsvorrichtung zur Bereitstellung und Anzeige von Navigationsinformationen für Personen innerhalb von Gebäuden (Indoor-Navigation) unter Verwendung von Funksignalen, gekennzeichnet durch: eine Sendeeinrichtung (4) mit Antenne (5) zur Aussendung von Ultrabreitband(UWB)-Datensignalen in Form einer Folge extrem kurzer Impulse im Pikosekundenbereich, eine stets unmittelbar nach Aussendung einer Impulsfolge eingeschaltete Empfangseinrichtung (6) von Ultrabreitband(UWB)-Signalen zum Empfang von Reflexionssignalen der ausgesendeten UWB-Impulsfolgesignale über eine Antenne (7), und eine empfangsseitig angeordnete Auswerte- und Bewegungsdetektionseinrichtung (8, 10), in welcher Veränderungen der reflektierten Impulssignale in Bezug auf deren Laufzeit und Dopplerverschiebung als Kanalimpulsantwort ermittelt werden und aus diesen Veränderungen die aufgetretene Lageänderung bzw. Bewegung des mobilen Endgeräts durch Schätzung bestimmt wird, die als Navigationsinformation zur Anzeige bereitgestellt wird.
2. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im tragbaren mobilen Endgerät mehrere Sendeeinrichtungen (4) und Empfangseinrichtungen (6) jeweils mit Antennen (5, 7) und damit mehrere Sende-/Empfangszüge (1, 2, 3) parallel angeordnet sind und dass eine für alle Empfangseinrichtungen gemeinsame Bewegungsdetektionseinrichtung (10) vorgesehen ist, mittels welcher unter Heranziehung der Kanalimpulsantworten aller Empfangseinrichtungen die Schätzung der Bewegung und/oder der Lage des mobilen Endgeräts durchgeführt wird.
3. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine im mobilen Endgerät vorgesehene Kombination mit einer oder mehreren zusätzlichen Navigationsquellen (11, 12).
4. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Navigationsquelle in Form einer Empfängereinrichtung (11) für Satellitennavigationssignale, z.B. GPS- oder Galileo-Signale, ausgebildet ist.
5. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Navigationsquelle in Form einer MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)-Kreiseleinrichtung (12) ausgebildet ist.
6. Navigationsvorrichtung nach einem der Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Navigationsvorrichtung vorgesehener Aggregator die Signale der Navigationsquellen zusammenfasst und daraus eine neue Lage und/oder Bewegung bestimmt.
7. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der neuen Lage und/oder Bewegung durch Selektion, Mittelung oder durch Algorithmen in einer Soft-Location-Einheit (13) nach dem bekannten Soft-Location(SoLo)-Verfahren erfolgt, bei dem die Daten von verschiedenen Lokalisierungssensoren (10, 11, 12) als zwei- oder dreidimensionale Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen dargestellt werden, die implizit eine Aussage über die Genauigkeit der jeweiligen Lokalisierungsverfahren beinhalten und eine Schnittstelle definieren, um die Lage- und/oder Bewegungsinformationen geeignet zu verarbeiten.
8. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der neuen Lage und/oder Bewegung Kalmann-Filter-Techniken vorgesehen sind.
9. Navigationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ergänzung des mobilen Endgeräts ein oder mehrere lokale, ortsfeste Endgeräte, z.B. Baken, vorgesehen sind, an welche in der Navigationsvorrichtung empfangsseitig aus der Kanalimpulsantwort ermittelte "Fingerprints" drahtlos übertragen werden, und dass die lokalen Endgeräte so ausgebildet sind, dass sie mittels einer Karte von Fingerprints die Position des mobilen Endgeräts schätzen und die geschätzte Position an die Navigationsvorrichtung im mobilen Endgerät zurückmelden.