DE102012009195A1

DE102012009195A1 - Vorrichtungsanordnung und Verfahren zur dynamischen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen

Info

Publication number: DE102012009195A1
Application number: DE102012009195A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hüttenbrink; Oliver Trinchera
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013167702A1

Abstract

Eine Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10) umfasst wenigstens einen Personenempfänger (16), der eine GNSS-Antenne (22) zum Empfang von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist. Die Vorrichtungsanordnung umfasst ferner eine Recheneinheit zur Berechnung von Positionsdaten des Personenempfängers (16) auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen. Gemäß der Erfindung ist die GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10) angeordnet. Ein Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10) umfasst folgende Schritte: Bereitstellen wenigstens eines Personenempfängers (16), der eine GNSS-Antenne (22) und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist; Bereitstellen einer Recheneinheit; Anbringen der GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10), insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person (10); Empfangen von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS mittels der GNSS-Antenne (22); und Berechnen von Positionsdaten des Personenempfängers (16) mit der Recheneinheit auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen.
Konventionelle satellitengestützte Positionsbestimmungstechniken basieren auf der Auswertung von Navigationssignalen von mehreren Satelliten eines globalen Navigationssatellitensystems (englisch: Global Navigation Satellite System) das nachfolgend gemäß der üblichen Abkürzung kurz als GNSS bezeichnet wird. Jeder Satellit der GNSS-Satellitenkonstellation strahlt kontinuierlich kodierte Radiosignale aus, die seine genaue Position und Uhrzeit angeben. Aus den Signallaufzeiten können spezielle GNSS-Empfänger dann ihre eigene Position und gegebenenfalls Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reicht dazu der Empfang der Signale von drei Satelliten aus. In der Praxis haben aber die Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt messen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem dann auch die genaue Zeit im Empfänger bestimmt werden kann.
Beim bekannten Global Positioning System (GPS) beispielsweise sendet eine Konstellation von GPS-Satelliten zwei getrennte Signale: das L1-Signal auf einer ersten Trägerwelle mit einem C/A-Code und das L2-Signal auf einer zweiten Trägerwelle mit einem P-Code. Die Codes enthalten die Bahndaten (Ephemeride) des jeweiligen Satelliten und den Sendezeitpunkt des Signals. Durch Messen der Code-Signale kann ein Empfänger seine Position mit einer Genauigkeit von wenigen Metern bestimmen.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist es notwendig, Störfaktoren wie Uhrenfehler, Einflüsse der Troposphäre und Ionosphäre, ungenaue Bahndaten, etc. zu kontrollieren. Die meisten dieser Fehler können durch die Differenzbildung von GNSS-Signalen zweier benachbarter Empfänger und den gleichzeitigen Empfang der Navigationssignale zweier Satelliten (Doppeldifferenzen) eliminiert werden. Konkret wird bei der Umsetzung dieser differentiellen Technik (DNGSS) neben dem DNGSS-Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll, ein Empfänger einer in der Nähe befindlichen Referenzstation mit genau bekannter Position einbezogen, der auch die Code-Signale empfängt und seine Position berechnet. Aus der Abweichung zwischen der tatsächlichen und der berechneten Position lassen sich für jeden Satelliten die wirklichen Laufzeiten der Signale zum Empfänger sehr genau bestimmen. Die Referenzstation übermittelt dann die Differenzen der theoretischen und der tatsächlichen Signal-Laufzeiten als Korrektursignale an den DNGSS-Empfänger. Dadurch kann eine Genauigkeit im Meter-Bereich erreicht werden, abhängig hauptsächlich von der Entfernung des DNGSS-Empfängers von der Referenzstation.
Hochqualitative Systeme, wie sie beispielsweise in der Geodäsie verwendet werden, wenden zusätzlich die sogenannte Trägerphasenmessung an. Hierbei wird die Phasendifferenz zwischen der vom Satelliten ausgesendeten Trägerphase und der Phase des im Empfänger erzeugten Referenzsignals ausgewertet. Es ist jedoch nur das Wellenreststück messbar. Die zur Entfernungsmessung notwendige Anzahl der ganzen Wellenlängen (Ambiguities) ist dagegen nicht ohne Weiteres zu bestimmen, da sich der sendende Satellit in ständiger Bewegung befindet und der Anfangszählerstand unbekannt ist. Für die schnelle Bestimmung der Wellenlängenanzahl wurden deshalb leistungsfähige Algorithmen entwickelt, wie etwa die Kombination von Code und Trägerphasenmessung, wobei die Codes als zusätzliche Messwelle aufgefasst werden. Eine zweite Methode sind Mehrdeutigkeitssuchfunktionen, bei der mit Hilfe statistischer Kriterien nach einer Lösung gesucht wird. Für Echtzeit-Messungen führt dies in der Praxis dazu, dass vor jedem Messbeginn der Empfänger zunächst die Phasenmehrdeutigkeiten von mindestens fünf Satelliten lösen muss. Dieser Prozess wird Initialisierung genannt. Die Güte der Initialisierung, und damit auch die Genauigkeit, hängt unter anderem von der Signalqualität, der Anzahl der empfangbaren Satelliten, der Entfernung zur Referenzstation, der Häufigkeit des Auftretens von Cycle Slips (Verlust der Phasenbeziehung bei der Trägerphasenmessung) und von den genutzten Trägerphasen ab. Grundsätzlich sind mit solchen Systemen Positionsbestimmungen im Millimeter-Bereich möglich. Nähere Erläuterungen und besondere Ausführungsformen solcher Systeme sind beispielsweise in der EP 0 420 338 B1 und der EP 0 968 577 B1 angegeben.
Anstatt der relativen Positionsbestimmungsverfahren (DGNSS) kann auch die sogenannte Precise Point Positioning (PPP) Auswertetechnik verwendet werden, die mittels komplexer Algorithmen ohne die Verwendung von Referenzempfängern ebenfalls hochgenaue Positionierungsergebnisse erreicht. Die PPP-Auswertung benötigt keine lokalen oder regionalen Referenzstationen, da die notwendigen präzisen Bahndaten und Satellitenuhrkorrekturen unabhängig von den Messungen von einem speziellen Datendienst, z. B. dem International GNSS Service (IGS), bereitgestellt werden. Es ist jedoch eine gewisse Initialisierungszeit bei der Inbetriebnahme eines solchen Systems erforderlich, bevor mit der präzisen Positionsbestimmung begonnen werden kann.
Bislang gibt es aber noch kein brauchbares System für die hochgenaue Positionsbestimmung von sich bewegenden Personen. So können Systeme, die auf Trägerphasenmessungen von Satellitensignalen basieren, nicht ohne Weiteres auf Personen übertragen werden. Der Empfang von Trägerphasendaten mittels am Körper getragener Empfänger ist nämlich aus mehreren Gründen problematisch: So können große Antennen nicht am Körper getragen werden, ohne die Bewegungsfreiheit einzuschränken. Des Weiteren können durch den menschlichen Körper bedingte Mehrwegeffekte (Mehrwegempfang; englisch: multipath) zu einer Verzerrung der Positionsbestimmung führen. Außerdem stellt der menschliche Körper eine Störquelle für elektromagnetische Signale dar, da Wasser – d. h. 80% des menschlichen Körpers – die Signale abschirmt. Zudem findet aufgrund der Bewegung der Person häufig eine Abschattung der Satelliten durch bestimmte Körperteile statt. Schließlich ist auch zu berücksichtigen, dass eine schnelle Änderung der Ausrichtung des Körpers eine Änderung der empfangenen Satelliten bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu überwinden und eine hochgenaue Ortung von Personen zu ermöglichen, insbesondere wenn sie sich in Bewegung befinden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 24. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen umfasst wenigstens einen Personenempfänger, der eine GNSS-Antenne zum Empfang von Navigationssignalen von Satelliten eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) und ein Funkmodul zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers an ein anderes Funkmodul aufweist. Die Vorrichtungsanordnung umfasst ferner eine Recheneinheit zur Bestimmung von Positionsdaten des Personenempfängers auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen. Gemäß der Erfindung ist die GNSS-Antenne des Personenempfängers an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person angeordnet, insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person.
Wie bereits eingangs erläutert, erlaubt gerade die Kombination von Code- und Trägerphasenmessungen von Satelliten-Navigationssignalen eine hochgenaue Positionsbestimmung. Für die angestrebte hochgenaue dynamische Positionsbestimmung von Personen, die stillstehen oder sich (schnell) bewegen können, müssen aber die bislang ungelösten Empfangsprobleme überwunden werden. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass GNSS-Antennen verfügbar sind, die von Personen ohne besondere Beeinträchtigung der Beweglichkeit getragen werden und bei erfindungsgemäßer Platzierung die Empfangsanforderungen erfüllen können, um eine satellitengestützte Positionsbestimmung zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass die GNSS-Antennen auch dann, wenn sich die Personen schnell und abrupt bewegen, dauerhaft die Navigationssignale von genügend Satelliten in einer Qualität empfangen können, wie sie für die Berechnung hochgenauer Positionsdaten erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung erlaubt sowohl die Verwendung von differentiellen Auswertetechniken (DGNSS) unter Einbeziehung eines nahegelegenen Referenzempfängers als auch die Verwendung der autarken Precise-Point-Positioning-Methode, die ohne einen solchen Referenzempfänger auskommt. Die erfindungsgemäße Positionsbestimmung ist in Echtzeit möglich und eröffnet nicht zuletzt deshalb ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Sportbereich.
Unter Satelliten sollen hier auch Pseudoliten verstanden werden, also terrestrische Sender, die Navigationssignale aussenden, die diejenigen eines Satelliten nachahmen.
Vorzugsweise ist die GNSS-Antenne des Personenempfängers eine Antenne mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre. Grundsätzlich kann bei geeigneter Ausrichtung aber auch eine richtungsabhängige Antenne verwendet werden.
Gemäß einer ersten Alternative weist der Personenempfänger ein Gehäuse auf, in dem mehrere Komponenten untergebracht sind, und die GNSS-Antenne ist in diesem Gehäuse angeordnet oder sie ragt unmittelbar aus diesem Gehäuse heraus. Gemäß einer zweiten Alternative ist die GNSS-Antenne außerhalb des Gehäuses angeordnet, insbesondere in einem Abstand von mehr als 2 cm, um Störungen beim Empfang durch die anderen Komponenten des Personenempfängers weitestgehend zu vermeiden. In diesem Fall ist die GNSS-Antenne mittels einer kabelgebundenen oder einer drahtlosen Funkübertragung an die anderen Komponenten des Personenempfängers angebunden, insbesondere an einen Mikrocontroller.
Sehr gute Empfangsergebnisse lassen sich erzielen, wenn die GNSS-Antenne am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person angeordnet ist, deren Position bestimmt werden soll.
Die Empfangseigenschaften können durch eine Schwenkeinrichtung für die GNSS-Antenne gesteigert werden, die an ein Gyroskop oder einen Beschleunigungssensor gekoppelt ist, oder durch eine Lagerung der GNSS-Antenne auf einem mit Fluid gefüllten Kissen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Recheneinheit, in der die wesentlichen Berechnungen zur Positionsbestimmung durchgeführt werden, in den Personenempfänger integriert und weist vorzugsweise einen Mikrocontroller auf.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist die Recheneinheit außerhalb des Personenempfängers, vorzugsweise in einer Referenzstation oder einer externen zentralen Auswerteeinheit, angeordnete Komponenten auf.
Insbesondere für eine differentielle Auswertung der GNSS-Daten zur absoluten Positionsbestimmung sollte der Personenempfänger mit einer nahegelegenen ortsfesten Referenzstation in Funkverbindung stehen, deren Position genau bekannt ist und die eine GNSS-Antenne zum Empfang derselben Navigationssignale der Satelliten des GNSS aufweist.
Die Referenzstation kann eine dedizierte Vorrichtung sein; sie kann aber auch durch ein WLAN-fähiges Gerät, insbesondere ein Notebook, mit geeigneter Software gebildet sein.
Die Positionsdaten können auf einem Endgerät, insbesondere einem Smartphone, Tablet oder Notebook, direkt oder in aufbereiteter Form visuell dargestellt werden
Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung kann erweitert werden durch einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung bestimmter Messgrößen, wobei die Recheneinheit der Vorrichtungsanordnung so ausgelegt ist, dass sie berechnete Positionsdaten des Personenempfängers mit den Messwerten des bzw. der Sensoren verknüpft. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten für die Erfindung.
Es sind Ausführungsformen möglich, bei denen wenigstens ein Sensor in den Personenempfänger integriert ist, unmittelbar an einem Sport- oder Spielgerät befestigt ist und/oder an einer Sensorvorrichtung angebracht ist, die eine Sendeeinheit aufweist und von der Person getragen wird oder an einem Sport- oder Spielgerät angebracht ist und vorzugsweise als Band oder Gurt ausgebildet ist.
Besonders vorteilhaft ist die Erweiterung der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung um eine Signalisierungseinheit, die der Person, deren Position bestimmt wird, eine haptisch, akustisch oder optisch wahrnehmbare Rückmeldung gibt, welche sich aus den berechneten Positionsdaten und/oder aus einer Auswertung der Positionsdaten ergibt. So kann unmittelbar Einfluss auf die Bewegungsabläufe der Person genommen werden.
Die Signalisierungseinheit kann in einer kompakten Ausführungsform direkt in den Personenempfänger integriert sein.
Gemäß einer aufwändigeren Lösung umfasst die Signalisierungseinheit eine Datenbrille. Diese Ausführungsform ermöglicht es, der Person kontinuierlich positionsbezogene Informationen anzuzeigen, ohne dass die Person dadurch übermäßig abgelenkt wird.
Mit einer Bedieneinrichtung können dem Personenempfänger bestimmte, für die Auswertung der Positionsdaten relevante Eigenschaften zugewiesen werden, z. B. eine Teamzugehörigkeit der Person.
Im Hinblick auf Spiel- und Sportanwendungen ist es möglich, ein Sport- oder Spielgerät einzubinden, mit einem auf ein Funkmodul des Personenempfängers abgestimmten Funkmodul, das kontinuierlich ein Anwesenheitssignal aussendet. Gerade beim Fußball oder bei anderen Ballsportarten ist es für die Erstellung von Statistiken wichtig zu wissen, wo sich der Ball gerade genau befindet und wer gerade der ballführende Spieler ist. Dies wird durch das vom Personenempfänger registrierbare Anwesenheitssignal des Sport- oder Spielgeräts ermöglicht.
Für eine solche Anwendung ist es von Vorteil, wenn das Funkmodul des Personenempfängers so eingerichtet ist, dass es die Stärke des detektierten Anwesenheitssignals bestimmen kann. Ab einer vorgegebenen Signalstärke kann auf „Ballbesitz” erkannt werden.
Weitere interessante Informationen in Bezug auf das Sport- oder Spielgerät werden durch wenigstens einen daran angebrachten Sensor verfügbar gemacht, indem die Messwerte des Sensors per Funk an den Personenempfänger übertragen werden, von wo sie zur weiteren Auswertung weitergeleitet werden.
Für eine hochgenaue Positionsbestimmung von Personen relativ zueinander ist vorgesehen, dass der Personenempfänger einer Person mit wenigstens einem weiteren Personenempfänger einer anderen Person in Funkverbindung steht. Durch gegenseitige Verrechnung der festgestellten Phasendifferenzen lassen sich hochgenaue, relative Positionen der Personenempfänger zueinander bestimmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen umfasst folgende Schritte:

– Bereitstellen wenigstens eines Personenempfängers, der eine GNSS-Antenne und ein Funkmodul zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers an ein anderes Funkmodul aufweist;
– Bereitstellen einer Recheneinheit;
– Anbringen der GNSS-Antenne des Personenempfängers an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person, insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person;
– Empfangen von Navigationssignalen von Satelliten eines GNSS mittels der GNSS-Antenne; und
– Berechnen von Positionsdaten des Personenempfängers mit der Recheneinheit auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen.

Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen im Wesentlichen denen der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann.
Im Hinblick auf eine unterbrechungsfreie Positionsbestimmung sollten die Navigationssignale kontinuierlich mit einer zeitlicher Auflösung > 1 Hz empfangen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, zum Berechnen der Positionsdaten entweder eine relative oder differentielle Auswertetechnik oder die Precise-Point-Positioning-Methode zu verwenden.
Besonders interessante und vielfältige Auswertemöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass Messwerte von Sensoren der Vorrichtungsanordnung an den Personenempfänger übertragen und mit den Positionsdaten verknüpft werden.
Zur Validierung oder Korrektur der berechneten Positionsdaten des Personenempfängers können Messwerte von zusätzlichen Sensoren der Vorrichtungsanordnung, insbesondere von Sensoren, die von der Person getragen werden (Beschleunigungssensor, Gyroskop, etc.), verwendet werden. Die Daten dieser Sensoren ermöglichen auch eine Fortführung der Positionsbestimmung, wenn temporär kein ausreichender Empfang der Navigationssignale der GNSS-Satelliten möglich ist.
Für eine hochgenaue relative Positionsbestimmung sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass zwei oder mehr Personenempfänger sich gegenseitig ihre aus den empfangenen Navigationssignalen gebildeten GNSS-Daten zu Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, per Funk zusenden, und dass in jedem Personenempfänger die Phasendifferenz des Trägersignals derselben Satelliten von den anderen Personenempfängern mit den eigenen Phasendaten verrechnet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Überblick über wesentliche und optionale Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung zur absoluten Positionsbestimmung;
2 einen Personenempfänger der Vorrichtungsanordnung;
3 eine Referenzstation der Vorrichtungsanordnung;
4 ein Spiel- oder Sportgerät der Vorrichtungsanordnung;
5 eine Sensorvorrichtung der Vorrichtungsanordnung;
6 einen Überblick über wesentliche Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung zur relativen Positionsbestimmung;
7 ein erstes Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung; und
8 ein zweites Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung.
In 1 sind schematisch die Komponenten einer Vorrichtungsanordnung zur absoluten Positionsbestimmung einer Person 10 dargestellt. Bevor die Funktionsweise der Vorrichtungsanordnung erläutert wird, werden zunächst die einzelnen Komponenten der Vorrichtungsanordnung beschrieben.
Zur Positionsbestimmung werden Navigationssignale von mehreren Satelliten 12 eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) verwendet. Eine ortsfeste Referenzstation 14, deren Position genau bekannt ist, ist mit einem Empfänger für die Navigationssignale und mit einem Funkmodul ausgestattet. Die Person 10, deren Position bestimmt werden soll, trägt wenigstens eine nachfolgend als Personenempfänger 16 bezeichnete Vorrichtung mit einer GNSS-Antenne. Auf den Aufbau und die Position des Personenempfängers 16, insbesondere der GNSS-Antenne, relativ zur Person 10 wird unten noch genauer eingegangen. Jeweils optional sind ein Spiel- oder Sportgerät 18, beispielsweise ein Ball, mit einem Funkmodul und eine von der Person 10 an einem Körperteil getragene Sensorvorrichtung 20 vorgesehen, die per Kabel oder per Funk an den Personenempfänger 16 angebunden ist.
Der Personenempfänger 16 ist in 2 im Detail gezeigt. Diese Vorrichtung wird, obwohl sie noch weitere logische Komponenten enthält, deswegen als Personenempfänger bezeichnet, weil sie von einer Person 10 getragen wird und als Kernkomponenten die GNSS-Antenne 22 und ein GNSS-Empfänger 24 enthält, mit denen die Satelliten-Navigationssignale empfangen und in GNSS-Daten umgewandelt werden. Die GNSS-Antenne 22 ist vorzugsweise eine Antenne mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre; sie kann aber auch eine richtungsabhängige Antenne sein, sollte dann aber möglichst so ausgerichtet sein, dass die Haupt-Richtwirkung in Richtung der Hemisphäre zeigt.
Die GNSS-Antenne 22 ist in einem Gehäuse 26 des Personenempfängers 16 angeordnet, in dem weitere Komponenten des Personenempfängers 16 untergebracht sind, oder die GNSS-Antenne 22 ragt unmittelbar aus dem Gehäuse 26 heraus. Alternativ kann die GNSS-Antenne 22 auch extern angeordnet sein, insbesondere in einem Abstand von mehr als 2 cm vom Gehäuse 26, um mögliche Störeinflüsse der restlichen Komponenten des Personenempfängers 16 auf den Empfang der Navigationssignale zu vermeiden. In letzterem Fall ist die GNSS-Antenne 22 mittels einer kabelgebundenen oder einer drahtlosen Funkübertragung an die anderen Komponenten des Personenempfängers 16, insbesondere an einen Mikrocontroller 28, angebunden. Der Mikrocontroller 28 koordiniert die Datenströme des Personenempfängers 16 und führt Berechnungen durch.
Ein Funkmodul 30 des Personenempfängers 16, z. B. basierend auf der Bluetooth-Technologie, ermöglicht gegebenenfalls den drahtlosen Anschluss der GNSS-Antenne 22 und/oder externer Sensoren, die z. B. an einem Spiel- oder Sportgerät angebracht sind. Dasselbe oder ein weiteres Funkmodul 32 ist (auch) für weitere Entfernungen ausgelegt und kann GNSS-Daten an ein Funkmodul der Referenzstation 14 übertragen und Befehle von der Referenzstation 14 empfangen, und/oder das Funkmodul 32 kann GNSS-Daten an andere Personenempfänger 16 übertragen.
Ein Speichermedium 34 und eine Spannungsquelle 36, insbesondere ein wiederaufladbarer Akkumulator, zur Energieversorgung der elektrischen Komponenten des Personenempfängers 16 sind ebenfalls vorhanden. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Personenempfänger 16 auch noch diverse Sensoren 38, die zusätzliche Informationen liefern, z. B. Beschleunigungs-, Ausrichtungs-/Orientierungs- und Temperaturdaten.
Auch eine Signalisierungseinheit 40 ist vorgesehen, die dem Träger unter bestimmten Umständen eine haptisch (Vibration), akustisch oder optisch wahrnehmbare Rückmeldung geben kann. Die Signalisierungseinheit 40 kann ebenso wie die Sensoren 38 in das Gehäuse 26 integriert oder extern angeordnet und per Kabel oder Funk angebunden sein. In einer erweiterten Version umfasst die Signalisierungseinheit 40 eine Datenbrille mit einem integrierten Display nach Art eines Head-Mounted Displays. Auf einen kleinen, dicht vor dem Augapfel platzierten Bildschirm können der Person 10 bestimmte Informationen, wie etwa die eigene Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc. angezeigt werden.
Eine Bedieneinrichtung 42, insbesondere ein Schalter oder eine Taste, dient zum Ein- und Ausschalten des Personenempfängers 16. Mit derselben oder weiteren Bedieneinrichtungen können gegebenenfalls auch spezielle Einstellungen vorgenommen werden, wie etwa eine Teamzugehörigkeit des Trägers.
Die GNSS-Antenne 22 bzw. der Personenempfänger 16 mit der integrierten GNSS-Antenne 22 ist an der oberen Körperhälfte (Oberkörper) der Person 10 angeordnet. Geeignete Stellen sind insbesondere der Kopf, die Schultern, der Nackenbereich oder der obere Rückenbereich, wie in 1 angedeutet. Entscheidend ist, dass fortwährend ein möglichst guter Empfang der Satelliten-Navigationssignale gewährleistet ist. Hierfür sollte die die Richtwirkung der GNSS-Antenne 22 horizontal nach oben ausgerichtet sein, was an den genannten Stellen am besten gewährleistet ist. Um eine solche Ausrichtung zu unterstützen, kann die GNSS-Antenne 22 unter Zuhilfenahme eines Gyroskops oder Beschleunigungssensors mittels einer daran gekoppelten Schwenkvorrichtung immer bei Bedarf in die bevorzugte Empfangsrichtung geschwenkt werden. Die GNSS-Antenne 22 kann auch auf einer Art Kissen, das mit einem Fluid gefüllt ist, gelagert sein, sodass eine Neigung des Körpers der Person 10 automatisch ausgeglichen wird.
Die GNSS-Antenne 22 bzw. der Personenempfänger 16 mit der integrierten GNSS-Antenne 22 kann auf verschiedene Weise von der Person 10 getragen werden. Die GNSS-Antenne 22 kann mit oder ohne den restlichen Komponenten des Personenempfängers 16 in die Kleidung der Person 10 eingearbeitet sein, z. B. in eine Weste, einen Schultergurt, einen Protektor, ein Schulterpad, ein Trikot, einen Trainingsanzug oder in eine Kopfbedeckung (Helm, Schirmmütze, etc.). Die GNSS-Antenne 22 bzw. der Personenempfänger 16 kann auch an der Kleidung oder direkt am Körper der Person befestigt sein, z. B. mit einem Klettband, einem Clip, einer Knöpfvorrichtung, einem Gummizug, einer Klemme oder dergleichen.
3 zeigt die Referenzstation 14 mit ihren Komponenten. Wie der Personenempfänger weist sie eine GNSS-Antenne 44 und einen GNSS-Empfänger 46 auf, mit denen die Satelliten-Navigationssignale empfangen und in GNSS-Daten umgewandelt werden. Mit einem Funkmodul 48, z. B. auf WLAN-, UMTS-, HSDPA- oder LTE-Basis, können die ausgesendeten GNSS-Daten von umliegenden Personenempfängern 16 empfangen werden. In einer Auswertungseinheit 50 können mit einem geeigneten Berechnungsverfahren aus den empfangenen (Code- und) Trägerphasendaten die jeweiligen Positionen der Personenempfänger 16 bestimmt werden. Insbesondere zeitkritische Berechnungen können aber auch auf ein anderes Gerät mit größerer Rechenleistung ausgelagert werden. Mithilfe des Funkmoduls 48 oder einer kabelgebundenen Übertragung werden die Positionsdaten bzw. die noch nicht ausgewerteten GNSS-Daten weitergeleitet. Die Daten können insbesondere an eine Cloud oder direkt an empfangsbereite Geräte geschickt werden. Die berechneten Positionsdaten werden vorzugsweise auf einem Endgerät (Smartphone, Tablet, Notebook, etc.) visuell dargestellt.
Weitere Komponenten der Referenzstation 14 sind ein Speichermedium 52 und eine Spannungsquelle 54 zur Stromversorgung. Die Stromversorgung kann alternativ über Solarzellen erfolgen. Als Referenzstation 14 kann grundsätzlich auch ein Notebook oder ein vergleichbares Gerät mit geeigneter Software und einem Funkmodul (WLAN) eingesetzt werden.
In 4 ist ein Ball als Beispiel für ein Spiel- oder Sportgerät 18 gezeigt. Im Inneren des Balls ist ein Funkmodul 56 angeordnet. Hierfür eignet sich z. B. ein Bluetooth-Low-Energy-Modul. Des Weiteren enthält das Spiel- oder Sportgerät 18 einen Mikrocontroller 58, eine Spannungsquelle 60 zur Stromversorgung sowie einen oder mehrere Sensoren 62, wie etwa einen Drucksensor zur Bestimmung des Luftdrucks, einen Beschleunigungssensor oder einen Sensor zur Ermittlung der verbleibenden Akkumulatorleistung. Zum automatischen Aktivieren der elektrischen Komponenten im Spiel- oder Sportgerät 18 ist ein (nicht gezeigter) Beschleunigungs- oder Drucksensor vorgesehen, der auf einen entsprechenden äußeren Einfluss reagiert. Nach einer definierten Zeitspanne, in der der Beschleunigungs- oder Drucksensor keine Aktivität feststellt, werden die elektrischen Komponenten des Spiel- oder Sportgeräts abgeschaltet oder in einen Schlafmodus versetzt. Als Spannungsquelle 60 eignet sich ein Akkumulator, der induktiv (kontaktlos) aufgeladen werden kann, vorzugsweise in einer Ladeschale.
Die in 5 gezeigte Sensorvorrichtung 20 wird je nach Einsatzzweck entweder von einer Person 10 am Körper getragen, insbesondere an Arm, Hand, Bein oder Fuß, oder sie wird an einem Spiel- oder Sportgerät befestigt, wie etwa an einem Tennis- oder Hockey-Schläger. Die Sensorvorrichtung 20 kann dementsprechend als Armband, Gurt oder dergleichen ausgebildet sein. Als funktionale Komponenten weist die Sensorvorrichtung 20 eine Sende- und Empfangseinheit 64, einen Beschleunigungssensor 66, ein Gyroskop 68, einen Mikrocontroller 70 und eine Spannungsquelle 72 zur Stromversorgung der vorgenannten elektrischen Komponenten auf. Weitere Sensoren, wie etwa ein Temperatursensor oder ein Herzfrequenzsensor können ebenfalls vorgesehen sein. Als Sende- und Empfangseinheit 64 eignet sich wiederum ein Bluetooth-Low-Energy-Modul; es kann aber auch nur eine reine Sendeeinheit vorgesehen sein. Ein Display 74 der Sensorvorrichtung 20 dient zur Anzeige von Informationen, die vom Personenempfänger 16 oder von der eigenen Empfangseinheit kommen.
Nachfolgend wird nun die grundlegende Funktionsweise der Vorrichtungsanordnung zur absoluten Positionsbestimmung mittels Trägerphasenauswertung beschrieben. Als Anwendungsbeispiel soll der Einsatz der Vorrichtungsanordnung bei der Ausübung einer Sportart, insbesondere beim Fußball, betrachtet werden.
Die Referenzstation 14 mit der GNSS-Antenne 44 und dem GNSS-Empfänger 46 wird auf einen Punkt mit bekannten Koordinaten platziert. Sollte dies nicht möglich sein, kann die Position auch von der Referenzstation 14 selbst durch eine Mittelwertbildung einer Langzeit-Positionierungsberechnung ermittelt werden. Es ist auch möglich, die Position der Referenzstation 14 relativ zu anderen Referenzstationen zu ermitteln, von denen wenigstens von einer die genauen absoluten Koordinaten bekannt sind. Die Art und Weise einer solchen relativen Positionsbestimmung ist analog zu der erläuterten Bestimmung der Positionen mehrerer Personenempfänger 16 relativ zueinander.
Die von einer oder mehreren Personen 10 (Spielern) an der oberen Körperhälfte getragenen GNSS-Antennen 22 empfangen die Navigationssignale mehrerer Satelliten 12. Für die spätere Auswertung der Trägerphasen der Navigationssignale und die Berechnung der genauen Position aus diesen Signalen ist ein möglichst unterbrechungsfreier und guter Empfang von möglichst vielen (>= 4) Satelliten entscheidend. Bei sich bewegenden Personen 10 sollten die Personenempfänger 16 die Navigationssignale kontinuierlich mit hoher zeitlicher Auflösung empfangen können (> 1 Hz). Die vom GNSS-Empfänger 24 in verwertbarer digitaler Form bereitgestellten GNSS-Daten werden vom Funkmodul 32, das vorzugsweise mit 2,4 GHz Technik arbeitet, zur (Code- und) Phasenmessung an die Referenzstation 14 übertragen. Als Datenformat kann insbesondere RCTM, RINEX oder NMEA vorgesehen sein.
In der Referenzstation 14 werden jeweils die Phasendifferenzen des Trägersignals derselben Satelliten vom Referenzempfänger 46 und vom Empfänger 24 des Personenempfängers 16 verglichen. Mittels Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, sowie statistischer Algorithmen zur Lösung der Phasenmehrdeutigkeit wird dann in Echtzeit eine hochgenaue, absolute (geodätische) Position des jeweiligen Personenempfängers 16 berechnet. Für die Berechnung, der Positionsdaten können sowohl relative/differentielle Auswertetechniken (DGNSS) als auch die (autarke/eigenständige) Precise-Point-Positioning-Methode herangezogen werden. In letzterem Fall werden keine Code- und Trägerphasenmessungen für die direkt von der Referenzstation 14 empfangenen Satelliten-Navigationssignale benötigt; stattdessen fließen die von einem Datendienst (IGS) bereitgestellte Bahndaten und Satellitenuhrkorrekturen ein.
Bevorzugte Datenformate für die gewonnenen Positionsdaten sind wiederum RCTM, RINEX oder NMEA. Es können aber auch andere bekannte oder selbst entwickelte Datenformate verwendet werden. Die Positionsdaten können, gegebenenfalls nach weiterer Verarbeitung und/oder Auswertung, an ein oder mehrere Endgeräte übermittelt (sofern erforderlich) oder über einen Datendienst, wie z. B. ein Internetportal, zur Verfügung gestellt werden. Auf einem Endgerät werden die Positionsdaten visuell dargestellt.
Die Positionsbestimmung und gegebenenfalls eine nachfolgende Verarbeitung und/oder Auswertung der Positionsdaten kann auch im Personenempfänger 16 selbst, insbesondere im Mikrocontroller 28, oder in einer externen zentralen Auswerteeinheit erfolgen. Die GNSS-Daten werden in letzterem Fall mit einer Funkübertragungstechnik für große Reichweiten (z. B. UMTS, HSDPA oder LTE) von der Referenzstation 14 oder auch direkt vom Personenempfänger 16 mittels einer solchen Übertragungstechnik weitergeleitet. Dies ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn die Daten einer Vielzahl von Personenempfängern 16 in Echtzeit verarbeitet werden sollen und die Rechenleistung der Referenzstation 14 oder des Personenempfängers 16 dafür nicht ausgelegt ist. Entscheidend ist jedenfalls, dass eine interne oder externe Recheneinheit vorhanden ist, die die für die Positionsbestimmung erforderlichen Berechnungen durchführen kann.
Die einzelnen Positionsdaten der Personenempfänger 16 können in vielfältiger Form ausgewertet werden. Insbesondere können Bewegungsmuster der Personen 10, die die Personenempfänger 16 tragen, erstellt und ausgewertet werden. Anhand der Information, an welchem Ort sich ein Spieler zu welcher Zeit aufgehalten hat, können weitere Informationen gewonnen werden, wie z. B. Höchst-, Durchschnitts, und aktuelle Geschwindigkeit, Beschleunigung, zurückgelegte Strecke, etc. Die Positions- bzw. Bewegungsdaten des Personenempfängers 16 können mithilfe der Daten vorhandener Sensoren (Beschleunigungssensor, Gyroskop, etc.) validiert bzw. korrigiert werden. Wenn kurzzeitig kein Empfang der Navigationssignale der Satelliten 12 möglich ist, können die Daten dieser Sensoren zur Fortführung der dynamischen Positionsbestimmung verwendet werden.
Die Signalisierungseinheit 40 dient dazu, dem Träger der Vorrichtung eine Rückmeldung zu geben, die sich unmittelbar aus den Positionsdaten selbst und/oder aus deren Auswertung ergibt. Beispielsweise können einem Spieler Informationen bezüglich seiner Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, freie Spielpositionen, freie Laufwege, etc. angezeigt werden, im Falle eines Head-Up Displays auch in grafisch aufbereiteter Form. Ebenso können der Person 10 optische, akustische oder haptische Alarmsignale vermittelt werden. Die entsprechenden Befehle und Informationen können von der zentralen Auswerteeinheit, der Referenzstation 14 oder einer anderen Kommandozentrale per Funk an den Personenempfänger 16 gesendet werden. Alarmsignale kann der Personenempfänger 16 aber auch alleine auslösen, wenn er z. B. erkennt, dass er einen vorher definierten Bereich verlässt.
Das Spiel- oder Sportgerät 18 wird eingebunden, indem die Sende- und Empfangseinheit ein Funksignal, vorzugsweise im 2,4-GHz-Bereich, aussendet. Neben einem hochfrequenten Sendeimpuls, der als Anwesenheitssignal dient, können weitere Daten der Sensoren 62, wie etwa Luftdruck, Beschleunigung und Ladezustand des Akkumulators, gesendet werden. Diese Signale bzw. Daten werden vom Funkmodul 30 des Personenempfängers 16 empfangen und zusammen mit den GNSS-Daten an die Referenzstation 14 übertragen.
Mit dem Funkmodul 30 kann auch die Stärke des detektierten Anwesenheitssignals bestimmt werden, beispielsweise als RSSI-Wert (Received Signal Strength Indication). Die Auswertung der Signalstärke erlaubt eine Interpretation, wie nahe sich das Spiel- oder Sportgerät 18 an der Person 10 befindet. Auf diese Weise kann z. B. bei einem Fußballspiel oder bei anderen Ballsportarten der ballführende Spieler identifiziert werden.
Alternativ kann eine separate Sende- und Empfangseinheit am Bein oder Fuß eines Spielers befestigt werden, die das Anwesenheitssignal des Spiel- oder Sportgeräts 18 detektiert und dessen Signalstärke bestimmt und dann an den Personenempfänger 16 im Bereich des Oberkörpers der Person 10 weiterleitet.
Trägt die Person zusätzlich eine Sensorvorrichtung 20, können weitere Sensordaten (Beschleunigung, Temperatur, Herzfrequenz, etc.) über den Personenempfänger 16 oder direkt an die Referenzstation 14 übertragen werden. Kombiniert man bei der Datenauswertung die Positionsdaten eines Spielers mit den zusätzlichen Sensordaten, lassen sich interessante Kenngrößen und Statistiken erstellen. So können beispielsweise Belastungsindizes anhand der Orts- und Pulsinformationen berechnet werden.
Je nach ausgeübter Sportart kann der Mikrocontroller 70 bestimmte Berechnungen mit den Sensordaten (insbesondere Beschleunigung) durchführen und anhand bestimmter Algorithmen interpretieren, welche Art von Bewegung mit dem Körperteil bzw. Spiel- oder Sportgerät, an dem die Sensorvorrichtung 20 befestigt ist, durchgeführt wurde. So kann z. B. beim Tennis zwischen einem Vorhandschlag und einem Rückhandschlag unterschieden werden. Diese Informationen werden mittels der Sende- und Empfangseinheit 64 an den Personenempfänger 16 übertragen, den die Person 10 am Oberkörper trägt. Alternativ kann die Auswertung der Sensordaten ausgelagert werden, d. h. es werden in diesem Fall nur die Rohdaten an den Personenempfänger 16 übertragen und von dort an eine Auswerteeinheit weitergeleitet.
Die obige Funktionsbeschreibung bezog sich auf die absolute Positionsbestimmung. Im Folgenden wird anhand von 6 eine ergänzte bzw. leicht abgewandelte Vorrichtungsanordnung und deren Funktionsweise im Hinblick auf eine hochgenaue relative Positionsbestimmung beschrieben.
Zwei oder mehr Personenempfänger 16 senden sich gegenseitig ihre verwertbaren GNSS-Daten zur (Code- und) Tragerphasenmessung per Funk zu. In jedem Personenempfänger 16 wird die Phasendifferenz des Trägersignals derselben Satelliten von den anderen Personenempfängern 16 mit den eigenen Phasendaten verrechnet. Mittels Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, sowie statistischer Algorithmen zur Lösung der Phasenmehrdeutigkeit wird dann in Echtzeit eine hochgenaue, relative Position der Personenempfänger 16 zueinander berechnet.
Für diese Positionsbestimmung können wiederum sowohl relative/differentielle Auswertetechniken (DGNSS) als auch die (autarke/eigenständige) Precise-Point-Positioning-Methode herangezogen werden. In letzterem Fall, wenn also eine autarke Positionsbestimmung für einen Personenempfänger 16 erfolgt, können die relativen Entfernungen der anderen Personenempfänger 16 zu diesem Personenempfänger 16 in hochgenaue, absolute Positionen umgerechnet werden.
Ansonsten entspricht die Vorrichtungsanordnung im Wesentlichen der in 1 beschriebenen Anordnung, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Insbesondere sind eine Auslagerung der Berechnungen sowie Ergänzungen der Anordnung um Spiel- oder Sportgeräte 18 und/oder Sensorvorrichtungen 20 möglich.
In den 7 und 8 sind beispielhaft zwei Anwendungsmöglichkeiten für die Vorrichtungsanordnung gezeigt. Gemäß 7 wird die absolute Position von Spielern 10 bestimmt und in Relation zu vordefinierten Zonen 76 eines Spielfelds 78 gesetzt. Auf diese Weise kann dann erkannt werden, ob ein Spieler 10 eine solche Zone 76 verlässt. Dem Spieler 10 kann dies mithilfe der Signalisierungseinheit 40 sofort mitgeteilt werden, z. B. akustisch oder durch Vibration. Solche Signale können auch bei Über-/Unterschreiten einer vorgegebenen Geschwindigkeit oder Herzfrequenz ausgegeben werden.
Gemäß 8 wird aus den Positionsdaten mehrerer Spieler 10 das relative Stellungsspiel bewertet. So kann automatisch berechnet werden, ob eine gewünschte Spielformation (z. B. Abwehrkette oder Abseitsfalle) eingehalten wird. Falls ein Spieler 10 von einer Sollposition abweicht, gibt die Referenzstation 14 dem Personenempfänger 16 den Befehl, dem Spieler 10 die Abweichung zu signalisieren. Ähnliche Szenarien betreffen z. B. den maximalen/minimalen Abstand, den ein Spieler 10 zu einem Gegenspieler oder zu bestimmten Hütchen eines Parcours haben darf, die der Trainer zu Trainingszwecken aufgestellt hat.
Bezugszeichenliste

10: Person
12: Satellit
14: Referenzstation
16: Personenempfänger
18: Spiel- oder Sportgerät
20: Sensorvorrichtung
22: GNSS-Antenne des Personenempfängers
24: GNSS-Empfänger des Personenempfängers
26: Gehäuse des Personenempfängers
28: Mikrocontroller des Personenempfängers
30: Funkmodul des Personenempfängers
32: Funkmodul des Personenempfängers
34: Speichermedium des Personenempfängers
36: Spannungsquelle des Personenempfängers
38: Sensoren des Personenempfängers
40: Signalisierungseinheit des Personenempfängers
42: Bedieneinrichtung des Personenempfängers
44: GNSS-Antenne der Referenzstation
46: GNSS-Empfänger der Referenzstation
48: Funkmodul der Referenzstation
50: Auswertungseinheit der Referenzstation
52: Speichermedium der Referenzstation
54: Spannungsquelle der Referenzstation
56: Funkmodul des Spiel- oder Sportgeräts
58: Mikrocontroller des Spiel- oder Sportgeräts
60: Spannungsquelle des Spiel- oder Sportgeräts
62: Sensoren des Spiel- oder Sportgeräts
64: Sende- und Empfangseinheit der Sensorvorrichtung
66: Beschleunigungssensor der Sensorvorrichtung
68: Gyroskop der Sensorvorrichtung
70: Mikrocontroller der Sensorvorrichtung
72: Spannungsquelle der Sensorvorrichtung
74: Display der Sensorvorrichtung
76: Zone
78: Spielfeld

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0420338 B1 [0005]
EP 0968577 B1 [0005]

Claims

Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10), mit wenigstens einem Personenempfänger (16), der eine GNSS-Antenne (22) zum Empfang von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist, und einer Recheneinheit zur Berechnung von Positionsdaten des Personenempfängers (16) auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, dadurch gekennzeichnet, dass die GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10) angeordnet ist.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) eine Antenne mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre ist.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) ein Gehäuse (26) aufweist, in dem mehrere Komponenten untergebracht sind, und dass die GNSS-Antenne (22) im Gehäuse (26) angeordnet ist oder unmittelbar aus dem Gehäuse (26) herausragt.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) ein Gehäuse (26) aufweist, in dem mehrere Komponenten untergebracht sind, und dass die GNSS-Antenne (22) außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist, insbesondere in einem Abstand von mehr als 2 cm, wobei die GNSS-Antenne (22) mittels einer kabelgebundenen oder einer drahtlosen Funkübertragung an die anderen Komponenten des Personenempfängers (16), insbesondere an einen Mikrocontroller (28), angebunden ist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GNSS-Antenne (22) am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person (10) angeordnet ist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schwenkeinrichtung für die GNSS-Antenne (22), die an ein Gyroskop oder einen Beschleunigungssensor gekoppelt ist, oder durch eine Lagerung der GNSS-Antenne (22) auf einem mit Fluid gefüllten Kissen.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit in den Personenempfänger (16) integriert ist und vorzugsweise einen Mikrocontroller (28) aufweist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit außerhalb des Personenempfängers (16), vorzugsweise in einer Referenzstation (14) oder einer externen zentralen Auswerteeinheit, angeordnete Komponenten aufweist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) mit einer ortsfesten Referenzstation (14) in Funkverbindung steht, deren Position genau bekannt ist und die eine GNSS-Antenne (44) zum Empfang derselben Navigationssignale der Satelliten (12) des GNSS aufweist.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstation (14) durch ein WLAN-fähiges Gerät, insbesondere ein Notebook, mit geeigneter Software gebildet ist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Endgerät, insbesondere ein Smartphone, Tablet oder Notebook, auf dem die Positionsdaten visuell dargestellt.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Sensoren (38; 62; 66, 68) zur Erfassung bestimmter Messgrößen, wobei die Recheneinheit so ausgelegt ist, dass sie berechnete Positionsdaten des Personenempfängers (16) mit den Messwerten des bzw. der Sensoren (38; 62; 66, 68) verknüpft.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (38) in den Personenempfänger (16) integriert ist.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (62) unmittelbar an einem Sport- oder Spielgerät (18) befestigt ist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (66, 68), insbesondere ein Beschleunigungssensor und/oder ein Gyroskop, an einer Sensorvorrichtung (20) angebracht ist, die eine Sendeeinheit (64) aufweist und von der Person (10) getragen wird oder an einem Sport- oder Spielgerät (18) angebracht ist und vorzugsweise als Band oder Gurt ausgebildet ist.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Signalisierungseinheit (40), die der Person (10) eine haptisch, akustisch oder optisch wahrnehmbare Rückmeldung gibt, welche sich aus den berechneten Positionsdaten und/oder aus einer Auswertung der Positionsdaten ergibt.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierungseinheit (40) in den Personenempfänger (16) integriert ist.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierungseinheit (40) eine Datenbrille umfasst.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bedieneinrichtung (42), mit der dem Personenempfänger (16) bestimmte, für die Auswertung der Positionsdaten relevante Eigenschaften zugewiesen werden können.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sport- oder Spielgerät (18) mit einem auf ein Funkmodul (30) des Personenempfängers (16) abgestimmten Funkmodul (56), das kontinuierlich ein Anwesenheitssignal aussendet.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul (30) des Personenempfängers (16) so eingerichtet ist, dass es die Stärke des detektierten Anwesenheitssignals bestimmen kann.
Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sport- oder Spielgerät (18) wenigstens ein Sensor (62) angebracht ist, dessen Messwerte per Funk an den Personenempfänger (16) übertragen werden können.
Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) mit wenigstens einem weiteren Personenempfänger (16) in Funkverbindung steht.
Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10), mit folgenden Schritten: – Bereitstellen wenigstens eines Personenempfängers (16), der eine GNSS-Antenne (22) und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist; – Bereitstellen einer Recheneinheit; – Anbringen der GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10), insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person (10); – Empfangen von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS mittels der GNSS-Antenne (22); und – Berechnen von Positionsdaten des Personenempfängers (16) mit der Recheneinheit auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Navigationssignale kontinuierlich mit einer zeitlicher Auflösung > 1 Hz empfangen werden.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungen zum Bestimmen der Position des Personenempfängers (16) im Personenempfänger (16) durchgeführt werden, vorzugsweise von einem Mikrocontroller (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) die Positionsdaten an eine ortsfeste Referenzstation (14) übermittelt, deren Position genau bekannt ist und die mittels einer GNSS-Antenne (44) dieselben Navigationssignale der Satelliten (12) des GNSS empfängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wesentlicher Teil der Berechnungen zum Bestimmen der Position des Personenempfängers (16) außerhalb des Personenempfängers (16) durchgeführt werden, vorzugsweise in der Referenzstation (14) oder einer externen zentralen Auswerteeinheit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen der Positionsdaten entweder eine relative oder differentielle Auswertetechnik oder die Precise Point Positioning-Methode verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte von Sensoren (38; 62; 66, 68) der Vorrichtungsanordnung an den Personenempfänger (16) übertragen und mit den Positionsdaten verknüpft werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte von Sensoren (38; 62; 66, 68) der Vorrichtungsanordnung, insbesondere von Sensoren (38; 62), die von der Person (10) getragen werden, zur Validierung oder Korrektur der Positionsdaten verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Personenempfänger (16) sich gegenseitig ihre aus den empfangenen Navigationssignalen gebildeten GNSS-Daten zu Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, per Funk zusenden, und dass in jedem Personenempfänger (16) die Phasendifferenz des Trägersignals derselben Satelliten (12) von den anderen Personenempfängern (16) mit den eigenen Phasendaten verrechnet wird.