DE102014204365A1

DE102014204365A1 - Verfahren zur Lokalisierung einer Mobilstation

Info

Publication number: DE102014204365A1
Application number: DE102014204365.4A
Authority: DE
Inventors: Ali Golestani; Dennis Wilfert; Christopher Zimmer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-09-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung zumindest einer Mobilstation unter Verwendung eines Systems, das eine Mehrzahl von Ankerstationen und zumindest einen Kalibriersender mit bekannter Position aufweist, wobei das System mit dem Kalibriersender kalibrierbar ist und die Mobilstation unter Verwendung eines im Vorgang des Kalibrierens bestimmten Pfadverlustkoeffizienten lokalisierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lokalisierung zumindest einer Mobilstation unter Verwendung eines Systems, das eine Mehrzahl von Ankerstationen und zumindest einen Kalibriersender mit bekannter Position aufweist, wobei das System mit dem Kalibriersender kalibrierbar ist und die Mobilstation unter Verwendung eines im Vorgang des Kalibrierens bestimmten Pfadverlustkoeffizienten lokalisierbar ist.
Die leichte Verfügbarkeit der Hardware, welche eine Received Signal Strength Indication (RSSI) Messung erlaubt sowie die einfache Positionsberechnung anhand von RSSI-Werten haben dazu geführt, dass in drahtlosen Netzwerken häufig die RSSI-Lokalisierung eingesetzt wird. Zusätzlich ist die Hardware sehr kostengünstig und hat meist einen niedrigen Energieverbrauch, weshalb sich diese Form der Lokalisierung auch für Szenarien eignet, bei denen nur begrenzt Energie zur Verfügung steht, wie z. B. in Wireless Sensor Networks (WSN). Die Nachteile dieses Verfahrens sind die hohe Störanfälligkeit und die u. a. dadurch bedingte Ungenauigkeit. Aufgrund von Fading und Abschattungseffekten auf den Funkkanälen kommt es oft zu Signalschwankungen und dadurch bedingte unterschiedlich gemessene RSSI-Werte beim Empfänger, was zu einer unpräzisen Positionsbestimmung, bzw. einer reduzierten Genauigkeit des Lokalisierungssystems führt. Besonders bei der Lokalisierung innerhalb von Gebäuden können die Signale stark beeinträchtigt sein, da es aufgrund von Reflektionen, bedingt durch Wände, Dächer oder Boden, zu Mehrwege-Interferenzen an der Empfangsantenne kommt. Es führen jedoch nicht nur Mehrwege-Interferenzen zu einer Reduzierung der Genauigkeit. Auch die Ausrichtung von Empfänger- und Senderantenne spielt eine Rolle bei der Signalqualität und hat einen großer Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse.
Die Positionsbestimmung kann die drei folgenden Schritte aufweisen:

1. Distanzschätzung (z. B. über Min-Max, Maximum Likelihood Estimation)
2. Multilateration
3. gegebenenfalls Kalman Filter

In einem Lokalisierungssystem, innerhalb dessen diese Erfindung erstanden ist, kann optional zwischen den folgenden Gerätetypen unterschieden werden:

1. Tag (oder Blind), Mobilstation: Der Knoten, welcher lokalisiert werden soll. Die Mobilstation bzw. der Tag sendet Burst-Pakete in bestimmten Zeitintervallen. Anhand dieser wird beim Empfänger die Empfangssignalleistung (RSSI) bestimmt.
2. Ankerknoten: Die Ankerknoten haben fixe Positionen und empfangen die gesendeten Burst-Pakete von den Mobilstationen bzw. Tags. Dabei messen sie vorzugsweise den RSSI und senden diesen optional weiter an den Zentralserver, welcher die Positionsberechnungen durch die Lokalisierungsalgorithmen durchführen kann.
3. Server: Im Server findet vorzugsweise die Lokalisierung (Algorithmen für Ortbestimmung) und gegebenenfalls eine Kalibrierung statt. Der Server sammelt bevorzugt alle RSSI-Werte der Ankerknoten (in diesem Fall als „Kollektor” bezeichnet) und übermittelt diese an den Location Engine, welcher sich auch im Server befindet. Der Kollektor und der Location Engine arbeiten vorteilhafterweise unabhängig voneinander und können sich auch auf unterschiedlichen physischen Geräten befinden.

In 1 ist die Netzwerkarchitektur eines solchen Systems dargestellt. Der Server 1 in der Mitte beinhaltet in diesem Beispiel gleichzeitig den Kollektor und die Location Engine (die Einheit, in welcher die Berechnung der Koordinaten stattfindet) des Systems. Die Tags 2 senden Burst-Pakete an die Ankerknoten 3, die den RSSI messen.
Da die RSSI-basierte Lokalisierung eine häufig eingesetzten Lokalisierungstechnik ist, gibt es eine große Anzahl wissenschaftlicher Arbeiten, die eine Verbesserung der Genauigkeit vorschlagen. Der Einsatz von mehreren verschiedenen Antennen, wie in K. Kleisouris, C. Y., Y. J., and R. P. Martin, "The Impact of Using Multiple Antennas an Wireless Localization," in Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2008. SECON '08. 5th Annual IEEE Communications Society Conference on, 2008, pp. 55–63 vorgeschlagen wird, ermöglicht Reduzierung des 90 prozentigen Fehlers auf bis zu 70%. Dieses Verfahren berücksichtigt allerdings nicht den Einfluss des Pfadverlustexponenten (PLE) auf das Lokalisierungsergebnis. Ein Ansatz zur Einschätzung und Anpassung des PLEs und der Koordinaten anhand einer Maximum-Likelihood Schätzung wurde in Y. T. Chan, B. H. Lee, R. Inkol, and F. Chan, "Received Signal Strength Localization With an Unknown Path Loss Exponent," in Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2011 24th Canadian Conference on, 2011, pp. 456–459 erläutert. Laut der Ergebnisse, welche vorgestellt werden, resultiert ein 5 prozentiger Fehler des PLE in einem 50 prozentigen Fehler in der Koordinatenbestimmung. Dieser Ansatz wurde allerdings nur mit einem Sender-Empfänger Paar und nicht in einer dynamischen Umgebung mit mehreren Ankerknoten getestet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Lokalisierung zumindest einer Mobilstation anzugeben, das eine genauere Lokalisierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Lokalisierung zumindest einer Mobilstation nach Anspruch 1 sowie das System zur Lokalisierung von Mobilstationen nach Anspruch 9. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems an.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Lokalisierung zumindest einer Mobilstation angegeben. Die Mobilstation kann hierbei ein Tag bzw. ein Blind sein.
Es wird für das erfindungsgemäße Verfahren ein System eingesetzt, das eine Mehrzahl von Ankerstationen sowie zumindest einen Kalibriersender aufweist, dessen Position bekannt ist und vorzugsweise für die Dauer der Durchführung des Verfahrens fest ist.
Die Ankerknoten haben vorzugsweise fixe und bekannte Positionen und können von der Mobilstation und von dem Kalibriersender gesendete Signale, insbesondere Burst-Pakete, empfangen. Die Ankerstationen können die Signalstärke des empfangenen Signals bzw. den RSSI messen. Vorteilhafterweise können die Ankerstationen gemessene Werte wie die Signalstärke bzw. den RSSI an einen Zentralserver senden, welcher aufgrund dieser Werte Berechnungen, beispielsweise zur Kalibrierung oder Positionsbestimmung, durchführen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren enthält einen Vorgang des Kalibrierens sowie einen Vorgang des Lokalisierens.
Insbesondere der Vorgang des Kalibrierens kann einmalig durchgeführt werden, bevorzugt wird er jedoch mehrfach durchgeführt und besonders bevorzugt regelmäßig.
Der Vorgang des Kalibrierens enthält erfindungsgemäß zunächst einen Schritt des Sendens zumindest eines Signals, wie beispielsweise eines oder mehrerer Burst-Pakete, durch den zumindest einen Kalibriersender. Es wird also ein Signal von dem Kalibriersender ausgesandt. Das Signal kann gerichtet oder ungerichtet ausgesandt werden.
Erfindungsgemäß enthält der Vorgang des Kalibrierens außerdem einen Schritt des Empfangens des von dem zumindest einen Kalibriersender gesendeten Signals durch zumindest einige der Ankerstationen. Senden mehrere Kalibriersender ein Signal, so können zumindest einige der Ankerstationen Signale von mehreren Kalibriersendern empfangen. Dabei müssen nicht alle Signale empfangenden Ankerstationen Signale von den gleichen Kalibriersendern empfangen, sondern es können unterschiedliche Ankerstationen auch Signale von unterschiedlichen Kalibriersendern empfangen. Es ist jedoch auch möglich, dass alle derjenigen Ankerstationen, die Signale empfangen, Signale von den gleichen Kalibriersendern empfangen. Bevorzugt wird das Signal jedes Kalibriersenders, der in die Kalibrierung eingeht, durch zumindest drei Ankerstationen empfangen. Wird das Signal von weniger als drei Ankerstationen empfangen, so kann eine Kalibrierung z. B. auch durch Vergleich der bekannten Abstände mit den gemessenen Abständen erfolgen.
Zumindest einige der Ankerstationen, die das Signal von dem Kalibriersender oder die Signale von mehreren Kalibriersendern empfangen haben, messen jeweils eine Signalstärke des empfangenen Signals. Mittels der gemessenen Signalstärken wird erfindungsgemäß nun eine Position des entsprechenden Kalibriersenders, der das Signal, dessen Empfangsstärke gemessen wurde, ausgesandt hat, geschätzt. Die Empfangsstärke, mit der eine Ankerstation ein von einem Kalibriersender gesendetes Signal empfängt, ist neben der Distanz zwischen dem entsprechenden Kalibriersender und der entsprechenden Ankerstation auch abhängig von den Umgebungsbeschaffenheiten. Beispielsweise kann durch Reflexion oder Dämpfung an Wänden, Dächern oder Böden sowie Mehrwege-Interferenzen die an der Ankerstation empfangene Signalstärke unterschiedlich sein. Diese Einflüsse werden durch einen Pfadverlustkoeffizienten oder Pfadverlustexponenten (PLE) abgebildet, der allen Beeinflussungen der Signalstärke außer den Abstand zwischen Sender und Empfänger berücksichtigt. Im Folgenden gelten alle bezüglich des Pfadverlustkoeffizienten gemachten Aussagen für einen Pfadverlustexponenten analog.
Um einen geeigneten Wert für den Pfadverlustkoeffizienten zu bestimmen, wird nun die Position des Kalibriersenders mittels der gemessenen Signalstärke mehrmals geschätzt unter Annahme unterschiedlicher Pfadverlustkoeffizienten. Es werden verschiedene Pfadverlustkoeffizienten vorgegeben und jeweils mittels des vorgegebenen Pfadverlustkoeffizienten und der gemessenen Empfangsstärken die Position des Kalibriersenders bestimmt, der das in die Messung einfließende Signal gesendet hat. Die verschiedenen Schätzungen der Position des Kalibriersenders liefern im Normalfall unterschiedliche Positionen des Kalibriersenders. Erfindungsgemäß wird nun die jeweils geschätzte Position mit der bekannten tatsächlichen Position des Kalibriersenders verglichen. Es wird dann jener Pfadverlustkoeffizient als tatsächlicher Pfadverlustkoeffizient ausgewählt, der bei der Schätzung der Position des Kalibriersenders die geringste Abweichung von der tatsächlichen Position des Kalibriersenders ergeben hat.
Die Vorgabe der Pfadverlustkoeffizienten kann auf verschiedenste Weise erfolgen. Im einfachsten Falle können willkürlich einige Pfadverlustkoeffizienten vorgegeben werden und dann jener ausgewählt werden, der eine Position des Kalibriersenders liefert, die der tatsächlichen Position am nächsten liegt. Es ist jedoch auch möglich, die mit einem bestimmten Wert des Pfadverlustkoeffizienten bestimmte Position und/oder die sich mit diesem Pfadverlustkoeffizienten ergebende Abweichung in die Auswahl des Pfadverlustkoeffizienten für folgende Schätzungen einfließen zu lassen. Auf diese Weise ist eine gezielte Optimierung des Pfadverlustkoeffizienten möglich. In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung kann zunächst beispielsweise durch Messung ein möglicher Bereich von Pfadverlustkoeffizienten bestimmt werden und dann in diesem Bereich mehrere, beispielsweise äquidistante Werte des Pfadverlustkoeffizienten für die Schätzungen vorgegeben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren enthält außerdem einen Vorgang des Lokalisierens einer Mobilstation. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich die Mobilstation in einem Bereich befindet, in dem von der Mobilstation ausgesendete Signale durch zumindest einige der Ankerstationen empfangen werden können.
Erfindungsgemäß sendet die Mobilstation zumindest ein Signal aus. Das von der Mobilstation gesendete Signal wird dann durch zumindest drei der Ankerstationen empfangen. Es ist dabei ohne weiteres möglich, die Stärke des gesendeten Signals so einzurichten, dass das Signal von den entsprechenden Ankerstationen mit hinreichender Signalstärke empfangen wird.
Die zumindest drei Ankerstationen messen nun jeweils die Signalstärke des von der Mobilstation gesendeten Signals, die sie empfangen. Aufgrund der empfangenen Signalstärken und dem im oben beschriebenen Vorgang des Kalibrierens bestimmten Wert des Pfadverlustkoeffizienten wird nun die Position der Mobilstation bestimmt.
Die beschriebene Kombination der Positionsbestimmung mit dem Vorgang des Kalibrierens führt zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung der Mobilstation.
Vorteilhafterweise werden die Werte des Pfadverlustkoeffizienten basierend beispielsweise auf Gebäude-abhängigen Dämpfungswerten unterschiedlicher Wandtypen vor Inbetriebnahme des Systems manuell oder automatisch ermittelt. Vorteilhafterweise gehen dann auch die Koordinaten der jeweiligen Wände sowie deren Typen in die Bestimmung der Vorgabewerte ein.
Die Messstationen senden vorteilhafterweise regelmäßig Signale wie beispielsweise Burst-Pakete aus, beispielsweise alle drei Sekunden. Auf diese Weise kann die Kalibrierung stets aktualisiert werden.
Für die Pfadverlustkoeffizienten kann beispielsweise zunächst ein Intervall vorgegeben werden und dann in diesem Intervall mehrere Pfadverlustkoeffizienten ausgewählt werden, beispielsweise in äquidistanten Schritten.
Als Maß für die Abweichung der jeweils geschätzten Position von der bekannten Position des Kalibriersenders kann vorteilhafterweise die Euklidische Distanz dienen. Als tatsächlicher Pfadverlustkoeffizient kann dann vorteilhaft jener Pfadverlustkoeffizient der vorgegebenen Koeffizienten ausgewählt werden, der die Euklidische Distanz der geschätzten Position von der tatsächlichen Position minimiert, also
wobei x', y' die geschätzte Position und x, y die geschätzte Position und x, y die tatsächliche Position der Messstation ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können im Vorgang des Kalibrierens einige der Ankerstationen zu zumindest einer Gruppe zusammengefasst werden. Zum Schätzen der Position des Kalibriersenders im Vorgang des Kalibrierens kann dann der Pfadverlustkoeffizient für alle Ankerstationen der jeweiligen Gruppe als gleich angenommen werden. Es ist hier also jeder Gruppe ein einziger Pfadverlustkoeffizient zugeordnet. Die mehrmalige Schätzung der Position des Kalibriersenders im Vorgang des Kalibrierens wird dann mit den Ankerstationen jeweils einer Gruppe gemeinsam durchgeführt. Besonders bevorzugt werden jeweils drei Ankerstationen zu einer Gruppe zusammengefasst.
Es ist möglich, dass eine Ankerstation mehreren verschiedenen Gruppen zugeordnet wird. Sie kann dann abhängig von der Gruppe, in der sie arbeitet, unterschiedliche Pfadverlustkoeffizienten haben.
Es kann dann vorteilhaft dann eine Mobilstation im Vorgang des Lokalisierens zumindest einer der Gruppen von Ankerstationen zugewiesen werden. Es wird dann im Vorgang des Lokalisierens die Position der Mobilstation mittels zumindest einiger der Ankerstationen, die zu dieser Gruppe gehören, durchgeführt, wobei der für diese Gruppe bestimmte tatsächliche Pfadverlustkoeffizient verwendet wird.
Die Zuweisung einer Mobilstation zu einer Gruppe von Ankerstationen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, die Mobilstation jener Gruppe zuzuordnen, die die größte Übereinstimmung hat bzw. von deren Ankerstationen das oder die von der Mobilstation ausgesandten Signale mit der höchsten Signalstärke empfangen werden können. Der Pfadverlustkoeffizient dieser Gruppe kann dann für die Positionsberechnung der Mobilstation verwendet werden.
Es ist auch möglich, im Vorgang des Lokalisierens die Mobilstation mehreren Gruppen von Ankerstationen zuzuweisen. Die Position der Mobilstation kann dann mittels zumindest einiger der Ankerstationen dieser Gruppen bestimmt werden, wobei ein Pfadverlustkoeffizient verwendet wird, der ein Mittelwert aller Pfadverlustkoeffizienten der Gruppen ist, denen die Mobilstation zugewiesen wurde.
Existiert keine Gruppe oder unterschreitet die Übereinstimmung bzw. die Empfangsqualität eine definierte Grenze, kann auch ein initialer Pfadverlustkoeffizient für die Lokalisierung verwendet werden.
Die Übereinstimmung bzw. die Stärke des empfangenen Signals, bis zu welcher der Pfadverlustexponent einer Gruppe verwendet wird, kann abhängig von der Größe der Gruppe und der Umgebung sein. Vorteilhafterweise wird auch die Qualität der RSSI-Werte an den Ankerstationen betrachtet. Es können daher vorteilhafterweise für die Erstellung einer Gruppe auch die Ankerknoten mit den besten RSSI-Werten herangezogen werden.
Sind nun an der Lokalisierung einer Mobilstation beispielsweise sechs Ankerknoten beteiligt, und die beiden Ankerknoten mit den schlechtesten RSSI-Werten gehören zu einer gemeinsamen Gruppe, dann ist es vorteilhaft, den Pfadverlustkoeffizienten dieser Gruppe nicht zur Lokalisierung zu verwenden, da sich die Mobilstation unter Umständen weit von dem Kalibriersender entfernt befinden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Schätzen der Position des Kalibriersenders und/oder die Lokalisierung der Mobilstation mittels eines Pfadverlustmodells durchgeführt werden. Hierzu kann jeweils ein Abstand ds des Kalibriersenders oder der Mobilstation zu den entsprechenden Ankerknoten mittels der durch den entsprechenden Ankerknoten gemessenen Signalstärke bestimmt werden. Es gilt für die Empfangsleistung P(d) in Abhängigkeit von der Distanz d zwischen dem Sender (beispielsweise der Mobilstation oder dem Kalibriersender) und einer gegebenen Ankerstation r folgender Zusammenhang:
wobei P_r(d₀) eine Referenzleistung in der Distanz d₀ ist. Durch Umstellen der Formel folgt hieraus
wobei ds die geschätzte Distanz zwischen Sender und Empfänger ist. Der Koeffizient α ist hierbei der Pfadverlustkoeffizient, der auch als Pfadverlustexponent (PLE) bezeichnet wird. Der Parameter α beschreibt die Umgebung und ist daher umgebungsabhängig.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Pfadverlustkoeffizient ein Faktor, der die Abnahme der Signalstärke über die Distanz darstellen kann. In einer dynamischen Umgebung ist es von Vorteil, den Pfadverlustkoeffizienten ständig anzupassen und nicht dauerhaft denselben konstanten Wert zu verwenden. Auch können sich die Pfadverlustkoeffizienten in unterschiedlichen Bereichen innerhalb eines Gebäudes unterscheiden.
Sind im allgemeinen die Abstände der Mobilstation oder des Messsenders von zumindest drei Ankerstationen bekannt, so kann aus den Abständen die Position des Kalibriersenders oder der Mobilstation mittels Multilateration, im Falle dreier Ankerstationen also mittels Trilateration, bestimmt werden.
Die Multilateration ist ein Navigationsverfahren, welches anhand von bekannten Positionen unterschiedlicher (mindestens drei) Ankerknoten eine Fläche berechnet, in der die Wahrscheinlichkeit, dass sich dort die Mobilstation oder der Messsender befindet, am größten ist.
Die Annäherung an die tatsächliche Position der Mobilstation oder des Messsenders kann vorteilhafterweise anhand einer Maximum-Likelihood-Schätzung bzw. Maximum-Wahrscheinlichkeits-Schätzung durchgeführt werden. Im Falle von N Ankerknoten mit N ≥ 3 ist die Differenz zwischen den geschätzten Distanzen und der realen Distanz und damit der Fehler der Messungen gegeben durch
x₀, y₀ sind hierbei die gesuchte tatsächliche Position der Mobilstation oder des Messsenders.
ist die geschätzte Distanz der Mobilstation bzw. des Messsenders zum i-ten Ankerknoten, die beispielsweise mittels der RSSI-Werte berechnet werden kann. x_i, y_i ist der geschätzte Ort der Mobilstation oder des Messsenders. Die tatsächlichen Koordinaten der Mobilstation oder des Messsenders sind hier also die Unbekannten.
Durch Umformen und Aufstellen einer Gleichung in Matrixschreibweise kann hieraus ein Gleichungssystem der Form Ax = b hergeleitet werden, wobei der Vektor x die unbekannten Koordinaten der Mobilstation bzw. des Messsenders darstellt. Durch Lösen dieses linearen Gleichungssystems ergibt sich eine Schätzung der Position der Mobilstation bzw. des Messsenders.
Die Lokalisierung lässt sich vorteilhaft weiter verbessern. Die Multilateration betrachtet immer nur einen einzelnen Vorgang der Positionsbestimmung. Sind mehrere RSSI-Werte von unterschiedlichen Ankerstationen, die an der Lokalisierung beteiligt sind, fehlerbehaftet, so ist auch die in der Multilateration ermittelte Position mit einem Fehler gegenüber der tatsächlichen Position behaftet. In der Multilateration kann der Fehler verkleinert werden, indem eine möglichst große Zahl von Ankerknoten verwendet wird.
An dieser Stelle kann vorteilhafterweise optional ein sogenannter „Extended Kalman-Filter” eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um einen rekursiven Schätzer, welcher anhand von aktuellen Messungen, unter Berücksichtigung seiner vorherigen Schätzungen, eine Schätzung des aktuellen Systemzustands durchführt. Hierfür wird vorteilhafterweise ein geeignetes Systemmodell sowie Messmodell gebildet, welches das echte System und die äußeren Einflüsse möglichst genau beschreibt.
Da hier im Falle der Lokalisierung auch die vorigen Lokalisierungsvorgänge berücksichtigt werden, können einzelne fehlerhafte Positionsbestimmungen vom Filter kompensiert werden.
Vorteilhafterweise werden jedoch auch hier Veränderungen in der Umgebung berücksichtigt, damit sich die Fehler in den Schätzungen des Kalman-Filters nicht weiter erhöhen. Vorteilhafterweise werden daher auch hier die Parameter für die Distanz-Schätzung anhand des RSSI-Wertes kontinuierlich an die Umgebung angepasst, um so den Fehler möglichst gering zu halten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft in Gebäuden mit einem oder mehreren Räumen durchführbar. Hat das Gebäude mehrere Räume, so ist vorzugsweise in jedem der Räume, in dem eine Lokalisierung erfolgen soll, zumindest ein Kalibriersender angeordnet.
Vorteilhafterweise wird der Vorgang des Kalibrierens fortlaufend wiederholt durchgeführt. Senden die Messstationen zeitlich begrenzte Signale wie beispielsweise Burst-Pakete oder Blasts, so kann das Senden dieser Signale wiederholt durchgeführt werden. Vorzugsweise senden die Messstationen regelmäßig, insbesondere zeitlich äquidistante Signale über einen Zeitraum, in dem eine Lokalisierung von Mobilstationen erfolgen soll. Es können dann mit jedem Ereignis des Sendens von Signalen durch die Messstationen die Pfadverlustkoeffizienten wie oben beschrieben aktualisiert werden. Ist vorgesehen, dass, wie oben beschrieben, Ankerstationen in Gruppen aufgeteilt werden, so können auch mit Eintreten bestimmter Bedingungen oder regelmäßig neue Gruppen angelegt werden oder die Aufteilung von Gruppen überprüft und ggfs. verändert werden.
Es ist vorteilhaft, mehrere alte Pfadverlustkoeffizienten aus vorangegangenen Kalibriervorgängen zwischen zu speichern und aus diesen und dem zuletzt bestimmten Pfadverlustkoeffizienten einen durchschnittlichen Wert als Pfadverlustkoeffizient zu berechnen, der für die entsprechende Ankerstationen oder Gruppe von Ankerstationen als Pfadverlustkoeffizient verwendet wird.
Wenn eine Gruppe für einen längeren Zeitraum, wie beispielsweise für 30 Sekunden, nicht aktualisiert wird, kann optional eine Löschung dieser Gruppe aus der Gruppenliste erfolgen. Die gewählte Zeit ist jedoch abhängig vom Zeitraum zwischen den Sendevorgängen der Messstationen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und unter verschiedenen Beispielen miteinander kombiniert werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder entsprechende Merkmale.
Es zeigt:
1 eine Netzwerkarchitektur eines Lokalisierungssystems nach dem Stand der Technik,
2 eine Illustrierung zum Vorgang der Trilateration,
3 einen beispielhaften Ablauf einer Aufteilung von Ankerknoten in Gruppen,
4 einen beispielhaften Ablauf einer Bestimmung des Pfadverlustkoeffizienten bei Aufteilung von Ankerstationen in Gruppen,
5 ein Beispiel für eine Aufteilung von Ankerstationen in Gruppen,
6 das Ergebnis einer beispielhaften Messung in einem Gebäude ohne Kalibriersender und
7 eine beispielhafte Messung in einem Gebäude entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung von Kalibriersendern.
2 zeigt beispielhaft, wie eine Trilateration funktioniert. Die Knoten A, B und C sind hierbei Ankerknoten, während N ein Tag wie beispielseise eine Mobilstation oder ein Kalibriersender ist. Die Annäherung an die wahre Position des Tags N kann beispielsweise mittels einer Maximum-Likelihood-Schätzung durchgeführt werden. Ist N ≥ 3, so kann die Differenz zwischen der geschätzten Distanz und der realen Distanz und damit der Fehler der Messung mit den Koordinaten des Tags als Unbekannte geschrieben werden als
Dabei sind x₀, y₀ die gesuchte Position des Tags.
ist die geschätzte Distanz zwischen dem Tag und dem i-ten Knoten, wobei u_i ∊ {A, B, C} ist. Durch Umformen und Aufstellen einer Gleichung in Matrixschreibweise ergibt sich hierbei ein Gleichungssystem der Form Ax = b, wobei der Vektor x die unbekannten Koordinaten des Tags darstellt. Durch Lösung des linearen Gleichungssystems ergibt sich eine Schätzung der Position des Tags.
3 zeigt beispielhaft einen Ablauf der Aktualisierung des Pfadverlustkoeffizienten (PLE) einer Gruppe, nachdem ein Kalibiersender ein Signal gesendet hat. In diesem Beispiel wird der Pfadverlustkoeffizient nur aktualisiert, wenn eine existierende Gruppe exakt mit der neuen Gruppe übereinstimmt. Ansonsten wird einen neue Gruppe mit einem neuen Pfadverlustkoeffizienten erzeugt.
4 zeigt beispielhaft einen Ablauf, über den im Vorgang des Lokalisierens eine Mobilstation einer Gruppe von Ankerstationen zugewiesen werden kann, um mit deren Pfadverlustkoeffizient die Lokalisierung durchzuführen. Es wird hierbei zunächst eine passende Gruppe gesucht (S41). Es wird dann bestimmt, ob das Signal der Mobilstation von den Ankerstationen der so gesuchten Gruppe mit hinreichender Qualität bzw. hinreichender Signalstärke oder hinreichend gutem RSSI-Wert empfangen werden kann (S42).
Ist dies der Fall, so wird die Mobilstation der betreffenden Gruppe zugeordnet und der Pfadverlustkoeffizient dieser Gruppe für die Lokalisierung verwendet (S43).
Ist die genannte Bedingung nicht erfüllt, so wird im gezeigten Beispiel eine Gruppe mit einer größeren Übereinstimmung gesucht (S44).
Es wird dann entschieden, ob genügend Gruppen gefunden wurden (S45).
Wurden mehrere Gruppen gefunden, so kann als Pfadverlustkoeffizient der Mittelwert der Pfadverlustkoeffizienten aller gefundenen Gruppen verwendet werden (S46). Werden keine Gruppen gefunden, die das Signal der Mobilstation mit hinreichender Qualität empfangen, so kann ein Standard-Pfadverlustkoeffizient verwendet werden (S47).
5 zeigt beispielhaft eine Gruppierung von Ankerstationen A1, A2, A3, A4, A5, A6 und A7. Im durch diese Ankerstationen abgedeckten Bereich finden sich Tags oder Blinds T1, T2, T3, T4, T5 und T6, die Mobilstationen und/oder Kalibriersender sein können.
Die genannten Ankerstationen lassen sich in drei Gruppen aufteilen. Gruppe 1 weist die Ankerstation A1, A2 und A3 auf. Gruppe 2 weist die Ankerstationen A3, A4 und A5 und Gruppe 3 weist die Ankerstationen A3, A6 und A7 auf. Befindet sich nun eine Mobilstation am Ort des Tags T1, so würde die Lokalisierung hier beispielsweise mit dem Pfadverlustkoeffizienten der Gruppe 1 durchgeführt, da sich diese Position nur in Gruppe 1 befindet. Entsprechend befindet sich die Position des Tags T3 nur in Gruppe 2 und die Position des Tags T6 nur in Gruppe 3. Der Tag T4 befindet sich zum Einen in Gruppe 2, zum Anderen aber auch am Rand der Gruppe 3. Der Tag T2 befindet sich in dem durch Gruppe 1 und dem durch Gruppe 2 abgedeckten Bereich und liegt am Rand der Gruppe 3. Der Tag T5 befindet sich in Gruppe 2 und 3 und am Rand der Gruppe 1. Insbesondere für die Tags T2 und T5 kann es sinnvoll sein, zur Lokalisierung ein Mittelwert der Pfadverlustkoeffizienten jener Gruppen zu verwenden, die durch diese Mobilstationen ausgesandten Signale hinreichend gut empfangen können. Vorteilhafterweise werden jedoch die Tags jeweils nur der Gruppe zugeordnet, die ihre Signale mit der besten Qualität empfangen können.
6 zeigt eine beispielhafte Messung im Inneren eines Gebäudes. Die Messung wird hierbei entsprechend dem Stand der Technik ohne Kalibriersender durchgeführt. In dem gezeigten Gebäude sind Ankerstationen A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7 und A8 in verschiedenen Zimmern verteilt. Eine Mobilstation wird nun entlang des Pfades 61 hin und zurück durch das Gebäude bewegt. Die Punkte 62, von denen zur Erhöhung der Übersichtlichkeit nur einige mit Bezugszeichen gekennzeichnet sind, zeigen die Orte auf, an denen die Mobilstation lokalisiert wird.
7 zeigt die gleiche Situation wie 6, wobei jetzt die Lokalisierung der Mobilstation auf ihrer Bewegung entlang des Pfades 61 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Kalibiersendern 63 durchgeführt wird. Die Kalibiersender sind hier in verschiedenen Räumen angeordnet, in denen eine Lokalisierung möglich sein soll. Der Flur wird hierbei vorzugsweise nicht als Raum angesehen sondern als Grenze zwischen verschiedenen Räumen.
Ein Vergleich der 6 und 7 zeigt, dass die Orte, an denen die Mobilstation bei ihrem Weg entlang des Pfades 61 lokalisiert wird, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich näher am tatsächlichen Pfad 61 der Mobilstation liegt als im in 6 gezeigten Verfahren nach dem Stand der Technik. Insbesondere zeigen sich im Stand der Technik in 6 im unteren Bereich, wenn der Flur durchlaufen wird, sehr große Ungenauigkeiten, da in diesem Bereich nur wenige Ankerknoten vorliegen.
In 7 führt die Gruppierung der Ankerknoten zu einer starken Verbesserung, da hier ein angepasster Pfadverlustkoeffizient je nach Bereich verwendet wird, in dem sich die Mobilstation befindet. Der Pfadverlustkoeffizient wird hierbei automatisch durch die Kalibriersender bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit wenig Aufwand in beliebige RSSI-basierte Lokalisierungssysteme integriert werden, wenn eine Verbesserung der Lokalisierungsergebnisse benötigt wird.
Einen Vorteil bietet das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in Gebäuden, in welchen die Umgebung ständigen Veränderungen unterworfen ist. Dies können zum Beispiel Baustellen sein, in denen die Arbeiter aus Sicherheitsgründen lokalisiert werden sollen. Auch für RSSI-basierte Lokalisierungssysteme, welche schnell auf- und wieder abgebaut werden sollen, bietet sich das Verfahren an, da keine Einlernphase benötigt wird. Dies können beispielsweise Messen oder Ausstellungen sein.
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 Nicht-Patentliteratur

K. Kleisouris, C. Y., Y. J., and R. P. Martin, ”The Impact of Using Multiple Antennas an Wireless Localization,” in Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2008. SECON '08. 5th Annual IEEE Communications Society Conference on, 2008, pp. 55–63 [0006]
Y. T. Chan, B. H. Lee, R. Inkol, and F. Chan, ”Received Signal Strength Localization With an Unknown Path Loss Exponent,” in Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2011 24th Canadian Conference on, 2011, pp. 456–459 [0006]

Claims

Verfahren zur Lokalisierung zumindest einer Mobilstation unter Verwendung eines Systems, das eine Mehrzahl von Ankerstationen und zumindest einen Kalibriersender mit bekannter Position aufweist, wobei das Verfahren einen Vorgang des Kalibrierens und einen Vorgang des Lokalisierens enthält, wobei der Vorgang des Kalibrierens enthält: Senden zumindest eines Signals durch den zumindest einen Kalibriersender, Empfangen des Signals durch zumindest einige der Ankerstationen, Messen jeweils einer Signalstärke des empfangenen Signals durch zumindest einige der Ankerstationen, die das Signal empfangen haben, mehrmalige Schätzung einer Position des Kalibriersenders mittels der gemessenen Empfangsstärken unter Annahme unterschiedlicher Pfadverlustkoeffizienten, und Vergleichen der jeweils geschätzten Position mit der bekannten Position des Kalibriersenders, Auswählen jenes der unterschiedlichen Pfadverlustkoeffizienten als tatsächlichem Pfadverlustkoeffizient, für den die geschätzte Position am geringsten von der tatsächlichen Position des Kalibriersenders abweicht, und wobei der Vorgang des Lokalisierens enthält: Senden zumindest eines Signals durch die Mobilstation, Empfangen des von der Mobilstation gesendeten Signals durch zumindest drei Ankerstationen, Messen jeweils einer Signalstärke des empfangenen von der Mobilstation gesendeten Signals durch die zumindest drei Ankerstationen, und Bestimmen der Position der Mobilstation unter Verwendung des im Vorgang des Kalibrierens als tatsächlichem Pfadverlustkoeffizient ausgewählten Pfadverlustkoeffizienten.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Vorgang des Kalibrierens einige der Ankerstationen zu zumindest einer Gruppe zusammengefasst werden, wobei vorzugsweise jeweils zumindest drei Ankerstationen zu einer Gruppe zusammengefasst werden, und zum Schätzen der Position des Kalibriersenders die Pfadverlustkoeffizienten für alle Ankerstationen der jeweiligen Gruppe als gleich angenommen werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vorgang des Lokalisierens ein Zuweisen der Mobilstation zu zumindest einer der Gruppen von Ankerstationen enthält, und wobei die Position der Mobilstation mit dem Pfadverlustkoeffizienten jener Gruppe bestimmt wird, der die Mobilstation zugewiesen wurde.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorgang des Lokalisierens ein Zuweisen der Mobilstation zu mehreren Gruppen von Ankerstationen enthält, und wobei die Position der Mobilstation mit einem Pfadverlustkoeffizienten bestimmt wird, der ein Mittelwert aller Pfadverlustkoeffizienten jener Gruppen ist, denen die Mobilstation zugewiesen wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schätzen der Position des Kalibriersenders und die Lokalisierung der Mobilstation mittels eines Pfadverlustmodells durchgeführt wird, wobei jeweils ein Abstand ds des Kalibriersenders oder der Mobilstation zu den entsprechenden Ankerknoten mittels der durch den entsprechenden Ankerknoten gemessenen Signalstärke bestimmt wird als
wobei ds der bestimmte Abstand, P(d₀) eine Referenzleistung in einem Referenzabstand d₀, P(d) die gemessene Empfangsleistung und α der Pfadverlustkoeffizient ist, und wobei aus den so bestimmten Abständen ds der Mobilstation zu den jeweiligen Ankerknoten die Position des Kalibriersenders oder der Mobilstation mittels Mutlilateration, vorzugsweise mittels Trilateration, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einem Gebäude mit mehreren Räumen durchgeführt wird und in jedem der Räume, in denen eine Lokalisierung erfolgen soll, zumindest ein Kalibriersender angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorgang des Kalibrierens fortlaufend wiederholt durchgeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei als Pfadverlustkoeffizient für die Lokalisierung ein Mittelwert aus jenem Pfadverlustkoeffizienten, der in der letzten Wiederholung des Vorgangs des Kalibrierens als tatsächlicher Pfadverlustkoeffizient ermittelt wurde, und in vorangegangenen Wiederholungen als tatsächliche Pfadverlustkoeffizienten ermittelten Pfadverlustkoeffizienten verwendet wird.
System zur Lokalisierung von Mobilstationen, aufweisend eine Mehrzahl von Ankerstationen und zumindest einen Kalibriersender mit bekannter Position, wobei mit dem Kalibriersender zumindest ein Signals sendbar ist, durch zumindest einige der Ankerstationen das Signal empfangbar ist, durch zumindest einige der Ankerstationen, die das Signal empfangen, jeweils eine Signalstärke des empfangenen Signals messbar ist, wobei eine Position des Kalibriersenders mehrmals schätzbar ist mittels der gemessenen Empfangsstärken unter Annahme unterschiedlicher Pfadverlustkoeffizienten, und die jeweils geschätzte Position mit der bekannten Position des Kalibriersenders vergleichbar ist, und wobei jener der unterschiedlichen Pfadverlustkoeffizienten als tatsächlicher Pfadverlustkoeffizient auswählbar ist, für den die geschätzte Position am geringsten von der tatsächlichen Position des Kalibriersenders abweicht, wobei außerdem ein von der Mobilstation gesendetes Signals durch zumindest drei Ankerstationen empfangbar ist, jeweils eine Signalstärke des empfangenen Signals durch die zumindest drei Ankerstationen messbar ist, und die Position der Mobilstation unter Verwendung tatsächlichen Pfadverlustkoeffizient ausgewählten Pfadverlustkoeffizienten bestimmbar ist.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mit dem System ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführbar ist.