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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zwischen einem mobilen Endgerät und einem Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2007 006 466 A1 beschrieben, ein Verfahren zur Ermittlung von Daten zur relativen Positionsbestimmung eines mobilen Empfängers eines funkbasierten Schließ-/Startfreigabesystems eines Kraftfahrzeuges bekannt. Es ist mindestens eine niederfrequente Sendeantenne vorhanden, welche von einer Sendeeinheit angesteuert und mit einem zu sendenden Signal versehen wird. Außerdem ist ein Empfänger vorhanden, der die Feldstärke des Sendesignals der niederfrequenten Sendeantenne erfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zwischen einem mobilen Endgerät und einem Fahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zwischen einem mobilen Endgerät und einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zwischen einem mobilen Endgerät und einem Fahrzeug wird erfindungsgemäß der Abstand aus einer zu zwei verschiedenen Zeitpunkten jeweils von einem Empfänger empfangenen Leistung und/oder Feldstärke eines von einem Sender gesendeten Signals und einer in einem Zeitraum zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Strecke des mobilen Endgeräts ermittelt, wobei die zurückgelegte Strecke mittels Bewegungs- und Beschleunigungssensoren des mobilen Endgeräts ermittelt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein Bewegungsvektor des mobilen Endgerätes berücksichtigt. Mittels der Bewegungs- und Beschleunigungssensoren in dem vorteilhafterweise als Mobiltelefon, insbesondere Smartphone, ausgebildeten mobilen Endgerät kann eine Geschwindigkeit des mobilen Endgeräts bzw. eines das mobile Endgerät verwendenden Nutzers ermittelt werden, woraus sich auf die zurückgelegte Strecke schließen lässt. Wird zusätzlich zum ersten Zeitpunkt die empfangene Leistung und/oder Feldstärke ermittelt und nach einer bekannten Zeit, zum zweiten Zeitpunkt, ein zweites Mal ermittelt, kann mit diesen Angaben auf die Entfernung zum Sender geschlossen werden. Die Entfernung zwischen dem mobilen Endgerät und dem Fahrzeug berechnet sich dann aus den empfangenen Leistungen zu den zwei verschiedenen Zeitpunkten, auch als RSSI-Messung (Received Signal Strength Indication) bezeichnet, und der in dem Zeitraum zurückgelegten Strecke.
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Das Verfahren ermöglicht somit eine genauere Abstandermittlung zwischen dem vorteilhafterweise als Mobiltelefon ausgebildeten mobilen Endgerät und dem Fahrzeug anhand der RSSI-Werte unter Einbeziehung des Bewegungsvektors des mobilen Endgeräts.
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Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise besteht keine Abhängigkeit von einer tatsächlichen Sendeleistung, von einer Charakteristik einer genutzten Empfangsantenne und von einer Antennencharakteristik einer Sendeantenne. Es ist kein Abgleich zwischen Sendereinheit und Empfangseinheit nötig. Dadurch kann für das erfindungsgemäße Verfahren ein beliebiges mobiles Endgerät, insbesondere Mobiltelefon, verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient einer Lokalisierung oder zumindest einer Distanzermittlung zwischen zwei Teilnehmern, hier zwischen dem Fahrzeug und dem mobilen Endgerät. Dies erlangt zur Realisierung verschiedener Fahrzeugfunktionen zunehmende Bedeutung. Insbesondere im Bereich einer Zutrittsberechtigung und Fahrberechtigung ist eine Lokalisierung essentiell. Bisher wird dies bei dem so genannten Keyless-go dadurch erreicht, dass ein Steuergerät über geeignete Antennen im Fahrzeug ein niederfrequentes Feld generiert. Ein Fahrzeugschlüssel empfängt diese Felder.
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Anhand der empfangenen Feldstärken wird die Lokalisierung des Fahrzeugschlüssels durchgeführt. In Abhängigkeit des Aufenthaltsortes sind Funktionen möglich. So kann beispielswiese kein Motorstart durchgeführt werden, sobald der Fahrzeugschlüssel sich außerhalb des Fahrzeugs befindet. Neben diesen bereits bekannten Funktionen sind weitere Funktionen möglich, insbesondere auch Funktionen, die bereits in größeren Abständen zum Fahrzeug ausgelöst werden sollen, beispielsweise ein so genanntes Wellcome lightning, d. h. eine Beleuchtung des Fahrzeugs und/oder einer Umgebung des Fahrzeugs für den sich dem Fahrzeug nähernden Nutzer, und/oder ein Ausfahren von Türgriffen bei einer Annäherung des Nutzers an das Fahrzeug. Diese Funktionen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der dadurch verbesserten Abstandsermittlung realisiert werden.
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Des Weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, die oben genannten Funktionen auch ohne einen speziellen Fahrzeugschlüssel zu realisieren, indem der Fahrzeugschlüssel durch das mobile Endgerät, insbesondere das Mobiltelefon oder ein anderes mobiles Gerät, ersetzt wird. In diesen sich von einem herkömmlichen Fahrzeugschlüssel unterscheidenden mobilen Endgeräten ist es nicht oder nur sehr erschwert möglich, ein niederfrequentes Feld zu erfassen, wie dies bisher durch den Fahrzeugschlüssel erfolgt. Stattdessen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf im mobilen Endgerät, beispielsweise Mobiltelefon, vorhandene Funktechnologien zurückgegriffen werden und mit diesen Funktechnologien die gewünschte Funktionalität realisiert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 schematisch ein Diagramm, welches drei beispielhafte Verläufe einer empfangenen Leistung in Abhängigkeit von einem Abstand zwischen einem Sender und einem Empfänger zeigt.
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1 zeigt schematisch ein Diagramm, welches drei beispielhafte Verläufe V1, V2, V3 einer empfangenen Leistung PE in Abhängigkeit von einem Abstand r zwischen einem Sender, beispielsweise in einem Fahrzeug, und einem Empfänger, beispielsweise in einem mobilen Endgerät, verdeutlicht. In einem Verfahren zur Ermittlung des Abstandes r zwischen dem mobilen Endgerät und dem Fahrzeug wird der Abstand r aus der zu zwei verschiedenen Zeitpunkten jeweils vom Empfänger empfangenen Leistung PE und/oder Feldstärke des vom Sender gesendeten Signals und einer in einem Zeitraum tW zwischen den beiden Zeitpunkten zurückgelegten Strecke des mobilen Endgeräts ermittelt. Die zurückgelegte Strecke wird dabei mittels Bewegungs- und Beschleunigungssensoren des mobilen Endgeräts ermittelt. Das Verfahren dient einer Lokalisierung oder zumindest einer Distanzermittlung zwischen zwei Teilnehmern, hier zwischen dem Fahrzeug und dem mobilen Endgerät. Dies erlangt zur Realisierung verschiedener Fahrzeugfunktionen zunehmende Bedeutung. Insbesondere im Bereich einer Zutrittsberechtigung und Fahrberechtigung ist eine Lokalisierung essentiell.
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Bisher wird dies bei dem so genannten Keyless-go dadurch erreicht, dass ein Steuergerät über geeignete Antennen im Fahrzeug ein niederfrequentes Feld generiert. Ein Fahrzeugschlüssel empfängt diese Felder. Anhand der empfangenen Feldstärken wird die Lokalisierung des Fahrzeugschlüssels durchgeführt. In Abhängigkeit des Aufenthaltsortes des Fahrzeugschlüssels sind verschiedene Funktionen möglich. So kann beispielswiese kein Motorstart durchgeführt werden, sobald der Fahrzeugschlüssel sich außerhalb des Fahrzeugs befindet.
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Neben diesen bereits bekannten Funktionen sind weitere Funktionen möglich, insbesondere auch Funktionen, die bereits in größeren Abständen r zum Fahrzeug ausgelöst werden sollen, beispielsweise ein so genanntes Wellcome lightning, d. h. eine Beleuchtung des Fahrzeugs und/oder einer Umgebung des Fahrzeugs für den sich dem Fahrzeug nähernden Nutzer, und/oder ein Ausfahren von Türgriffen bei einer Annäherung des Nutzers an das Fahrzeug. Diese Funktionen können, neben den bereits bekannten Funktionen, mit dem Verfahren und der dadurch verbesserten Abstandsermittlung realisiert werden.
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Des Weiteren ermöglicht das Verfahren, die oben genannten Funktionen auch ohne einen speziellen Fahrzeugschlüssel zu realisieren, indem der Fahrzeugschlüssel durch das mobile Endgerät, insbesondere das Mobiltelefon oder ein anderes mobiles Gerät, ersetzt wird. In diesen sich von einem herkömmlichen Fahrzeugschlüssel unterscheidenden mobilen Endgeräten ist es nicht oder nur sehr erschwert möglich, ein niederfrequentes Feld zu erfassen, wie dies bisher durch den Fahrzeugschlüssel erfolgt. Stattdessen kann mit dem Verfahren auf im mobilen Endgerät, beispielsweise im Mobiltelefon oder in so genannten Wearables, vorhandene Funktechnologien zurückgegriffen werden und mit diesen Funktechnologien die gewünschte Funktionalität realisiert werden.
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Wie oben bereits beschrieben, wird bisher lediglich die Messung der Feldstärke und/oder der empfangenen Leistung P
E zur Abstandsermittlung genutzt. Die Feldstärke und/oder empfangene Leistung P
E folgt unter idealen Bedingungen, d. h. bei Reflexionsfreiheit und einem Fernfeld, der Beziehung:
mit:
- PS(EIRP):
- Sendeleistung EIRP, welche in Richtung Empfangsantenne abgestrahlt wird [W] (EIRP = equivalent isotropically radiated power = äquivalente isotrope Strahlungsleistung).
- AW:
- Antennenwirkfläche der Empfangsantenne [m2].
- r:
- Abstand zwischen Sendeantenne und Empfangsantenne [m].
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Bisher verwendete Verfahren messen die empfangene Leistung PE und ordnen diese einer Entfernung, d. h. einem Abstand r, zu. Diese Verfahren sind nur dann genau, wenn die Sendeleistung PS(EIRP) sehr genau bekannt ist. Dies ist aber in den meisten Fällen nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Dementsprechend ist die Abstandsbestimmung mit den bisher verwendeten Verfahren sehr ungenau.
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In den meisten Fällen strahlt die Sendeantenne nicht gleichmäßig in alle Richtungen ab. Des Weiteren kommt der Haltung des Fahrzeugschlüssels oder des mobilen Endgeräts, zum Beispiel des Mobiltelefons, eine wichtige Rolle zu. Auch dadurch ergeben sich weitere Toleranzen. Messungen an realen Komponenten, d. h. an Fahrzeug und Fahrzeugschlüssel, zeigen eine Variation von beispielsweise je 30 dB, so dass im schlimmsten Fall eine Gesamtunsicherheit von 60 dB entsteht. Damit sind keine gesicherten Abstandsbestimmungen möglich. Sie würden eine Unsicherheit von beispielsweise nahe 0 m und mehr als 50 m ergeben. Schon eine Unsicherheit von nur 15 dB führt beispielsweise dazu, dass der Abstand r zwischen 7,5 m und 42,5 m liegen kann.
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Um die Einflüsse einer richtungsabhängigen Sendeleistung PS(EIRP) sowie der Abhängigkeit der Orientierung von Fahrzeugschlüssel oder mobilem Endgerät, beispielsweise Mobiltelefon, insbesondere Smartphone, zu reduzieren, wird das oben beschriebene Verfahren verwendet. Des Weiteren benötigt dieses Verfahren keinen Abgleich von Sender und Empfänger. Dies ist ein signifikanter Unterschied zu den bekannten Lösungsansätzen, welche aufgrund von Toleranzen in Sendeleistung PS(EIRP) und Empfangsempfindlichkeit einen Abgleich erfordern oder sehr eng tolerierte Geräte notwendig machen, was zusätzliche Kosten verursacht.
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Die in Formel [1] beschriebene Beziehung zwischen Sendeleistung P
S(EIRP) und empfangener Leistung P
E kann in logarithmischer Schreibweise (Einheit in dB) wie folgt dargestellt werden:
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Aus der obigen Gleichung ist ableitbar, dass der Verlauf der logarithmischen empfangenen Leistung PE[dBm] lediglich vom 2. Term mit 10 log(4·π·r2) abhängig ist. Eine veränderte Sendeleistung PS(EIRP) verschiebt lediglich den Kurvenverlauf auf der y-Achse. Gleiches gilt für eine abweichende Antennenwirkfläche AW.
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In 1 sind die geschilderten Zusammenhänge illustriert. Variiert die Sendeleistung PS(EIRP) um 5 dB, ist diese Variation ebenfalls auf der Empfangsseite mit 5 dB sichtbar, dargestellt durch die drei um jeweils 5 dB zueinander verschobenen Verläufe V1, V2, V3 der empfangenen Leistung PE. Der Abstand zum Sender spielt dabei keine Rolle.
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Anders ausgedrückt, sobald die Steigung der logarithmischen empfangenen Leistung P
E[dBm] bekannt ist, kann sofort auf den Abstand r zwischen Sender und Empfänger geschlossen werden:
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Alternativ kann auch von den folgenden Gleichungen [4] und [5] Gebrauch gemacht werden:
r1 = r2 + Δr [5] wobei r
1 ein erster Abstand ist, welchen der Sender zum Empfänger zum ersten Zeitpunkt aufweist, Δr eine Abstandsänderung während des Zeitraums t
W ist und r
2 ein zweiter Abstand nach dem Zeitraum t
W, d. h. zum zweiten Zeitpunkt, ist.
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In heutigen mobilen Endgeräten, beispielsweise Mobiltelefonen, insbesondere Smartphones, sind Bewegungs- und Beschleunigungssensoren vorhanden, mit denen eine Geschwindigkeit v des mobilen Endgeräts und somit des Nutzers ermittelt werden kann. Ist die Geschwindigkeit v bekannt, mit welcher sich das mobile Endgerät bewegt, besteht die Möglichkeit, auf die zurückgelegte Strecke zu schließen.
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Wird zusätzlich zum ersten Zeitpunkt ein erster Wert PE1[dBm] der empfangenen Leistung PE ermittelt und nach dem bekannten Zeitraum tW, d. h. zum zweiten Zeitpunkt, ein zweiter Wert PE2[dBm] der empfangenen Leistung PE ermittelt, kann mit diesen Angaben auf den Abstand r zum Sender geschlossen werden. Beispielsweise wird zum ersten Zeitpunkt der erste Wert PE1[dBm] der empfangenen Leistung PE von zum Beispiel –42,5 dBm ermittelt. Mittels der Sensorik im mobilen Endgerät, d. h. mittels dessen Bewegungs- und Beschleunigungssensoren, wird die Geschwindigkeit v des mobilen Endgeräts von beispielsweise 1 m/s im Zeitraum tW ermittelt. Nach dem Zeitraum tW von zum Beispiel 2 s wird ein zweites Mal die empfangene Leistung PE ermittelt, welche nun den zweiten Wert PE2[dBm] von beispielsweise –40,5 dBm aufweist. Mit den derart ermittelten Daten kann nun die Entfernung, d. h. der Abstand r zwischen Sender und Empfänger, ermittelt werden.
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Aus den obigen Angaben ergibt sich: ΔPE[dBm] = PE2[dBm] – PE1[dBm]
= –40,5 dBm – (–42,5 dBm)
= 2 dB [6] wobei ΔPE[dBm] die Veränderung der empfangenen Leistung PE bzw. der logarithmischen empfangenen Leistung PE[dBm] im Zeitaum tW ist. Δr = v·tW = 1 m / s·2s = 2m [8]
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Diese Werte aus den Gleichungen [6] und [7] in die Gleichungen [4] und [5] eingesetzt, ergeben die folgenden Gleichungen [8] und [9], aus welchen sich der Abstand r ermitteln lässt:
r1 = r2 + Δr = 7,72 + 2m = 9,72m [9] -
Alternativ lässt sich der Abstand r durch Einsetzen der Werte aus den Gleichungen [6] und [7] in die Gleichung [3] ermitteln, woraus sich die folgende Gleichung [10] ergibt:
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Durch die beschriebene Vorgehensweise besteht keine Abhängigkeit von einer tatsächlichen Sendeleistung, von einer Charakteristik einer genutzten Empfangsantenne und von einer Antennencharakteristik einer Sendeantenne. Es ist kein Abgleich zwischen Sendereinheit und Empfangseinheit nötig. Dadurch kann für das beschriebene Verfahren ein beliebiges mobiles Endgerät, beispielsweise Mobiltelefon, insbesondere Smartphone, verwendet werden.
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Sobald Reflexionen die abklingende Empfangskurve in ihrem Verlauf verändern, entstehen auch mit diesem Verfahren Ungenauigkeiten. Diese Herausforderungen sind jedoch in den bisher bekannten Lösungsansätzen ebenfalls vorhanden, so dass das beschriebene Verfahren diesbezüglich keine Verschlechterung zu bisher bekannten Methoden der Abstandsermittlung darstellt. Sobald der Nutzer und somit das mobile Endgerät sich nicht auf einem direkten Weg zum Fahrzeug bewegt, kann die Entfernungsermittlung mit der beschriebenen Methode einen zu hohen Wert ergeben.
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Bezugszeichenliste
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- PE
- empfangene Leistung
- r
- Abstand
- r1
- erster Abstand
- r2
- zweiter Abstand
- V1, V2, V3
- Verlauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007006466 A1 [0002]
