DE102020200023A1 - Method and device for the highly precise determination of the position and / or orientation of an object to be located and a fixed station for a mobile radio communication system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Objektes (10), das zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgelegt ist. Solche hochgenauen Eigenlokalisierungen werden insbesondere für das automatische Fahren und für die Navigation in Gebäuden benötigt. Dabei wird von dem Objekt (10) ein breitbandiger Impulse kurzer Dauer an die umliegenden Feststationen (31 - 35) ausgesendet, die bei Empfang von den umliegenden Feststationen (31 - 35) in einer unmittelbaren Rücksendung eines Antwortimpulses beantwortet werden. Damit findet in dem Objekt (10) eine Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Antwortimpulses der Rücksendung von einer der umliegenden Feststationen (31 - 35) statt. Wenn die Aussendung des Impulses durch eine Anzahl von an verschiedenen Positionen des Objektes (10) angebrachten Antennenelementen (176) erfolgt und die Zeit jeweils bis zum Eintreffen des Antwortimpulses bei den einzelnen Antennenelementen (176) gemessen wird, kann durch Schnittpunktberechnung mit den sich ergebenden Laufzeiten und den bekannten Positionen der Antennenelemente der Feststationen (31 - 35) die hochgenaue Eigenlokalisierung erfolgen.The invention relates to a method for the highly precise determination of the position and / or orientation of an object (10) to be located, which is designed for communication in a wireless communication network. Such highly precise self-localizations are required in particular for automatic driving and for navigation in buildings. A broadband pulse of short duration is sent from the object (10) to the surrounding fixed stations (31-35) which, when received, are answered by the surrounding fixed stations (31-35) with an immediate return of a response pulse. In this way, a measurement of the transit time of the emitted pulse takes place in the object (10) up to the arrival of the return pulse from one of the surrounding fixed stations (31-35). If the pulse is emitted by a number of antenna elements (176) attached to different positions on the object (10) and the time until the response pulse arrives at the individual antenna elements (176) is measured, the intersection point calculation with the resulting transit times and the known positions of the antenna elements of the fixed stations (31-35) are used for the highly precise self-localization.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Objektes. Der Vorschlag betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Objektes sowie eine Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem.The invention relates to a method for the highly precise determination of the position and / or orientation of an object to be located. The proposal also relates to a device for the highly precise determination of the position and / or orientation of an object to be located, as well as a fixed station for a mobile radio communication system.
Für das Szenario von mit Funkkommunikationsmodulen ausgestatteten Fahrzeugen, die im öffentlichen Straßenverkehr direkt miteinander kommunizieren, sei es für ein kooperatives oder autonomes Fahren, oder auch für die Teilnahme am Mobilfunk und die Anbindung an das Internet oder die Versorgung mit anderen Datendiensten ist eine hohe Verlässlichkeit bei sicherheitskritischen Anwendungen unablässig oder für den Kunden sehr wichtig.For the scenario of vehicles equipped with radio communication modules that communicate directly with each other in public road traffic, be it for cooperative or autonomous driving, or for participation in mobile communications and the connection to the Internet or the supply of other data services, there is a high level of reliability safety-critical applications incessantly or very important for the customer.
Navigationshilfen haben den Alltag vieler Menschen erobert. So helfen sie im ruralen wie im urbanen Bereich, gezielt Orte anzusteuern und die Zeit für den Anfahrtsweg zu minimieren. Dabei wird speziell bei Fahrzeug-Anwendungen in der Regel auf eine Satellitennavigation zurückgegriffen, in die Informationen aus Signalen anderer Fahrzeugsensoren zwecks Robustheitssteigerung mit einfließen. Die Satellitennavigation ist unter dem Begriff GNSS, entsprechend Global Navigation Satellite System, bekannt.Aids to navigation have conquered the everyday life of many people. In this way, they help in both rural and urban areas to go to specific locations and to minimize the time to get there. Especially in vehicle applications, satellite navigation is used as a rule, into which information from signals from other vehicle sensors is incorporated in order to increase robustness. Satellite navigation is known under the term GNSS, corresponding to Global Navigation Satellite System.
In dicht bebauten Gebieten stößt die Satellitennavigation jedoch an technische Grenzen, da die Satellitensignale in engen Häuserschluchten oft nicht direkt, sondern nur indirekt nach (Mehrfach-)Reflektionen an Häuserwänden empfangen werden können. Das satellitenbasierte Lokalisierungsergebnis wird dadurch teilweise so stark verfälscht, dass es zumindest vorübergehend für die Korrektur der Positionsschätzung aus den (ungenaueren) Fahrzeug-Sensorsignalen nicht geeignet ist.In densely built-up areas, however, satellite navigation reaches its technical limits, as the satellite signals in narrow urban canyons often cannot be received directly, but only indirectly after (multiple) reflections on the walls of houses. The satellite-based localization result is sometimes so falsified that it is at least temporarily unsuitable for correcting the position estimate from the (less precise) vehicle sensor signals.
Innerhalb von Gebäuden gestaltet sich die Lokalisierungsaufgabe noch schwieriger. Da die Satellitensignale Decken und Wände in der Regel nicht durchdringen, muss für Indoor-Navigations-Anwendungen ein Verfahren entwickelt werden, das komplett ohne Satellitensignale auskommt. Dabei ist es erforderlich, im Vergleich zu Outdoor-Navigationen wesentlich höhere Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen. Während dies beim autonomen Fahren eines Fahrzeugs im Parkhaus als wichtigste Fahrzeug-Anwendung erforderlich ist, um Kollisionen mit anderen Fahrzeugen oder Parkhaus-Hindernissen zu vermeiden, besteht beim elektronischen Museumsführer als einer typischen Nichtfahrzeug-Anwendung bereits bei einer Ungenauigkeit von mehreren Metern die Gefahr, den Nutzer in einen falschen Raum zu navigieren.The localization task is even more difficult inside buildings. Since the satellite signals usually do not penetrate ceilings and walls, a process has to be developed for indoor navigation applications that works completely without satellite signals. It is necessary to meet significantly higher accuracy requirements compared to outdoor navigation. While this is the most important vehicle application required for autonomous driving of a vehicle in a parking garage in order to avoid collisions with other vehicles or parking garage obstacles, with an electronic museum guide, as a typical non-vehicle application, there is already the risk of an inaccuracy of several meters Navigating users to the wrong room.
Als nicht-satellitenbasierte Alternative für die Indoor-Lokalisierung kommt zum Beispiel die Feldstärke des oftmals bereits vorhandenen WLAN-Netzes in Frage. Dabei muss mit dem Endgerät, also z. B. einer Zusatzeinheit des Fahrzeugnavigationssystems oder des elektronischen Museumsführers, das Signal gemessen und mit Karten der charakteristischen Feldstärkeverteilung des WLAN-Netzes verglichen werden. Auf diesem Prinzip basiert auch die Standortbestimmung via Erdmagnetfeld, das durch Gebäudeeigenschaften markant verändert wird. Der Aufwand für die Erstellung und kontinuierliche Aktualisierung der Feldstärke-Karten ist allerdings speziell vor dem Hintergrund der ausgeprägten Genauigkeitsanforderungen hoch.As a non-satellite-based alternative for indoor localization, for example, the field strength of the WLAN network, which is often already in place, comes into question. It must be with the terminal, so z. B. an additional unit of the vehicle navigation system or the electronic museum guide, the signal can be measured and compared with maps of the characteristic field strength distribution of the WLAN network. Location determination via the earth's magnetic field, which is markedly changed by the properties of the building, is based on this principle. However, the effort involved in creating and continuously updating the field strength maps is high, especially against the background of the pronounced accuracy requirements.
Eine andere Möglichkeit beruht auf der Anbringung von kleinen Sendern innerhalb eines Gebäudes, die beispielsweise Bluetooth-Low-Energy-Signale (BLE-Signale) übertragen. Der Standort lässt sich dann etwa mittels Trilateration bestimmen: Aus den Signalen dreier Sender wird deren jeweilige Entfernung zum Endgerät bestimmt und mit Hilfe der bekannten Senderstandorte und der bestimmten Entfernungen die Position durch Schnittpunktberechnung ermittelt. Zur Entfernungsmessung können ähnlich wie bei der Radar-Technologie Laufzeitmessungen von ausgesendeten Signalen durchgeführt werden, die zurückreflektiert werden oder aber unmittelbar vom Sender neu ausgestrahlt werden, wenn ein Messsignal des Objektes eintrifft. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Feldstärkemessung, wodurch sich mit Hilfe einer entsprechend genauen Karte über die Feldstärkeverteilung bei einer Normausstrahlung die Entfernung zum Sender ebenfalls bestimmen lässt.Another possibility is based on the installation of small transmitters within a building, which for example transmit Bluetooth low energy signals (BLE signals). The location can then be determined using trilateration, for example: the respective distance to the end device is determined from the signals from three transmitters and the position is determined by calculating the intersection point with the aid of the known transmitter locations and the determined distances. For distance measurement, similar to radar technology, transit time measurements of transmitted signals can be carried out, which are reflected back or are re-transmitted directly by the transmitter when a measurement signal from the object arrives. Another possibility is a field strength measurement, whereby the distance to the transmitter can also be determined with the help of a correspondingly precise map of the field strength distribution for a standard broadcast.
Ein Beispiel eines auf GPS Signalauswertung basierenden Positionsbestimmungssystem ist in
Ein weiteres Beispiel für ein solches System ist in
Aus der
Aus der
In der
Auf Grund der Wellenlänge der WLAN- und BLE-Signale von ca. 12,5 cm entsprechend einer Frequenz von 2,5 GHz ist eine Lokalisierung mit genügend hoher Genauigkeit prinzipiell möglich. Da die erlaubte WLAN- und BLE-Sendeleistung hoch genug ist, um eine störungsfreie bzw. störminimale Informationsübertragung auch bei größeren Antennenabständen und damit akzeptablen Systemkosten zu realisieren, muss bei Indoor-Navigations-Anwendungen davon ausgegangen werden, dass die WLAN- und BLE-Signale nicht von jedem Punkt aus direkt, sondern nur indirekt nach (Mehrfach-) Reflektionen an Wänden und Hindernissen empfangen werden können. Die mit einer Wellenlänge von 12,5 cm theoretisch mögliche Lokalisierungsgenauigkeit kann unter diesen Bedingungen nur dann annähernd erreicht werden, wenn eine Kompensation der (Mehrfach-)Reflektionen mit dedizierten Rechenmodellen erfolgt. Diese Rechenmodelle sind einerseits sehr komplex und damit zeitintensiv in ihrer Entwicklung, andererseits müssen sie kontinuierlich aktuell gehalten werden, um eventuellen baulichen Gebäudeveränderungen während des Systembetriebs über mehrere Jahre Rechnung tragen zu können.Due to the wavelength of the WLAN and BLE signals of approx. 12.5 cm, corresponding to a frequency of 2.5 GHz, localization with sufficiently high accuracy is in principle possible. Since the permitted WLAN and BLE transmission power is high enough to achieve interference-free or interference-free information transmission even with larger antenna distances and thus acceptable system costs, it must be assumed for indoor navigation applications that the WLAN and BLE signals cannot be received directly from every point, but only indirectly after (multiple) reflections on walls and obstacles. The localization accuracy theoretically possible with a wavelength of 12.5 cm can only be approximated under these conditions if the (multiple) reflections are compensated with dedicated computer models. On the one hand, these calculation models are very complex and therefore time-consuming to develop; on the other hand, they have to be kept continuously up-to-date in order to be able to take into account any structural changes to the building during system operation over several years.
Die dafür erforderlichen Arbeiten entfallen bei Erhöhung der Antennendichte, sodass die WLAN- und BLE-Signale größtenteils direkt empfangen werden können und damit der Anteil der (Mehrfach-)Reflektionen abnimmt. Für ihre Kompensation bei der Indoor-Lokalisierung sind damit generische Modelle ausreichend, die sich einerseits einfacher gestalten und andererseits nicht mehr kontinuierlich aktualisiert werden müssen.The work required for this is no longer necessary if the antenna density is increased, so that most of the WLAN and BLE signals can be received directly, thus reducing the proportion of (multiple) reflections. To compensate for indoor localization, generic models are sufficient, which on the one hand are simpler and on the other hand no longer have to be continuously updated.
Für Indoor-Navigations-Anwendungen mit besonders hohen Genauigkeitsanforderungen kann es erforderlich werden, das oben beschriebene Trilaterationsverfahren um einen Ultra-Wide-Band-Ansatz (UWB-Ansatz) zu erweitern. Dessen Prinzip besteht darin, von einem Sender eines autonom fahrenden Fahrzeugs oder eines elektronischen Museumsführers beispielsweise einen zeitlich stark begrenzten Impuls mit einer Dauer <1ns und stark ausgeprägter Flankensteilheit entsprechend einer Bandbreite von mehreren Hundert MHz auszusenden. Prinzip bedingt verteilt sich die Strahlungsleistung eines UWB-Impulses auf die sehr große Bandbreite. Pro Bandbreitenintervall ergibt sich somit nur eine wenig erhöhte Strahlungsleistung, sodass der Grenzwert der spezifischen Strahlungsleistung einer von derselben Station ausgestrahlten anderen Kommunikationsart durch die zusätzliche UWB-Ausstrahlung in dem jeweiligen Intervall praktisch nicht überschritten wird.For indoor navigation applications with particularly high accuracy requirements, it may be necessary to expand the trilateration method described above to include an ultra-wide-band approach (UWB approach). Its principle consists in sending out from a transmitter of an autonomously driving vehicle or an electronic museum guide, for example, a time-limited impulse with a duration <1ns and a pronounced edge steepness corresponding to a bandwidth of several hundred MHz. Due to the principle, the radiation power of a UWB pulse is distributed over the very large bandwidth. Thus, there is only a slightly increased radiated power per bandwidth interval, so that the limit value of the specific radiated power of another type of communication broadcast by the same station is practically not exceeded by the additional UWB broadcast in the respective interval.
Trotz der geringen Leistung des UWB-Pulses müssen im Indoor-Bereich verteilt angebrachte Empfänger in der Lage sein, eine einwandfreie Detektion des UWB-Pulses durchzuführen und eine Rückantwort in Richtung des aussendenden Endgeräts zurückzusenden. Der Abstand der im Indoor-Bereich verteilt angebrachten Empfänger darf daher einen von den gegebenen Randbedingungen abhängigen max. Wert nicht überschreiten und sollte im Idealfall so gewählt werden, dass von jedem Punkt des Indoor-Bereichs aus Sichtkontakt zu mindestens drei Empfängern besteht. Die Begründung für diese Forderung ist die Notwendigkeit, Reflektionen erkennen und ignorieren zu können. Bei fehlendem direkten Sichtkontakt würden ausschließlich reflektierte Signale oder sogar mehrfach reflektierte Signale vorliegen. Um daraus die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ermitteln zu können, wären aufwändige Rechen-Modelle erforderlich. Diese Modelle müssten immer aktuell gehalten werden, um eventuelle bauliche Veränderungen wiedergeben zu können. Bei Vorliegen einer direkten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ist es möglich, Reflektionen und Mehrfach-Reflektionen zu erkennen und zu ignorieren. Die Entfernungs-Berechnung kann dann auf Basis der direkten Pulslaufzeit mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.Despite the low power of the UWB pulse, receivers installed in the indoor area must be able to correctly detect the UWB pulse and respond in the direction of the sending one To send back the device. The distance between the receivers distributed in the indoor area must therefore not exceed a maximum value that depends on the given boundary conditions and should ideally be selected so that there is visual contact with at least three receivers from every point in the indoor area. The rationale for this requirement is the need to be able to recognize and ignore reflections. In the absence of direct visual contact, only reflected signals or even multiple reflected signals would be present. In order to be able to determine the distance between transmitter and receiver from this, complex calculation models would be required. These models must always be kept up-to-date in order to be able to reflect any structural changes. If there is a direct line of sight between the transmitter and receiver, it is possible to recognize and ignore reflections and multiple reflections. The distance calculation can then be determined with high accuracy on the basis of the direct pulse transit time.
Unter diesen Bedingungen wird es durch eine präzise Messung der Zeit zwischen Aussenden des Original-Impulses und Wiedereintreffen der reflektierten Impulses von mindestens drei Empfängern möglich, die Entfernungen zwischen Endgerät und Sendern zu bestimmen und mithilfe der Senderstandorte und der Distanzen die Endgeräteposition zu ermitteln.Under these conditions, by precisely measuring the time between the transmission of the original pulse and the re-arrival of the reflected pulse from at least three receivers, it is possible to determine the distances between the terminal device and the transmitter and to determine the terminal device position using the transmitter locations and the distances.
Der ausgeprägte Gleichlauf aktuell verfügbarer elektronischer Uhren ermöglicht dabei, den Fehler der ermittelten Position < 1cm zu halten. Dem Vorteil dieser hohen Genauigkeit steht dabei der Nachteil der hohen Kosten durch die Vielzahl der erforderlichen Empfänger zur Reflektion der gesendeten Impulse gegenüber.The pronounced synchronization of currently available electronic clocks enables the error of the determined position to be kept <1 cm. The advantage of this high accuracy is offset by the disadvantage of the high costs due to the large number of receivers required to reflect the transmitted pulses.
Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, eine Methode zur hochgenauen Eigenlokalisierung für Objekte, insbesondere Fahrzeuge, zu finden, die sich innerhalb von Gebäuden bewegen.The object of the invention is to find a method for highly precise self-localization for objects, in particular vehicles, which move within buildings.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Objektes gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Objektes gemäß Anspruch 10, sowie eine Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem gemäß Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a method for determining the position and / or orientation of an object to be located according to
Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung dieser Maßnahmen.The dependent claims contain advantageous developments and improvements of the invention according to the following description of these measures.
Die Lösung für das Problem besteht in einem Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Objektes, das zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgelegt ist. Dieses kann in Form eines Mobilfunkkommunikationsnetzwerkes ausgeführt sein. Zur hochgenauen Positions- und/oder Orientierungsbestimmung werden von dem Objekt breitbandige Impulse kurzer Dauer an die umliegenden Feststationen ausgesendet, die bei Empfang von den umliegenden Feststationen in einer unmittelbaren Rücksendung beantwortet werden. Für die genaue Positions- und/oder Orientierungsbestimmung wird in dem Objekt eine Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Antwortimpulses der Rücksendung von einer der umliegenden Feststationen durchgeführt. Dabei wird der Impuls nacheinander wiederholt durch eine Anzahl von an verschiedenen Positionen des Objektes angebrachten Antennenelementen abgestrahlt und es wird jeweils die Laufzeit von und zu den einzelnen Antennenelementen gemessen. Aus der Laufzeit wird die Bestimmung der Position des Antennenelementes des Objektes jeweils basierend auf den gemessenen Laufzeiten und den bekannten Positionen der Feststationen durchgeführt. Dabei wird eine Schnittpunktberechnung durchgeführt. Liegen Messergebnisse für drei verschiedene Feststationen vor, entspricht die Schnittpunktberechnung einer Trilaterationsrechnung. Bei mehr vorliegenden Messergebnissen kann die Schnittpunktberechnung in Form einer Multilaterationsrechnung erfolgen. Ausgehend von der Lage der Schnittpunkte wird die Position der Antennenelemente berechnet. Theoretisch ist es möglich, dass zwei Rücksendungen von verschiedenen Feststationen zum gleichen Zeitpunkt beim Objekt eintreffen. Wenn sich hier eine Störung ergibt, muss die Messung wiederholt werden. Bei einem sich bewegenden Objekt werden sich dann schnell andere Verhältnisse ergeben, sodass die Störung wegfällt.The solution to the problem consists in a method for the highly precise determination of the position and / or orientation of an object which is designed for communication in a wireless communication network. This can be implemented in the form of a cellular radio communication network. For highly precise position and / or orientation determination, broadband pulses of short duration are sent from the object to the surrounding fixed stations, which are answered by the surrounding fixed stations in an immediate return when they are received. To determine the exact position and / or orientation, a measurement of the transit time of the emitted pulse is carried out in the object up to the arrival of the return pulse from one of the surrounding fixed stations. In this case, the pulse is repeatedly emitted one after the other by a number of antenna elements attached to different positions on the object and the transit time from and to the individual antenna elements is measured in each case. From the transit time, the position of the antenna element of the object is determined based on the measured transit times and the known positions of the fixed stations. An intersection point calculation is carried out. If measurement results are available for three different base stations, the intersection calculation corresponds to a trilateration calculation. If there are more measurement results, the intersection point calculation can be done in the form of a multilateration calculation. The position of the antenna elements is calculated based on the position of the intersection points. Theoretically, it is possible that two returns from different base stations arrive at the object at the same time. If there is a fault here, the measurement must be repeated. In the case of a moving object, other conditions will quickly arise so that the disturbance is eliminated.
Die breitbandigen Impulse kurzer Dauer können in einer bevorzugten Variante Ultra-Wide-Band-Impulsen (UWB) entsprechen. Das sind Impulse, die im UHF- oder SHF-Frequenzband abgestrahlt werden. Sie eignen sich besonders gut für die Abstandsmessung. Die UWB-Impulse haben eine hohe Bandbreite von ca. 500 MHz oder mehr, was eine kurze Dauer im Zeitbereich von wenigen oder Bruchteilen von Nanosekunden bedingt. Deshalb werden UWB-Impulse auch zur Abstandsmessung eingesetzt, allerdings nur für kurze Entfernungen, da sie mit nur geringer Strahlungsenergie abgestrahlt werden, und die Reichweite dementsprechend begrenzt ist.In a preferred variant, the broadband pulses of short duration can correspond to ultra-wide-band pulses (UWB). These are pulses that are emitted in the UHF or SHF frequency band. They are particularly suitable for measuring distances. The UWB pulses have a high bandwidth of approx. 500 MHz or more, which results in a short duration in the time range of a few or fractions of nanoseconds. This is why UWB pulses are also used to measure distances, but only for short distances, as they are emitted with only a small amount of radiant energy and the range is accordingly limited.
Für das Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die Antennen der Feststationen in Form von Antennen-Arrays ausgelegt werden, die aus einer Anzahl von Antennenelementen bestehen, wobei für die Laufzeitmessung eine Anzahl von Antennenelementen den Messimpuls parallel abstrahlen oder ein einzelnes Antennenelement eingesetzt wird, um den Messimpuls abzustrahlen. Insbesondere eignen sich die 5G-Antennen für das sogenannte 26 GHz-Frequenzband für den Einsatz bei dem Messverfahren. Mit ihrer flächendeckenden Implementierung ist zu rechnen, sobald das aktuell laufende Ausrollen der 5G-Telekommunikationstechnologie für das 3,5GHz-Frequenzband abgeschlossen ist. In dem 26 GHz-Band sind die Ausbreitungsbedingungen schlechter als in den Frequenzbereichen bis 10,6 GHz, da die Funksignale in diesem Frequenzbereich einer ausgeprägt hohen Dämpfung unterliegen. Deshalb ist eine Verringerung des Abstandes zwischen den Feststationen erforderlich, wodurch sich aber häufiger Sichtverbindungen herstellen lassen und sich das Problem mit den Mehrfachreflektionen verringert.
Eine sehr vorteilhafte Variante ergibt sich, wenn drei verschiedene Laufzeitmessungen mit drei verschiedenen einzelnen Antennenelementen des Antennen-Arrays in den Feststationen nacheinander durchgeführt werden, wobei die einzelnen Antennenelemente so ausgewählt werden, dass sie einen möglichst großen Abstand voneinander haben. Diese drei Einzelmessungen liefern Ergebnisse für drei verschiedene Positionen von drei verschiedenen Antennenelementen. Die Durchführung der Laufzeitmessungen nacheinander ist vorteilhaft, da in diesem Fall nur ein Antennenelement in der Gegenstelle (hier das Objekt) vorhanden sein muss. Damit ergeben sich Kostenvorteile. Soll jedoch nicht nur die Position des Objekts, sondern auch seine Orientierung etwa in Form des Gierwinkels ermittelt werden, sind mehrere Antennenelemente, z. B. in Form von weiter auseinanderliegenden Einzelantennenelementen in der Gegenstelle (hier dem Objekt) erforderlich.For the method, it is advantageous if the antennas of the fixed stations are designed in the form of antenna arrays which consist of a number of antenna elements, a number of antenna elements emitting the measurement pulse in parallel for the transit time measurement or a single antenna element being used to measure the To emit measuring pulse. In particular, the 5G antennas for the so-called 26 GHz frequency band are suitable for use in the measurement process. It can be expected to be implemented across the board as soon as the current roll-out of 5G telecommunications technology for the 3.5 GHz frequency band has been completed. In the 26 GHz band, the propagation conditions are worse than in the frequency ranges up to 10.6 GHz, since the radio signals in this frequency range are subject to a markedly high level of attenuation. Therefore, a reduction in the distance between the base stations is necessary, but this allows more frequent line of sight connections and reduces the problem with multiple reflections.
A very advantageous variant results when three different transit time measurements with three different individual antenna elements of the antenna array are carried out in succession in the fixed stations, the individual antenna elements being selected so that they are as far apart as possible. These three individual measurements provide results for three different positions of three different antenna elements. It is advantageous to carry out the transit time measurements one after the other, since in this case only one antenna element needs to be present in the remote station (here the object). This results in cost advantages. However, if not only the position of the object, but also its orientation, for example in the form of the yaw angle, are to be determined, several antenna elements, e.g. B. in the form of further apart individual antenna elements in the counterpart (here the object) is required.
In beiden Fällen kann dann die Position des fahrzeugseitigen Antennenelementes bzw. der fahrzeugseitigen Antennenelemente durch Trilaterationsrechnung basierend auf den Laufzeitmessungen zu den drei Antennenelementen des Antennen-Arrays der Feststation errechnet werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt dabei aber auch von dem Abstand zwischen den Antennenelementen des bzw. der Antennen-Arrays ab.In both cases, the position of the vehicle-side antenna element or the vehicle-side antenna elements can then be calculated by trilateration calculation based on the transit time measurements to the three antenna elements of the antenna array of the base station. However, the accuracy of the position determination also depends on the distance between the antenna elements of the antenna array or arrays.
Hier ist es dann auch von Vorteil, wenn bei Eintreffen der Antwortimpulse von zwei oder mehr verschiedenen umliegenden Feststationen an einem Antennenelement des Objektes eine Mittelung der Positionsbestimmungen des Antennenelementes des zu ortenden Objektes durchgeführt wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung nochmals gesteigert werden.Here it is also advantageous if, when the response pulses from two or more different surrounding fixed stations arrive at an antenna element of the object, the position determinations of the antenna element of the object to be located are averaged. As a result, the accuracy of the position determination can be increased again.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Laufzeitmessungen seitens der verschiedenen Antennenelemente des Objektes für den von einer Feststation zurückgesendeten Impuls einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden, wobei eine Laufzeit, die bei der Plausibilitätsprüfung als fehlerhaft verworfen wurde, für die Schnittpunktberechnung nicht verwendet wird. So wird es verhindert, dass eine mit größerem Fehler behaftete Laufzeitmessung die Genauigkeit der Positionsbestimmung verschlechtert. Unter Umständen ist es nämlich möglich, dass ein Messimpuls an Hindernissen reflektiert wird und nicht auf direktem Wege zu einer Antenne zurückgelangt. Dann entspricht die Laufzeitmessung nicht mehr der direkten Abstandsmessung zwischen Objekt und Feststation und ist dadurch verfälscht.It is also advantageous if the transit time measurements by the various antenna elements of the object are subjected to a plausibility check for the pulse sent back from a base station, a transit time that was rejected as faulty in the plausibility check is not used for the intersection calculation. This prevents a transit time measurement that is subject to major errors from impairing the accuracy of the position determination. Under certain circumstances it is possible that a measuring pulse is reflected off of obstacles and does not return directly to an antenna. The runtime measurement then no longer corresponds to the direct distance measurement between the object and the base station and is thus falsified.
In einer Variante beruht die Plausibilitätsprüfung auf einem Vergleich der gemessenen Laufzeiten unter Berücksichtigung der örtlichen Nähe der an dem Objekt angebrachten Antennenelemente und es werden diejenigen Laufzeiten als fehlerhaft verworfen, deren Laufzeit nicht mit der örtlichen Nähe der Antennen korreliert. Mit anderen Worten wird bei der Plausibilitätsprüfung ausgenutzt, dass es eine Laufzeitmessung beruhend auf Direktempfang geben wird. Wenn andere Laufzeitmessungen über den bekannten Abstand von den Antennen des Objektes hinaus davon sehr stark abweichen, wird davon ausgegangen, dass sie auf Reflexionsempfang beruhen. Diese werden dann als fehlerhaft verworfen.In one variant, the plausibility check is based on a comparison of the measured transit times taking into account the local proximity of the antenna elements attached to the object, and those transit times are rejected as faulty whose transit times do not correlate with the local proximity of the antennas. In other words, the plausibility check makes use of the fact that there will be a transit time measurement based on direct reception. If other time-of-flight measurements differ greatly from the known distance from the object's antennas, it is assumed that they are based on reflection reception. These are then discarded as faulty.
Durch die Maßnahme der Durchführung einer Gewichtung der Laufzeitmessungen in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Plausibilitätsprüfung kann ebenfalls eine Steigerung der Genauigkeit der Positionsbestimmung erzielt werden.The measure of carrying out a weighting of the transit time measurements as a function of the results of the plausibility check can also increase the accuracy of the position determination.
Schließlich wird gemäß des Verfahrens die Position und Orientierung des Objektes aus den ermittelten Antennenelementpositionen an dem Objekt bestimmt. Handelt es sich bei dem Objekt um ein Fahrzeug, so wird die Fahrzeugposition und/oder -orientierung für vielfältige Zwecke benötigt. Unter anderem zu Navigationszwecken. Aber auch, wenn das Fahrzeug mit automatischer Fahrfunktion ausgestattet ist, ist die Positions- und/oder Orientierungsangabe unabdinglich, damit es zu keiner Kollision mit einem Hindernis oder einem anderen Verkehrsteilnehmer kommt. Aber auch, wenn das Objekt kein Fahrzeug ist, sondern z.B. ein Fußgänger, kommt es genauso auf die Genauigkeit der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung an, damit die Navigation insbesondere innerhalb von Gebäuden funktioniert.Finally, according to the method, the position and orientation of the object is determined from the determined antenna element positions on the object. If the object is a vehicle, the vehicle position and / or orientation is required for a variety of purposes. Among other things for navigation purposes. But even if the vehicle is equipped with an automatic driving function, the position and / or orientation information is essential so that there is no collision with an obstacle or another road user. But even if the object is not a vehicle but, for example, a pedestrian, the accuracy of the position and / or orientation determination is just as important, so that the navigation works especially within buildings.
Eine besonders vorteilhafte Variante der Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Objektes wird mit Anwendung einer Trilaterationsrechnung bzw. Multilaterationsrechnung auf Basis der Laufzeitmessungen eines an dem Objekt angebrachten Antennenelementes für die von drei oder mehr verschiedenen Feststationen zurückgesendeten Impulse erreicht. Damit kann die Position auf wenige Zentimeter und die Orientierung auf weniger als 10° genau bestimmt werden. Hier sind die Abstände zwischen den Feststationen groß genug, um die Trilateration mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Je kleiner die Abstände zwischen den Feststationen sind, umso mehr wirken sich Fehler bei der Laufzeitmessung auf die Positions- und/oder Orientierungsbestimmung aus.A particularly advantageous variant of determining the position and / or orientation of the object is achieved by using a trilateration calculation or multilateration calculation based on the transit time measurements of an antenna element attached to the object for the pulses sent back from three or more different base stations. This means that the position can be determined to within a few centimeters and the orientation to less than 10 °. Here the distances between the base stations are large enough to accommodate the Perform trilateration with high accuracy. The smaller the distances between the fixed stations, the more errors in the transit time measurement affect the position and / or orientation determination.
Die Erfindung betrifft in einer anderen Ausprägung auch eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Objektes. Dabei ist die Vorrichtung mit einem Kommunikationsmodul zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgestattet. Die Vorrichtung ist auch zur Kommunikation mit den umliegenden Feststationen des Kommunikationsnetzwerkes ausgestattet. Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch eine Anzahl von an dem Objekt an verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelementen, wobei jeweils ein Transceiver pro angebrachtem Antennenelement vorgesehen ist, das in der Nähe zu der Position des Antennenelementes lokalisiert ist. Der Vorteil der Positionierung in der Nähe des Antennenelementes besteht darin, dass so nur kurze Verbindungsleitungen zwischen Antennenelement und Transceiver benötigt werden. Dies ist erforderlich, um möglichst nicht die Laufzeitmessungen zu verfälschen. Der Transceiver dient dabei zur Erzeugung eines breitbandigen Impulses von kurzer Dauer, der von dem Antennenelement an die umliegenden Feststationen abgestrahlt wird und zum Empfang eines von den umliegenden Feststationen durch unmittelbare Rücksendung ausgesendeten Antwortimpulses. Es dient ebenfalls zur Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Antwortimpulses von einer der umliegenden Feststationen. Dabei erfolgt die Aussendung des Impulses durch die verschiedenen Antennenelemente, die an unterschiedlichen Positionen des Objektes angebracht sind, und die Laufzeitmessung erfolgt durch die jeweils den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Transceiver. Mit dieser Anordnung kann die Position und/oder Orientierung des Objektes durch gängige Methoden zur Schnittpunktberechnung, insbesondere Trilateration oder Multilateration, sehr genau bestimmt werden.In another embodiment, the invention also relates to a corresponding device for determining the position and / or orientation of an object to be located. The device is equipped with a communication module for communication in a wireless communication network. The device is also equipped for communication with the surrounding fixed stations of the communication network. The device is characterized by a number of antenna elements attached to the object at different positions, one transceiver being provided for each attached antenna element, which is located in the vicinity of the position of the antenna element. The advantage of positioning in the vicinity of the antenna element is that only short connecting lines are required between the antenna element and the transceiver. This is necessary in order not to falsify the runtime measurements as far as possible. The transceiver is used to generate a broadband pulse of short duration, which is emitted by the antenna element to the surrounding base stations, and to receive a response pulse sent by the surrounding base stations by direct return. It is also used to measure the transit time of the emitted pulse until the response pulse arrives from one of the surrounding fixed stations. The impulse is transmitted by the various antenna elements that are attached to different positions on the object, and the transit time is measured by the transceivers assigned to the individual antenna elements. With this arrangement, the position and / or orientation of the object can be determined very precisely using common methods for calculating intersection points, in particular trilateration or multilateration.
In einer Variante ist das Kommunikationsmodul mit den Transceivern der an den verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelemente verbunden, und das Kommunikationsmodul ist dafür ausgelegt, die verschiedenen Transceiver nacheinander zum Aussenden des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer aufzufordern oder ihnen jeweilige geplante Zeiten zuzuweisen für die nacheinander erfolgende Aussendung der breitbandigen Impulse. Das ist nötig, damit es nicht zu Interferenzen zwischen den Impulsen kommt. Die Gefahr besteht nämlich, wenn die Impulse von unterschiedlichen Antennen gleichzeitig abgestrahlt werden.In one variant, the communication module is connected to the transceivers of the antenna elements attached to the various positions, and the communication module is designed to prompt the various transceivers one after the other to transmit the broadband pulse of short duration or to assign them the respective planned times for the successive transmission of the broadband pulses. This is necessary so that there is no interference between the pulses. There is a risk if the impulses are emitted by different antennas at the same time.
Dabei ist es dann auch von Vorteil, wenn das Kommunikationsmodul ebenfalls für die Kommunikation in einem Mobilfunknetz ausgelegt ist und eingerichtet ist, eine Ankündigungsnachricht für die Positions- und/oder Orientierungsbestimmungsmessphase an die umliegenden Feststationen zu senden, mit der das Eintreffen eines breitbandigen Impulses angekündigt wird und die Feststationen aufgefordert werden, den eintreffenden Impuls durch sofortige Rücksendung des Antwortimpulses zu beantworten. Nur wenn der Antwortimpuls unmittelbar ausgesendet wird, kann die Laufzeitmessung direkt durch Bilden der Differenz zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des Messimpulses und dem Zeitpunkt des Eintreffens des Antwortimpulses berechnet werden.It is then also advantageous if the communication module is also designed for communication in a cellular network and is set up to send an announcement message for the position and / or orientation measurement phase to the surrounding fixed stations, which announces the arrival of a broadband pulse and the base stations are requested to respond to the incoming pulse by sending back the response pulse immediately. The transit time measurement can only be calculated directly by calculating the difference between the point in time at which the measurement pulse was transmitted and the point in time when the response pulse arrived if the response pulse is transmitted immediately.
Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die Feststationen mit der Ankündigungsnachricht aufgefordert werden, im Anschluss an die Aussendung des Antwortimpulses ihre Kennung an die Kommunikationseinheit in einem weiteren Impuls oder einer weiteren Impulsfolge oder in einer Nachricht über einen logischen Kanal des Drahtloskommunikationssystems zu senden.In addition, it is advantageous if the base stations are requested with the announcement message to send their identification to the communication unit in a further pulse or a further pulse train or in a message via a logical channel of the wireless communication system following the transmission of the response pulse.
In einer weiteren Ausprägung betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, wobei in dem Fahrzeug eine Vorrichtung gemäß der Erfindung verbaut ist.In a further embodiment, the invention also relates to a vehicle, a device according to the invention being installed in the vehicle.
Schließlich betrifft die Erfindung in einer weiteren Ausprägung auch noch eine Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem mit einer Antennen-Anordnung und mit einer Sende- und Empfangseinheit. Dabei ist die Sende- und Empfangseinheit ausgelegt, eine Ankündigungsnachricht für die Positions- und/oder Orientierungsbestimmungsmessphase eines zu lokalisierenden Objektes zu empfangen und in Reaktion auf den Empfang der Ankündigungsnachricht in einen Betriebsmodus zu wechseln, in dem auf das Eintreffen des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer gewartet wird und bei Empfang des Impulses den Antwortimpuls unmittelbar zurückzusenden.Finally, in a further embodiment, the invention also relates to a base station for a mobile radio communication system with an antenna arrangement and with a transmitting and receiving unit. The transmitting and receiving unit is designed to receive an announcement message for the position and / or orientation determination measurement phase of an object to be localized and, in response to the receipt of the announcement message, to switch to an operating mode in which the broadband pulse of a short duration is received is waited and to send back the response pulse immediately upon receipt of the pulse.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Sende- und Empfangseinheit ausgelegt ist, eine andere Ankündigungsnachricht zu empfangen, mit der die Feststation in einen anderen Betriebsmodus versetzt wird, in dem sie drei Antennenelemente des Antennen-Arrays bestimmt, die für separate Laufzeitmessungen jeweils einen Antwortimpuls bei Eintreffen des breitbandigen Impulses an das Objekt zurücksenden. Die Laufzeitmessungen finden nacheinander statt.Furthermore, it is advantageous if the transmitting and receiving unit is designed to receive another announcement message with which the base station is put into a different operating mode in which it determines three antenna elements of the antenna array that each have a response pulse for separate transit time measurements Send the arrival of the broadband pulse back to the object. The runtime measurements take place one after the other.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigen:
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1 das Prinzip der Fahrzeugkommunikation über Mobilfunk; -
2 die Sichtlinienverhältnisse zwischen in Abständen von 50 - 100 m angebrachten Feststationen eines Mobilfunkkommunikationssystems in einem ruralen Bereich; -
3 die Sichtlinienverhältnisse zwischen in Abständen von 50 - 100 m angebrachten Feststationen eines Mobilfunkkommunikationssystems in einem urbanen Bereich; -
4 die Sichtlinienverhältnisse zwischen in Abständen von 30 - 50 m angebrachten Feststationen eines Mobilfunkkommunikationssystems in einem Parkhaus; -
5 ein Beispiel einer Antennenanordnung in Form eines Antennen-Arrays wie sie in einer Feststation eines 5G-Mobilfunksystems eingesetzt werden; -
6 ein Beispiel einer Antennenanordnung und der zugehörigen Transceiver bei einem Fahrzeug; -
7 ein Blockdiagramm für die Fahrzeugelektronik eines Kraftfahrzeuges; -
8 ein erstes Beispiel der Sichtlinienverhältnisse von einem Fahrzeug zu mehreren umliegenden Feststationen in einem Parkhaus; und -
9 ein zweites Beispiel der Sichtlinienverhältnisse von einem Fahrzeug zu mehreren umliegenden Feststationen in dem Parkhaus.
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1 the principle of vehicle communication via cellular radio; -
2 the line-of-sight relationships between fixed stations of a cellular radio communication system at intervals of 50-100 m in a rural area; -
3 the line-of-sight relationships between fixed stations of a cellular radio communication system in an urban area at intervals of 50-100 m; -
4th the line-of-sight relationships between fixed stations of a cellular radio communication system in a car park at intervals of 30-50 m; -
5 an example of an antenna arrangement in the form of an antenna array as used in a fixed station of a 5G mobile radio system; -
6th an example of an antenna arrangement and the associated transceivers in a vehicle; -
7th a block diagram for the vehicle electronics of a motor vehicle; -
8th a first example of the line-of-sight relationships from a vehicle to several surrounding fixed stations in a parking garage; and -
9 a second example of the line-of-sight relationships from a vehicle to several surrounding fixed stations in the parking garage.
Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.The present description illustrates the principles of the disclosure of the invention. It is therefore understood that those skilled in the art will be able to design various arrangements which, although not explicitly described here, embody the principles of the disclosure according to the invention and are also intended to be protected in their scope.
Der Begriff Fahrzeug versteht sich als Sammelbegriff, sei es für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine oder Elektromotor, sei es für Fahrräder mit und ohne Elektromotor oder andere mit Muskelkraft betriebene Fahrzeuge, z.B. Rollstühle, sei es für Fahrzeuge mit einem, zwei, vier oder mehr Rädern, sei es für Motorräder, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Landwirtschaftsfahrzeuge oder Baumaschinen. Die Aufzählung ist nicht abschließend und umfasst auch weitere Fahrzeugkategorien. Dazu zählen auch noch Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge. Darüber hinaus können auch andere Objekte als Fahrzeuge geortet werden. Es können in der Produktion z. B. auch Werkzeuge oder zu produzierende Waren geortet werden. Es ist z. B. wichtig, wo sich Werkzeuge befinden, die an verschiedenen Orten eingesetzt werden. Auch ist es wichtig zu wissen, wo sich ein herzustellendes Produkt beispielsweise bei Fließbandproduktion befindet. Anwendungen ergeben sich auch bei der Lagerhaltung in Logistikzentren, um die Waren zu orten. Aber selbst auch Personen können so geortet werden, wenn sie mit entsprechenden Geräten ausgestattet sind. Es wird z.B. an den Einsatz der Technik in Museen gedacht, um eine automatische Führung durch das Museum zu realisieren. Auch die Ortung von Patientenbetten in Krankenhäusern wäre ein denkbarer Anwendungsbereich.The term vehicle is understood as a collective term, be it for vehicles with internal combustion engines or electric motors, for bicycles with or without electric motors or other vehicles powered by muscle power, e.g. wheelchairs, for vehicles with one, two, four or more wheels it for motorcycles, passenger cars, trucks, buses, agricultural vehicles or construction machinery. The list is not exhaustive and also includes other vehicle categories. This also includes aircraft, watercraft or rail vehicles. In addition, objects other than vehicles can also be located. It can be used in production such. B. tools or goods to be produced can also be located. It is Z. B. important where are tools that are used in different places. It is also important to know where a product to be manufactured is located, for example during assembly line production. There are also applications for warehousing in logistics centers in order to locate the goods. But even people can be located in this way if they are equipped with the appropriate devices. For example, the use of technology in museums is being considered in order to implement an automatic guided tour through the museum. The location of patient beds in hospitals would also be a conceivable area of application.
Die Fahrzeuge in
Derartige Mobilfunk-Technologien sind standardisiert und es wird diesbezüglich auf die entsprechenden Spezifikationen von Mobilfunkstandards hingewiesen.Such mobile radio technologies are standardized and in this regard reference is made to the corresponding specifications of mobile radio standards.
LTE steht vor allem für hohe Übertragungsraten und kurze Reaktionszeiten. Zur Zeit wird massiv an dem neueren 5G-Mobilfunk-Standard gearbeitet. Dieser soll noch wesentlich flexibler für die verschiedenen Anwendungszwecke einsetzbar sein. Einige Stichworte für die neueren Einsatzzwecke sind Internet of Things loT, Industrie 4.0, Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation für autonomes oder kooperatives Fahren. Für all diese Anwendungsfälle soll das 5G-Mobilfunksystem die Datenanbindung liefern. Das geht nur, wenn ein massiver Netzausbau erfolgt. Dabei wird insbesondere auch die Kommunikation innerhalb von Gebäuden verbessert.Above all, LTE stands for high transmission rates and short response times. At the moment, the newer 5G cellular standard is being massively modified worked. This should be able to be used much more flexibly for the various purposes of application. Some keywords for the newer purposes are Internet of Things loT, Industry 4.0, vehicle-to-vehicle communication for autonomous or cooperative driving. The 5G mobile radio system should provide the data connection for all of these applications. That only works if there is a massive network expansion. In particular, communication within buildings is also improved.
Wie bei LTE wird auch die Übertragungsgeschwindigkeit von 5G im Wesentlichen vom Frequenzbereich, der Kanalbreite, dem Abstand zur Basisstation
Für den Downlink wird wie bei LTE und 5G die OFDMA-Technik (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) verwendet. Dort wird die bekannte Vielträgerübertragungstechnik OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) verwendet, bei der Datensymbole auf die einzelnen Träger mittels QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) oder QAM (Quadrature Amplitude Modulation) moduliert werden. Bei OFDMA wird das zur Verfügung stehende Frequenzband in viele schmale Bänder (Kanäle) aufgeteilt. Die Bandbreite wird flexibel genutzt, um das Äußerste an Übertragungsleistung aus den Frequenzen herauszuholen.As with LTE and 5G, OFDMA technology (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) is used for the downlink. There, the well-known multi-carrier transmission technology OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is used, in which data symbols are modulated onto the individual carriers using QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) or QAM (Quadrature Amplitude Modulation). With OFDMA, the available frequency band is divided into many narrow bands (channels). The bandwidth is used flexibly in order to get the most out of the frequencies in terms of transmission power.
Spezielle Algorithmen wählen die geeigneten Kanäle aus und berücksichtigen dabei die Einflüsse aus der Umgebung. Dabei werden vorzugsweise nur die Träger zur Übertragung genutzt, die für den Nutzer an seinem jeweiligen Ort am günstigsten sind.Special algorithms select the suitable channels and take into account the influences from the environment. In this case, only those carriers are preferably used for the transmission that are most favorable for the user at his respective location.
Für den Uplink wird die SC-FDMA Technik verwendet (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Das ist ein Einträgerzugriffsverfahren was ansonsten OFDMA sehr ähnlich ist. SC-FDMA weist geringere Leistungsschwankungen auf und macht einfachere Leistungsverstärker möglich. Das schont vor allem den Akku mobiler Geräte.The SC-FDMA technology (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) is used for the uplink. This is a single carrier access method which is otherwise very similar to OFDMA. SC-FDMA has less power fluctuations and makes simpler power amplifiers possible. This primarily saves the battery of mobile devices.
Für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation werden ebenfalls Ressourcen der Uplink-Kommunikation benutzt.Uplink communication resources are also used for vehicle-to-vehicle communication.
Ein neues Frequenzband wird bei 5G im 26 GHz-Bereich zur Verfügung gestellt. Auf Grund der ausgeprägten Dämpfung von Funkwellen im 26 GHz-Frequenzband durch die Atmosphäre, ist es erforderlich, die entsprechenden 5G-Antennen mit einem Abstand < 50-100m zu implementieren. Nur so kann im ruralen Bereich mit weitest gehendem direktem Sichtkontakt zu den 5G-Antennen eine genügend kleine Dämpfung der Telekommunikations-Signale bei der Übertragung zwischen 5G-Endgerät und 5G-Antennen sichergestellt werden. Die
Im urbanen Bereich kommt noch hinzu, dass nur bei einem Abstand der 5G-Antennen < 50-100 m von den meisten Punkten aus direkter Sichtkontakt zwischen 5G-Antennen und - Telekommunikations-Endgerät besteht.In urban areas, there is also the fact that there is only direct visual contact between the 5G antennas and telecommunication devices if the distance between the 5G antennas is <50-100 m from most points.
Innerhalb von Gebäuden hingegen ist für die Realisierung eines direkten Sichtkontakts zwischen 5G-Antennen und Teilnehmer-Endgeräten UE eine noch höhere Dichte der 5G-Antennen und damit ein Abstand von
Dieser für die Telekommunikation ohnehin vorhandene geringe Abstand der 5G-Antennen für den 26 GHz-Bereich, kann für eine hochgenaue Eigenlokalisierung der Teilnehmerstationen genutzt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei auch, dass es sich bei den 5G-Antennen für die Telekommunikation in Wirklichkeit um Antennen-Arrays mit einer Vielzahl von Elementen handelt. Ein solches Antennen-Array 310 ist in der
Antennen-Arrays mit derartigen Abmessungen können problemlos im ruralen Bereich z. B. entlang von Straßen, Schienen- und Wasserwegen angebracht werden, aber auch in urbanen Gebieten sowie innerhalb von Gebäuden und Parkhäusern entsprechend der
Gemäß eines Aspektes der Erfindung werden solche Antennen-Einzelelemente an mehreren Stellen im Fahrzeug
Dafür werden die Fahrzeuge
Die Einbettung der Antennenanordnung in das Gesamtsystem der Bordelektronik ist in dem Blockdiagramm der
Das moderne Kraftfahrzeug kann aber noch weitere Komponenten aufweisen wie Videokameras, z.B. als Rückfahrkamera oder als Fahrerüberwachungskamera oder auch als Frontkamera um das Verkehrsgeschehen zu beobachten.The modern motor vehicle can, however, also have other components such as video cameras, e.g. as a reversing camera or as a driver monitoring camera or also as a front camera to observe the traffic situation.
Seit einigen Jahren werden Fahrerassistenzsysteme angeboten, welche mit Radar-, Lidar- oder Videosensorik die Fahrumgebung erfassen, sich durch Interpretation dieser Sensordaten eine interne Repräsentation der Fahrsituation bilden und aufbauend auf diesem Wissen zunehmend anspruchsvolle Funktionen durch Information und Warnung des Fahrers bis hin zu gezielten Eingriffen in die Fahrzeugführung ausführen. So kann beispielsweise die Längsführung auf gut strukturierten Straßen, wie Autobahnen, durch ein mit Lidarsensorik und/oder Radarsensorik ausgestattetes ACC System (Adaptive Cruise Control) zu einem hohen Zeitanteil automatisch ausgeführt werden. Damit und mit weiteren Vorkehrungen können sogar vollautomatisch fahrende Fahrzeuge realisiert werden.For a number of years, driver assistance systems have been offered which record the driving environment with radar, lidar or video sensors, form an internal representation of the driving situation through the interpretation of this sensor data and, based on this knowledge, increasingly sophisticated functions through information and warning of the driver up to targeted interventions run in the vehicle guidance. For example, the longitudinal guidance on well-structured roads, such as motorways, can be carried out automatically for a large part of the time by an ACC system (Adaptive Cruise Control) equipped with lidar sensors and / or radar sensors. With this and with other precautions, even fully automatic vehicles can be implemented.
Im Kraftfahrzeug befinden sich dann auch noch weitere elektronische Vorrichtungen. Diese sind mehr im Bereich der Fahrgastzelle angeordnet und werden oft auch von dem Fahrer bedient. Beispiele sind eine Benutzerschnittstellenvorrichtung (nicht dargestellt) mit dem der Fahrer Fahrmodi anwählen kann, aber auch klassische Komponenten bedienen kann. Darunter fallen Gangwahl sowie auch Blinker-Steuerung, Scheibenwischersteuerung, Lichtsteuerung, usw.Further electronic devices are then also located in the motor vehicle. These are arranged more in the area of the passenger compartment and are often also operated by the driver. Examples are a user interface device (not shown) with which the driver can select driving modes, but can also operate classic components. This includes gear selection as well as indicator control, windshield wiper control, light control, etc.
Davon unterschieden wird oft ein Navigationssystem
Die Geräte des Fahrgastraumes sind ebenfalls untereinander vernetzt über ein Bussystem, das mit der Bezugszahl
Während der Fahrt können die einzelnen Transceiver
Der Prozess der hochgenauen Eigenlokalisierung wird jetzt mit Hilfe der
Bevor die Aussendung der UWB-Messimpulse erfolgen kann, wird zunächst eine definierte, Ankündigungsnachricht über die 5G-Kommunikation an die Steuereinheiten der 5G-Feststationen mit Sichtkontakt zu den fahrzeugseitigen Antennenelementen
Der Transceiver
Nach Eintreffen der Informationen aller fahrzeugseitigen Antennen-Ansteuereinheiten
Die
Das Antennenelement an der linken Seitenscheibe wird u. U. eine Pulslaufzeit melden, da sie zwar keine direkten, wohl aber einen indirekten Sichtkontakt hat. Das ist in der
Mit den verbleibenden beiden Antennenelementen wird dann nach einer zweiten Messmethode die Position und/oder Orientierung des Objektes bestimmt.Bei Anwendung der zweiten Messmethode wird das Antennenelement
Die
Für die Ermittlung der Fahrzeugposition und/oder -orientierung bestehen zusammenfassend zwei Möglichkeiten:
- • Indirekte Schätzung der Fahrzeugposition und/oder -orientierung aus den vorher mittels Trilateration berechneten und ggfs. gemittelten fahrzeugseitigen Antennenelementpositionen auf Basis der Laufzeitmessungen zu
je drei Einzelantennenelementen 31A ,31B ,31C eines einzigen Antennen-Arrays. - • Direkte Schätzung der Fahrzeugposition und/oder -orientierung mittels Trilateration auf Basis der reflektierten Pulslaufzeiten je eines ausgewählten Antennenelementes
31E aus drei unterschiedlichen im Raum verteilten Antennen-Arrays.
- • Indirect estimation of the vehicle position and / or orientation from the vehicle-side antenna element positions calculated beforehand using trilateration and possibly averaged on the basis of the transit time measurements for three individual antenna elements each
31A ,31B ,31C a single antenna array. - • Direct estimation of the vehicle position and / or orientation by means of trilateration on the basis of the reflected pulse transit times of a selected antenna element
31E from three different antenna arrays distributed in the room.
Bei Durchführung der beiden o.g. Verfahren und Mittelung der Ergebnisse kann sichergestellt werden, dass für alle Fahrzeugpositionen und/oder -orientierungen eine hohe Schätzgenauigkeit erzielt wird. Eine weitere Genauigkeitssteigerung kann durch Wichtung der Ergebnisse aus den o.g. Verfahren erzielt werden. Dabei können die Wichtungsfaktoren z.B. aus einer Plausibilitätsprüfung in Form eines Vergleichs der ermittelten fahrzeugseitigen Antennenpositionen (z.B. rechte/linke Seitenscheibe) und/oder aus einer Berücksichtigung der Einfallswinkel von reflektierten Pulsen der ortsfesten Antennenarrays resultieren.When performing the two above-mentioned methods and averaging the results, it can be ensured that a high degree of estimation accuracy is achieved for all vehicle positions and / or orientations. A further increase in accuracy can be achieved by weighting the results from the above methods. The weighting factors can result, for example, from a plausibility check in the form of a comparison of the determined vehicle-side antenna positions (e.g. right / left side window) and / or from taking into account the angle of incidence of reflected pulses from the stationary antenna arrays.
Es sollte verstanden werden, dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen in verschiedenen Formen von Hardware, Software, Firmware, Spezialprozessoren oder einer Kombination davon implementiert werden können. Spezialprozessoren können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Reduced Instruction Set Computer (RISC) und / oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) umfassen. Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert. Die Software wird vorzugsweise als ein Anwendungsprogramm auf einer Programmspeichervorrichtung installiert. Typischerweise handelt es sich um eine Maschine auf Basis einer Computerplattform die Hardware aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe (I/O) Schnittstelle(n). Auf der Computerplattform wird typischerweise außerdem ein Betriebssystem installiert. Die verschiedenen Prozesse und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können Teil des Anwendungsprogramms sein, oder ein Teil der über das Betriebssystem ausgeführt wird.It should be understood that the proposed method and associated devices can be implemented in various forms of hardware, software, firmware, special purpose processors, or a combination thereof. Specialty processors can include application specific integrated circuits (ASICs), reduced instruction set computers (RISC), and / or field programmable gate arrays (FPGAs). The proposed method and the device are preferably implemented as a combination of hardware and software. The software is preferably installed as an application program on a program storage device. It is typically a machine based on a computer platform that has hardware, such as one or more central processing units (CPU), a random access memory (RAM) and one or more input / output (I / O) interfaces. An operating system is also typically installed on the computer platform. The various processes and functions described here can be part of the application program or a part that is executed by the operating system.
Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde.The disclosure is not restricted to the exemplary embodiments described here. There is room for various adaptations and modifications which those skilled in the art, based on their expert knowledge as well as belonging to the disclosure, would consider.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- Fahrzeugvehicle
- 30 - 3530-35
- FeststationBase station
- 31A - 31E31A-31E
- Antennenelement 5G AntenneAntenna element 5G antenna
- 4040
- Evolved Packet Core EPCEvolved Packet Core EPC
- 5050
- Serverserver
- 100100
- Blockdiagramm Fahrzeug-ElektronikVehicle electronics block diagram
- 102102
- High Speed CAN-BusHigh speed CAN bus
- 105105
- Kameracamera
- 104104
- CAN-BusCAN bus
- 110110
- On-Board UnitOn-board unit
- 120120
- Navigationssystemnavigation system
- 140140
- GatewayGateway
- 151151
- Motor-SteuergerätEngine control unit
- 152152
- ESP-SteuergerätESP control unit
- 153153
- Getriebe-SteuergerätTransmission control unit
- 161161
-
Sensor 1
Sensor 1 - 162162
- Sensor 2Sensor 2
- 163163
- Sensor 3Sensor 3
- 170170
- Front-EndFront end
- 172172
- KoordinierungseinheitCoordination unit
- 176176
- Fahrzeug-AntennenelementVehicle antenna element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
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|
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R008 | Case pending at federal patent court |