DE10248534A1

DE10248534A1 - Verfahren zur genauen Positionsbestimmung eines mobilen Endgerätes

Info

Publication number: DE10248534A1
Application number: DE10248534A
Authority: DE
Inventors: Peter Christ; Klaus Kehr; Rolf Dr. Hager
Original assignee: Deutsche Telekom AG; T Mobile Deutschland GmbH
Current assignee: Deutsche Telekom AG; Telekom Deutschland GmbH
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: DE10248534B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Positionsbestimmung mit Hilfe eines mobilen Endgerätes. DOLLAR A Zur Positionsbestimmung nimmt das mobile Endgerät (2) des Teilnehmers über eine optische Aufnahmeeinrichtung Bilder/Bildfolgen der Umgebung auf, in der sich der Teilnehmer befindet. Die von der Aufnahmeeinrichtung, vorzugsweise einer Kamera, aufgenommenen Bilder/Bildfolgen werden zusammen mit Positionsdaten sowie Daten zur Geräteeinstellung des mobilen Endgerätes (2) und der zugeordneten Kamera an einen Positions- und Navigationsserver (3) gesendet. Die dort eingegangenen Daten und Bilder/Bildfolgen werden mit den Bildern/Bildfolgen einer Bild-Datenbank (4) verglichen, wobei den Bildern/Bildfolgen der Bild-Datenbank (4) Positionsdaten zugeordnet sind, die aus exakten Vermessungsdaten des Gebietes bestehen, das die Bilder/Bildfolgen wiedergeben. Für den Bildvergleich werden aus der Videoüberwachung bekannte Algorithmen verwendet. Nach erfolgreichem Bildvergleich werden die exakten Positionsdaten des Teilnehmers anhand der Angaben zur Geräteeinstellung des mobilen Endgerätes (2) und der Kamera ermittelt und an den Teilnehmer ausgegeben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Positionsbestimmung mit Hilfe eines mobilen Endgerätes.
Anwendungsgebiet der Erfindung sind vor allem dicht bebaute Gebiete, wie beispielsweise Stadtgebiete.

Zur Positionsbestimmung werden zur Zeit die folgenden Technologien insbesondere von mobilen Netzbetreibern untersucht und getestet: Cell of Origin (COO or Cell-ID), Enhanced Observed Time Difference (E-OTD), Time of Arrival(TOA), Assisted GPS (A-GPS) and GPS. Die Cell-ID and TOA Methoden werden als netzwerkbasierte Lösungen bezeichnet, während GPS und teilweise A-GPS endgeräteorientiert sind. E-OTD und teilweise A-GPS sind hybride Lösungen, die sowohl auf der Netzwerkinfrastuktur als auch auf den Endgeräten basieren. Die Cell-ID Technologie hat zwei verbesserte Varianten. Cell-ID + Netzwerk Messungen und Cell-ID plus TA (Timing Advance) verbessern die Genauigkeit der Positionsbestimmung.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Verfahren, die auf Infrastrukturlösungen beruhen. Sensoren, Barken, Kleinleistungs-Funkzellen (z.B. Bluetooth) messen die Position des Objektes oder geben ihrerseits eine genau Position an, so dass das Objekt daraus die eigene Position bestimmen kann.

Aus DE 297 17 403 U1 ist ein Mobiltelefon mit integriertem GPS-Sender bzw. GPS-Empfänger bekannt. Mittels dieser Lösung ist es möglich, aktuelle Standortpositionen über GPS-Navigation zu ermitteln und auf dem Display des Mobiltelefons kartographisch anhand von orientierungsgeeigneten Landkarten darzustellen.

Aus DE 299 22 501 ist ein Multimedia-Handy Computer bekannt, der aus den Komponenten von Bildhandy, Computer mit DVD-Laufwerk, TV-Karte, Radio-Karte GPS-Komponente, Funkuhr und Objektiv besteht. Diese Lösung stellt eine universelle Anordnung für eine Vielzahl von Anwendungen dar.

DE198 52 659 bezieht sich auf eine fahrzeuggestützte Lösung zur Navigation mit Multimedia unter Einbeziehung einer GPS-Komponente. Zusätzlich zu Textinformationen sind auf einem Informationsträger weitere Informationen in multimedialer Form, beispielsweise in Form von Bildern, Bilderfolgen, Filmen, Ton- und Musikdokumenten bzw. in Mischungen dieser Formen abgelegt. Die so gespeicherten Daten können von einer Dienstzentrale aktualisiert werden. Bei dieser Lösung ist die Videoausgabe mit der Navigationsvorrichtung gekoppelt. Die Darstellung von interessierenden Objekten kann sowohl vorausschauend als auch aktuell in Abhängigkeit von der Position des Fahrzeuges erfolgen. Eine punktgenaue Erfassung der Position ist bei dieser Lösung nicht erforderlich und auch nicht möglich.

Aus DE 198 52 662 ist ein Verfahren zur multimediagestützten Navigation und eine Navigationsvorrichtung bekannt, die zur Navigation eines Kraftfahrzeuges in einem Straßennetz dienen. Fahranweisungen, die sich auf markante Objekte entlang der Fahrtroute beziehen, werden dabei in der Alltagssprache an den Benutzer gegeben und durch eine optische Ausgabe unterstützt. Auch bei dieser Lösung ist eine punktgenaue Erfassung der Position weder erforderlich noch möglich.

In DE 101 10 271 ist eine Lösung zur Präzisierung der Ortsbestimmung von Mobilfunkteilnehmern mit Cell-ID/Timing Advance Verfahren beschrieben. Bei dieser Lösung werden im Rahmen von zyklisch übertragenen Funkfeldstärkesignalmessungen für mehrere benachbarte Basisstationen Cell-Ids von Basisstationen in deren überlappenden Funkzellen sich eine Mobilstation befindet, an eine aktive Basisstation geliefert und daraufhin die Basisstation mit dem kleinsten Funkzellenradius bestimmt. Innerhalb dieser kleinsten Funkzelle kann die Position der Mobilstation durch eine anschließende Timing-Advance Messung noch genauer bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, dass zu einer möglichst genauen Positionsbestimmung der Mobilstation über die Cell-ID der kleinstmöglichen Funkzelle stattfindet. Bei dieser Lösung liegt die Genauigkeit der Positionsbestimmung durchschnittlich bei ca. 50 Metern.

Den beschriebenen Lösungen ist gemeinsam, dass sie für eine punktgenaue Positionsbestimmung weder ausgelegt noch geeignet sind. Lösungen, die auf einer GPS Standortbestimmung basieren, lassen eine Standortbestimmung mit einer Genauigkeit von ca. 10 Metern zu. Die Standortbestimmung über Cell ID gestützte Verfahren sind immer nur so gut, wie die Funkzellendichte das zulässt. Hinzu kommt, das beispielsweise in großen Städten im digitalen Mobilfunknetz durch Funkschatten oder Ablenkung bedingte Bereiche existieren, in denen eine Positionsbestimmung kaum möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine Lösung ausgerichtet, die eine punktgenaue Positionsbestimmung und damit die Navigation von Fußgängern und Passanten, einschließlich von sehbehinderten oder blinden Personen, ermöglicht. Die Position des Nutzers soll dabei mit einer Genauigkeit von bis zu wenigen Zentimetern bestimmt werden können.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für die Positionsbestimmung eines Teilnehmers, vorzugsweise eines Fußgängers, ein mobiles Endgerät 2 eingesetzt, dass über eine optische Aufnahmeeinrichtung (Kamera) und eine Funkverbindung zur drahtlose Übertragung von Daten verfügt. Alternativ kann die Kamera auch über eine drahtlose oder eine Kabelverbindung an das mobile Endgerät 2 angeschlossen sein. Diese Ausführungsform kann z.B. mittels einer Kamera realisiert werden, die im Falle eines blinden oder stark sehbehinderten Teilnehmers in eine entsprechende Spezialbrille eingebaut ist. Die Datenübertragung von der Kamera (Brille) zum mobilen Endgerät 2 erfolgt vorzugsweise über eine kabellose Verbindung, beispielsweise über Bluetooth. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Standortbestimmung von Personen ausgelegt, welche sich in einem definierten Gebiet, wie beispielsweise einer Großstadt, befinden, und sich überwiegend per Fuß bewegen.

Das mobile Endgerät 2 des Teilnehmers nimmt über die Kamera ein Bild oder eine Bildfolge der Umgebung auf, in der sich der Träger des mobilen Endgerätes 2 befindet. Das mobile Endgerät 2 kann beispielsweise ein Handy mit Kamera und MMS-Funktion sein.

Die von der Kamera aufgenommenen Bilder bzw. Bildfolgen werden zusammen mit Daten zur Geräteeinstellung vom mobilen Endgerät 2 und von der aufnehmenden Kamera, wie zum beispielsweise Zoom, Kameratyp, etc. und mit der durch ein GPS-Gerät ermittelten geostationären Position des Teilnehmers über eine drahtlose Verbindung an einen Positions- und Navigationsserver 3 gesendet. Falls keine geostationäre Position vorliegt, wird das Bild bzw. die Bildfolge mit der durch die Funkzelle vorgegebenen Zell-ID verknüpft und an den Positions- und Navigationsserver 3 gesendet. Die Positionsbestimmung wird in diesem Fall im Positions- und Navigationsserver 3 mit Hilfe von geeigneten Verfahren über die Cell-ID durchgeführt.

Vom Positions- und Navigationsserver 3 werden alle eingegangenen Daten, einschließlich der Positionsangabe, zu einer Bild-Datenbank 4 weitergeleitet. In der Bild- Datenbank 4 sind eine Vielzahl von Bildern bzw. Bildfolgen, beispielsweise zu einem Stadtgebiet, gespeichert, denen bereits Positionsdaten zugeordnet sind. Die Positionsdaten zu den Bildern bzw. Bildfolgen resultieren aus den zum Stadtgebiet bereits vorhandenen exakten Vermessungsdaten. Die Vermessungsdaten enthalten immer punktgenaue Positionsangaben zu den vermessenen Objekten. Aus diesen Daten lassen sich damit auch Entfernungsangaben von Objekt zu Objekt (von Haus zu Haus) oder Angaben zur Länge einer Straße oder zu den Abmessungen eines Platzes ableiten. Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit Hilfe derartiger exakter Vermessungsdaten jeder Punkt innerhalb eines vermessenen Gebietes in Bezug auf seine Position genau zugeordnet werden kann.

In der Bilddatenbank 4 erfolgt ein Bildvergleich der vom Positions- und Navigationsserver 3 empfangenen Bilder Bildfolgen mit den bereits dort gespeicherten Bildern/Bildfolgen. Der Suchbereich in der Bild- Datenbank 4 wird durch die mit den Daten gesendeten Positionsangaben, die über die Cell ID oder die GPS- Messung ermittelt wurden, bestimmt. Der Suchbereich in der Bild- Datenbank 4 wird dabei durch den Grad der jeweiligen Ungenauigkeit der Positionsbestimmung über GPS oder Cell ID festgelegt. Für den Bildvergleich werden aus der Videoüberwachung bekannte Algorithmen verwendet (u.a. Mustererkennung, Schrifterkennung, etc. ).

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispieles für die Positionsermittlung/Standortbestimmung eines stark sehbehinderten Teilnehmers innerhalb eines Stadtgebietes näher erläutert.
1 zeigt das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt eine schematische Abbildung für einen Bildmustervergleich zwischen einem von der Kamera des sehbehinderten Teilnehmers aufgenommenen Bild und den aus der Bild-Datenbank 4 zum Vergleich herangezogenen Bildern.
Der sehbehinderte Teilnehmer verfügt über ein Handy und eine Kamera. Das Handy ist entweder mit BT- und SMS Funktionen ausgerüstet oder es verfügt über MMS-Funktionalität. Bei einem stark sehbehinderten Teilnehmer ist die Kamera vorzugsweise in eine Spezialbrille integriert. Zusätzlich zur Kamerafunktion kann in die Brille auch noch eine Sprachausgabe integriert sein. Die Sprachausgabe wird dabei vorzugsweise über einen Ohrhörer realisiert.
Eine weitere Funktion, die über die Brille realisiert werden kann, beinhaltet die Anzeige von Bildern, die durch einen in die Brille integrierten Monitor der Kamera realisiert sein kann. Auf diesem Monitor können die durch den Positions- und Navigationsserver 3 berechneten Positions- und Navigationsdaten graphisch dargestellt werden. Die graphische Darstellung kann beispielsweise durch Symbole zur Personennavigation (z.B. Angabe der Richtung durch Richtungspfeile bzw. unterschiedliche Helligkeit usw. erfolgen. Die Verbindung zwischen dem mobilen Endgerät 2, hier einem Handy, und den der Brille des Teilnehmers zugeordneten Komponenten wird vorzugsweise über eine drahtlose Verbindung, wie beispielsweise Bluetooth, realisiert. Denkbar ist jedoch auch eine konventionelle Kabelverbindung.
Startet der sehbehinderte Teilnehmer die erfindungsgemäße Suchfunktion, so werden die von der Kamera aufgenommenen Bilder oder Bildfolgen zusammen mit Angaben zu seiner aktuellen Position, die über GPS oder Cell-ID ermittelt wurden, und mit den zu den Bildern oder Bildfolgen gehörenden Daten der Kameraeinstellung (z.B. Zoom) usw. und den Daten zum mobilen Endgerät 2 (Gerätetyp usw.) über eine Funkverbindung an einen Positions- und Navigationsserver 3 weitergeleitet. Der Positions- und Navigationsserver 3 hat Zugriff auf eine Bild-Datenbank 4, in der Bilder bzw. Bildfolgen zum Stadtgebiet, wie beispielsweise einzelne Bilder zu Gebäuden, Denkmalen oder anderen markanten Punkten der Stadt oder Bildfolgen von ganzen Straßenzügen mit den an der Straße liegenden Gebäuden und Straßenübergängen gespeichert sind. Den Bildern bzw. Bildfolgen sind exakte Positionszugaben zugeordnet, wobei bei einer Bildfolge jedem Einzelbild ebenfalls mindestens eine Positionsangabe zugeordnet ist. Die Positionsangaben resultieren dabei aus exakten Vermessungsdaten zum betreffenden Stadtgebiet. Im Positions- und Navigationsserver 3 wird ein Bildmustervergleich zwischen den von der Kamera des sehbehinderten Kunden aufgenommenen Bildern bzw. Bildfolgen und den in der Bild-Datenbank 4 gespeicherten Bildern und Bildfolgen vorgenommen (siehe 2). Der für den Bildmustervergleich herangezogene Suchbereich der Bild-Datenbank 4 wird durch die vom sehbehinderten Teilnehmer zusammen mit den Bildern bzw. Bildfolgen zum Positions- und Navigationsserver 3 übertragenen aktuellen Positionsangaben bestimmt. Liegen keine Positionsangaben vor, so wird der gesamte Inhalt der Bild-Datenbank 4 zum Vergleich herangezogen.
Der Vergleich der Bilder vom sehbehinderten Teilnehmer mit den Bildern bzw. Bildfolgen der Bild-Datenbank 4 erfolgt auf der Basis eines Bildmustervergleiches. Dabei werden vorzugsweise die aus der Video- und Bildüberwachung bekannten Algorithmen verwendet. Darin enthalten sind bekannte Verfahren zur Texterkennung, so dass Straßennamen, Hausnummern, Bezeichnungen von Gebäuden, etc. aus der Bildinformation extrahiert werden können.
Wird anhand des Bildmustervergleiches eine Übereinstimmung mit einem in der Bild-Datenbank 4 gespeicherten Bild erkannt, so wird aus den Angaben über die Kameraposition, Blickwinkel, Kameratyp und Zoom die Position des Betrachters berechnet. Der Positions- und Navigationsserver 3 gibt anschließend aktuelle Positionsangaben in Form einer SMS in Verbindung mit BT oder als MMS an den Teilnehmer aus.
Bei einem sehbehinderten Kunden wird die Positionsangabe vorzugsweise als Sprachinformation über den Ohrhörer ausgegeben, wobei bei einer Übermittlung in Form einer MMS das zur Positionsangabe gehörende Bild der Bild-Datenbank 4 auch über den der Brille des sehbehinderten Kunden zugeordneten Monitor ausgegeben werden kann. Von dieser aktuellen Position aus kann der sehbehinderte Teilnehmer dann nach den bei Navigationssystemen üblichen Verfahrensweisen zu dem von ihm gewünschten Ort geführt werden.
In einer ersten Ausbaustufe der Bild-Datenbank 4 wird nicht das gesamte Stadtgebiet erfasst sein, sondern nur die Bilder der wichtigsten Gebäude, Plätze und Denkmale und die Bildfolgen der wichtigsten Straßen mit den entsprechenden Gebäuden, sowie die dazugehörigen Positionsangaben. Durch die von den Nutzern des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung an die Bild-Datenbank 4 gelieferten Bilder und Bildfolgen wird mittels einer entsprechenden Funktion der Bestand der Bild-Datenbank 4 ständig erweitert und ergänzt.
Die Positionsangaben zu den neuen Bildern in der Bild-Datenbank 4 werden dabei mittels eines Rechenalgorithmus aus den Positionsangaben zu den bereits in der Bild-Datenbank 4 vorhandenen Bildern/Bildfolgen berechnet und in der Bild-Datenbank 4 gespeichert. Die Bilder mit den so ermittelten Positionsangeben werden dabei entsprechend ihren Positionsangaben in die Bild-Datenbank 4 eingefügt, so dass in der zweiten Ausbaustufe eine Datenbank vorhanden ist, die das gesamte Stadtgebiet mit den entsprechenden Positionsangaben virtuell abbildet. Jeder Standort dieses virtuellen Stadtgebietes kann über die Abbildung seiner Umgebung als Ausgangspunkt für die Navigation zu einem anderen Ort im Stadtgebiet punktgenau ermittelt werden.
Im Falle einer baulichen Änderung im Stadtgebiet werden die alten Bilder/Bildfolgen in den meisten Fällen unter Beibehaltung der alten Positionsangaben, durch neue aktuelle Bilder/Bildfolgen ersetzt. Auf diese Weise erweitert und aktualisiert die Bild-Datenbank 4 in Abhängigkeit von den Aktivitäten der Teilnehmer automatisch ständig ihren Datenbestand.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche punktgenaue Positionsbestimmung ist die Grundlage einer Reihe von Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Navigation von Fußgängern und anderen Passanten, einschließlich sehbehinderter oder blinder Personen innerhalb eines definierten Gebietes, wie beispielsweise dem Gebiet einer Großstadt.
Insbesondere bei der Navigation von blinden Personen ist eine punktgenaue Ermittlung der jeweiligen Position in Verbindung mit sehr genauen Angaben zur Umgebung und zur gewünschten Streckenführung unerlässlich.

Claims

Verfahren zur genauen Positionsbestimmung eines mobilen Endgerätes unter Einbeziehung von an sich bekannter Verfahren zur Standortbestimmung auf der Basis von GPS bzw. Cell-ID, dadurch gekennzeichnet, – dass über eine optische Aufnahmeeinrichtung, vorzugsweise eine Kamera, die einem mobilen Endgerät (2) zugeordnet ist, Bilder/Bildfolgen der Umgebung des Teilnehmers, der sich in einem definierten Suchgebiet befindet, aufgenommen und zusammen mit Daten zur Geräteeinstellung des mobilen Endgerätes (2) und Einstellungsdaten zur optischen Aufnahmeeinrichtung über eine drahtlose Verbindung des mobilen Endgerätes (2) zu einem Positions- und Navigationsserver (3) gesendet werden, – dass die vom Positions- und Navigationsserver (3) empfangenen Bilder/Bildfolgen mit den in einer Bild-Datenbank (4) gespeicherten Bilder/Bildfolgen aus dem Suchgebiet verglichen werden, wobei den in der Bild Datenbank (4) gespeicherten Bildern/Bildfolgen Positionsdaten zugeordnet sind, die aus den bereits zum betreffenden Suchgebiet vorhandenen exakten Vermessungsdaten resultieren, – dass der Vergleich als Bildmustervergleich auf der Basis von Suchalgorithmen erfolgt, wie sie aus der Videoüberwachung und Texterkennung bekannt sind, – dass bei Übereinstimmung eines vom Teilnehmer gesendeten Bildes mit einem Bild bzw. einem Bildbereich eines Bildes der Bild-Datenbank (4) im Positions- und Navigationsserver (3) aus den zum Bild gehörenden Positionsdaten und den vom Teilnehmer empfangenen Daten zur Engeräteeinstellung und den Daten zur Einstellung der optischen Aufnahmeeinrichtung über einen Rechenalgorithmus die genaue Position des mobilen Endgerätes (2) und damit auch des Teilnehmers ermittelt wird, und – dass die Daten der genauen Position des mobilen Endgerätes (2) und das dazugehörende Bild aus der Bild-Datenbank (4) über den Positions- und Navigationsserver (3) zum mobilen Endgerät (2) des Teilnehmers übertragen und angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom mobilen Endgerät (2) des Teilnehmers zusätzlich Daten zur aktuellen Position des Teilnehmers, die über GPS oder die Cell-ID ermittelt wurden, zum Positions- und Navigationsserver (3) übertragen werden, wobei mittels dieser Positionsangaben vom Positions- und Navigationsserver (3) das Suchfeld für den Bildmustervergleich im Datenbestand der Bild-Datenbank (4) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbestand der Bild-Datenbank (4) durch die von den Teilnehmern zum Bildmustervergleich übertragenen Bilder ständig ergänzt und aktualisiert wird, wobei die Positionsangaben zu neuen, noch nicht in der Bild-Datenbank (4) gespeicherten Bildern automatisch über einen Rechenalgorithmus aus den Positionsangaben der bereits in der Bild-Datenbank (4) vorhandenen Bilder/Bildfolgen ermittelt wird.