DE10332551B4

DE10332551B4 - Verfahren zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE10332551B4
Application number: DE10332551A
Authority: DE
Inventors: Thomas Juelg
Original assignee: Juelg Thomas Dipl-Ing Dr
Current assignee: Juelg Thomas Dipl-Ing Dr
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: DE10332551A1

Abstract

Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden mit wenigstens drei an bekannten Orten positionierten Sende/Empfangsstationen, so genannte AccessPoints sowie wenigstens einer mobilen Sende/Empfangseinheit, so genannter ClientNode, die mittels Funksignalen mit den wenigstens drei AccessPoints kommuniziert, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
– Aussenden eines Funksignals (S_CN) vom ClientNode, zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung und Abspeichern des Aussendezeitpunktes beim ClientNode in der Zeitskala des Client Node,
– Empfangen des Funksignals (S_CN) am Ort jeweils eines AccessPoints, zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung am Ort des jeweiligen AccessPoints und Abspeichern des Empfangszeitpunktes im jeweiligen AccessPoint, wobei die Zeitskalen der wenigstens drei AccesPoints untereinander nicht synchronisiert werden,
– Aussenden eines Antwort-Funksignals (S_AP) am Ort des jeweiligen AccessPoints sowie Übertragen mindestens des Empfangszeitpunktes des Funksignals (S_CN) und des Aussendezeitpunktes des Antwort-Funksignals (S_AP) am Ort des jeweiligen AccessPoints in der Zeitskala des jeweiligen AccessPoints, wobei zeitlich vor dem Absenden eines Funksignals vom ClientNode ein Triggersignal (RTMS-Kommando...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden mit wenigstens drei, an bekannten Orten positionierten Sende-/Empfangstationen, sogenannte AccessPoints, sowie wenigstens einer mobilen Sende-/Empfangseinheit, ein sogenannter ClientNode, der mittels Funksignale mit den wenigstens drei AccessPoints kommuniziert.

Verfahren zur Positionsbestimmung sowie hierfür konzipierte Systeme sind in ihren vielfältigen Ausgestaltungsformen bekannt und basieren auf den unterschiedlichsten Ortungstechniken, wie sie bspw. auf der Radartechnik, der Satellitennavigationstechnik, der Ultraschallortung oder der optischen Vermessungstechnik, um nur einige zu nennen. Handelt es sich um eine Positionsbestimmung mit der Maßgabe einer Objektortung außerhalb sowie auch innerhalb von Räumen, wie bspw. Gebäuden o. ä. umschlossenen Räumen, so scheidet bspw. die satellitengestützte GPS-Navigations- und Ortungstechnik sowie auch die durch Vielfachreflexionen fehlerträchtige Radartechnik aus. Vielmehr bietet sich zur Positionsbestimmung von Objekten die Funksignalübertragungstechnik zwischen vorzugsweise mehreren Sende-/Empfangseinheiten an.

So ist es für eine genaue Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden erforderlich, an wenigstens drei bekannten Orten Sende-/Empfangsstationen zu positionieren um den genauen Ort einer mobilen Sende-/Empfangseinheit zu erfassen. Bisher bekannte derartige Systeme zeichnen sich durch aufwendige und daher kostspielige Technik und zum Teil durch nur ungenügende Ortungsgenauigkeit aus.

Aus der Druckschrift WO 96/35958 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung in einem CDMA (Code Division Multiple Access) zu entnehmen. Bei diesem Verfahren ist eine Vielzahl so genannter Basisstationen (base) vorgesehen, die untereinander zeitsynchronisiert sind. Mit den Basisstationen tritt ein so genannter subscriber (140) in Kommunikation, dessen Position es gilt zu bestimmen. Zur Positionsbestimmung werden grundsätzlich zwei Verfahrensvarianten beschrieben: Eine erste Variante basiert darauf, dass die Berechnung der Position des subscribers im Wesentlichen auf den von den Basisstationen ermittelten Zeitdifferenzen des bei den verschiedenen Basisstationen eingehenden Funksignalen (predetermined symbol of the subscriber) beruht. Die Ermittlung dieser Zeitdifferenzen setzt eine Zeitsynchronisation aller Basisstationen untereinander voraus. Die zweite Variante basiert darauf, dass die Berechnung der Position des subscribers, neben weiteren Informationen, im Wesentlichen auf der Bestimmung der vom subscriber selbst ermittelten Zeitdifferenzen, der von verschiedenen Basisstationen gleichzeitig ausgesendeten Funksignale (predetermined symbols) erfolgt. Das gleichzeitige Aussenden der Funksignale von den verschiedenen Basisstationen setzt ebenfalls eine Zeitsynchronisation aller Basisstationen untereinander voraus.

Schließlich werden in der Veröffentlichung von LI, X.; PAHLAVAN, K; LANA-AHO, M; YLIANTTILA, M.: „Comparison of Indoor Geolocation Methods in DSSS and OFDM Wireless LAN Systems", IEEE, 2000, Vehicular Technology Conference, 24-26 Sept. 2000, S. 3015-3020, Verahren zur Lokalisierung von mobilen Transmittereinheiten (MTs) in Wireless LAN Systemen, die auf HIPERLAN/2 (OFDM) oder auf IEEE 802.11 (DSSS) Protokollen beruhen, mit mindestens drei ortsfesten Ground Base Stations (GBS) sowie einer Geolocation Control Station (GCS), beschrieben und verglichen. Dabei werden TOA- (Time of Arrival) bzw. TDOA-Verfahren (Time Difference of Arrival) für IEEE802.11 Wireless LAN vorgestellt, die im Gegensatz zu den bisher bekannten, gattungsgleichen Verfahren zur Lokalisierung eines MTs keine Synchronisation der Ground Base Stations (GBS) erfordern. Die Synchronisation der GBSs wird dabei durch die exakte Erfassung der Verarbeitungszeit τ_p (processing delay) in den einzelnen MTs ersetzt. Die processing delays der einzelnen MTs werden dabei im Rahmen der Systeminitialisierung oder der Systemkalibrierung einmalig erfasst und gespeichert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden mit wenigstens drei an bekannten Orten positionierten Sende-/Empfangsstationen, den sog. AccessPoints, sowie wenigstens einer mobilen Sende-/Empfangseinheit, der sog. ClientNode, der mittels Funksignale mit den wenigstens drei AccessPoints kommuniziert, derart weiterzubilden, dass die zur Ortsbestimmung erforderlichen technischen Ressourcen auf ein Minimum reduziert werden und eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von ± 25 cm durchführbar ist. Insbesondere gilt es die Positionsbestimmung nahtlos innerhalb und außerhalb von Gebäuden durchzuführen, ohne die Notwendigkeit aufwendiger technischer Zusatzkomponenten, wie bspw. Zeitsynchronisatoren.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung sind vorteilhafte Merkmale des Erfindungsgedankens zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich in vorteilhafter Weise zur Kommunikation zwischen den jeweils beteiligten Sende-/Empfangseinheiten den drahtlosen Netzwerkstandard IEEE 802.11, aus dem sich die im weiteren verwendete Nomenklatur ableitet. So werden die an einem bekannten Ort positionierten Sende-/Empfangsstationen als sog. AccessPoints, sowie die wenigstens eine mobile Sende-/Empfangseinheit als ClientNode bezeichnet, die mittels Funksignale mit den wenigstens drei AccessPoints kommuniziert.

Zur erfolgreichen Durchführung des Verfahrens bedarf es wenigstens drei AccessPoints, die jeweils an bekannten Orten positioniert sind. Gegenüber diesen AccessPoints gilt es die Position eines mobilen ClientNodes zu bestimmen, wobei das Verfahren zur Positionsbestimmung auf eine Vielzahl von ClientsNode ausweitbar ist. Die Positionsbestimmung basiert auf der Laufzeitmessung der Funksignale, die zwischen einem ClientNodes und einem jeweiligen AccessPoint ausgetauscht werden.

Um die Funkanforderungen, die von einer möglichen Vielzahl von ClientNodes zur Positionsbestimmung in Form von Funksignalen auftreten, sicher voneinander zu trennen, werden die im IEEE 802.11 Standard vorhandene Medium-Zugriffs-Funktionen (MAC) eingesetzt, die nach dem Prinzip des sog. „Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance" (CSMA-CA) Protokoll arbeiten. Mit diesem Protokoll wird gewährleistet, dass jede einzelne Station, die an der Funkkommunikation zwischen den einzelnen ClientNodes und den betreffenden AccesPoints beteiligt ist, den jeweiligen Funkkanal überwacht und erst dann sendet, wenn der Funkkanal nicht belegt ist. Dies verhindert Kollisionen und die damit zusammenhängenden Interferenzen und minimiert zusätzliche Übertragungsversuche. Desweiteren bedient sich das erfindungsgemäße Verfahren zu Zwecken der Kommunikation zwischen ClientNode und AccessPoints einer sog. 48-Bit MAC-Adresse, die im IEEE 802.11-Protokoll definiert ist und nahezu identisch mit dem Ethernet Netzwerk-Protokoll ist. Diese Adresse wird zur Identifizierung und zum Versenden von Information eingesetzt.

Für die folgende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst wichtige Begriffe näher erläutert:
Die sog. ClientNodes können als batteriebetriebene Einheiten aufgefasst werden, mit denen es möglich ist, drahtlos ihre Position zu bestimmen, zu navigieren und Daten zu übertragen. Die ClientNodes fordern eine Laufzeitmessung von den AccessPoints innerhalb der sog. ServiceArea an. Die ServiceArea ist eine logische Ansammlung aller AccessPoints, die miteinander verbunden sind. Innerhalb der ServiceArea ist es möglich, die Positionsbestimmung für einen ClientNode durchzuführen.

Die sog. AccessPoints liefern einen Großteil an Informationen, die für die Positionserfassung erforderlich sind. Alle AccessPoints, die, wie vorstehend bereits erwähnt, an jeweils einem bekannten Ort positioniert sind, verfügen in vorteilhafter Weise über eine sog. BridgingEngine, mit der die AccessPoints über ein sog. DistributionNetwork untereinander Daten austauschen können. Das DistributionNetwork kann drahtgestützt oder drahtlos ausgebildet sein und dient auch dazu, dass die AccessPoints sich gegenseitig über die aktuellen ClientNodes in ihrem Empfangsbereich informieren.

Das DistributionNetwork stellt sozusagen die notwendigen Hardware-Komponente zum Datenaustausch dar, das im einfachsten Fall aus einem normalen einfachen Ethernet-Netzwerk besteht.

Schließlich bildet das sog. WirelessMedium einen Raumbereich zwischen den ClientNodes und den AccessPoints, in dem zur Signalübertragung und Kommunikation Funkwellen übertragen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden mit wenigsten drei an bekannten Orten positionierten sog. AccessPoints sowie wenigstens einem ClientNode, der sich wie vorstehend bezeichnet, innerhalb des sog. WirelessMedium befindet und mittels Funksignale mit den wenigstens drei AccessPoints kommuniziert, setzt sich aus folgenden Verfahrensschritten zusammen:
Zur Positionsbestimmung wird vom ClientNode ein Funksignal ausgesandt, das zeitgleich beim ClientNode eine Zeitmessung auslöst. Das vom ClientNode ausgesandte Funksignal wird am Ort eines jeweiligen AccessPoint empfangen, wobei zeitgleich mit dem Empfangsereignis eine Zeitmessung an dem jeweiligen AccessPoint ausgelöst wird. Nach entsprechender Signalauswertung am jeweiligen AccessPoint sendet jeder einzelne AccessPoint ein sog. Antwort-Funksignal aus, das vom ClientNode empfangen wird, wobei zeitlich vor dem Absenden eines Funksignals vom ClientNode ein Triggersignal (RTMS-Kommando = Runtime Measurement Service) ausgesandt wird, durch dessen Empfang in jedem der AccessPoints eine Datenaufzeichnung aktiviert wird, und zeitlich vor dem Absenden des Antwort-Funksignals von jeden der AccessPoints ein Triggersignal (RTMS-Komando = Runtime Measurement Service) ausgesandt wird, durch dessen Empfang im ClientNode eine Datenaufzeichnung aktiviert wird und jeweils vom AccessPoint zeitlich nach Absenden des Antwort-Funksignals eine Dateneinheit an den ClientNode abgesendet wird, in der wenigstens Informationen über den Startzeitpunkt der Datenaufzeichnung im AccessPoint sowie den Absendezeitpunkt des Antwort-Funksignals enthalten sind. Die entsprechenden Empfangs- und Aussendeereignisse werden jeweils im ClientNode und AccessPoint aufgezeichnet. Schließlich wird auf der Grundlage der im ClientNode und den AccessPoints stattfindenden Zeitmessungen die Laufzeiten des Funksignals zwischen ClientNode und dem jeweiligen AccessPoint und des Antwortsignals zwischen dem jeweiligen AccessPoint und dem ClientNode ermittelt. Auf der Grundlage der bekannten Orte der AccessPoints sowie den Laufzeiten der Funksignale und der Antwort-Funktsignale erfolgt letztlich eine Positionsbestimmung des ClientNodes, wobei beim Ermitteln der Laufzeiten des Funksignals (S_CN) zwischen ClientNode und dem jeweiligen AccessPoint sowie der Laufzeiten der Antwort-Funksignale zwischen dem jeweiligen AccessPoint und dem ClientNode (S_AP) angenommen wird, dass beide Laufzeiten identisch sind, und dass das Ermitteln der Laufzeiten des Funksignals (S_CN) zwischen ClientNode und dem jeweiligen AccessPoint sowie der Laufzeiten der Antwort-Funksignale zwischen dem jeweiligen AccessPoint und dem ClientNode (S_AP) unter Verwendung folgender Beziehung erfolgt: t0 = 1/2(ΔtCN.m + tCN.2 – tCN.1 – ΔtAP + ΔtAP.m mit

t_CN.1: Startzeit des Aussendens des Funksignals im ClientNode,

ΔtCN.m = tCN.m – tCN.2 mit

t_CN.m: Empfangszeitpunkt des Antwort-Funksignals vom AccessPoint beim ClientNode,
t_CN.2: Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des ClientNotes,

ΔtAP = tAP.2 – tAP.1 mit

t_AP.2: Sendezeitpunkt des Antwort-Funksignals beim AccessPoint und
t_AP.1: Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des AccessPoints

ΔtAP.m = tAP.m – tAP.1 mit

t_AP.m: Empfangszeitpunkt des Funksignals vom ClientNode am Ort des AccessPoints und
t_AP.1: Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des AccessPoints

und t_CN.2, t_CN.2, Δt_AP mit Hilfe digitaler Zähler gemessen und Δt_AP.m und Δt_CN.m mittels einer Korrelationsfunktion berechnet werden.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf den getrennten Zeitmessungen im ClientNode sowie in den jeweiligen AccessPoints. Auf der Grundlage dieser Zeitmessungen sowie unter Verwendung bestimmter Korrelationsbeziehungen erfasster Zeitpunkte ist eine exakte Laufzeitmessung der beteiligten Funksignale zwischen ClientNode und den jeweiligen AccessPoints sowie eine daraus ableitbare Entfernungsaussage zwischen ClientNode und AccessPoints möglich.

Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden einzelnen Prozessschritte werden unter Bezugnahme auf die nachstehend erläuterten Figuren näher beschrieben.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1 Darstellung der Ausgangssituation zur Positionsbestimmung von ClientNodes innerhalb einer ServiceArea,

2 Zeitablaufdiagramm der zur Positionsbestimmung erforderlichen Laufzeitmessung der Funksignale.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die in 1 dargestellte Anordnung weist fünf sog. AccessPoints auf, die jeweils an bekannten Orten positioniert sind. Alle AccessPoints sind über ein DistributionNetwork miteinander verbunden und somit in der Lage Daten untereinander auszutauschen. Gegenüber den fest positionierten AccessPoints sind im gezeigten Ausführungsbeispiel drei mobile ClientNodes vorgesehen, die sich innerhalb des Empfangsbereiches, d. h. der sog. ServiceArea befinden. Wie im Weiteren beschrieben wird, gilt es nun die aktuelle Position dieser einzelnen ClientNodes durch entsprechende Funkkommunikation mit den umliegenden AccessPoints zu ermitteln.
Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Messprinzip basiert auf einer sog. Zweiwege-Laufzeitmessung, bei der die wichtigsten Messgrößen die Signallaufzeiten jeweils zwischen einem ClientNode zu einem AccessPoint und wieder zurück sind. Unter Berücksichtigung der sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden elektromagnetischen Wellen kann auf diese Weise die Distanz zwischen einem ClientNode und einem jeweiligen AccessPoint berechnet werden.
Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung sei ein einziger ClientNode angenommen, der zu Zwecken der Positionsbestimmung in Kommunikation mit wenigstens 3 AccessPoints tritt. So sendet der ClientNode ein Funksignal aus, das von einem AccessPoint empfangen wird, der wiederum ein Antwort-Funksignal zurück sendet. Dieses Antwort-Funksignal ist vorzugsweise zusätzlich mit Daten moduliert. Bspw. kann dieser zusätzliche Datenstrom u. a. die Koordinaten des jeweiligen AccessPoints enthalten. Die im ClientNode vorhandene Empfangselektronik ist nun in der Lage, die Signallaufzeit vom ClientNode zum AccessPoint und zurück zu messen. Die zwischen dem ClientNode und dem AccessPoint aktuell vorliegende Entfernung ist mit Hilfe der gemessenen Laufzeit geteilt durch Zwei und multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit in der nachfolgenden Weise zu berechnen: |l →0| = l0 = ct0 (1)

l₀: der Abstand zwischen AccessPoint und ClientNode,
c: die Lichtgeschwindigkeit und
t₀: die Signallaufzeit.

Legt man der Positionsbestimmung lediglich eine einzige Signallaufzeitmessung zwischen dem ClientNode und einem einzigen AccessPoint zugrunde, so befindet sich der aktuelle Aufenthaltsort des ClientNodes auf einer theoretischen Kugeloberfläche um den AccessPoint mit einem Radius, der dem innerhalb der Laufzeit zurückgelegten Strecke des Funksignals entspricht. Somit kann sich der ClientNode grundsätzlich irgendwo auf dieser theoretischen Kugeloberfläche befinden. Mit einer zusätzlichen Messung zu einem zweiten AccessPoint erhält man eine Schnittlinie der beiden Kugeloberflächen. Unter Hinzuziehung einer dritten Messung verbleiben letztlich zwei Schnittpunkte der Kugeloberfläche, auf denen sich der ClientNode befinden kann. In der Praxis kann die theoretische Zweideutigkeit der Ortszuordnung dadurch aufgelöst werden, indem man die AccessPoints derart positioniert werden, dass sich lediglich ein definierter Schnittpunkt dreier Kugeloberflächen oberhalb des Raumbodens befindet. Sollten beide theoretischen Schnittpunkte in einem für den ClientNode zugänglichen Raum vorliegen, so bedarf es der Auswertung eines vierten AccessPoints um die eindeutige Positionsbestimmung durchzuführen.
Die folgenden Überlegungen gehen von einem beliebig im Raum gewählten Koordinatenursprung aus, von dem sich ein kartesisches Koordinatensystem aufspannt, innerhalb dem folgende Koordinatenpunkte gegeben sind: Es sei angenommen, dass ein AccessPoint durch den Vektor s → gemäß Gleichung 2 sowie der ClientNode durch den Vektor e → gemäß Gleichung 3 gegeben sind. Ein Abstandsvektor l₀ zwischen dem AccessPoint und dem ClientNode lässt sich als Differenz beider Vektoren in folgender Weise gemäß Gleichung (4) berechnen:
Mit der Kugelgleichung gemäß Gleichung 5
kann die Beziehung zwischen der Laufzeitmessung und der Koordinatendifferenzen hergeleitet werden. Hierin sind die drei AccessPoint-Koordinaten x_s, y_s und z_s sowie die Laufzeit t₀ bekannt. Unbekannt sind lediglich die drei ClientNode-Koordinaten x_e, y_e, und z_e. Zur Berechnung der ClientNode-Koordinaten werden, wie bereits erwähnt, drei Laufzeitmessungen t₀₁, t₀₂, t₀₃ und damit die drei Bestimmungsgleichungen gemäß Gleichung 6
benötigt.
Zur Lösung dieses nichtlinearen Gleichungssystems gibt es an sich bekannte mathematische Methoden, die nicht Gegenstand der weiteren Erläuterung sind. Zur Berechnung der Signallaufzeiten t₀₁, t₀₂ und t₀₃ werden die nachfolgenden Verfahrensschritte unter Bezugnahme auf das in 2 dargestellte Zeitablaufdiagramm beschrieben. Auch in diesem Fall begrenzt sich die Beschreibung auf die Kommunikation zwischen einem ClientNode und einem AccessPoint. Zur exakten Positionsbestimmung sind jeweils Kommunikationen zu wenigstens zwei weiteren AccessPoints zu berücksichtigen. Zum Verständnis der 2 sind jeweils Zeitskalen bezüglich des ClientNodes T_S.CN sowie des AccessPoints T_S.AP dargestellt. Die jeweiligen Zeitskalen betreffen jeweils einen ClientNode, der mit einem AccessPoint in Kommunikation tritt.
Zur Signallaufzeitmessung zwischen dem aktuellen Ort des ClientNodes relativ zu einem an einem bekannten Ort positionierten AccessPoint wird eine Zweiwegelaufzeitmessung in folgender Weise durchgeführt. Bevor der ClientNode ein Funksignal zu einem AccessPoint absendet, sendet der ClientNode als Startsignal für eine Datenaufzeichnung ein RTMS-Kommando (Runtime Measurement Service) an jeden empfangbaren AccessPoint ab. Dieses RTMS-Kommando empfängt der AccessPoint zu einem Zeitpunkt t_AP.1 in einer AccessPoint bezogenen Zeitskala T_S.AP (siehe hierzu Zeitablaufdiagramm in 2). Zu einem Zeitpunkt t_CN.1 in der ClientNode Zeitskala, der bezogen zur AccessPoint-Zeitskala T_S.AP nicht notwendigerweise vor dem Zeitpunkt t_AP.1 liegt, sendet der ClientNode ein Funksignal aus. Beginnend mit dem Zeitpunkt t_CN.1 bezogen zur ClientNode-Zeitskala T_S.CN wird im ClientNode eine Zeitmessung in Gang gesetzt.
Die Ankunftszeit des vom ClientNode abgesandten Funksignals in der Zeitskala des AccessPoints ist t_AP.m. Nach einer entsprechenden Signalverarbeitungszeit Δt_AP.D sendet der AccessPoint zum Zeitpunkt t_AP.2 ein Antwort-Funksignal an den ClientNode bezogen zur Zeitskala des AccessPoints T_S.AP ab. Zeitlich vor dem Absenden des Antwort-Funksignals sendet der AccessPoint ebenfalls ein RTMS-Kommando an den ClientNode ab, das zum Zeitpunkt t_CN.2 bezogen zur Zeitskala des ClientNodes T_S.CN am ClientNode eintrifft und dort eine Datenaufzeichnung auslöst. Schließlich erhält der ClientNode zum Zeitpunkt t_CN.m bezogen zur Zeitskala des ClientNodes das Antwort-Funksignal vom AccessPoint. Alle vorstehenden Zeitpunkte werden jeweils entsprechend vom ClientNode und dem AccessPoint in ihrer jeweiligen Zeitskala erfasst und gespeichert.
Nach dem vorbeschriebenen Austausch der Funksignale erhält der ClientNode vorzugsweise in einer Daten komprimierten Form alle vom AccessPoint aufgezeichneten Zeitpunkte, also t_AP.1, t_AP.m, t_AP.2, sowie darüber hinausgehende Informationen bezüglich der genauen Koordinaten der Position des AccessPoints. Mit dem vom AccessPoint an den ClientNode übermittelten Daten sowie den am ClientNode und im AccessPoint vorliegenden Datensatz, mit den aufgezeichneten Empfangssignalen, ist es möglich, die Zweiwegesignallaufzeit zu berechnen. Die Zeitdifferenz für die gesamte, in 2 dargestellte Signalübermittlungsprozedur kann in folgender Weise formuliert werden: tCN.m – tCN.1 = te.1 + ΔtAP.d + te.2 (7)mit

t_CN.1: der Startzeit der Übertragung im ClientNode,
t_CN.m: der Empfangzeit des Signals vom AccessPoint beim ClientNode,
t_e.1: der Signallaufzeit vom ClientNode zum AccessPoint,
t_e.2: der Signallaufzeit vom AccessPoint zum ClientNode
Δt_AP.d: = t_AP.2 – t_AP.m, d.h. der zeitliche Abstand zwischen dem Empfang des Funksignals am AccessPoint und dem Aussenden des Antwort-Funksignals vom AccessPoint.

Ferner wird angenommen, dass die Signallaufzeiten t_e.1 sowie t_e.2 gleich sind, d. h. Gleichung 7 kann in der folgenden Weise vereinfacht formuliert werden: te = 1/2 (tCN.m – tCN.1 – tAP.2 + tAP.m (8)
Da die Messzeitpunkte längs der ClientNode-Zeitskala T_S.CN mit der Zeitskala des AccessPoints T_S.AP zeitlich nicht synchronisiert ist und ein diesbezüglicher Synchronisationsaufwand vermieden werden sollte, muss im Weiteren mit relativen Zeiten gerechnet werden.
So berechnet sich die Zeitdifferenz zwischen dem zeitlichen Beginn der Datenaufzeichnung am AccessPoint und dem Aussenden des Antwort-Funksignals Δt_AP wie folgt: ΔtAP = tAP.2 – tAP.1 (9)
In gleicher Weise berechnet sich die Zeitdifferenz in Bezug zur Zeitskala des ClientNodes T_S.CN zwischen dem Beginn der Datenaufzeichnung, d. h. initiiert durch den Empfang des RTMS-Kommandos vom AccessPoints am ClientNode, und dem Empfang des Antwort-Signals am ClientNode in folgender Weise: ΔtCN.m = tCN.m – tCN.2 (10)
Unter der vorstehend bereits genannten Voraussetzung, dass die zeitliche Signalausbreitung zwischen dem Hin- und Rückweg des Funksignals bzw. Antwort-Funksignals gleich ist, lässt sich unter Verwendung der Gleichungszusammenhänge 9 und 10 die Gleichung 8 wie folgt darstellen: t0 = 1/2(ΔtCN.m + tCN.2 – tCN.1 – ΔtAP + ΔtAP.m (11) mit

t_CN.m: Empfangszeit des Antwort-Funksignals vom AccessPoint beim ClientNode,
t_CN.2: Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des ClientNotes,
t_CN.1: Startzeit des Aussendens des Funksignals im ClientNode,

ΔtAP = tAP.2 – tAP.1

t_AP.2: Sendezeitpunkt des Antwort- Funksignals beim AccessPoint und
t_AP.1: Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des AccessPoints

ΔtAP.m = tAP.m – tAP.1

Die in Gleichung 11 auftretenden Thermen t_CN.1, t_CN.2 sowie Δt_AP können mit handelsüblichen, digitalen Zählwerken erfasst werden. Die Bestimmung der Therme Δt_AP.m sowie Δt_CN.m hingegen können mit geeigneten Korrelationfunktionen berechnet werden.
Hierfür kann grundsätzlich zur Berechnung der zeitlichen Verschiebung und der Ähnlichkeit von zwei beliebigen Signalen g(t) und h(t) die Kreuzkorrelationsfunktions
herangezogen werden. Die beliebigen Zeitfunktionen g(t) und h(t) können im Lichte der vorstehend beschriebenen Positionsbestimmung mit dem Funksignal und dem Antwort-Funksignal gleichgesetzt werden.
Die Kreuzkorrelationsfunktion ist das gemittelte Produkt der beiden Signale g(t) und h(t), die gegeneinander um die Zeit t verschoben sind. Mit (12) kann auch für t = 0 die Orthogonalität von zwei Signalen überprüft werden, dabei ist der Wert der Kreuzkorrelationsfunktion ein Maß für die Orthogonalität der beiden Funktionen. Die beiden Signale sind exakt orthogonal, wenn χgh (τ,t = 0) = 0 (13)erfüllt ist. Für periodische Funktionen, wie es auch bei den vorstehend beschriebenen Funksignalen der Fall ist, die aus mit Daten modulierten Barker-Pseudo-Rausch-Codes bestehen, können die Integrationsgrenzen in (12) mit der Periodendauer T eingeschränkt werden:
Soll zur Signalverarbeitung ein digitales System Anwendung finden, das seine Eingangsgrößen nur durch eine digitale Abtastung der kontinuierlichen zeitlichen Vorgänge gewinnen kann, dann stellt sich das Problem, dass die Bedingungen gemäß der Gleichungen (12) und (14) strenggenommen nicht für Abtastwerte gelten. Um dennoch eine Darstellung zu erhalten, die auch mit digitalen Abtastsystemen verarbeitbar ist, werden zunächst die beiden kontinuierlichen Funktionen mit einem Dirac-Impuls multipliziert,
Damit erhält man aus (12) die Kreuzkorrelationsfunktion für diskrete Abtastwerte
und entsprechend aus (14),
die Kreuzkorrelationsfunktion für diskrete Abtastwerte und periodische Vorgänge.
Damit die abgetasteten Funktionen (15) und (16) das Originalsignal auch repräsentieren, muss natürlich das sogenannte Abtasttheorem erfüllt sein. Ist nach diesem Theorem ein Signal bandbegrenzt, so lässt sich das Originalsignal aus den Abtastwerten eindeutig bestimmen, wenn die Abtastfrequenz größer als das Doppelte der höchsten Frequenzkomponente des Originalsignals ist.
Die Kreuzkorrelationsfunktion spielt in dem oben beschriebenen Verfahren zur Laufzeitmessung eine entscheidende Rolle. Mit der Hilfe dieser Funktion,
kann der Zeitversatz zwischen dem empfangenen mit Daten modulierten Barker-Pseudorauschsignal und der Startzeit der Datenaufzeichnung berechnet werden. In (19) ist

c a(s) / i: das abgetastete und abgespeicherte Empfangssignal und
c a(e) / i: das intern generierte Barker-Pseudorauschsignal.

Das τ des ersten Maximums der Korrelationsfunktion ist dann identisch mit Δt_AP.m beziehungsweise Δt_CN.m in (11).

Claims

Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden mit wenigstens drei an bekannten Orten positionierten Sende/Empfangsstationen, so genannte AccessPoints sowie wenigstens einer mobilen Sende/Empfangseinheit, so genannter ClientNode, die mittels Funksignalen mit den wenigstens drei AccessPoints kommuniziert, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Aussenden eines Funksignals (S_CN) vom ClientNode, zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung und Abspeichern des Aussendezeitpunktes beim ClientNode in der Zeitskala des Client Node, – Empfangen des Funksignals (S_CN) am Ort jeweils eines AccessPoints, zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung am Ort des jeweiligen AccessPoints und Abspeichern des Empfangszeitpunktes im jeweiligen AccessPoint, wobei die Zeitskalen der wenigstens drei AccesPoints untereinander nicht synchronisiert werden, – Aussenden eines Antwort-Funksignals (S_AP) am Ort des jeweiligen AccessPoints sowie Übertragen mindestens des Empfangszeitpunktes des Funksignals (S_CN) und des Aussendezeitpunktes des Antwort-Funksignals (S_AP) am Ort des jeweiligen AccessPoints in der Zeitskala des jeweiligen AccessPoints, wobei zeitlich vor dem Absenden eines Funksignals vom ClientNode ein Triggersignal (RTMS-Kommando = Runtime Measurement Service) ausgesandt wird, durch dessen Empfang in jedem der AccessPoints eine Datenaufzeichnung aktiviert wird, und zeitlich vor dem Absenden des Antwort-Funksignals von jeden der AccessPoints ein Triggersignal (RTMS-Komando = Runtime Measurement Service) ausgesandt wird, durch dessen Empfang im ClientNode eine Datenaufzeichnung aktiviert wird und jeweils vom AccessPoint zeitlich nach Absenden des Antwort-Funksignals eine Dateneinheit an den ClientNode abgesendet wird, in der wenigstens Informationen über den Startzeitpunkt der Datenaufzeichnung im AccessPoint sowie den Absendezeitpunkt des Antwort-Funksignals enthalten sind, – Empfangen des jeweiligen Antwort-Funksignals (S_AP) am Ort des ClientNode und Abspeichern des Empfangszeitpunktes im ClientNode, in der Zeitskala des ClientNodes, – Ermitteln der Laufzeiten des Funksignals (S_CN) zwischen ClientNode und dem jeweiligen AccessPoint sowie der Laufzeiten der Antwort-Funksignale (S_CN) zwischen dem jeweiligen AccessPoint und dem ClientNode (S_AP) im ClientNode, auf der Grundlage des Aussendezeitpunktes des Funksignals (S_CN), den Empfangszeitpunkten der von den AccessPoints stammenden Antwort-Funksignale (S_AP) im ClientNode jeweils in der Zeitskala des ClientNodes, sowie den Empfangszeitpunkten des Funksignals (S_CN) und den Aussendezeitpunkten der Antwort-Funksignale (S_AP) der jeweiligen AccessPoints jeweils in der Zeitskala des jeweiligen AccessPoints und, – Bestimmen der Position des ClientNode auf Grundlage der bekannten Orte der AccessPoints sowie den Laufzeiten des Funksignals (S_CN) und der Antwortfunksignale (S_AP), wobei beim Ermitteln der Laufzeiten des Funksignals (S_CN) zwischen ClientNode und dem jeweiligen AccessPoint sowie der Laufzeiten der Antwort-Funksignale zwischen dem jeweiligen AccessPoint und dem ClientNode (S_AP) angenommen wird, dass beide Laufzeiten identisch sind, und dass das Ermitteln der Laufzeiten des Funksignals (S_CN) zwischen ClientNode und dem jeweiligen AccessPoint sowie der Laufzeiten der Antwort-Funksignale zwischen dem jeweiligen AccessPoint und dem ClientNode (S_AP) unter Verwendung folgender Beziehung erfolgt: t0 = 1/2(ΔtCN.m + tCN.2 – tCN.1 – ΔtAP + ΔtAp.m mit t_CN.1 Startzeit des Aussendens des Funksignals im ClientNode, ΔtCN.m = tCN.m – tCN.2 mit t_CN.m Empfangszeitpunkt des Antwort-Funksignals vom AccessPoint beim ClientNode, t_CN.2 Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des ClientNotes, ΔtAP = tAP.2 – tAP.1 mit t_AP.2 Sendezeitpunkt des Antwort- Funksignals beim AccessPoint und t_AP.1 Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des AccessPoints ΔtAP.m = tAP.m – tAP.1 mit t_AP.m Empfangszeitpunkt des Funksignals vom ClientNode am Ort des AccessPoints und t_AP.1 Startzeit der Datenaufzeichnung am Ort des AccessPoints und t_CN.2, t_CN.1, Δt_AP mit Hilfe digitaler Zähler gemessen und Δt_AP.m und Δt_CN.m mittels einer Korrelationsfunktion berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden und Empfangen der Funksignale ((S_CN), (S_AP)) zwischen dem wenigstens einen ClientNode und den wenigstens drei AccessPoints unter Verwendung des Netzwerkstandards IEEE 802.11 oder des Übertragungsprotokolls CSMA-CA Protkoll (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Empfangen des Funksignals (S_CN) am Ort jeweils eines AccessPoints wenigstens ein Teil des Funksignals abgespeichert, ausgewertet und im Rahmen des Antwort-Funksignals (S_AP) wieder an den ClientNode zurückgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei AccessPoints über eine Netzwerkstruktur miteinander verbunden sind, über die Systeminformationen ausgetauscht werden.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Netzwerkstruktur eine drahtgebundene oder drahtlose Ethernet-Netzwerkstruktur eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funksignal (S_CN) und/oder das Antwort-Funksignal (S_AP) mit Zusatzinformationen moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzinformationen für die Modulation des Funksignals (S_CN) die Kennung des ClientNodes und für die Modulation des Antwort-Funksignals (S_AP) die Kennung und/oder die Raumkoordinaten des bekannten Ortes des jeweiligen AccessPoints verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dateneinheit komprimiert wird bevor die Dateneinheit abgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Position e → des ClientNodes unter Verwendung folgender Beziehung durchgeführt wird:
mit
Raumkoordinaten eines AccessPoints
Raumkoordinaten des ClientNodes t₀₁, t₀₂, t₀₃ Laufzeiten der Funksignale zwischen ClientNode und