DE19912475A1

DE19912475A1 - Methods for position determination and navigation by using transmission/reception units of mobile radio network

Info

Publication number: DE19912475A1
Application number: DE1999112475
Authority: DE
Inventors: Danny Wehnert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-09-21

Abstract

The method involves using of a radio signal and/or the transmitted information of transmission/reception units of used mobile radio network. A mobile station synchronizes with the base station. A delay results from the distance between the mobile and base stations and the final propagation speed of the radio signals. The distance with the known propagation speed of the radio signals between the base station and the mobile station thus can be determined. An Independent claim is included for a device for determining a position using a mobile telephone.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mobilfunksysteme. Damit sind Systeme zum Zwecke der Nachrichtenübertragung gemeint, die aus mehreren Sende-/Empfangseinheiten bestehen, wel che als sogenannte Basisstationen ein Netz zur funktechnischen Kommunikation bilden - ein Mo bilfunknetz. In diesem Netz können mobile Sende-/Empfangseinheiten, sogenannte Mobilstationen, eine bidirektionale Nachrichtenübertragung mit einer Basisstation durchführen. Die Basisstationen können sowohl erdgebunden und fest installiert ausgeführt sein, als auch in Form von Satelliten, beweglich in Orbitalbahnen oder stationär.The invention relates to the field of mobile radio systems. So systems are for the purpose the message transmission, which consists of several transmitting / receiving units, wel as so-called base stations form a network for radio communication - one month bilfunknetz. In this network, mobile transmitter / receiver units, so-called mobile stations, perform a bidirectional message transmission with a base station. The base stations can be both ground-based and permanently installed, as well as in the form of satellites, movable in orbital orbital or stationary.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf das Gebiet der elektronischen Navigationssysteme. Es ist bekannt, daß verschiedene Navigationssysteme nach dem Prinzip der Laufzeitmessung von Funksignalen arbeiten. Dieses Prinzip beinhaltet die Messung der Laufzeit von Funksignalen (Funkwellen) auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger. Da die Wellenausbreitungsgeschwin digkeit im jeweiligen Ausbreitungsmedium (meist Luft oder Vakuum) bekannt ist, kann man durch Multiplikation der gemessenen Laufzeit mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit die Weglänge (Entfer nung) zwischen Sender und Empfänger ermitteln.The invention further relates to the field of electronic navigation systems. It is known that various navigation systems based on the principle of the transit time measurement of Radio signals work. This principle includes measuring the transit time of radio signals (Radio waves) on their way from the transmitter to the receiver. Because the wave propagation speed is known in the respective propagation medium (usually air or vacuum) Multiplying the measured transit time by the propagation speed the path length (distance determination) between sender and receiver.

Ist die Position des Senders bzw. Empfängers zum Zeitpunkt der Messung bekannt, so kann die Position des Empfängers bzw. Senders in Form der Entfernung von diesem Bezugspunkt angege ben werden. Die Lösungsmenge stellt dabei eine Kugeloberfläche dar. Führt man Laufzeitmessun gen zu mindestens vier Bezugspunkten durch, kann man durch trigonometrische Berechnungen (Triangulation) eine eindeutige Position des Empfängers bzw. Senders bestimmen. Dieses Verfah ren wird beispielsweise beim GPS (Global Positioning System) angewendet.If the position of the transmitter or receiver at the time of the measurement is known, the Position of the receiver or transmitter in the form of the distance from this reference point be. The amount of solution represents a spherical surface to at least four reference points, you can use trigonometric calculations (Triangulation) determine a clear position of the receiver or transmitter. This procedure ren is used for example in the GPS (Global Positioning System).

Eine Variante des Prinzips ist es, nicht die absolute Laufzeit, sondern die Laufzeitdifferenz (und damit die Entfernungsdifferenz) von Funksignalen eines Senderpaares auf verschiedenen Aus breitungswegen zu messen und damit eine Positionsbestimmung durchzuführen. Diese Variante wird beispielsweise beim LORAN-C-System angewendet.A variant of the principle is not the absolute term, but the term difference (and thus the distance difference) of radio signals of a transmitter pair on different off to measure spreading paths and thus to determine a position. This variant is used for example in the LORAN-C system.

Es ist ebenfalls bekannt, daß gewonnene Positionsdaten eines Objektes zur Weiterverarbeitung anderen Geräten zugeführt werden. Dies sind zum Beispiel Geräte zur elektronischen Verarbeitung und Anzeige von geographischen Karten, in denen dann das betreffende Objekt eingefügt werden kann.It is also known that position data of an object obtained for further processing other devices. These are, for example, devices for electronic processing and display of geographic maps in which the object in question is then inserted can.

Von den meisten Mobilfunksystemen ist bekannt, daß zur korrekten Nachrichtenübertragung eine zeitliche Synchronisation zwischen den Basis- und Mobilstationen stattfindet. Die Basisstationen organisieren ihren Betrieb nach einem eingebauten Zeitzähler und alle Abläufe unterliegen be stimmten zeitlichen Festlegungen in Bezug auf diese Systemzeit. Die Basisstationen eines Mobil funknetzes können dabei untereinander zeitlich synchronisiert sein oder nach einer autonomen Zeitrechnung arbeiten.It is known from most mobile radio systems that a temporal synchronization between the base and mobile stations takes place. The base stations organize their operation according to a built-in time counter and all processes are subject to be agreed timing in relation to this system time. The base stations of a mobile Radio networks can be synchronized with one another in terms of time or after an autonomous one Time work.

Es ist weiterhin bekannt, daß in einigen Mobilfunksystemen Laufzeitmessungen von Funksignalen zwischen Basis- und Mobilstationen durchgeführt werden. Diese Messungen finden in Systemen nach dem TDMA-(Zeitmultiplex-) Verfahren statt, dienen dort aber nicht dem Zweck der Positions bestimmung und Navigation. Laufzeitmessungen werden in digitalen TDMA-Mobilfunksystemen als Bestandteil des "adaptive frame alignment" (adaptive Rahmenanpassung") durchgeführt. TDMA (Time Division Multiple Access) bedeutet, daß ein Funkkanal für die gleichzeitige digitale Daten übertragung zwischen einer Basisstation und mehreren Mobilstationen genutzt wird, indem die Da tenübertragung von und zu den Mobilstationen zeitlich nacheinander erfolgt. Dafür hält eine Basis station auf jedem Funkkanal mehrere "Zeitschlitze" bereit, in denen sie mit verschiedenen Mobilstationen kommunizieren kann. Diese Zeitschlitze bilden somit einen zeitlichen Rahmen. Da sich verschiedene Mobilstationen aber meist in unterschiedlichen Entfernungen zur Basisstation befinden, treffen deren gesendete Signale aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten nicht im fest gelegten zeitlichen Rahmen bei der Basisstation ein und könnten so die Nachrichtenübertragung stören. Deshalb wird der zeitliche Versatz dieser Signale zum Zeitrahmen der Basisstation gemes sen, digitalisiert und als Parameter den Mobilstationen mitgeteilt, damit die Mobilstationen dann ihre Funksignale um diese Zeitspanne früher aussenden können und die Funksignale passend im Zeitrahmen der Basisstation ankommen. Diesen Vorgang der Zeitrahmen-Anpassung nennt man "adaptive frame alignment".It is also known that in some mobile radio systems, runtime measurements of radio signals between base and mobile stations. These measurements take place in systems according to the TDMA (time division multiplex) method, but do not serve the purpose of the positions there determination and navigation. Runtime measurements are used in digital TDMA mobile radio systems Part of the "adaptive frame alignment" performed. TDMA (Time Division Multiple Access) means one radio channel for simultaneous digital data transmission between a base station and several mobile stations is used by the Da transmission from and to the mobile stations takes place in succession. There is a basis for this station has several "time slots" on each radio channel, in which they can communicate with different channels Mobile stations can communicate. These time slots therefore form a time frame. There different mobile stations but mostly at different distances from the base station because of the different transit times, the signals they send do not hit the fix timed frame at the base station and could thus the message transmission to disturb. The time offset of these signals is therefore measured in relation to the time frame of the base station sen, digitized and communicated as parameters to the mobile stations, so that the mobile stations then their Can send out radio signals earlier in this period of time and the radio signals in the Arrive time frame of the base station. This process of adjusting the time frame is called "adaptive frame alignment".

Die Verbesserung gegenüber bisherigen Navigationssystemen, wie oben geschildert, ist unter an derem in den Bereichen Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit zu finden. Der Betrieb eines elektroni schen Navigationssystems ist mit hohen Kosten verbunden, da durch viele Sende-/Empfangs stationen und deren Sendeleistung eine möglichst hohe Verfügbarkeit gewährleistet werden muß. Diese Betriebskosten entstehen meist nur zur Erfüllung des Zweckes der Navigation. Diese Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, Mobilfunksysteme neben ihrer hauptsächlichen Anwendung, der Kommunikation, zusätzlich zur Positionsbestimmung und Navigation ihrer Mobil stationen und/oder Basisstationen zu nutzen. Dies ermöglicht ein einfaches Navigieren ohne den Aufwand der Bereitstellung und des Betriebes zusätzlicher Sende-/Empfangsanlagen. Desweiteren bieten viele erdgebundene Mobilfunknetze den Vorteil der hohen Verfügbarkeit von verwertbaren Empfangssignalen, da sie bereits aus einem dichten Netz von Sende-/Empfangsanlagen (Basissta tionen) bestehen und damit am Empfangsort höhere Empfangsfeldstärken erzeugen, als beispiels weise satellitengestützte Navigationssysteme wie GPS.The improvement over previous navigation systems, as described above, is under to be found in the areas of economy and availability. Operation of an electroni The navigation system is associated with high costs, since many transmit / receive stations and their transmission power ensures the highest possible availability must become. These operating costs usually arise only for the purpose of navigation. The aim of this invention is therefore to provide mobile radio systems in addition to their main ones Application, communication, in addition to positioning and navigation of your mobile to use stations and / or base stations. This enables easy navigation without the Effort to provide and operate additional transmission / reception systems. Furthermore many ground-based mobile networks offer the advantage of high availability of usable Receive signals, since they already come from a dense network of transmission / reception systems (base sta ions) exist and thus generate higher reception field strengths at the receiving location than, for example wise satellite-based navigation systems such as GPS.

Die Erfindung besteht darin, durch Messungen an Funksignalen in Mobilfunksystemen und/oder der Auswertung von in Mobilfunksystemen übermittelten Informationen zur Kontrolle bzw. zur Sicher stellung des Betriebes eine Bestimmung der Position und der Bewegungsform einer Mobilstation oder Basisstation durchzuführen. (Patentanspruch 1)The invention consists of measurements on radio signals in mobile radio systems and / or Evaluation of information transmitted in mobile radio systems for control or security position of the company a determination of the position and the form of movement of a mobile station or base station. (Claim 1)

Die Positionsbestimmung einer bestimmten Sende-/Empfangseinheit in Mobilfunksystemen erfolgt jeweils in Relation zu einer oder mehreren Bezugs-Sende-/Empfangseinheit(en). Ist deren Position in einem geographischen Koordinatensystem (z. B. dem Gradnetz der Erde) bekannt, so ist damit auch die Position der bestimmten Sende-/Empfangseinheit in diesem Koordinatensystem bekannt. Die Positionsbestimmung erfolgt dabei nach verschiedenen Variationen des Laufzeitprinzips.The position of a particular transmitter / receiver unit is determined in mobile radio systems each in relation to one or more reference transceiver units. Is their position known in a geographic coordinate system (e.g. the Earth's network of degrees) the position of the specific transmitting / receiving unit in this coordinate system is also known. The position is determined according to different variations of the runtime principle.

Eine Mobilstation synchronisiert sich mit der Basisstation, mit der sie eine bidirektionale Nachrich tenübertragung durchführt, das heißt sie übemimmt für die Koordinierung ihrer Aktivitäten die Zeit rechnung dieser Basisstation. Zwischen den Zeitzählern der beiden Stationen besteht jedoch noch ein zeitlicher Versatz, der dadurch entsteht, daß alle Signale und Informationen, welche die Basis station aussendet mit einer Verzögerung bei der Mobilstation eintreffen, die aus der Entfernung zwischen beiden Stationen und der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funksignale resul tiert. Mißt man diesen zeitlichen Versatz, so kann man mit der bekannten Ausbreitungsgeschwin digkeit der Funksignale die Entfernung zwischen der Basisstation und der Mobilstation bestimmen. (Patentanspruch 2)A mobile station synchronizes with the base station with which it sends a bidirectional message carries out the transfer of time, which means that it takes the time to coordinate its activities calculation of this base station. However, there is still time between the two stations a temporal offset that arises from the fact that all signals and information that form the basis station sends out with a delay to arrive at the mobile station from a distance between the two stations and the finite propagation speed of the radio signals animals. If one measures this time offset, one can with the known propagation speed radio signals determine the distance between the base station and the mobile station. (Claim 2)

Die Messung des erläuterten Zeitversatzes wird in einigen Mobilfunksystemen im Rahmen des "adaptive frame alignment" bereits durchgeführt (siehe oben). Der gemessene Zeitversatz ent spricht dabei dem Laufweg der Funksignale auf dem Hin- und Rückweg, also der doppelten Entfer nung zwischen Basis- und Mobilstation, da die Zeitmessung in der Basisstation erfolgt und die Zeit zwischen erwartetem und wahrem Eintreffen der Antwortsignale einer Mobilstation erfolgt. Diese Zeitversatzinformation wird dann als quantisierter Parameter an die Mobilstation übertragen, damit diese ihren Zeitzähler entsprechend anpassen kann. Die Erfindung besteht darin, den Parameter des Zeitversatzes dahingehend auszuwerten, daß daraus die vom Funksignal zurückgelegte Weg strecke und damit die Entfernung der Mobilstation zur Basisstation berechnet wird. Bestimmt man auf diese Weise die Entfernungen zu mehreren Basisstationen, so läßt sich durch trigonometrische Berechnungen (Triangulation) die Position der Mobilstation in Bezug zu den Basisstationen bestim men. Dieses Verfahren ist äquivalent zur Bestimmung der Position einer Basisstation anwendbar (Patentanspruch 3)The measurement of the time offset explained is carried out in some mobile radio systems as part of the "Adaptive frame alignment" has already been carried out (see above). The measured time offset ent speaks the route of the radio signals on the way there and back, i.e. twice the distance between the base station and the mobile station, since the time is measured in the base station and the time between the expected and true arrival of the response signals from a mobile station. This Time offset information is then transmitted to the mobile station as a quantized parameter they can adjust their time counter accordingly. The invention is the parameter to evaluate the time offset in such a way that the path covered by the radio signal distance and thus the distance of the mobile station to the base station is calculated. Certainly this way the distances to several base stations can be determined by trigonometric Calculations (triangulation) determine the position of the mobile station in relation to the base stations men. This procedure is equivalent to determining the position of a base station (Claim 3)

Das geschilderte Prinzip der Auswertung des Zeitversatz-Parameters läßt sich weiter verfeinern. Je nach der Größe der Quantisierungsstufen bei der Quantisierung des gemessenen Zeitversatzes ergibt sich die Genauigkeit der berechneten Entfernung und damit der Positionsangabe. Die Größe der Quantisierungsstufen läßt sich daher auch interpretieren als Entfernungsbereich, entsprechend einer Hohlkugel (bzw. einem Kreisring bei ebener Betrachtung) um die Basisstation bzw. Mobilstati on. Die genaue Entfernung innerhalb dieses Bereiches bleibt zunächst unbekannt.The described principle of evaluating the time offset parameter can be further refined. Each according to the size of the quantization levels in the quantization of the measured time offset the accuracy of the calculated distance and thus the position information results. The size The quantization levels can therefore also be interpreted as a range of distances, accordingly a hollow sphere (or a circular ring when viewed at a level) around the base station or mobile status on. The exact distance within this area remains unknown at first.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, die durch die Quantisierung verlorene Genauigkeit der Entfernungsberechnung zurückzugewinnen, also eine Präzisierung der Entfernungsbestimmung bis auf den Fehler der eigentlichen Laufzeitmessung. Bewegt sich eine Mobilstation/Basisstation, das heißt ändert sich die Entfernung zwischen beiden, so wird beim Überschreiten einer bestimmten Grenze des gemessenen Zeitversatzes, also einer bestimmten Entfernungsgrenze, der übermittelte Zeitversatz-Parameter geändert. Beim Passieren dieser Grenze während der Bewegung erhält man durch die Registrierung des Parameterwechsels eine präzisiere Information über den aktuellen Zeitversatz bzw. der Entfernung. Diese Meßmethode läßt sich dahingehend modifizieren, daß die Präzisierung auch ohne die relative Bewegung (Entfernungsänderung) zwischen den Sende-/Empfangs einheiten erfolgen kann. Durch das Einfügen einer wählbaren Verzögerung in die Über tragungsstrecke wird ein zusätzlicher künstlicher Zeitversatz hergestellt. Dieser zusätzliche Zeitver satz wird schrittweise vergrößert, solange bis der gemessene Gesamtzeitversatz eine Quantisie rungsstufe überschreitet und sich damit der übermittelte Parameter ändert. Subtrahiert man den zusätzlichen Zeitversatz zum Zeitpunkt dieses Umspringens des übermittelten Zeitversatzparame ters von dem Gesamtzeitversatz, der dieser Sprungstelle entspricht, so erhält man den genaueren Zeitversatz, so wie er gemessen wurde. (Patentanspruch 4) Another improvement is the lost accuracy of the quantization To recover the distance calculation, i.e. a more precise determination of the distance up to on the error of the actual runtime measurement. If a mobile station / base station is moving, the If the distance between the two changes, then when a certain one is exceeded Limit of the measured time offset, i.e. a certain distance limit, the transmitted Time offset parameters changed. Passing this limit while moving you get by registering the parameter change, precise information about the current one Time offset or distance. This method of measurement can be modified so that the Precision even without the relative movement (change in distance) between the transmit / receive units can be made. By inserting a selectable delay in the over additional artificial time offset is created. This additional time delay rate is gradually increased until the measured total time offset becomes a quantisie level and the transmitted parameter changes. If you subtract that additional time offset at the time of this change in the transmitted time offset parameter ters of the total time offset that corresponds to this jump point, you get the more precise one Time offset as measured. (Claim 4)

Als weitere Variante der Positionsbestimmung nach dem Laufzeitprinzip kann auch bei der Anwen dung in Mobilfunksystemen eine Positionsbestimmung durch das Messen der Laufzeitdifferenzen zwischen mehreren Bezugsobjekten erfolgen. Dabei wird in der Mobilstation die zeitliche Differenz des Empfanges der Funksignale zweier Basisstationen bestimmt. Bei gleichem Abstand zu den beiden Basisstationen und gleichem Ausbreitungsmedium für die Funksignale wäre diese Differenz gleich Null. Das Ergebnis der Menge der möglichen Standorte stellt die Oberfläche eines Hyperbo loiden dar (bzw. eine Hyperbel bei ebener Betrachtung), welche allen Orten mit der gleichen Entfer nungsdifferenz (resultierend aus der Laufzeitdifferenz) zu zwei Bezugspunkten (den Basisstationen) entspricht. Durch die Bestimmung von Laufzeitdifferenzen zwischen mehreren Paaren von Basis stationen läßt sich die Position der Mobilstation als Schnittpunkt der einzelnen Hyperboloidoberflä chen (bzw. Hyperbeln) ermitteln. Die Bestimmung der Laufzeitdifferenz kann entweder durch Mes sungen an den Funksignalen erfolgen (Patentanspruch 5) oder in einigen Mobilfunksystemen durch die Auswertung bereits ermittelter und übertragener Parameter (Patentanspruch 6), die dieser Laufzeitdifferenz entsprechen. Die Quantisierungsstufen dieser Parameter können wie die der Laufzeitparameter bei Bedarf mit ähnlichen Verfahren wie oben geschildert aufgelöst werden (Pa tentanspruch 7).Another variant of the position determination based on the runtime principle can also be used by the user a determination of the position in mobile radio systems by measuring the transit time differences between several reference objects. The difference in time is in the mobile station the reception of the radio signals from two base stations. At the same distance from the this difference would be the two base stations and the same propagation medium for the radio signals equals zero. The result of the set of possible locations represents the surface of a hyperbo loiden dar (or a hyperbola on level observation), which all locations with the same distance difference (resulting from the transit time difference) to two reference points (the base stations) corresponds. By determining transit time differences between multiple pairs of base the position of the mobile station can be used as the intersection of the individual hyperboloid surfaces chen (or hyperbola). The determination of the transit time difference can either be done by Mes solutions to the radio signals take place (claim 5) or in some mobile radio systems the evaluation of already determined and transmitted parameters (claim 6), the latter Correspond to the term difference. The quantization levels of these parameters can be like that of If necessary, runtime parameters can be resolved using similar procedures as described above (Pa claim 7).

Die eigentliche Messung der Laufzeitdifferenz erfolgt, indem die Zeitdifferenz zwischen, von zwei Basisstationen periodisch ausgesendeten und bekannten, Signalen beim Empfang in der Mobilsta tion gemessen wird. Dies läßt sich allerdings nur in Mobilfunknetzen mit untereinander zeitlich syn chronisierten Basisstationen anwenden. In nichtsynchronisierten Netzen muß zusätzlich die Diffe renz der Zeitzähler der zwei betreffenden Basisstationen berücksichtigt werden. Ist diese nicht bekannt, mißt man ebenfalls die Zeitdifferenz und ordnet den gemessenen Wert dem (bekannten) Meßort der Mobilstation zu, der dann als Bezugspunkt gilt. Die weiteren Zeitdifferenzmessungen werden dann wiederum differentiell, also als Änderung gegenüber dem Wert am Bezugspunkt, betrachtet und somit eine neue Position ermittelt in Relation zum gewählten Bezugspunkt. Die un bekannte Differenz der Zeitzähler der Basisstationen fließt hierbei nicht mehr in die Positionsbe stimmung ein.The actual measurement of the transit time difference takes place by the time difference between, of two Base stations periodically transmitted and known signals when received in the Mobilsta tion is measured. However, this can only be done in mobile radio networks with one another in time use chronized base stations. In non-synchronized networks, the differences must also be limit of the time counters of the two base stations concerned are taken into account. Isn't that known, you also measure the time difference and assign the measured value to the (known) Measurement site of the mobile station, which is then the reference point. The further time difference measurements then again become differential, i.e. as a change compared to the value at the reference point, considered and thus determined a new position in relation to the selected reference point. The un The known difference between the time counters of the base stations no longer flows into the positions mood.

Der Vorteil der Messung von Laufzeitdifferenzen gegenüber der Messung der absoluten Laufzeiten, also den beschriebenen Zeitversätzen, liegt darin, daß hierfür eine Übertragung von Funksignalen in nur eine Richtung notwendig ist. Während bei der Bestimmung der absoluten Laufzeit, die Mes sung der Zeit zwischen ausgesendetem Signal und empfangenem Antwortsignal erfolgt, also eine Funkübertragung zwischen Basis- und Mobilstation hin und zurück stattfindet, so ist die Bestim mung der Laufzeitdifferenz allein durch den Empfang von Funksignalen der Basisstationen möglich. Weiterhin wird die Möglichkeit geschaffen, gewonnene Entfernungs- oder Positionsdaten an exter ne Geräte zu übermitteln (Patentanspruch 13) oder zusätzlich Daten von externen Geräten zu ver arbeiten (Patentanspruch 12). Die Verbindung mit weiteren Geräten und Vorrichtungen, zum Bei spiel Wegaufnehmern, Kompassen, Höhenmessern, Zeitmessern, Funkpeilgeräten oder digitalisierten Karten, erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung, bzw. verringert die Anzahl notwendiger Messungen durch das Bereitstellen zusätzlicher Informationen. Zusätzlich wird so die Navigation eines Objektes (Bestimmung der Bewegungsform), z. B. einer Mobilstation, ermöglicht. The advantage of measuring runtime differences compared to measuring absolute runtimes, So the time offsets described, is that for this a transmission of radio signals in one direction is necessary. While determining the absolute term, the Mes solution of the time between the transmitted signal and the received response signal, that is, one Radio transmission between base and mobile station takes place there and back, that is the best The time difference can only be determined by receiving radio signals from the base stations. Furthermore, the possibility is created to transfer distance or position data obtained to external ne devices to transmit (claim 13) or additional data from external devices ver work (claim 12). The connection with other devices and devices, for example play displacement sensors, compasses, altimeters, timepieces, radio direction finders or digitized maps, increases the accuracy and reliability of the position determination, or reduces the number of measurements required by providing additional information. In addition, the navigation of an object (determination of the form of movement), e.g. B. one Mobile station, enables.

Mobilstationen in Mobilfunknetzen sind gewöhnlich Geräte zur Telefonie und anderweitiger Kom munikation. Die Positionsbestimmung in Mobilfunknetzen gemäß dieser Erfindung soll entweder als zusätzliches Merkmal einer herkömmlichen Mobilstation ausgeführt werden (Patentanspruch 9) oder auch in Form eines separaten Gerätes, welches nur der Positionsbestimmung dient (Patent anspruch 10) und wiederum in andere Geräte implementiert werden kann (Patentanspruch 11).Mobile stations in cellular networks are usually devices for telephony and other com communication. The position determination in mobile radio networks according to this invention is intended either as additional feature of a conventional mobile station can be carried out (claim 9) or also in the form of a separate device that only serves to determine the position (patent Claim 10) and in turn can be implemented in other devices (claim 11).

Embodiment Determination of the position of a mobile station according to the runtime principle in mobile radio networks according to the GSM standard

Im GSM (Globile System for Mobile Communication) wird eine Messung der Signallaufzeiten im Rahmen der adaptiven Zeitrahmenanpassung (wie eingangs geschildert) bereits durchgeführt (Eberspächer, J. /Vögel, H.-J.: GSM - Globile System for Mobile Communication. Stuttgart: Teub ner 1997, S. 92-94). Der hierfür berechnete und übermittelte Parameter heißt "Timing Advance" (TA). Es wird zunächst in einer Basisstation der Zeitversatz der eintreffenden Funksignale einer Mobilstation gegenüber dem Zeitrahmen der Basisstation gemessen. Dieser Zeitversatz entspricht also dem Laufweg der Funksignale in Höhe der doppelten Entfernung zwischen Basis- und Mobil station. Der Bereich des möglichen Zeitversatzes ist aufgeteilt in 64 Quantisierungsstufen mit einer Größe von je 48/13 µs (ca. 3,69 µs). Die Stufe 0, also ein Wert TA = 0, entspricht somit einem Zeit versatz von 0 µs bis 48/13 µs, ein Wert TA = 1 entspricht 48/13 µs bis 2.48/13 µs usw. Kommuniziert also eine Mobilstation mit einer Basisstation und bekommt von dieser zum Beispiel den Parameter TA = 2 übermittelt, so bedeutet dies, daß die Laufzeit T der Signale von der Basisstation und zu ihr zurück zwischen 7,38 µs und 11,08 µs beträgt. Mit Hilfe der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen in Luft von ca. 300 000 km/s( = c) läßt sich daraus berechnen (TA.3,69 µs.c/2 und (TA+1).3,69 µs.c/2), daß die Entfernung der Mobilstation von der Basisstation zwischen 1100 m und 1650 m beträgt. Die genaue Entfernung innerhalb dieses Bereiches bleibt zunächst unbekannt. Um diese genaue Entfermung zu bestimmen, vergrößert man nun schrittweise den Zeitversatz, indem man die Aussendung der Funksignale der Mobilstation um die Zeit dt verzögert. Dabei beob achtet man den Wert des von der Basisstation übermittelten Laufzeitparameters TA. Bei fortwäh render Vergrößerung der Verzögerung wird dieser Parameter auf den Wert TA(neu) = 3 (um beim gewählten Beispiel zu bleiben) umspringen, da der Gesamtzeitversatz die Grenze von 11,08 µs gerade überschritten hat. Beträgt die während dieses Umspringens des TA-Wertes eingestellte zusätzliche Verzögerung beispielsweise dt = 1,0 µs, so bedeutet dies, daß die reine Laufzeit T der Funksignale durch die Luft dem Gesamtzeitversatz abzüglich der Verzögerung dt entspricht, also TA(neu).3,69 µs-dt = 3.3,69 µs-1,0 µs = 10,08 µs. Daraus läßt sich nun die zugehörige Entfernung (hier: ca. 1510 m) berechnen. Die genaue Entfernung innerhalb des Bereiches entsprechend dem TA-Wert (hier: 1100 m-1650 m für TA = 2) ist damit bestimmt. Angemerkt sei hier, daß die gewählte Verzögerung auch negativ sein kann, das heißt, daß die Mobilstation verfrüht sendet. Dies ist im GSM möglich, da es ohnehin eine festgelegte Verzögerung von ca. 1,7 ms zwischen Empfang und Sendung der Mobilstationen gibt, die bei der Berechnung des TA-Wertes natürlich berücksichtigt wird. In GSM (Globile System for Mobile Communication) a measurement of the signal propagation times in the Framework of the adaptive time frame adjustment (as described at the beginning) has already been carried out (Eberspächer, J. / Vögel, H.-J .: GSM - Globile System for Mobile Communication. Stuttgart: Teub ner 1997, pp. 92-94). The parameter calculated and transmitted for this is called "Timing Advance" (TA). First, the time offset of the incoming radio signals in a base station Mobile station measured against the time frame of the base station. This time offset corresponds So the path of the radio signals in the amount of twice the distance between the base and mobile station. The range of the possible time offset is divided into 64 quantization levels with one Size of 48/13 µs each (approx. 3.69 µs). Level 0, i.e. a value TA = 0, corresponds to a time Offset from 0 µs to 48/13 µs, a value TA = 1 corresponds to 48/13 µs to 2.48 / 13 µs etc. Communicated So a mobile station with a base station and receives the parameter from this, for example TA = 2 transmitted, this means that the transit time T of the signals from the base station and to it back between 7.38 µs and 11.08 µs. With the help of the known propagation speed The radio waves in air of approx. 300,000 km / s (= c) can be calculated from this (TA.3.69 µs.c / 2 and (TA + 1) .3.69 µs.c / 2) that the distance of the mobile station from the base station between 1100 m and Is 1650 m. The exact distance within this area remains unknown at first. In order to determine this exact distance, you now gradually increase the time offset, by delaying the transmission of the radio signals from the mobile station by the time dt. Observe pay attention to the value of the transit time parameter TA transmitted by the base station. With continue render increasing the delay, this parameter is set to the value TA (new) = 3 (to at selected example to stay), since the total time offset exceeds the limit of 11.08 µs just passed. Is the value set during this change in the TA value additional delay, for example, dt = 1.0 microseconds, this means that the pure time T of Radio signals through the air corresponds to the total time offset minus the delay dt, ie TA (new) .3.69 µs-dt = 3.3.69 µs-1.0 µs = 10.08 µs. The associated distance can now be derived from this (here: approx. 1510 m). The exact distance within the area according to the TA value (here: 1100 m-1650 m for TA = 2) is thus determined. It should be noted here that the one chosen Delay can also be negative, which means that the mobile station is transmitting prematurely. This is in GSM possible, since there is a fixed delay of approx. 1.7 ms between reception and Broadcast of the mobile stations there, which of course takes into account when calculating the TA value becomes.

Führt man diese Entfernungsbestimmung durch Kommunikation mit mehreren Basisstationen durch und sind der Mobilstation die geographischen Positionsdaten der Basisstationen bekannt, so kann die Mobilstation durch trigonometrische Berechnung (Triangulation) ihre eigene Position be stimmen. Dafür ist die Entfernungsbestimmung zu mindestens vier Basisstationen bei räumlicher bzw. drei Stationen bei ebener Berechnung nötig.If this distance determination is carried out by communication with several base stations through and the geographical position data of the base stations are known to the mobile station, so the mobile station can use trigonometric calculation (triangulation) to determine its own position voices. For this, the distance determination to at least four base stations is spatial or three stations necessary for flat calculation.

Diese Positionsbestimmung kann als zusätzliche Funktion eines GSM-Mobiltelefons ausgeführt werden. Die ermittelten Positionsdaten können vom Mobiltelefon angezeigt werden. Zusätzlich kön nen diese Positionsdaten zum Beispiel an ein Kfz-Navigationssystem mit digitalisierten Landkarten und Wegaufnehmern übermittelt werden, so daß eine Navigation des Kfz ermöglicht wird. Dies entspricht dem Prinzip der bekannten GPS-Kfz-Navigationssysteme, wobei die Zufuhr von Positi onsdaten statt durch einen GPS-Empfänger durch das GSM-Mobiltelefon erfolgt.This position determination can be carried out as an additional function of a GSM mobile phone become. The mobile phone can display the determined position data. In addition, this position data, for example, to a car navigation system with digitized maps and transducers are transmitted so that navigation of the motor vehicle is made possible. This corresponds to the principle of the well-known GPS car navigation systems, the supply of positi ons data is carried out by the GSM mobile phone instead of by a GPS receiver.

Weiterhin sind zahlreiche andere Ausführungsformen der Erfindung möglich, zum Beispiel durch Nutzung von satellitengestützten Mobilfunksystemen, der Anwendung der Laufzeitdifferenzmes sung, der Übermittlung der gewonnenen Positionsdaten an Rettungsdienste usw. Als erreichte Vorteile gegenüber herkömmlichen Navigationssystemen und -geräten wären unter anderem der kostengünstige Betrieb, die Ersparnis eines zusätzlichen Gerätes zur Navigation für den Anwender und die Feststellung der Position einer Mobilstation die einen Notruf absendet zu nennen. Die Erfindung ließe sich gewerblich nutzen, indem beispielsweise ein Betreiber eines Mobilfunknet zes die Option der Positionsbestimmung als kostenpflichtigen Zusatz zum Telefonie-/Kommunikationsdienst anbietet.Numerous other embodiments of the invention are also possible, for example through Use of satellite-based mobile radio systems, the application of the transit time difference measurement solution, the transmission of the position data obtained to emergency services, etc. When reached Advantages over conventional navigation systems and devices would be, among others cost-effective operation, the saving of an additional device for navigation for the user and to determine the position of a mobile station that sends an emergency call. The invention could be used commercially, for example, by an operator of a cellular network zes the option of position determination as a paid add-on to Offers telephony / communication service.

Claims

1. Method for determining position and navigation, which the radio signals and / or uses transmitted information from transmitting / receiving units of a mobile radio network.

2. Method for determining position and navigation according to claim 1, which according to Principle of measuring the signal propagation times and distance calculation between Transmitter / receiver units works.

3. A method for determining position and navigation according to claims 1 and 2, which if parameters relating to the signal propagation times are present, these have already been determined and provided parameters used.

4. Method for determining position and navigation according to claim 3, in which the by quantizing the measured signal delay to the delay parameter, lost In formation and thus accuracy at the receiving location of the parameter is recovered.

5. A method for determining position and navigation according to claim 1, which according to Principle of measuring the signal propagation time differences and distance difference calculation between sender / receiver units works.

6. A method for determining position and navigation according to claims 1 and 5, which if there are parameters relating to the signal propagation time differences, this is already the case used and provided parameters.

7. Method for determining position and navigation according to claim 6, in which the by quantizing the measured signal transit time differences to the transit time difference para meters, lost information and thus accuracy at the receiving location of the parameter is won.

8. Method for determining position and navigation, which consists of a combination of several Process according to the preceding claims.

9. Device for telephony / data transmission in cellular networks (mobile phone), which is also the Position determination and navigation according to one of the ge in claims 1 to 8 called, procedure serves.

10. Device for position determination and navigation, which exclusively determines the position mung and navigation according to one of the methods mentioned in claims 1 to 8 serves.

11. Device for position determination and navigation according to claim 9 or 10, which in one other device is integrated.

12. Device for position determination and navigation according to one of claims 9 to 11, with additional data / information for the purpose of positioning and navigation from other devices.

13. Device for position determination and navigation according to one of claims 9 to 12, which transmits position data to other devices.