Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Eigenstandort
bestimmung insbesondere von Fahrzeugen, mit Hilfe eines
bestehenden, netzsynchronen Zellular-Mobilfunknetzes.
Bekannt sind einerseits Verfahren zur Standortbestimmung von
Fahrzeugen, die auf einem Hyperbel-Ortungsverfahren beruhen,
z. B. DE-AS 21 37 846, E-PS 00 06 448, DE-OS 36 33 557 und
DE-OS 30 29 466. Alle Verfahren erfordern eine erhebliche
Infrastruktur, außerdem ist die Genauigkeit von der
Synchronizität der von den Feststationen ausgesendeten Signale
abhängig.
Es ist weiter ein System zur Bestimmung der Fahrzeugroute
bekannt, das von einem bekannten Navigationssystem, z. B.
Loran ausgeht. Die im Loran-Empfänger ermittelten Standort
daten werden zusammen mit dem gewünschten Zielort an eine
Zentralstation gesandt. Dies geschieht über einen
Fahrzeugsender, der z. B. Teil der Mobilstation eines
Zellularfunknetzes sein kann. Ein Computer der Zentralstation
errechnet aus dem Standort und den Zielkoordinaten die Fahrzeug
route, die von Zentralstation an den Empfänger der Mobilstation
zurückgesendet werden. Wesentlich im gegebenen Zusammenhang
ist, daß ein gesonderter Navigationsempfänger neben einer
Mobilfunkstation vorhanden sein und eine Kommunikation zwischen
Fahrzeugstation und Zentralstation stattfinden muß
(EP 01 23 562).
Bekannt sind weiter Verfahren zur Zellgrenzdetektion durch eine
relative Entfernungsmessung nach dem Hyperbel-Verfahren in
netzsynchronen Zellular-Mobilfunknetze (DE-OS 33 35 128,
Funktechnik 41 (1986), Heft 4, S. 146-149)).
Dort findet neben den für den zu betrachteten Gegenstand
unwesentlichen, von der Feststationen ausgehenden Ortungsvor
gängen auch in jeder Mobilstation zur Zuordnung ihres
jeweiligen Standortes zu einer Funkzelle eine Messung der
Laufzeitdifferenz mehrerer, von verschiedenen Funkfest
stationen ausgesandten Funktelegramme statt.
Die Erfindung geht unter Zugrundelegung dieses Standes
der Technik von folgender Erkenntnis aus:
Einerseits sind in bestehenden netzsynchronen Zellular-Mobil
funknetzen die infrastrukturellen Voraussetzungen für eine
Eigenortung von Mobilfunkstationen zum größten Teil vorhanden,
nämlich ein Netz von Feststationen und eine absolute Netz
synchronität zur Anwendung des Hyperbel-Ortungsverfahrens.
Andererseits besteht infolge der Kostendegression von Mikro
prozessoren auch hoher Rechengeschwindigkeit kein Grund mehr,
die in der Mobilstation gemessene Laufzeitdifferenzwerte mit
den bekannten Standortkoordinaten der zugehörigen Funkfest
stationen in einem bei der Funkfeststation angeordneten
zentralen Rechner miteinander zu verknüpfen.
Die Erfindung schlägt aus diesem Grunde vor, die Verknüpfung
der vorgenannten Daten dezentral in einem jeder Mobilstation
zugeordneten Mikrorechner durchzuführen.
Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur Eigenstandort
bestimmung gemäß dem Gattungsbegriff durch wenigstens folgende
Merkmale gekennzeichnet:
- a) eine Empfängereinheit zum Empfang des netzeinheitlichen
Organisationskanals mit Demodulator und Datenaufbereitung
- b) eine Einrichtung zur Laufzeitdifferenzmessung mehrerer
von verschiedenen Funkfeststationen ausgesandter Daten
telegramme zu dem von einer Bezugsfunkfeststation ausge
sandter Datentelegramm
- c) einen Arbeitsspeicher, in dem die verschiedenen Laufzeit
differenzen, geordnet nach Funkfeststationen abgespeichert
sind
- d) einen Festspeicher mit den Standortkoordinaten aller
Funkfeststationen
- e) eine Recheneinheit, in der die Standortkoordinaten des
Festspeichers mit dem Inhalt des Arbeitsspeichers ver
knüpft und durch Mittelung möglichst vieler Meßergebnisse
die Standortkoordinaten nach dem Hyperbel-Ortungsverfahren
errechnet werden.
Eine Einrichtung nach den Merkmalen a bis e der vorstehend
angegebenen Lösung stellt erkennbar einen passiven
Ortungsempfänger dar, bei dem auf die Teilnahme am Funk
telefondienst verzichtet ist. Gleichwohl ist sein Einsatz
von Vorteil, wenn es lediglich um die Ortung des eigenen
Standortes geht. Wegen des Wegfalles des Sendeteils und der
Sprach-Ein- und Ausgabe ließe sich ein solcher Navigations
empfänger nach Hinzufügung einer LCD-Anzeige für die
Standortkoordinaten auch als tragbares Gerät ausführen.
Soll die Einrichtung jedoch nach einer anderen Ausprägung des
Erfindungsgedankens lediglich als Zusatzeinrichtung einer
bereits für den Funktelefondienst ausgerüsteten
Mobilfunkstation dienen, sind lediglich die Merkmale d, e und
ggf. eine Anzeigeeinheit zusätzlich erforderlich, um als
Zusatzleistungsmerkmal zum Funktelefondienst eine eigene
Standortanzeige zu erhalten, denn die Empfängereinheit, die
Einrichtung zur Laufzeitdifferenzmessung und der
Arbeitsspeicher sind bereits Bestandteile des herkömmlichen
Empfangsteils einer Mobilfunkstation eines Zellular-Mobil
funknetzes.
Bei einer für das zusätzliche Leistungsmerkmal: "Bestimmung des
eigenen Standortes" ausgebildeten Mobilfunkstation bietet sich
in weiterer Ausbildung der Erfindung die Möglichkeit, die
Standortkoordinaten auf Anforderung eines berechtigten
Teilnehmers auch eines festen (Draht- oder Glasfaser) Netzes
durch Anwahl des Funkteilnehmers und Rückübertragung über
dessen Sender abrufbar zu gestalten.
Dabei können zweckmäßig die Standortkoordinaten auf einem
Sprachkanal über ein Modem in digitaler Form übertragen werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, in den Übertragungsweg
zwischen Mobilstation und abrufenden Teilnehmer an irgendeiner
Stelle eine digitale Sprachausgabe einzuschalten. Das kann
vorteilhaft bereits in der Mobilstation geschehen, kann aber
auch erst beim abrufenden Teilnehmer erfolgen.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit der Rückübertragung der
Standortkoordinaten wäre die systemeigene Datenübertragung im
Organisationskanal oder Sprachkanal. Außerdem wäre die
Rückübertragung der Standortkoordinaten auf speziellen
Datenkanälen denkbar.
Neben der bereits behandelten Anzeige der Standortkoordinaten
über einen LCD-Display ist auch eine komfortablere Anzeige mit
einem graphischen Display mit Darstellung von Kartenausschnit
ten denkbar, die ihre Hintergrundinformation aus einer geeigne
ten Datenbank (z. B. topographischen Datenbank) beziehen.
Für besondere Anwendungsfälle, wie z. B. der Sicherung von
Werttransporten ist auch eine Mobilstation denkbar, die unter
Verzicht auf Sprachkommunikation und der hierzu notwendigen
Sprach-Ein- und Ausgabe lediglich zur Meldung des eigenen
Standortes dient. Bei einer solchen, auf ein Standort
meldegerät abgemagerten Version einer Mobilstation ist auch der
Wegfall einer Anzeigeeinheit zweckmäßig, weil das Standort
meldegerät nicht mehr zwangsläufig im Fahrerhaus eines Fahrzeug
untergebracht werden müßte.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Diagrammen und
zwei Blockschaltbildern näher erläutert:
Es zeigen
Fig. 1 die in jeder Mobilstation eines Zellular-Funknetzes
empfangenen Datentelegramme von verschiedenen Funk
feststationen und ihre Auswertung hinsichtlich der
Laufzeit
Fig. 2 einen passiven Ortungsempfänger für die Eigenstandort
bestimmung
Fig. 3 eine Zusatzeinrichtung zur einer Mobilstation zur Eigen
standortbestimmung
Das obere Diagramm der Fig. 1 zeigt die Zuordnung der
verschiedenen Funkfeststationen zu einem der 32-Zeitschlitze
des 2,4 s langen Impulsrahmens. Die Bezugsfunkfeststation wird
aufgrund ihrer Feldstärke oder Entfernung ausgewählt.
Das darunter angeordnete Diagramm zeigt die auftretenden
Laufzeitdifferenzen der von den verschiedenen Funkfest
stationen ausgesendeten Datentelegramme im Bezug auf die
ausgewählte Bezugsfunkfeststation. Die in der Fig. 1 nur kurz
dargestellten Messungen laufen in jeder Mobilstation eines
netzsynchronen Zellular-Mobilfunknetzes ab. Sie sind z. B.
in der bereits benannten Literaturstelle Funktechnik:
41 (1986), Heft 4, S. 146-149 im einzelnen beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt eine auf einen passiven Ortungsemfpänger
abgemagerte Mobilfunkstation. Die über eine Empfangsantenne auf
dem netzeinheitlichen Organisationskanal (z. B. Netz-C der DBP
465,090 MHz) im zyklischen Wechsel ausgestrahlten Datentele
gramme verschiedener Funkfeststationen werden in der Empfänger
einheit 1 empfangen, demoduliert und nach Aufbereitung der
Daten im Schaltungsblock 2 in zyklischer Folge die Laufzeit
differenz zur der ausgewählten Bezugsfunkfeststation gemäß
Fig. 1 unten, ermittelt.
Die Ergebnisse der Laufzeitdifferenzmessung werden in einen
Arbeitsspeicher 3 eingegeben, der demzufolge eine Liste aller
empfangenen Funkfeststationen mit der zugehörigen Laufzeit
differenz enthält.
Andererseits sind in einem Festspeicher 4 die Koordinaten der
geographischen Standorte aller vorhandenen Funkfeststationen
abgespeichert. In der Recheneinheit 5 werden, gesteuert durch
eine entsprechende Software, die Laufzeitdifferenzen der
Datentelegramme der empfangenen Funkfeststationen mit den
zugehörigen Standortkoordinaten verknüpft. Dies geschieht nach
einem für das Hyperbel-Ortungsverfahren geeigneten Algorithmus.
Die Eigenstandortkoordinaten werden auf einer Anzeigeeinheit 6,
einem LCD-Display angezeigt.
Mit etwas größerem Aufwand ist auch die gestrichelt einge
zeichnete Anzeige mit einem graphischen Display 7 als
Alternative möglich. Dabei wird das graphische Display 7
aus einer geeigneten Datenbank 8 mit einem Karten
ausschnitt als Hintergrundinformation beschrieben.
Die Fig. 3 zeigt eine Mobilstation 11, in der die
Empfängereinheit 1, die Einrichtung zur Laufzeitdifferenz
messung 2 und der Arbeitsspeicher 3 bereits im Empfangsteil
der Mobilstation 11 enthalten sind, wenn die Mobilstation
für ein netzsynchrones Zellular-Mobilfunknetz mit Zuordnung des
Eigenstandortes zur einer bestimmten Funkzelle konzipiert ist.
Infolgedessen sind für die genauere Bestimmung der Standort
koordinaten nur noch der Festspeicher 4 und die Recheneinheit 5
notwendig, wenn man zunächst auf die Anzeige der Standort
koordinaten verzichtet, was, wie bereits ausgeführt, für
bestimmte Anwendungsfälle sinnvoll sein könnte.
Der Normalfall ist natürlich die Ausstattung der Mobil
station 11 mit einer Anzeige. Auch in der Fig. 3 sind zwei
Varianten für die Anzahl möglich. Als Einfachlösung wird auch
hier ein LCD-Display 6 vorgesehen. Die aufwendigere Lösung geht
von einem graphischen Display 7 aus, welche seine Hintergrund
information in Form eines Kartenausschnittes aus einer
geeigneten Datenbank 8 bezieht. Auch die komfortablere
Ausführung ist bereits bei Fahrzeugleitsystemen verwirklicht
z. B. das auf der Industriemesse Hannover im Aprilil 1988
vorgestellte Verkehrsleitsystem Blaupunkt Travel Pilot bzw. die
dort ausgelegten Firmenprospekte.
Die Fig. 3 zeigt aber noch eine besonders wichtige
Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung, nämlich
die Abfrage der Standortkoordinaten durch einen berechtigten
Fremdteilnehmer. Dieser Fremdteilnehmer kann sowohl aus dem
Mobilfunknetz als auch aus dem Fernsprechnetz die Nummer des
Funkteilnehmers anwählen und hält dann anstelle eines
Gespräches automatisch die Standortkoordinaten über den Sender
der Mobilstation 11 zurückgesandt. Dabei kann die
Rückübertragung der Standortkoordinaten über den normalen
Sprachkanal, über die systemeigene Datenübertragung des
Organisations- oder Sprachkanals oder über einen
speziellen Datenkanal erfolgen. Die Übertragung auf den
normalen Sprachkanal erfordert überhaupt keine Eingriffe
in das bestehende Zellular-Mobilfunknetz.
Die Fig. 3 enthält für diese Alternative 2 Varianten. Einmal
können die digitalen Standortkoordinaten über ein gestrichelt
eingezeichnetes Modem 10 im Sprachkanal übertragen werden.
Es ist weiter möglich, in der Mobilstation oder beim abrufenden
Fremdteilnehmer die Standortkoordinaten in einer digitalen
Sprachausgabe 9 (in Fig. 3 ebenfalls gestrichelt gezeichnet)
nach Art einer Zeitansage umzuwandeln.
Für Aufgaben der Wertransportsicherung kann sowohl jegliche
Sprachkommunikation als auch die Anzeige 6 bzw. 7 und 8
wegfallen. Übrig bliebe ein Ortungsempfänger und ein Sender für
die Übermittlung der Standortkoordinaten.
In folgendem wird anhand der Fig. 4 kurz die Anwendung des
Hyperbel-Ortungsverfahrens beschrieben, wobei der
Übersichtlichkeitshalber die Verhältnisse von vier
Funkfeststationen S 0 bis S 3 gezeichnet und erläutert sind.
In der Fig. 4 sind bekannt: Die Koordinaten der 4 Funkfest
stationen aus dem Festspeicher 4 und der sich daraus ergebenden
Entfernungen zwischen der Bezugsfunkfeststation S 0 und den
Funkfeststationen S 1 bis S 3 sowie die dazugehörigen
Winkelbeziehungen α n. Bekannt sind weiterhin die relativen
Entfernungen zu den Funkfeststationen bezogen auf die
Bezugsfunkfeststation aus dem Arbeitsspeicher 4. Unbekannt sind
die gesuchten Standortkoordinaten x P 0 und y P 0.
Ausgehend von der Hyperbelgrundgleichung
sind
folgende grundsätzliche Bedingungen zur Berechnung von x P 0
und y P 0 erfüllt:
a n (n = Nummer der Funkfeststation) ergibt sich aus der halben
relativen Entfernung zur Funkfeststation b n ergibt sich aus der
Wurzel von e n²-a n², wobei e n sich aus der halben Entfernung
zwischen der Bezugsfunkfeststation S 0 und der Funkfeststation Sn
ergibt.
Hieraus lassen sich unterschiedliche Gleichungssysteme ableiten
die zur Bestimmung des Eigenstandorts in der Recheneinheit 5
führen.
Der hierfür notwendige Softwareaufwand ist nicht unerheblich
und steigt mit der Anzahl der in die Standortbestimmung
einbezogenen Funkfeststationen, stellt aber keine
unüberwindliche Schwierigkeit dar. Selbstverständlich wird der
höhere Rechenaufwand eine höhere Genauigkeit der
Standortkoordinaten mit sich bringen.