DE4417045A1 - Verfahren zur Ortsbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortsbestimmung, insbesondere für die Erhebung von Nutzungsgebühren für Verkehrswege.

Zur Erhebung von Nutzungsgebühren (Maut) für Verkehrswege, insbesondere Straßen, sind verschiedene Verfahren bekanntgeworden. Allgemeine Verbreitung haben bis jetzt jedoch nur Mautstationen gefunden, an denen die Fahrzeuge anhalten und nach Entrichtung der Maut die gebührenpflichtige Straße befahren dürfen. Bei viel befahrenen Straßen führt dieses trotz einer Vielzahl einzelner Zahlstellen zu Staus. Auch Einrichtungen, bei denen man in langsamer Fahrt eine Münze in einen Trichter wirft, bringen nur beschränkt Abhilfe.

Darüberhinaus sind Verfahren zur automatischen Ermittlung und Abbuchung von Nutzungsgebühren bekanntgeworden. Bei dem in NTZ, Band 46 (1993), Heft 4 "Zukünftige automatische Gebührenerfassung für den Straßenverkehr" beschriebenen Verfahren werden Erhebungsstellen mit Einrichtungen ausgerüstet, bei denen eine Kommunikation zwischen der Erhebungsstelle und dem Fahrzeug stattfindet.

Bei derartigen Systemen hat die Ortsbestimmung, nämlich die Feststellung, ob ein Fahrzeug eine Erhebungsstelle passiert bzw. sich auf einer gebührenpflichtigen Straße befindet, eine erhebliche Bedeutung. Zur Ortsbestimmung sind Bakensysteme mit Infrarot oder Mikrowellen bekanntgeworden. Dabei dient eine Funkübertragung ausschließlich der Ortsbestimmung. Bei diesen Systemen sind oft erhebliche bauliche Maßnahmen erforderlich.

Ein in VDI-Nachrichten vom 20.08.93, Seiten 2 bis 3 beschriebenes Erfassungssystem nutzt eine Ortsbestimmung des Fahrzeugs mit Hilfe des GPS-Systems (global positioning system), mit welchem eine Ortsbestimmung durch Satelliten erfolgt. Abgesehen von einer möglicherweise für die Zwecke der Gebührenerhebung nicht ausreichenden Genauigkeit des GPS-Systems erfordert eine Ortsbestimmung mit Hilfe des GPS-Systems in den Fahrzeugen einen zusätzlichen Aufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ortsbestimmung von Mobilstationen und damit von Fahrzeugen zuverlässig mit einem möglichst geringen Aufwand an Infrastruktur und an Fahrzeugeinrichtungen durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einer Mobilstation eines zellularen Mobilfunknetzes durch Laufzeitdifferenz-Messung ermittelt wird, in welchem Gebiet innerhalb der jeweiligen Zelle sich die Mobilstation befindet, und daß der Ort der Mobilstation innerhalb des Gebiets durch Empfang eines den Ort festlegenden Senders bestimmt wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein bereits bestehendes Mobilfunknetz gleichzeitig zur Ortsbestimmung und zur Kommunikation mit dem Fahrzeug benutzt wird. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise zusammen mit dem GSN-Netz anwendbar. Eine Anwendung in zellular aufgebauten Mobilfunknetzen mit anderen Spezifikationen ist jedoch nicht ausgeschlossen. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt auf der Infrastrukturseite neben dem Mobilfunknetz lediglich einfache Sender am Rande oder in der Nähe der Verkehrswege, insbesondere der Autobahn. Dadurch werden erhebliche Infrastrukturkosten gespart. Im Fahrzeug wird die Mobilstation um einige Software-Funktionen erweitert, die es ermöglichen, beispielsweise gleichzeitig zu telefonieren und die Ortsbestimmung durchzuführen. Die Mobilstationen werden in großen Stückzahlen preisgünstig hergestellt, was auch für die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erweiterten Mobilstationen leicht möglich ist. Dabei können auch Mobilstationen eingesetzt werden, die nicht zum Telefonieren, sondern ausschließlich zur Ortsbestimmung ausgelegt sind, wobei der zum Telefonieren erforderliche Aufwand entfällt.

Die den jeweiligen Ort festlegenden Sender brauchen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine codierten Informationen zu senden, die in der Mobilstation in der kurzen Zeit des Passierens des Senders empfangen und gegebenenfalls mit fehlerkorrigierenden Maßnahmen decodiert werden müßten.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, daß die Laufzeitdifferenz-Messung durch Messung von Zeitdifferenzen beim Empfang des Senders der jeweiligen Zelle und mindestens zweier weiterer Sender des Mobilfunknetzes erfolgt. Eine Laufzeitdifferenz-Messung zwischen zwei Sendern ergibt die Aussage, daß der Empfänger, also die vorzugsweise im Fahrzeug eingebaute Mobilstation, auf einem Punkt einer Hyperbel liegt. Durch Laufzeitdifferenz-Messung mit einem dritten Sender kann ein Schnittpunkt mit einer weiteren Hyperbel gebildet werden. Dieses ist zwar auch noch keine eindeutige Aussage, da die Hyperbeln im interessierenden Gebiet zwei Schnittpunkte haben können. Durch Heranziehung weiterer Kriterien kann jedoch eine Ortsbestimmung soweit erfolgen, daß bei Empfang eines den Ort festlegenden Senders eine Eindeutigkeit entsteht. Dieses ist beispielsweise der Fall, wenn nur auf einem von zwei ermittelten Schnittpunkten ein zu bestimmender Ort liegt - also der Empfangsbereich eines den Ort festlegenden Senders.

Eine genauere Ortsbestimmung ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch möglich, daß drei weitere Sender empfangen werden. In Anlehnung an die in der Mobilfunktechnik üblichen Prozeduren zur Laufzeitanpassung ist es vorteilhaft, wenn die Laufzeitdifferenz in Bitdauern gemessen wird.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß mehrere Gebiete zu einem Erfassungsgebiet zusammengefaßt sind, wobei die Information, welche Gebiete des Erfassungsgebiets durchfahren werden, ausgewertet wird. Dadurch ist eine Richtungsbestimmung von fahrenden Fahrzeugen möglich, wobei unterschieden werden kann, ob Fahrzeuge auf einer das Erfassungsgebiet in Längsrichtung durchquerenden Straße in der einen oder anderen Richtung fahren. Es kann außerdem erkannt werden, ob Fahrzeuge das Erfassungsgebiet in Längsrichtung durchfahren, das heißt auf der gebührenpflichtigen Straße sind, oder sich auf einer quer dazu verlaufenden Straße bewegen.

Schließlich ist gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen, daß die den jeweiligen Ort festlegenden Sender auf verschiedenen Frequenzen senden, welche der Mobilstation von der Basisstation, in deren Zelle sich die Mobilstation befindet, mitgeteilt werden.

Durch diese Weiterbildung ist es möglich, auf einem Verkehrsweg beide Fahrtrichtungen oder zwei Orte innerhalb eines durch die Laufzeitdifferenz-Messung ermittelten Gebietes voneinander zu unterscheiden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Empfangs mehrerer Basisstationen von einer Mobilstation und

Fig. 2 die Bildung verschiedener Erfassungsgebiete aus mehreren durch Laufzeitdifferenz-Messung ermittelten Gebieten.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt drei Basisstationen 1, 2, 3 eines Mobilfunknetzes und eine Straße 4, auf der sich ein Fahrzeug 5 in Pfeilrichtung bewegt. Das Fahrzeug 5 ist mit einem nicht dargestellten für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichteten Mobilfunkgerät ausgestattet und befindet sich zur Zeit in der von der Basisstation 1 versorgten Zelle. Entsprechend dem GSM-Standard hält das Mobilfunkgerät die Funkverbindung mit der Basisstation 1 aufrecht, empfängt jedoch probehalber auch die Broadcast-Frequenzen der Basisstationen 2 und 3. Dabei erfolgt jeweils eine Synchronisierung, so daß über die Größe TOA insgesamt die Laufzeitdifferenzen TOA2 und TOA3 gemessen werden. Für die Laufzeitdifferenz TOA2=konstant befindet sich das Fahrzeug auf einer der Hyperbeln 6, 7, 8, 9, 10, 11. Für die weiteren Hyperbeln 12, 13, 14, 15, 16, 17 gilt TOA3=konstant. Da die Laufzeitdifferenz-Messungen mit Toleranzen behaftet sind, kann somit kein exakter Schnittpunkt zwischen zwei Hyperbeln als Standort angenommen werden, sondern eine rautenähnliche Fläche, wie sie durch vier Hyperbeln begrenzt wird, beispielsweise das Gebiet 18, in dem sich das Fahrzeug zum Zeitpunkt der Darstellung befindet. In diesem Gebiet befinden sich zwei Sender 19, 20 - im folgenden Baken-Sender genannt, die aufgrund ihrer Leistung und Richtcharakteristik lediglich einen Abschnitt der Straße 4 erfassen. Das Fahrzeug, das sich in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung bewegt und sich im Gebiet 18 befindet, empfängt dann nacheinander die Signale der Baken-Sender 19, 20, die verschiedene Frequenzen aufweisen. Da diese Frequenzen der Mobilfunkstation zuvor von der BTS1 mitgeteilt wurden, fragt die Mobilstation diese Frequenzen ab. Es steht somit fest, daß das Fahrzeug eine von den Baken-Sendern 19, 20 gebildete Erfassungsstelle durchfährt.

An einer anderen Stelle der Straße 4 befinden sich weitere Baken-Sender 21, 22, welche die gleichen Frequenzen benutzen können, da eine Unterscheidung durch die Messung der Laufzeitdifferenzen möglich ist. Beim Passieren der Baken-Sender 21, 22 befindet sich das Fahrzeug im Gebiet 23 einer Erfassungsstelle. Dieses teilt die Mobilstation über die Basisstation 1 einer nicht dargestellten Gebührenverwaltungsstelle mit.

Die Einrichtung der betroffenen Komponenten des Mobilfunknetzes für das erfindungsgemäße Verfahren kann im wesentlichen durch eine Ergänzung der Software erfolgen. Dabei sind insbesondere folgende Ergänzungen in den Basisstationen vorzunehmen: Auf dem Träger des Broadcast-Kanals (BBCH) sendet die Basisstation eine Nachricht SYS_INFO AGE (AGE = Autobahngebührenerfassung). Diese Nachricht wird periodisch in den acht Blöcken des Broadcast-Kanals übertragen, wobei ein Block pro 51ger TDMA-Rahmen vorgesehen ist. Dabei gibt es viele Möglichkeiten, deren Erläuterung zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist. Es ist beispielsweise möglich, einen Block aus acht Blöcken zu benutzen, so daß alle zwei Sekunden ein Datenblock SYS_INFO AGE übertragen werden kann.

Für Mobilstationen, die neu in eine Zelle kommen (Handover) wird die SYS_INFO AGE über den Kanal FACCH übertragen.

Die Nachricht SYS_INFO AGE enthält folgende Daten:

• - Gebühreninformation;
• - jeweils drei TOA-Werte je Nachbar-Basisstation, nämlich TOA2.1, TOA2.2, TOA2.3, TOA3.1, TOA3.2 und TOA3.3 im Falle der in Fig. 1 dargestellten Nachbar-Basisstationen 2, 3.

Jeweils drei Werte sind notwendig, um vom Abtasttakt und der herstellerspezifischen TOA-Definition unabhängig zu werden;

• - fünf oder sechs GSM-Frequenzen, nämlich die Broadcast-Frequenzen der Basisstation (der Camped Cell CC) und der zwei oder gegebenenfalls drei Nachbar-Basisstationen und zwei zu messende GSM-Frequenzen FN und FS;
• - Werte zur Empfangsfeldstärke (RX_LEV) der Camped Cell und der Baken-Sender;
• - Informationen über Zugriffsregelung zum Netzzugang.

Eine Zelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann grundsätzlich auch aus mehreren Basisstationen bestehen, die dann alle die Nachricht SYS_INFO AGE senden. Es ist dann allerdings eine Angabe einer eindeutigen Referenz für die TOA-Werte erforderlich, das heißt die Frequenz FCC der Camped Cell ist explizit mitzuteilen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß für jede Basisstation ein Parametersatz übermittelt wird.

Die Erfassungsstelle wird durch kleine, lokal begrenzte Sender bestimmt, die ein Signal auf einer GSM-Frequenz abstrahlen. Vorzugsweise wird ein Zufallssignal auf der GSM-Frequenz gesendet, da lediglich die Leistung und nicht der Inhalt entscheidend ist.

Die Erfassungsstelle kann beispielsweise dadurch gebildet sein, daß in der Mitte oder am Rand einer Autobahn zwei Richtantennen stehen, von denen die eine auf der Frequenz FS die Fahrbahn in einer Fahrtrichtung bestrahlt und die andere mit einer Frequenz FN die Gegenfahrbahn. Die Leistung soll dabei so klein sein, daß das Empfangsgebiet etwa 100 m bis 300 m der Fahrbahn abdeckt. Dann tritt keine Beeinträchtigung des restlichen GSM-Netzes auf. Weiterhin wird dadurch verhindert, daß Mobilstationen auf nicht gebührenpflichtigen Nebenstraßen das (scheinbare) Durchfahren einer Erfassungsstelle messen können. Um eine ausreichende Frequenzstabilität zu erzielen, können diese Sender über den Kurzwellensender DCF77 stabilisiert werden.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtete Mobilstation empfängt und interpretiert die Nachricht SYS_INFO AGE. Während der Empfangsbereitschaft (idle) empfängt die Basisstation diese Nachricht über den Broadcast-Träger. Während einer Funkverbindung kann der Empfang dieser Nachricht über einen der Kanäle SACCH oder FACCH erfolgen. Ferner mißt die Mobilstation laufend die TOA-Werte und vergleicht diese mit den von der Basisstation empfangenen TOA-Werten. Bei Gleichheit nimmt die Mobilstation die Frequenzen FS und FN in die Liste der Frequenzen auf, auf denen eine Leistungsmessung durchgeführt wird. Überschreitet die gemessene Leistung die zuvor mitgeteilte Schwelle (S-RX_LEV, N-RX_LEV), so befindet sich die Mobilstation in einem Erfassungsgebiet. Je nach Art der weiteren Gebührenermittlung (in der Mobilstation oder in einer ortsfesten Gebührenberechnungsstelle) wird diese Information in der Mobilstation verarbeitet oder über die Basisstation der Gebührenverwaltungsstelle zugeleitet.

Eine Unterscheidung, ob sich ein Fahrzeug bzw. eine Mobilstation auf einem gebührenpflichtigen Verkehrsweg befindet oder nicht, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch dadurch vorgenommen werden, daß mehrere Ortsbestimmungen mit Hilfe von Laufzeitdifferenz-Messungen vorgenommen werden und die Ergebnisse miteinander verknüpft werden.

Bei dem in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mit Hilfe der Laufzeitdifferenz-Messungen unterscheidbaren Gebiete vereinfacht rautenförmig dargestellt. Die Benutzung einer gebührenpflichtigen Straße 31 soll mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erkannt werden. Dazu ist ein Erhebungsgebiet vorgesehen, das als durchfahren gilt, wenn durch die Laufzeitdifferenz-Messungen nacheinander Positionen in den Gebieten 32, 33, 34, 35, 36 erkannt werden. Befährt jedoch ein Fahrzeug eine die Straße 31 kreuzende gebührenfreie Straße 37, erfolgt zwar eine Meldung, daß die Gebiete 33 und 34, nicht jedoch die Gebiete 32, 35 und 36 durchfahren wurden. Es wird also kein Passieren des aus den Gebieten 32 bis 36 bestehenden Erhebungsgebietes festgestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Ortsbestimmung, insbesondere für die Erhebung von Nutzungsgebühren für Verkehrswege, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Mobilstation eines zellularen Mobilfunknetzes durch Laufzeitdifferenz-Messung ermittelt wird, in welchem Gebiet innerhalb der jeweiligen Zelle sich die Mobilstation befindet, und daß der Ort der Mobilstation innerhalb des Gebiets durch Empfang eines den Ort festlegenden Senders bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenz-Messung durch Messung von Zeitdifferenzen beim Empfang des Senders der jeweiligen Zelle und mindestens zweier weiterer Sender des Mobilfunknetzes erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei weitere Sender empfangen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeitdifferenz in Bitdauern gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gebiete zu einem Erfassungsgebiet zusammengefaßt sind, wobei die Information, welche Gebiete des Erfassungsgebiets durchfahren werden, ausgewertet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den jeweiligen Ort festlegenden Sender auf verschiedenen Frequenzen senden, welche der Mobilstation von der Basisstation, in deren Zelle sich die Mobilstation befindet, mitgeteilt werden.