DE4417045A1 - Verfahren zur Ortsbestimmung - Google Patents
Verfahren zur OrtsbestimmungInfo
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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.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: T-MOBILE DEUTSCHLAND GMBH, 53227 BONN, DE |
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