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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Ortsbestimmung von Fahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Ein derartiges Verfahren ist aus
der
DE 38 16 377 A1 bekannt
gewordene Zur Erhebung von Nutzungsgebühren (Maut) für Verkehrswege,
insbesondere Straßen,
sind zudem 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.
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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.
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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 Mikrowelten bekanntgeworden. Dabei dient. eine Funkübertragung
ausschließlich
der Ortsbestimmung. Bei diesen Systemen sind oft erhebliche bauliche
Maßnahmen
erforderlich.
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Ein in VDI-Nachrichten vom 20.08.93,
Seiten 2 bis 3 beschriebenes Erfassungssystem nützt 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 ausreiehenden Genauigkeit des GPS-Systems erfordert eine Ortsbestimmung
mit Hilfe des GPS-Systems in den Fahrzeugen einen zusätzlichen
Aufwand.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Ortsbestimmung von Mobilstationen und damit von Fahrzeugen
mit verbesserter Genauigkeit mit einem möglichst geringen Aufwand an
Infrastruktur und an Fahrzeugeinrichtungen durchzuführen so dass
damit z.B. eine Erhebung von Nutzungsgebühren für Verkehrswege zuverlässig möglich wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im Anspruch 1 dazu angegebenen Merkmale gelöst.
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Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
angegeben.
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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 GSM-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.
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Die den jeweiligen Ort festlegenden
Sender brauchen beidem 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des Empfangs mehrerer Basisstationen von
einer Mobilstation und
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2 die
Bildung verschiedener Erfassungsgebiete aus mehreren durch Laufzeitdifferenz-Messung
ermittelten Gebieten.
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Gleiche Teile sind in den Figuren
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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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.
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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.
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Für
Mobilstationen, die neu in eine Zelle kommen (Handover) wird die
SYS-INFO AGE über den
Kanal FACCH übertragen.
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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 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.
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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.
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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.
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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
(scheinabre) Durchfahren einer Erfassungsstelle messen können. Um
eine ausreichende Frequenzstabilität zu erzielen, können diese
Sender über
den Kurzwellensender DCF77 stabilisiert werden.
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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 ortfesten Gebührenberechnungsstelle) wird
diese Information in der Mobilstation verarbeitet oder über die
Basisstation der Gebührenverwaltungsstelle
zugeleitet.
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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.
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Bei dem in 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.