DE4421227A1 - Verfahren zur Ortung von in Not geratenen Mobilstationen in einem zellular aufgebauten Mobilfunknetz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung von in Not geratenen Mobilstationen in einem zellular aufgebauten Mo­ bilfunknetz gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Ortsbestimmung von Mobilstationen in Funknetzen ist für eine Vielzahl von Anwendungen wünschenswert. Beispiele hierfür sind Notrufe oder Sicherheits- und Gefahrengut­ transporte, aber auch die Überwachung von Fahrzeugflotten z. B. von Speditionen oder Fahrzeugvermietern.

Grundsätzlich kann man bei den Verfahren zur Ortung von Mobilstationen in einem zellular aufgebauten Mobilfunknetz zwischen Eigenortung und Fremdortung unterscheiden, wobei die Fremdortung wiederum in zwei Klassen unterteilt werden kann.

Bei der Eigenortung stellt der Teilnehmer seinen Standort selbst fest. Dazu können z. B. Funknavigationsmethoden (GPS (Global Positioning System), Decca), Kompaßmethoden und Wegeaufnehmer ("dead reckoning") oder andere Hilfs­ mittel verwendet werden. Der Teilnehmer bzw. sein Gerät, d. h. die Mobilstation meldet den aktuellen Aufenthaltsort über das Mobilfunknetz zu einer Zentralstation. Dies ge­ schieht entweder automatisch durch die Mobilstation oder nach Abfrage ("polling") durch die Zentralstation. Bei der Fremdortung mit Mobilstations-Unterstützung meldet sich der Teilnehmer bzw. die Mobilstation im Netz und verlangt explizit oder implizit (z. B. beim Notruf) eine Bestimmung des Standorts der Mobilstation durch das Mobilfunknetz. Das Mobilfunknetz führt dann die Ortsbestimmung durch. Durch das Melden des Teilnehmers wird die Ortsbestimmung erheblich erleichtert, denn die Triggerung für die Messung und das Suchen des Teilnehmers im Netz entfällt. Bei der Fremdortung ohne Mobilstations-Unterstützung stellt das Mobilfunknetz zunächst den ungefähren Standort des Teil­ nehmers (z. B. die Funkzelle) fest, und führt dann eine genaue Ortsbestimmung ohne Zutun des Teilnehmers durch. Dabei ist es möglich, daß der Teilnehmer den Vorgang der Ortsbestimmung nicht wahrnimmt. Die Fremdortungsverfahren ohne Mobilstations-Unterstützung sind die technisch auf­ wendigsten Verfahren. Wenn eine Fremdortung ohne Mobilsta­ tions-Unterstützung realisiert ist, läßt sich daraus eine Fremdortung mit Mobilstations-Unterstützung leicht ablei­ ten.

Für synchrone öffentliche Mobilfunknetze (PLMN = Public Land Mobile Network) wurden bereits Fremdortungsverfahren von Mobilstationen vorgeschlagen.

So ist beispielsweise in dem Artikel von H. Hamalek und K. Kammerlander "Grundlagen und Praxis der Funkzellengestal­ tung mit relativer Entfernungsmesung im Netz C der DBP", in: NTG-Fachberichte Bewegliche Funkdienste, Band 90, Sei­ ten 157-167, ein Ortungsverfahren für das (auf analoger Basis arbeitende) C-Netz der Deutschen Bundespost be­ schrieben, nach dem die Mobilstation durch Messung des Zeitversatzes zwischen den Empfangssignalen von zwei orts­ festen Basisstationen die relative Entfernung bestimmen kann. Sind mehr als zwei Basisstationen an dem Meßvorgang beteiligt, und kennt man die Orte der Basisstationen, so kann auch der Ort der zu ortenden Mobilstation bestimmt werden. Dieses Verfahren läßt sich auch auf andere syn­ chrone Funksysteme, z. B. auf das (digital arbeitende) eu­ ropäische GSM (Groupe-Speciale-Mobile)-Netz bzw. das die­ sem Netz angehörende deutsche D-Netz, übertragen, sofern in einem solchen Netz der Rahmenversatz zwischen den ein­ zelnen Basisstationen bekannt ist.

Aus der EP 0 335 558 A2 ist ferner ein Ortungsverfahren für Mobilfunknetze bekannt, bei dem durch Laufzeitmessun­ gen von mehreren Basisstationen aus der Ort der zu orten­ den Mobilstation bestimmt wird, indem eine Basisstation eine Meldung aussendet und die zu ortende Mobilstationen nach dem Empfang der Meldung eine Antwort aussendet. Aus­ gewählte Basisstationen messen die Verzögerungszeit bis zum Empfang dieser Antwort und ermitteln daraus die Si­ gnallaufzeit.

Dieses Verfahren ist ungenau, denn die Reaktionszeit der Mobilstation, die herstellerabhängig ist, geht erheblich in die Laufzeit mit ein. Das Verfahren ist im Grunde für analoge arbeitende Mobilfunksysteme konzipiert, denn in diesen Systemen stehen keine anderen Möglichkeiten als die beschriebene für die Laufzeitmessung zur Verfügung (mit Ausnahme des erwähnten C-Netzes). Darüber hinaus ist die Genauigkeit der Laufzeitmessung in den analogen Schmal­ bandsystemen durch die Kanalbreite von typisch 25 kHz sehr eingeschränkt.

Im GSM-Netz, das eine Kanalbreite von 200 kHz hat, ist es möglich, die Signalaufzeit mit der Genauigkeit von etwa 1 Bit, das entspricht 3,7 Mikrosekunden, zu messen. Dies er­ möglicht eine weit höhere Genauigkeit der Standortbestim­ mung als in analogen Systemen. Die dazu nötige Messung ist im System bereits eingebaut, jedoch nicht primär zum Zweck der Entfernungsbestimmungen, sondern als Laufzeitregelung für den Zeitmultiplex. Ein Überblick über das GSM-Netz und seine Eigenschaften gibt die Artikelserie von H. Ochsner: "Das zukünftige paneuropäische digitale Mobiltelefonsy­ stem", Teil 1: "GSM-Empfehlungen und Dienste" (Bulletin SEV/VSE 79 (1988) 11, S. 603-608), Teil 2: "Die Funkstrecke" (Bulletin ASE/UCS 79 (1988) 15, S. 937-942, Teil 3: "Digita­ lisierung der Sprache und Netzwerkaspekte" (Bulletin ASE/UCS 79 (1988) 21, S. 1318-1324).

Es gibt jedoch eine Reihe von prinzipiellen Nachteilen der Standortbestimmung durch Laufzeitmessung von mehreren Ba­ sisstationen aus. Als erstes ist - wie bereits erwähnt - die mangelnde Genauigkeit zu nennen, die durch hersteller­ abhängige Reaktionszeiten der Mobilstationen verursacht wird. Dies ist bei dem in EP 0 335 558 A2 vorgeschlagenen Verfahren besonders gravierend, da dort die Reaktionszeit auf Meldungsebene gemessen wird und dadurch von der Imple­ mentierung der Hard- und Software abhängig ist. Im GSM-Netz wird dagegen die Reaktionszeit auf der physikalischen Ebene gemessen und ist daher erheblich genauer.

Die Laufzeitmessungen werden mit dem demodulierten Signal durchgeführt. Folglich wird die praktisch erzielbare Ge­ nauigkeit unter dem Genauigkeitswert liegen, der theore­ tisch durch die Übertragungsbandbreite gegeben ist.

Zusätzlich zu diesen Effekten kommt die Ungenauigkeit der Laufzeitmessung durch Umwege (Mehrwegeausbreitung) dazu. Die gemessenen Entfernungen sind dadurch im Mittel größer als die tatsächlichen.

Als größter Nachteil ist jedoch zu nennen, daß die Lauf­ zeitmessungen von mindestens zwei Basisstationen aus durchgeführt werden muß. Dazu ist das Weiterreichen der Verbindung ("Handover") zwischen den an der Laufzeitmes­ sung beteiligten Stationen nötig. Das Weiterreichen einer Verbindung zu einer Nachbarbasisstation ist jedoch nur in Gebieten möglich, in denen sich die Funkzellen überlap­ pen. Aus Feldstärkegründen kann eine Standortbestimmung in Gebieten ohne Überlappung dagegen nicht durchgeführt wer­ den.

Ein weiterer Nachteil des im C-Netz angewendeten Verfahren ist die erforderliche Synchronisation der Zellen unterein­ ander, die nicht in jedem Mobilfunksystem gegeben ist.

In der nachveröffentlichten DE 43 21 418 A1 wird ein Or­ tungsverfahren beschrieben, das eine genauere Standortbe­ stimmung von Mobilstationen innerhalb eines zellular auf­ gebauten Mobilfunknetzes ermöglicht.

Ausgehend von einem z. B. aus dem Artikel von H. Hamalek und K. Kammerlander bereits bekannten Verfahren zur Ortung von Mobilstationen in einem zellular aufgebauten Mobil­ funknetz mit mehreren räumlich verteilten und jeweils ei­ ner oder mehreren Zellen zugeordneten ortsfesten Basissta­ tionen und mindestens einer Mobilstation, welches Netz mindestens eine Speicher-Einrichtung aufweist, welche In­ formationen über die Identität der mindestens einen Mobil­ station sowie über die Zelle oder die Zellengruppe ent­ hält, in der die mindestens eine Mobilstation zuletzt ge­ meldet war, sieht dieser Lösungsvorschlag vor, daß die In­ formationen der Speicher-Einrichtung zur groben Ortsbe­ stimmung der zu ortenden Mobilstation verwendet werden und daß zur genaueren Ortsbestimmung mindestens eine Peilung durchgeführt wird.

Der wesentliche Vorteil dieses Lösungsvorschlags besteht darin, daß mit der Funkpeilung der zu ortenden Mobilsta­ tion eine sehr genaue Ortsbestimmung innerhalb der Zelle möglich ist, in der sich die zu ortende Mobilstation zum Zeitpunkt der Ortung gerade befindet.

Der Aufbau des Mobilfunknetzes ist hierbei so gestaltet, daß die einzelnen Basisstationen oder zumindest ein Teil dieser Basisstationen oder Gruppen von Basisstationen je­ weils mit mindestens einem ihnen zugeordneten Peiler in Verbindung stehen und daß das Mobilfunknetz mindestens eine mit dem (den) Peiler(n) in Verbindung stehende Or­ tungszentrale aufweist.

Der wesentliche Vorteil dieses Netzes besteht darin, daß im Vergleich zu herkömmlichen zellular aufgebauten Mobil­ funknetzen ein nur geringer Zusatzaufwand erforderlich ist. Neben der Bereitstellung der Peiler und der minde­ stens einen Ortungszentrale muß nur noch für eine (über­ wiegend softwaremäßige) Anbindung dieser Komponenten an das Mobilfunknetz gesorgt werden, das im übrigen Aufbau im wesentlichen gleich dem herkömmlicher Mobilfunknetze sein kann.

Eine besondere Ausgestaltungsform dieses Mobilfunknetzes sieht vor, daß die einzelnen Basisstationen oder Basissta­ tionsgruppen jeweils über eine Funk- oder Drahtverbindung mit den ihnen zugeordneten Peilern verbunden sind, wobei die einzelnen Peiler mit den für eine Funkverbindung zur ihnen jeweils zugeordneten Basisstation erforderlichen Ge­ räten einer Mobilstation ausgerüstet sind und die Funkver­ bindungen zu den ihnen jeweils zugeordneten Basisstationen jeweils über diese Geräte hergestellt werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich diese Lösung in Mobilfunk­ netzen nach dem ETSI-GSM-Standard (vgl. hierzu die bereits zitierte Artikelserie von H. Ochsner über das GSM-Netz) einsetzen.

Im Zusammenhang mit in Not geratenen Mobilstationen z. B. infolge eines Verkehrsunfalls oder eines Überfalls auf die Mobilstation reicht es jedoch nicht aus, den Standort der in Not geratenen Mobilstation zu bestimmen. Vielmehr müs­ sen Rettungs- und Hilfsfahrzeuge schnellstmöglich zum Standort geleitet werden, um den in der Regel hilflosen Teilnehmer retten bzw. befreien zu können.

Insbesondere im Zusammenhang mit GSM-Notfall-Meldungen er­ gibt sich daher die Notwendigkeit den Notfall-Meldenden schnell zu finden, da häufig nur wenige Minuten darüber entscheiden, ob dem Verunglückten z. B. bei Gehirnschäden bleibende Defekte oder Rehabilitation/Wiedergenesung be­ schieden sind.

Eine Beschleunigung der Suchaktion ist vor allem immer dann geraten, wenn der Notmeldende nicht mehr selbst spre­ chen kann. Im allgemeinen muß die Suchaktion mit einem Rettungs- bzw. Hilfsfahrzeug durchgeführt werden.

Die einfache Ortungstechnik gemäß der nachveröffentlichten DE 43 21 418 A1 mit einem Peiler und entsprechender Lauf­ zeitmessung (Timing Advance - Auswertung und "Ortung auf dem Peilstrahl") ergibt eine Peilgenauigkeit (mit etwa 70% Ortswahrscheinlichkeit) von typisch ein bis zwei km.

In jenen Fällen, wo schnelle Hilfe erforderlich ist, reicht diese Erst-Ortung nicht immer aus, da die Suchak­ tion in der Nähe der Notmeldenden durch die Rettungs- bzw. Hilfsfahrzeuge sehr zeitaufwendig sein kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das in der DE 43 21 418 A1 vorgeschlagene Ortungsverfahren so zu verbessern, daß eine in Not geratene Mobilstation von den Rettungs- bzw. Hilfsfahrzeugen so schnell wie möglich gefunden werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung (Ansprüche 2 und 3) sowie bevorzugte Anwen­ dungen der Erfindung (Anspruch 4).

Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, das in der DE 43 21 418 A1 vorgeschlagene Ortungsverfahren wie folgt zu verbessern:
Die mindestens eine Peilung wird von mindestens einer je­ weils in Funkkontakt mit dem Mobilfunknetz stehenden Such­ station durchgeführt, die entweder mit einer mobilen Ba­ sisstation und einem daran angeschlossenen mobilen Peiler oder nur mit einem mobilen Peiler ausgerüstet ist, wobei zur Realisierung des Funkkontaktes die mobile Basisstation (der mobile Peiler) über eine Funkschnittstelle an das Mo­ bilfunknetz (an mindestens eine Basisstation des Mobil­ funknetzes) angekoppelt und mit diesem (dieser) synchroni­ siert ist. Die mit der zu ortenden Mobilstation in Funk­ verbindung stehende (mobile) Basisstation des Mobilfunk­ netzes (der Suchstation) veranlaßt die zu ortende Mobil­ station, ein oder mehrere Sendesignale auszusenden, die von dem mobilen Peiler empfangen werden. Das Ortungsergeb­ nis wird anhand der Empfangssignale des mobilen Peilers ermittelt.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist insbesondere darin zu sehen, daß zur Standortbestimmung einer in Not geratenen Mobilstation diese nicht mit einem (an sich bekannten) GPS (Global-Positioning-System)-Modul ausgerüstet sein muß. Ferner beschleunigen die wiederholten Peilungen im Nahbe­ reich der Mobilstation durch die herannahenden Suchstatio­ nen (z. B. Rettungs- bzw. Hilfsfahrzeuge) die Suche nach und das Auffinden der in Not geratenen Mobilstation, auch wenn der in Not geratene Teilnehmer selbst sich nicht mehr melden kann( weil er z. B. bewußtlos ist oder von dem Tä­ ter überwältigt worden ist).

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungs­ formen näher erläutert, bei der die Suchstation z. B. ein Rettungsfahrzeug (Feuerwehr, Polizei oder Krankenwagen) ist.

In der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, das Rettungsfahrzeug mit einem mo­ bilen Peiler auszurüsten.

Dieser Peiler ist an einer Basis-Station des Mobilfunk­ netzes über eine Funkschnittstelle (die zugehörige Steue­ rungsschnittstelle kann z. B. eine speziell programmierte MS-Mobilstation des GSM/D1/D2-Netzes sein) angekoppelt und mit dieser synchronisiert.

Die Basisstation, welche den Notruf empfangen hat, spricht ihrerseits das S/E-Gerät (MS) des Notmeldenden an und ver­ anlaßt das Gerät, ein oder mehrere Sendesignale (z. B. 0,47 ms-Bursts) auszusenden, welche der Peiler im Ret­ tungsfahrzeug auswerten kann. Die bei diesem Vorgang ab­ laufende Prozedur entspricht z. B. dem in dem Hauptpatent angebenen Verfahrensablauf zum Verbindungsauf- und -abbau zwischen dem Mobilfunknetz und den Mobilstationen.

In der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß das Rettungsfahrzeug eine mo­ bile Basisstation erhält (z. B. die an sich bekannte "Mini-Basisstation" von Alcatel (vgl. Elektrisches Nach­ richtenwesen, 2. Quartal 1993, Seiten 160 bis 162)), an die ein ebenfalls im Fahrzeug befindlicher mobiler Peiler angeschlossen ist. Die mobile Basisstation des Rettungs­ fahrzeuges bildet hier zusammen mit der in Not geratenen Mobilstation eine "Mikro-Zelle". Damit kann die Ansteuerung der Mobilstation des in Not geratenen Teilnehmers sehr viel einfacher direkt vom Rettungsfahrzeug aus geschehen, das die Mobilstation direkt zur Aussendung von Sendesigna­ len veranlaßt, die dann vom mobilen Peiler des Rettungs­ fahrzeuges gepeilt werden können. Dies gestattet dem Ret­ tungsfahrzeug, mehrmals und zu gezielten Zeitpunkten die Peilprozedur zu wiederholen, ohne daß dafür ein kompli­ zierter und aufwendiger Datenverkehr im ganzen GSM-Mobil­ funknetz durchgeführt werden muß. Diese Mini-Basisstation ist klein und für den Suchzweck ausreichend bestückt (ein RF-Träger reicht aus).

In beiden Ausführungsvarianten tastet sich das Rettungs- oder Hilfsfahrzeug mit mehreren Peilversuchen während der Fahrt an den Notfallmeldenden heran. Irrfahrten sind weit­ gehend vermeidbar.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese bei­ den Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auch auf weitere übertragbar.

So ist es z. B. möglich, anstelle von Peilungen auf der Basis von Laufzeitmessungen Kreuzpeilungen durchzuführen. Dies bietet sich vor allem dann an, wenn mehrere Suchsta­ tionen auf dem Weg zur in Not geratenen Mobilstation sind. Diese Art der Peilung ist im Prinzip genauer als die Lauf­ zeitpeilung, allerdings ist sie aufwendiger im Steuerdia­ log. Ferner sollten die Peilungen von den Suchstationen möglichst synchron durchgeführt werden, damit die ge­ wünschte Ortungsgenauigkeit erreicht wird.

Claims (4)

1. Verfahren zur Ortung von in Not geratenen Mobilstatio­ nen in einem zellular aufgebauten Mobilfunknetz mit mehre­ ren räumlich verteilten und jeweils einer oder mehreren Zellen zugeordneten ortsfesten Basisstationen und minde­ stens einer Mobilstation, welches Netz mindestens eine Speicher-Einrichtung aufweist, welche Informationen über die Identität der mindestens einen Mobilstation sowie über die Zelle oder die Zellengruppe enthält, in der die minde­ stens eine Mobilstation zuletzt gemeldet war, wobei die Informationen der Speicher-Einrichtung zur groben Ortsbe­ stimmung der zu ortenden Mobilstation verwendet werden und zur genaueren Ortsbestimmung mindestens eine Peilung durchgeführt wird, gekennzeichnet durchfolgende Merkmale:

• - die mindestens eine Peilung wird von mindestens einer jeweils in Funkkontakt mit dem Mobilfunknetz stehenden Suchstation durchgeführt, die entweder mit einer mobilen Basisstation und einem daran an­ geschlossenen mobilen Peiler oder nur mit einem mobilen Peiler ausgerüstet ist, wobei zur Reali­ sierung des Funkkontaktes die mobile Basisstation (der mobile Peiler) über eine Funkschnittstelle an das Mobilfunknetz (an mindestens eine Basisstation des Mobilfunknetzes) angekoppelt und mit diesem (dieser) synchronisiert ist;
• - die mit der zu ortenden Mobilstation in Funkver­ bindung stehende (mobile) Basisstation des Mobil­ funknetzes (der Suchstation) veranlaßt die zu ortende Mobilstation, ein oder mehrere Sendesi­ gnale auszusenden, die von dem mobilen Peiler emp­ fangen werden;
• - das Ortungsergebnis wird anhand der Empfangssi­ gnale des mobilen Peilers ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Peilungen in zeitlich größeren Abständen durchge­ führt werden und daß die mindestens eine Suchstation in dieser Zeit anhand der Ortungsergebnisse und ggf. weiterer Zusatzinformationen mindestens einen geeigneten Weg zwi­ schen dem jeweiligen Standort der Suchstation und der zu ortenden Mobilstation ermittelt und sich in dieser Zeit auf diesem Weg in Richtung der zu ortenden Mobilstation bewegt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz mehrerer mobiler Suchsta­ tionen

• - die einzelnen Suchstationen bei der Ortung unab­ hängig voneinander operieren, insbesondere unab­ hängig voneinander die Peilungen durchführen und ihren Weg zur zu ortenden Mobilstation ermitteln, oder
• - die einzelnen Suchstationen bei der Ortung koope­ rieren, insbesondere die Peilungen vorzugsweise in Form von Kreuzpeilungen aufeinander abgestimmt durchführen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung in einem Notfall-Melde- bzw. -Rettungssystem für Fahrzeuge, insbesondere Land­ kraftfahrzeuge.