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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Entfernungsbestimmung und Positionierung, insbesondere zur Verwendung
in Gebäuden.
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Es
sind Positioniersysteme für
Innenanwendungen vorgeschlagen worden, bei denen die Position eines
Empfängers
anhand der Stärke
des Hochfrequenzsignals berechnet wird. Hochfrequenzsignale werden
von mehreren Basisstationen empfangen, die empfangene Signalstärke wird
anhand der Kenntnisse bezüglich
der Ausbreitungsumgebung in ein Entfernungsmaß umgewandelt und es wird eine
Trilateration durchgeführt,
um die Position zu berechnen. Die Trilateration ist ein bekanntes
mathematisches Verfahren, das Entfernungen von bekannten Punkten
verwendet, um die Position zu berechnen. Die Trilateration ist eng
verwandt mit der Triangulation, wobei letztere jedoch nicht auf
Entfernungen, sondern auf Winkeln beruht.
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Das
bekannteste Beispiel eines derartigen Innenraum-Positioniersystem
ist das von Microsoft entworfene, als RADAR bekannte System, das
eine Kombination aus Trilateration und Musterabgleich der Signalstärken mit
einer Datenbank der gemessenen Werte nutzt. RADAR wird in „RADAR:
an in-building RF-based user location and tracking system", Bahl et al., Proceedings
of INFOCOM 2000, Tel Aviv, März
2000, beschrieben.
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Derartige
Innenraum-Positioniersysteme beanspruchen jedoch nur die Genauigkeit
eines mittleren Fehlerabstands von ca. 3 m, was ungefähr der Größe eines
Raums entspricht.
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Systeme,
die zur Umwandlung von Signalstärke-Messwerten
in Entfernungswerte empirische Modelle nutzen, können gegenüber Systemen, die einfach die
Freiraum-Gleichung für
die Signalstärke als
Funktion der Entfernung annehmen, ein verbessertes Leistungsvermögen aufweisen.
Die tatsächlich
gemessene Signalstärke
kann jedoch erheblich von den empirischen Modellen allein abweichen.
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Für diese
Abweichungen gibt es eine Reihe von Gründen. Erstens werden die variable
Anzahl der Raumteiler, Wände
und anderen Objekte zwischen Sender und Empfänger bei einer festen Entfernung zwischen
Sender und Empfänger
zu Signalstärke schwankungen
beim Empfänger
führen.
Zweitens können
Schnellschwundeffekte zu Nullen führen, bei denen die Signalstärke sehr
gering ist.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf nach einem Innenraum-Positioniersystem, das Entfernungsmessungen
mit verbesserter Genauigkeit und daher mit verbesserter Ortsangabe
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren der Innenraum-Positionierung in einer Struktur mit Korridoren
und/oder Wänden
geschaffen, die im Wesentlichen senkrecht zueinander in longitudinaler
und lateraler Richtung verlaufen, wobei das Verfahren Folgendes
umfasst:
Schaffen einer Basisstation mit einer Antenne mit
einem in longitudinaler Richtung ausgerichteten cosec2-Empfindlichkeitsmuster;
Schaffen
einer Mobilstation mit einer omnidirektionalen Antenne;
Senden
eines Entfernungsbestimmungssignals von entweder der Basisstationen
oder der Mobilstation an die Mobilstation bzw. die Basisstation;
und
Bestimmen der relativen Signalstärke des empfangenen Entfernungsbestimmungssignals
im Vergleich zu dem gesendeten Signal, um ein Maß der lateralen Entfernung
der Basisstation von der Mobilstation zu erhalten.
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Die
Erfindung nutzt also eine Antenne mit einer cosec2-Empfindlichkeit
in der Basisstation. Mit anderen Worten, wenn man θ als den
Winkel des Signals in Bezug auf die longitudinale Richtung nimmt, variiert
die Empfindlichkeit der Antenne als cosec2θ. Wie der
Fachkundige zu schätzen
wissen wird, bedeutet dies nicht, dass die Empfindlichkeit der Antenne
als cosec2θ für alle Werte von θ variiert.
Tatsächlich
hat die Cosec-Funktion
eine Singularität
für θ von 0 und
180°. Dementsprechend
kann der Bereich von θ,
für den
dies gilt, zum Beispiel von 30° bis
150° oder 15° bis 165° reichen – die genauen
Werte werden von der Anwendung und der Verfügbarkeit sowie den Kosten von
verfügbaren
Antennen abhängen.
Außerhalb
dieses Bereichs kann die Empfindlichkeit zum Beispiel zu θ-Werten
von 0 und 180° abnehmen.
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Derartige
Antennen sind bekannt, und werden insbesondere bei herkömmlichem
Radar vor allem in Flughäfen
eingesetzt. Der Effekt der Verwendung derartiger Antennen in herkömmlichen
Radarsystemen unterscheidet sich jedoch deutlich von dem Effekt
in der vorliegenden Erfindung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
bei einem herkömmlichen
Radarsystem, bei dem derartige Antennen verwendet werden, ein Signal
von einer Basisstation gesendet wird, das im Allgemeinen ein cosec2θ-Muster in
Bezug auf Masse hat. Das Signal wird durch ein Objekt reflektiert
und kehrt dann zur Basisstation zurück. Bei einem herkömmlichen
Radarsystem variiert die gesendete Signalstärke bei Verwendung einer cosec2-Antenne als cosec2θ, und der
Empfang des Signals variiert ebenfalls als cosec2θ, so dass
sich eine Gesamtvariation von (cosec2θ)2 = cosec4θ ergibt.
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Im
Gegensatz hierzu wird die Signalstärke bei der Erfindung für ein Signal
gemessen, das nur in einer Richtung zwischen Basis- und Mobilstationen übertragen
wird, so dass die empfangene Signalstärke einen cosec2θ-Term und
keinen cosec4θ-Term hat.
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Die
Erfindung nutzt die Tatsache, dass Gebäude im Allgemeinen eine geradlinige
interne Struktur aufweisen, bei der Korridore und Wände in zwei bevorzugten
senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen ausgerichtet sind,
die in diesem Dokument als „longitudinal" und „lateral" bezeichnet werden.
Die Ausdrücke „longitudinal" und „lateral" sollen sich dabei
willkürlich
auf diese beiden Richtungen beziehen und nicht implizieren, dass
die longitudinale Richtung entlang der Länge des Gebäudes verläuft und die laterale Richtung
entlang der Breite, da es bei vielen Gebäuden nicht möglich sein
wird, den beiden bevorzugten internen Richtungen die longitudinale und
die laterale Richtung anders als willkürlich zuzuordnen.
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Betrachten
wir eine Mobilstation in einer Entfernung r von der Basisstation,
einem Winkel θ zu
der longitudinalen Richtung und einem lateralen Abstand h von der
Basisstation (siehe 1). Geometrisch ist cosec2θ =
r2/h2. Im freien
Raum variiert die Ausbreitung eines Signals als 1/r2,
so dass die Verwendung eines longitudinal ausgerichteten cosec2-Antennenmusters den Term r2 aufheben
würde und
zu einer Signalstärke
proportional zu 1/h2 führen würde und somit als Maß des lateralen
Abstands fungiert.
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Innerhalb
eines Gebäudes
gibt es zusätzliche
Verluste entlang und über
dem Freiraum-Pfadverlust, die auf die Abschwächung des Signals auf seinem
Weg durch Wände
und Raumteiler zurückzuführen sind.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Anzahl der Wände, Raumteiler
usw., die ein Signal durchquert, eine sehr wichtige Komponente hat,
die mit dem lateralen Abstand variiert, da bei einer Zunahme des
lateralen Abstands die Anzahl der Wände und Raumteiler zunimmt,
die das Signal durchqueren muss. Die durch Wände verursachten zusätzlichen Verluste
würden
für ein
Signal, das unter einem beliebigen Winkel θ von einer Mobilstation eintrifft,
welche sich auf einer Linie von konstantem senkrechten Abstand h
befindet, ungefähr
konstant sein, da das Signal in jedem Fall ungefähr die gleiche Anzahl von Wänden durchquert
hat. Durch die Verwendung eines cosec2-Antennenmusters in
der Basisstation liefert daher das empfangene Signal ein besseres
Maß für den lateralen
Abstand als dies bei Verwendung eines omnidirektionalen Antennenmusters
der Fall wäre.
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Es
kann in vielen Fällen
immer noch erforderlich sein, für
die genaue Positionsbestimmung der Mobilstation ein empirisches
Modell der internen Struktur eines Gebäudes zu verwenden. Die Erfinder haben
festgestellt, dass die Anzahl der Wände und Raumteiler, die ein
Signal durchquert, für
einen konstanten Wert von h ungefähr konstant ist. Dementsprechend
sagt ein lateraler Abstand mehr über
die Signalstärke
aus als der Abstand alleine; die Verwendung eines cosec2-Musters
in der Antenne der Basisstation bedeutet, dass die Rohdaten die
erforderliche Abschwächung
besser darstellen. Bei dem empirischen Modell ist eine geringere
Korrektur erforderlich, so dass es bessere Resultate liefert.
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Vorzugsweise
wird eine zweite Basisstation geschaffen, wobei ein zweites Entfernungsbestimmungssignal
in einer Richtung zwischen der zweiten Basisstation und der Mobilstation übertragen
wird und Trilateration angewendet wird, um die Position der Mobilstation
anhand von Daten zu bestimmen, die von den zwischen den Basisstationen
und der Mobilstation übertragenen
Entfernungsbestimmungssignalen stammen. Die zweite Basisstation
ist vorzugsweise mit einer Antenne mit einem cosec2-Empfindlichkeitsmuster
ausgestattet, das lateral ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise
ist bzw. sind weiterhin eine oder mehrere zusätzliche Basisstationen vorgesehen,
wird ein weiteres Entfernungsbestimmungssignal in einer Richtung
zwischen der zusätzlichen
Basisstation oder den Basisstationen und der Mobilstation übertragen
und wird durch Trilateration die Position der Mobilstation anhand
von Daten bestimmt, die von den zwischen den Basisstationen und
der Mobilstation übertragenen
Entfernungsbestimmungssignalen stammen.
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Es
kann eine zusätzliche
Basisstation mit einer Antenne mit vertikal ausgerichtetem cosec2-Empfindlichkeitsmuster vorgesehen werden,
so dass ermittelt wird, auf welcher Etage sich eine Mobilstation befindet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Basisstation
zur Verwendung bei der Positionierung einer Mobilstation in einer Struktur
mit bevorzugten longitudinalen und lateralen Richtungen, wobei die
Basisstation eine Antenne und einen Sender und/oder Empfänger umfasst,
der vorgesehen ist, um über
die Antenne Entfernungsbestimmungssignale von/zu der Mobilstation
zu senden bzw. zu empfangen, wobei die Antenne ein cosec2-Empfindlichkeitsmuster zur longitudinalen,
lateralen oder vertikalen Ausrichtung in dem Gebäude hat.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein System zum Positionieren
einer Mobilstation in einer Struktur mit Korridoren und Wänden, die
im Wesentlichen in senkrecht zueinander stehenden longitudinalen
und lateralen Richtungen verlaufen, wobei das System Folgendes umfasst:
eine Mobilstation mit einer omnidirektionalen Antenne; und eine
Vielzahl von Basisstationen wie oben beschrieben. Das System ist
dafür eingerichtet, Entfernungsbestimmungssignale
zwischen der Mobilstation und den Basisstationen zu übertragen
und die Abschwächung
der empfangenen Entfernungsbestimmungssignale relativ zu ihrer Sendestärke zu messen.
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Das
System kann Code enthalten, der dafür vorgesehen ist, die Position
der Mobilstation innerhalb des Gebäudes ausgehend von den gemessenen
Abschwächungswerten
zu berechnen. Der Code und der entsprechende Prozessor, auf dem
der Code läuft,
um die Berechnungen durchzuführen,
können in
der Mobilstation, in den Basisstationen oder separat vorgesehen
sein. Bei günstigen
Ausführungsformen
berechnet der gleiche Code die Abschwächungswerte anhand der gemessenen
Werte für
die empfangene Leistung.
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Gemäß einem
anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auch auf ein System in
einem Gebäude mit
Korridoren und Wänden,
die im Wesentlichen in senkrecht zueinander stehenden longitudinalen
und lateralen Richtungen verlaufen, wobei das System über eine
Vielzahl von Basisstationen verfügt,
die jeweils eine Antenne mit cosec2-Verstärkungsmuster haben.
Gemäß diesem
Aspekt ist die Antenne einer ersten der Basisstationen so ausgerichtet
ist, dass das cosec2-Muster innerhalb des
Gebäudes
longitudinal ausgerichtet ist; und die Antenne einer zweiten der
Basisstationen ist so ausgerichtet, dass das cosec2-Muster
innerhalb des Gebäudes
lateral ausgerichtet ist.
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Eine
dritte der Basisstationen kann so installiert sein, dass das cosec2-Muster ihrer Antenne vertikal ausgerichtet
ist.
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsformen rein als Beispiel
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung, die ein cosec2-Muster
veranschaulicht;
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2 eine
Draufsicht auf ein Gebäude
mit installiertem erfindungsgemäßen Positioniersystem;
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3 eine
Seitenansicht des Gebäudes
aus 2;
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4 eine
schematische Darstellung, die die Basisstation und die Mobil stationen
zeigt;
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5 einen
Ablaufplan, der die Funktion der Mobilstation schematisch veranschaulicht.
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Bezug
nehmend auf die 2 und 3 nutzt
die Erfindung die Tatsache, dass es in den meisten Gebäuden bevorzugt
eine longitudinale 4 und eine laterale Richtung 6 gibt,
die senkrecht zueinander verlaufen, und dass die meisten Merkmale des
Gebäudes
wie Wände 8 und
Korridore 10 parallel zu der longitudinalen 4 und
der lateralen 6 Richtung verlaufen. Auf ähnliche
Weise ist Bezug nehmend auf 3 eine dritte
bevorzugte Richtung die vertikale Richtung 12.
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Bei
der dargestellten Anordnung sind drei Basisstationen in dem Gebäude vorgesehen.
Eine erste Basisstation 20 hat eine cosec2-Antenne,
die in der longitudinalen Richtung 4 ausgerichtet ist.
Eine zweite Basisstation 22 hat eine cosec2-Antenne,
die in der lateralen Richtung 6 ausgerichtet ist, und eine dritte
Basisstation 24 ist auf dem Dach angebracht und ihre Antenne
ist entlang der vertikalen Richtung 12 ausgerichtet. Jeder
der Basisstationen befindet sich am Rand des Gebäudes.
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In
dem Gebäude
befindet sich eine Mobilstation 26. Die Mobilstation 26 hat
eine omnidirektionale Antenne.
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Die
Mobilstation und die Basisstation sind in 4 schematisch
dargestellt. Obwohl dies nicht speziell dargestellt ist, ist die
Antenne 28 an der Basisstation 20 eine cosec2-Antenne und die Antenne 30 an
der Mobilstation 26 eine omnidirektionale Antenne. Sowohl
die Mobilstation als auch die Basisstation enthalten einen Sender/Empfänger 32 und
eine Steuereinheit mit einem Prozessor 34 und einem Speicher 36.
Der Code wird in den jeweiligen Speichern der Mobilstation und der
Basisstation vorgesehen, um die entsprechenden Stationen zu veranlassen,
die nachstehend beschriebenen Schritte durchzuführen.
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Im
Betrieb werden die Entfernungsbestimmungssignale von den Basisstationen 20, 22, 24 unter
der Steuerung der jeweiligen Prozessoren 34, die ihrerseits
durch den in den jeweiligen Speichern 36 gespeicherten
Code gesteuert werden, an die Mobilstation 26 übertragen.
Die Signale werden in der Mobilstation aufgenommen und es wird die
Signalstärke gemessen.
Dem Fachkundigen werden die Verfahren zum Messen der Signalstärke klar
sein, so dass sie hier nicht weiter beschrieben werden.
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Es
ist zu beachten, dass die Berechnungen auf dem relativen Wert des
emp fangenen Signals in Bezug auf das gesendete Signal beruhen, also
die Abschwächung
berücksichtigt
wird. Um die Abschwächung
zu berechnen, muss der Empfänger
die Sendeleistung und auch die empfangene Leistung kennen. Die empfangene
Leistung wird einfach gemessen. Was die Sendeleistung angeht, so
kann ein Sendeleistungswert, der die Sendeleistung und die Antennenverstärkung enthält, als
Teil einer Nachricht vom Sender an den Empfänger gesendet werden, so dass
der Empfänger
die Sendeleistung mit der empfangenen Leistung vergleichen kann.
Alternativ kann eine einzelne Zahl für die effektiv abgestrahlte
Leistung übertragen
werden, die sowohl die Sendeleistung als auch die empfangene Leistung
enthält.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
erhält
man jedoch die Abschwächungsinformation,
indem man die Kommunikationsverbindung zwischen der Basisstation 20 und
der Mobilstation 26 kalibriert. Die Mobilstation 26 wird
an einem Kontrollort in einem bekannten Abstand nahe zur Basisstation
platziert, es wird ein Signal gesendet und die empfangene Kontrollleistung
gemessen. Anschließend
kann in nachfolgenden Messungen die empfangene Leistung zu der empfangenen
Kontrollleistung in Beziehung gesetzt werden, um ein relatives Abschwächungsmaß zu erlangen.
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Bezug
nehmend auf die erste Basisstation 20, die entlang der
longitudinalen Richtung 4 ausgerichtet ist, führt die
Empfindlichkeit der cosec2-Antenne zu einem
an der Mobilstation 26 gemessenen Signal, das sich ungefähr mit 1/h2 abschwächt
und nicht mit 1fr2, da die zunehmende Übertragung
in der longitudinalen Richtung 4 die größere Entfernung kompensiert,
wenn sich die Mobilstation mit einem gleichbleibenden lateralen
Abstand h von der Basisstation 20 wegbewegt.
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Die
Mobilstation berechnet somit ihre Position (5), indem
sie Entfernungsbestimmungssignale von Basisstationen empfängt 40,
die Abschwächung
von jedem dieser Signale berechnet 42 und anschließend Trilateration
anwendet 44, um ihre Position zu berechnen. Bei dieser
Ausführungsform
umfasst die Mobilstation Code im Speicher 36, der den internen
Prozessor 34 in der Mobilstation dazu veranlasst, diese
Berechnungen durchzuführen.
Bei alternativen Ausführungsformen
ist es jedoch möglich, dass
der Code zum Ausführen
dieser Berechnungen in einer oder mehreren der Basisstationen oder
in einem weiteren Computer vorgesehen ist, zum Beispiel einem Server,
mit dem alle Basisstationen verbunden sind.
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In
einer Annäherung
erster Ordnung können für den Trilaterationsschritt 44 einfach
die rohen Abschwächungswerte
und die Kenntnis einer durchschnittlichen Übertra gungsabschwächung innerhalb des
Gebäudes
genutzt werden. Es ist jedoch auch möglich, derartige einfache Messungen
mit komplexeren Messungen der Veränderung der Abschwächung mit
der Position im Gebäude
zu kombinieren und die beobachteten Abschwächungen mit einer Abschwächungskarte
abzugleichen. Selbst in diesem zweiten Fall liefert die Erfindung
immer noch Vorteile, weil die erzeugten rohen Abschwächungsdaten
ungefähr
dem Abstand in der longitudinalen 4, lateralen 6 und
vertikalen 12 Richtung entsprechen und daher bessere Rohdaten
für diesen
Lösungsansatz
darstellen. Zum Beispiel wird das Maß der Abschwächung durch
eine Veränderung
des lateralen Abstands 8 wesentlich genauer dargestellt
als durch eine Veränderung
von r, dem Abstand zwischen der Mobilstation 26 und der
Basisstation 20.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist das System so angeordnet wie oben beschrieben, allerdings führt das
Positioniersystem bei der Ausführungsform
eine Nachbearbeitung für
die Ortsangaben durch.
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Einige
Positionierfehler, die dadurch verursacht werden, dass der Benutzer
plötzlich
einen schwachen Signalbereich betritt oder die Mobilstation abdeckt,
können
als schnelle Sprünge
im Abstand erscheinen. Es wird daher ein Filter verwendet, um einige
dieser Ortsangaben als falsch auszusondern. Unter Verwendung einer
Karte können
zum Beispiel Ortsangaben, die mit einem schnellen Durchqueren einer
Wand einhergehen, als inhärent
unwahrscheinlich ausgesondert werden, ebenso wie Ortsangaben, die
mit einer übermäßig schnellen
Geschwindigkeit entlang eines Korridors einhergehen. Der Filter
kann einen Kalman-Filter umfassen.
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Es
gibt zahlreiche und vielfältige
Anwendungsgebiete für
die Erfindung; sie umfassen zum Beispiel die Möglichkeit, dass Eltern ihr
Kind in einem Einkaufszentrum orten können, dass Ärzte und Patienten in einem
Krankenhaus geortet werden können und
auch dass Arbeitnehmer in einem Gebäude verfolgt werden können.
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Aus
der Lektüre
der vorliegenden Beschreibung werden dem Fachkundigen weitere Variationen und
Abwandlungen ersichtlich sein. Derartige Variationen und Abwandlungen
können äquivalente
und andere Merkmale betreffen, die von dem Entwurf, der Herstellung
und der Verwendung von Positioniersystemen her bekannt sind und
die an Stelle der bereits hier beschriebenen Merkmale oder zusätzlich zu
diesen verwendet werden können.
Die Ansprüche
wurden in dieser Anmeldung zwar in Bezug auf spezielle Kombinationen
von Merkmalen formuliert, es versteht sich jedoch, dass der Rahmen
der Darlegung auch jegliche neuen Merkmale oder jegliche neue Kombination
von hier beschriebe nen Merkmalen entweder explizit oder implizit
oder jegliche Verallgemeinerung hiervon einschließt, unabhängig davon,
ob sie ein beliebiges der gleichen technischen Probleme wie die
vorliegende Erfindung löst
oder alle. Die Anmelder teilen hierdurch mit, dass neue Ansprüche für derartige
Merkmale bzw. Kombinationen von Merkmalen während der Verfolgung der vorliegenden
Anmeldung oder einer beliebigen weiteren hiervon abgeleiteten Anmeldung
formuliert werden können.
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Statt
Signale von den Basisstationen an die Mobilstation zu übertragen,
könne einige
Signale oder alle Signale in entgegengesetzter Richtung übertragen
werden. Die Basisstationen können
vernetzt sein und eine von ihnen kann die Trilaterationsberechnungen
ausführen,
oder alternativ kann ein separates Computersystem vorgesehen werden,
um diese Berechnungen durchzuführen.
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Es
gibt auch keine Notwendigkeit, die Anzahl der Basisstationen auf
drei zu beschränken.
In großen
Gebäuden
kann es effizient sein, mehr als drei Basisstationen an verschiedenen
Orten innerhalb des Gebäudes
vorzusehen und die Trilateration unter Verwendung einer beliebigen
der Basisstationen oder aller Basisstationen durchzuführen.
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Die
Mobilstation kann zum Beispiel ein Etikett, ein Mobiltelefon oder
eine beliebige andere tragbare Vorrichtung sein.
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Obwohl
die Erfindung in Bezug auf ein Gebäude beschrieben wurde, gilt
sie auch in anderen Bereichen mit regelmäßigem gradlinigem Muster, zum
Beispiel an Bord eines Schiffes oder in einem Bereich, der eine
Anzahl von parallel zueinander ausgerichteten Gebäuden enthält.