EP1880230A1 - Verfahren zur positionsbestimmung - Google Patents

Verfahren zur positionsbestimmung

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Publication number
EP1880230A1
EP1880230A1 EP06724783A EP06724783A EP1880230A1 EP 1880230 A1 EP1880230 A1 EP 1880230A1 EP 06724783 A EP06724783 A EP 06724783A EP 06724783 A EP06724783 A EP 06724783A EP 1880230 A1 EP1880230 A1 EP 1880230A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
signal
access point
accesspoints
clientnode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06724783A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Speidel
Thomas JÜLG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ADS TEC Holding GmbH
Original Assignee
ADS TEC GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ADS TEC GmbH filed Critical ADS TEC GmbH
Publication of EP1880230A1 publication Critical patent/EP1880230A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14—Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
    • G01C21/206—Instruments for performing navigational calculations specially adapted for indoor navigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0205—Details
    • G01S5/021—Calibration, monitoring or correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0205—Details
    • G01S5/0221—Receivers
    • G01S5/02213—Receivers arranged in a network for determining the position of a transmitter
    • G01S5/02216—Timing or synchronisation of the receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/06—Position of source determined by co-ordinating a plurality of position lines defined by path-difference measurements

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position inside and outside buildings, with at least one mobile transmitting unit, called ClientNode, whose position it is to determine, and positioned at known locations transmitting / receiving stations, so-called access points, by means of wireless communication technology , in particular by means of radio signals, communicate with each other.
  • ClientNode mobile transmitting unit
  • Positioning methods and systems designed for this purpose are known in their various design forms and are based on the most diverse positioning techniques, such as radar technology, satellite navigation technology, ultrasonic location or optical measurement technology, to name only a few. If it is a position determination with the proviso of an object location outside as well as inside of rooms, such as buildings or similar enclosed spaces, so separates, for example, the satellite-based GPS navigation and positioning technology as well as the error-prone by multiple reflections radar technology. Rather, the position of objects is determined by the radio signal transmission technology between preferably several transmission / Receiving units. Previously known such systems are characterized by complex and therefore expensive technology and partly by only insufficient positioning accuracy.
  • DE 103 32 551 A1 discloses a generic method for determining the position with at least one mobile transceiver unit, so-called ClientNode, whose position is to be determined in relation to at least three transceiver stations positioned at known locations, so-called AccessPoints , known.
  • the AccessPoints and ClientNodes communicate with each other by means of radio signals.
  • the calculation of the position of the ClientNode takes place in the respective ClientNode on the basis of a two-way transit time measurement of the radio signals, which are exchanged between ClientNode and the at least three AccessPoints.
  • the ClientNode has a complex communication and evaluation technology.
  • the method described is suitable in particular for applications in which a quasi-autonomous position determination by the ClientNode itself is required or in which the ClientNode at least has to know its own position.
  • applications of the disclosed in DE 103 32 551 A1 method for position determination for a variety of ClientNodes however, associated with the complex technical equipment of each ClientNodes high production costs of the ClientNodes prove to be disadvantageous.
  • a method for continuous real-time tracking of the position of at least one mobile object can be removed, which can be used, for example, to detect the position of football during a football game.
  • the system required for this purpose comprises at least four receivers positioned at known locations, each of which is connected via data lines to a central computer.
  • the system is calibrated prior to commissioning, whereby the transit times in the network are determined between the individual receivers and between the receivers to the central computer. This is followed by synchronization of the receivers with each other.
  • the invention is based on the object, a method for determining the position inside and outside buildings, with positioned at known locations transmitting / receiving stations, the so-called. Access Points, and at least one mobile transmitting unit, called ClientNode, by means of wireless communication, in particular by means of radio signals communicate with each other in such a way that the required for determining the position of the technical equipment of the ClientNodes can be reduced and a position determination with an accuracy of ⁇ 25 cm is feasible.
  • the presence of the position information in the respective ClientNode itself should not be necessary.
  • the successful implementation of the method requires at least four transmitting / receiving stations (AccessPoints), which are each positioned at known locations, at least one mobile transmitting unit (ClientNode) located in the receiving area of four or more access points, and at least one control computer for the calculation the positions of the ClientNode connected to at least one AccessPoint over a network. Compared to these at least four AccessPoints it is necessary to determine the position of the mobile ClientNode, wherein the method for determining the position on a plurality of ClientsNode is expandable.
  • For communication between ClientNodes and AccessPoints in addition to radio methods, optical or acoustic communication methods may also be considered. Without restricting the inventive concept, the invention will be described below using the example of wireless communication.
  • the so-called client nodes can be understood as battery-operated mobile transmission units that emit so-called probe request signals (PR signals) in certain time cycles.
  • Each ClientNode has a processor and has an individual system time. To identify the individual ClientNodes each ClientNode each has a unique identifier, which is sent out advantageously with each PR signal.
  • the PR signals may contain further data in addition to the identifier of the respective sending ClientNodes.
  • the so-called AccessPoints can be interpreted as transmitting / receiving stations installed at known locations, which generate data records by exchanging radio signals among themselves and by receiving the PR signals from ClientNodes, storing them in a buffer and finally evaluating the data records forward to the at least one ControlComputer. Also between the AccessPoints a data exchange is possible.
  • the AccessPoints provide all data required for the position calculation of the ClientNodes.
  • the access points send in certain time cycles so-called broadcast beacon signals (BC signals), which are received by the other access points and answered with a respective response signal.
  • BC signals and the response signals may contain additional data.
  • Each AccessPoints has a processor, has an individual system time and an individual identifier, which can be sent advantageously with the BC signal or a response signal.
  • At least one so-called control computer which receives the data records acquired by the access points for further processing.
  • the ControlComputer is connected to at least one AccessPoint via a network structure.
  • the so-called DistributionNetwork represents the necessary hardware components of the network structure for data exchange between AccessPoints and the ControlComputer, which in the simplest case consists of a normal wireless or wired Ethemet network.
  • the other AccessPoints can also have such a network connection to the ControlComputer, but this is not absolutely necessary for the functioning of the system.
  • a wireless or wired Ethernet network structure is used as the network connection.
  • the records on an AccessPoint that have been cached in the internal buffer are sent over the network connection in a compressed packet to the ControlComputer.
  • the AccessPoint has a network connection to the ControlComputer, the data is transferred directly via the network to the ControlComputer. If there is no direct network connection to the ControlComputer, the data is transmitted by radio to the next available AccessPoint. If this AccessPoint also has no network interface to the ControlComputer, the data is transferred back to the next available AccessPoint. This process is repeated until the data reaches an AccessPoint with a network interface to the ControlComputer. This access point then transfers data to the ControlComputer. In the event that a high number of ClientNodes and / or AccessPoints exists or if the load on the ControlComputer requires it, several ControlComputers can be integrated in parallel in the system.
  • the so-called ServiceArea forms the space between the ClientNodes and the AccessPoints, in which radio waves can be transmitted for signal transmission and data exchange.
  • the method according to the invention advantageously utilizes the transmission and reception of signals the access points and the involved client nodes of the wireless network standard IEEE 802.11 or the transmission protocol CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) or with a random signal spread spectrum modulated signal.
  • the client nodes can advantageously be additionally equipped for this purpose with a receiving unit which allows the evaluation of such transmission protocols.
  • ClientNodes This allows the ClientNodes (CN) to use the BC and PR signals for protocol synchronization.
  • These transmission protocols are used in various standardized communication methods, such as WLAN, Bluetooth or GSM. These transmission protocols ensure that each individual station involved in the radio communication between the individual ClientNodes and the respective AccesPoints or AccessPoints monitors the respective radio channel and transmits only when the radio channel is not busy. This prevents collisions and the associated interference and minimizes additional transmission attempts.
  • the radio communication method normally operates in time-division multiplex mode. To increase the capacity but you can also work in frequency division multiplex mode. By eliminating the need for time-consuming channel switching, the number of client nodes that can be serviced by the system increases. If a large number of AccessPoints are needed in a small area, then the system can alternatively be operated in combined time and frequency division multiplex mode, i. Part of the AccessPoint works in another available frequency band.
  • the inventive method for determining position inside and outside of buildings, with at least four positioned at known locations transmitting / receiving stations, so-called AccessPoints, at least one mobile transmitting unit, called ClientNode, communicate by means of wireless communication technology, in particular by means of radio signals, and with At least one ControlComputer, which is connected to the AccessPoints via a network structure, consists of the following process steps:
  • a fixed time reference ie the relative time difference, between the system times of the respective access points is determined. It is assumed that the processors used in the client nodes and access points and used for the time measurement have a sufficiently stable clock frequency, so that after determining the fixed time reference of the system times until a next determination of the fixed time reference, the determined time reference as constant can be accepted.
  • a PR signal is sent by the ClientNode, which is received by those AccessPoints in whose reception area the ClientNode is located. Each of these AccessPoints registers in its system time the time at which the PR signal arrives at it.
  • the position of the ClientNodes is finally calculated.
  • the peculiarity of the method according to the invention is based on the fact that only the receipt of ClientNode signals by the AccessPoints is necessary for the determination of the positions of the ClientNodes and that no synchronization of the system times of AccessPoints and ClientNodes is necessary.
  • FIG. 1 representation of the initial situation for determining the position of three
  • ClientNodes in a system of four AccessPoints positioned in known locations and communicating with each other.
  • FIG. 2 Timing diagram of a BC signal emitted by a first access point and of a response signal subsequently emitted by a second access point until it is received by the first access point.
  • the arrangement shown in Figure 1 has four so-called. Access Points, which are each positioned at known locations. Three of the four AccessPoints are connected to the ControlComputer via a so-called DistributionNetwork and thus able to exchange data with the ControlComputer. Compared with the permanently positioned AccessPoints, three mobile ClientNodes are provided in FIG. 1, which are located within the reception area of the AccessPoints, ie the so-called ServiceArea. As will be described below, it is now the current position of the individual ClientNodes by appropriate radio communication with the surrounding AccessPoints and their evaluation to determine.
  • the measuring principle on which the method according to the invention is based is based on a so-called one-way propagation time measurement, in which the most important measured variables are the signal propagation times between the ClientNode and the respective AccessPoints. Taking into account the electromagnetic waves propagating at the speed of light, the distance between a ClientNode and a respective AccessPoint can be calculated in this way as follows:
  • I 0 is the distance between AccessPoint and ClientNode
  • c is the speed of light and to the signal propagation time.
  • the current location of the ClientNode is on a theoretical spherical surface around the AccessPoint with a radius that corresponds to the distance of the radio signal traveled within the runtime.
  • the ClientNode can basically be anywhere on this theoretical sphere surface.
  • an additional measurement to a second AccessPoint one obtains a cut line of the two spherical surfaces.
  • two intersections of the spherical surface remain, on which the ClientNode can be located.
  • AccessPoints results in a clearly defined intersection of four spherical surfaces, which is located above the room floor.
  • this previously described position calculation based on the one-way delay measurement between ClientNode and AccessPoints presupposes that the signal propagation times are present as absolute signal propagation times, which is possible, for example, with synchronized system times of the ClientNode and the AccessPoints.
  • the method according to the invention is based on the fact that client nodes and access points each have non-synchronized system times. The time measurements at the individual AccessPoints thus only provide times that are unrelated to each other.
  • a fixed time reference of the system times or, in other words, the determination of the relative deviations of the system times of the four individual Access Points takes place.
  • the method advantageously used for this purpose is based on a known two-way transit time measurement between the individual access points. Such runtime measurements are carried out between all four access points.
  • FIG. 2 shows an example of the basic timing diagram of a transit time measurement between a first and a second access point (AP and AP-M).
  • the first AccessPoint AP
  • the second AccessPoint AP-M
  • the RTMS command Radio Measurement Service
  • the RTMS command is received by the second access point, it starts the procedure for recording signals, ie the data recording, if it is not already active. Once the measuring procedure has started, it can be repeated over and over in certain rhythms.
  • the execution of the measurement starts with the transmission of the BC signal from the first access point (AP), at the same time the first access point stores the start time t A pi of the transmitted spread-band code in its system time.
  • This BC signal is always received by all AccessPoints in whose receiving area the sending first AccessPoint is located.
  • FIG. 2 shows the reception of the BC signal by the second access point (AP-M) at time t A p- M .m in the system time of AP-M.
  • the second Access Point the relative start time of the start of the signal recording, the time of arrival of the signal are stored from the first Access Point t A p M .m and / or a part of the reception signal in the system time of AP-M.
  • the BC signal is used in the second access point for a correlation measurement to measure the relative time difference in the arrival of the BC signal at time t A p- M .m to the internal processor oscillator.
  • This data record or the resulting measured value is stored in an internal buffer together with the identification of the sending first AccessPoint.
  • the second access point then sends t A p at time. M. 2 in frequency or time division multiplex mode also a BC signal which is received by the first access point at time t A pm.
  • This BC signal is used in the first access point for a correlation measurement to measure the relative time difference in the arrival of this BC signal at time t A p- M .m to the internal processor oscillator.
  • This data record or the resulting measured value is stored in an internal buffer together with the identification of the sending second access point.
  • the record created in the second AccessPoint is sent to the first AccessPoint.
  • a preprocessing of the data set can still be carried out in the second access point in order to reduce or to compress the amount of data to be transmitted.
  • the first AccessPoint can calculate the two-way signal propagation time as described below.
  • the time difference for the entire procedure can be formulated as
  • the time delay between the receipt of the signal and the transmission of the response radio signal from the second access point AP-M 1, which thereby becomes a first access point (AP) in the logic of the measurement algorithm, is
  • the values of / ⁇ P.1 I ⁇ AP.2, and A ⁇ AP-M can be determined by digital counters on the respective processors.
  • the correlation function is used to determine ⁇ . ⁇ p-Mm and ⁇ f A pm.
  • ⁇ AP-M sync 'AP-M m ⁇ ⁇ ' AP-M m ⁇ 'AP 1 ⁇ ⁇ > *
  • one-way runtime measurements are performed between ClientNode and the AccessPoints.
  • the ClientNode sends out a PR signal, which in the exemplary embodiment described here is received by four AccessPoints. At least the respective reception time of the PR signal is detected in the access points.
  • the PR signal is used in the four AccessPoints, analogous to the method previously described for the BC signals, for a correlation measurement to measure the relative time difference in the arrival of the PR signal at the respective AP to the internal AP oscillator.
  • the resulting data records or measured values are first stored with the identifier of the sending ClientNode in the internal buffer memory of the respective AccessPoints and then forwarded to the control computer for further evaluation.
  • the equation (1) must be expanded such that now not the absolute signal delay time to, but the time relative to a time scale t m is used.
  • This time scale may initially be virtual or arbitrary, but in the technical realization it will correspond to the time scale, ie the clocking of the processor, of a so-called master access point selected from the four access points.
  • the remaining AccessPoints are referred to below as Managed AccessPoints.
  • the phase, ie the state of the time scales in the Managed Access Points and in the ClientNode can be different, but the clock frequency is generally the same for all subscribers.
  • the time value when the ClientNode signal arrives at the AccessPoint corresponds to a relative time sum or time difference, depending on the sign.
  • the reference phase in the master access point changes only by the minimum drift of the processor oscillators.
  • the distance from the ClientNode to an AccessPoint (AP) can be calculated with (1) as follows:
  • Equation (18) contains four unknowns, the three ClientNode coordinates, XCN, / CN, ZCN and tcu, the time scale deviation in the ClientNode from the time scale in the Master AccessPoint. As already mentioned, the difference of the time scale of the managed access points from the master time scale is also measured by the system, but can be assumed to be known and constant here. To calculate the four unknowns, four equations of determination are necessary. This means that a (4,4) equation system, with four independent relative runtime measurements to four different AccessPoints, are necessary:
  • Vl * AP 1 ⁇ X CN) + (./AP 1 ⁇ " / CN) + ( Z AP 1 ⁇ Z CN) C ('m 1 ⁇ ' CN ⁇ * AP 1) '
  • this equation system is linearized
  • the solution is calculated using an iteration method.
  • the method of Newton-Kantorowitsch can be used.
  • the equation system must be a suitable approximation solution
  • the client nodes should only be turned on or initialized in areas where the geometry-dependent ambiguity points are far apart.
  • FfeJ is the error term and stands for the difference between the actual and the approximated solution. If the error term is neglected, the result for the linearized equation system is a matrix representation
  • the components of the matrix A are calculated as partial derivatives at the linearization point, ie
  • the error barrier ⁇ is selected according to the desired accuracy. If the abort criterion for the iteration is not met, then the improved solution tuple (32) is used to jump into the iteration loop. Due to the fact that the coordinates and the time phase have changed, the matrix A must be recalculated and inverted. Subsequently, again ⁇ e 'and the improved solution tuple are to be calculated.
  • the ControlComputer checks whether at least for this ClientNode Measurements are available for four different AccessPoints for the same measurement sequence. If so, the constellation with the best quality of the measurements and the best geometric distribution is used to compute the coordinates of the client node according to the described algorithm. It is thus also possible to detect areas that are not supplied with at least four AccessPoints automatically in the ControlComputer.
  • the method according to the invention can also be used to determine changes in the spatial arrangement of AccessPoints with respect to a selected Master AccessPoint. For this purpose, determined distances or determined signal propagation times between the individual access points are compared with known distances or signal propagation times. Detected deviations can create a system warning or a control signal.
  • the method according to the invention it is furthermore possible to determine areas which are not within the reception range of at least four AccessPoints by evaluating the datasets of the AccessPoints and the known positions of the AccessPoints.
  • This allows the spatial constellation of AccessPoints to be tested in a given environment during operation and further expanded and optimized by adding additional AccessPoints.
  • This represents a significant facilitation in the design and construction of a positioning and navigation system compared to conventional constellation calculation methods.
  • the system is thus able to configure and optimize itself. In case of error, i. If one or more access points fail, the existing redundancy is automatically exploited and the coordinates of the ClientNodes are calculated with a suboptimal AccessPoint arrangement. This can also be done dynamically if the field strength of certain access points is attenuated by interference, so that the accuracy of the measurement can no longer be achieved.
  • the system can also be realized with greatly simplified ClientNodes.
  • the client nodes only from a simple transmission and control electronics, which repeatedly sends a PR signal with the identifier of the ClientNode at intervals over time.
  • the accuracy of determining the times at which the signal leaves the transmitter and arrives at the receiver can be substantially increased by the following three methods:
  • the changes of the separately calculated maximum values of the correlation function in the in-phase and in the quadrature-phase evaluation branch can be used. This makes it possible to measure the change in the signal phase caused by the oscillators and the distance changes of the transmitter and the receiver with a very high resolution and accuracy. These Measurements can additionally be used to increase the accuracy and reliability of the position determination.
  • the reliability of the measurement data can be improved over a larger temperature range by integrating several temperature sensors in the AccessPoints with which the temperatures of the components which determine the signal propagation time can be measured.
  • the current measurement data can then additionally be temperature-compensated with the aid of a previously determined map function.
  • additional sensors such as wheel sensors, gyro sensors or beacon sensors, can be used to verify the integrity of the basic measurements and weighted according to their reliability factor determined using the additional sensors. As a result, any errors in the basic measured variables are detected and an improvement in the static error bandwidth is achieved.
  • the positions calculated in a first step can be corrected by a three-dimensional map function.
  • Systematic position errors are stored and parameterized in the map function and are used to determine the resulting positional accuracy, particularly in indoor or outdoor applications, i. in so-called IndoorNav systems, increase.
  • an ensemble time can alternatively be used instead of "virtual system time.”
  • the local system time of the access points can be corrected with their time signal and thus for highly precise control tasks, for example of control systems.
  • Commands for initiating certain actions can be generated to the AccessPoints as well as to the ClientNodes in advance with a precise activation time in the virtual system time.
  • This virtual system time can then be converted to the local corrected system time of the hardware signal to trigger control signals with a temporal resolution and accuracy in the subnanosecond range.
  • AccessPointClustem Due to the accuracy of the basic measurements and the virtual system time, the data from several AccessPoints can be combined into so-called AccessPointClustem. From the difference of the phases of the basic measured variables can thus calculate the direction of arrival of the received signal. This incident direction information, in turn, can be used to perform plausibility checks, detect incorrect measurements, and increase the accuracy and integrity of the entire IndoorNav system.
  • ClientNodeCluster Similar to an AccessPointCluster, it is also possible to build a ClientNodeCluster by using the data from multiple ClientNodes. This can be off the difference of the phases of the basic measured quantities, with known ClientNode coordinates, the direction of incidence of the received signals of the AccessPoints are calculated. If the ClientNode coordinates are only approximately known, then the infeed direction information can still be used to perform plausibility checks to accomplish the accuracy and integrity of the calculated positions.
  • the angle information of the incident receive waves of the access points and thus the spatial position of the carrier of the client node cluster can be calculated from the relative coordinate differences and the differences in the phases of the basic measurements.
  • the data stream for the communication is received and decoded in a second reception branch.
  • the parameters that determine the cost of the overall module such as physical size, power consumption, standard hardware and software components, etc., can be significantly optimized.
  • the measurement data will lose their unique association with the sending originator, i. either a respective ClientNode or AccessPoint, which can only be restored by decoding the entire communication data stream.
  • the assignment of the data can be restored in the ControlComputer using the following methods and / or a combination thereof:
  • an additional ring buffer is set up, in which the identifications of the AccessPoints received for the last position calculations are stored with the currently used frequency band.
  • This group of AccessPoints is also called a "Relevant Zone" for a ClientNode. If an evaluation is required for a particular ClientNode, an order to collect the necessary data is entered in the so-called “NavScheduler.” As soon as this order is processed, the last record of this ClientNode is saved in its "Relevant Zone" ring buffer. used. The ring buffers of the various AccessPoints and ClientNodes in the system are now searched for the corresponding temporally closest records.
  • quality criteria can be applied, according to which the relative age of the data records, with respect to the ClientNode data record, will be evaluated. If one or more data records are too old, then the order for data collection can be repeatedly entered into the "NavScheduler” repeatedly and / or its update can be triggered by commands. This means that the Relevant Zone becomes a "Valid Zone.” This means that the necessary processing steps can now be performed for data evaluation and, finally, for position and / or position calculation.
  • commands are used which use the virtual system time as the time for the next switching of the frequency band to all AccessPoints. This virtual system time is then converted to the local system time for each AccessPoint.
  • the pattern for the change of the frequency bands can be selected such that an optimized temporal assignment of the frequency bands results, corresponding to the number of client nodes and the necessary position update rate.
  • the AccessPoints dedicated for communication tasks send a message to the ControlComputer during the log-on process of the ClientNodes, which creates a ring buffer for the Relevant Zone of the new ClientNode.
  • the NavScheduler is able to specifically address the newly added ClientNode with corresponding control and data signals.
  • This method also has the advantage that the IndoorNav system can be docked to an existing communication infrastructure without having to change standard WLAN client nodes or significantly disrupting their communication function or affecting their function.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden, mit wenigstens einer mobilen Sendeeinheit, so genannter ClientNode, und an bekannten Orten positionierten Sende-/Empfangstationen, so genannten AccessPoints, die mittels drahtloser Kommunikationstechnik, insbesondere mittels Funksignalen, miteinander kommunizieren. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein fester Zeitbezug, d.h. der relative Zeitunterschied, zwischen den Systemzeiten der jeweiligen AccessPoints ermittelt wird. Zur Positionsbestimmung wird vom ClientNode ein Funksignal ausgesandt, welches von denjenigen AccessPoints empfangen wird, in deren Empfangsbereich sich der ClientNode befindet. Jeder dieser AccessPoints registriert in seiner Systemzeit den Zeitpunkt, mit dem das Funksignal bei ihm eintrifft. Auf Basis dieser einzelnen Zeitpunkte, des ermittelten Zeitbezuges zwischen den Systemzeiten sowie der bekannten Orte der AccessPoints erfolgt schließlich die Berechnung der Position des ClientNodes. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, dass zur Bestimmung der Positionen der ClientNodes nur der Empfang von ClientNode-Signalen durch die AccessPoints notwendig ist und dass keine Synchronisation der Systemzeiten von AccessPoints und ClientNodes erforderlich ist.

Description

Verfahren zur Positionsbestimmung
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden, mit wenigstens einer mobilen Sendeeinheit, so genannter ClientNode, deren Position es gilt zu bestimmen, und an bekannten Orten positionierten Sende-/Empfangstationen, so genannten AccessPoints, die mittels drahtloser Kommunikationstechnik, insbesondere mittels Funksignalen, miteinander kommunizieren.
Stand der Technik
Verfahren zur Positionsbestimmung sowie hierfür konzipierte Systeme sind in ihren vielfältigen Ausgestaltungsformen bekannt und basieren auf den unterschiedlichsten Ortungstechniken, wie beispielsweise der Radartechnik, der Satellitennavigationstechnik, der Ultraschallortung oder der optischen Vermessungstechnik, um nur einige zu nennen. Handelt es sich um eine Positionsbestimmung mit der Maßgabe einer Objektortung außerhalb sowie auch innerhalb von Räumen, wie beispielsweise Gebäuden oder ähnliche umschlossenen Räumen, so scheidet beispielsweise die satellitengestützte GPS-Navigations- und Ortungstechnik sowie auch die durch Vielfachreflexionen fehlerträchtige Radartechnik aus. Vielmehr bietet sich zur Positionsbestimmung von Objekten die Funksignalübertragungstechnik zwischen vorzugsweise mehreren Sende- /Empfangseinheiten an. Bisher bekannte derartige Systeme zeichnen sich durch aufwendige und daher kostspielige Technik und zum Teil durch nur ungenügende Ortungsgenauigkeit aus.
Aus der DE 103 32 551 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Positionsbestimmung mit wenigstens einer mobilen Sende-/ Empfangseinheit, so genannter ClientNode, deren Position es gilt in Bezug zu wenigstens drei an bekannten Orten positionierten Sende-/ Empfangsstationen, so genannten AccessPoints, zu bestimmen, bekannt. Die AccessPoints und ClientNodes kommunizieren miteinander mittels Funksignalen. Die Berechnung der Position des ClientNode erfolgt dabei im jeweiligen ClientNode auf Basis einer Zweiwege- Laufzeitmessung der Funksignale, die zwischen ClientNode und den wenigstens drei AccessPoints ausgetauscht werden. Hierfür verfügt der ClientNode über eine aufwendige Kommunikations- und Auswertetechnik. Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen eine quasi autonome Positionsbestimmung durch den ClientNode selbst erforderlich ist oder bei denen der ClientNode zumindest seine Position selbst kennen muss. Bei Anwendungen des in DE 103 32 551 A1 offenbarten Verfahrens zur Positionsbestimmung für eine Vielzahl von ClientNodes, erweisen sich jedoch die mit der aufwendigen technischen Ausstattung der einzelnen ClientNodes einhergehenden hohen Produktionskosten der ClientNodes als nachteilig.
Aus der DE 102 52 934 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Echtzeitverfolgung der Position von wenigstens einem mobilen Objekt entnehmbar, das bspw. zur Positionserfassung des Fußballs während eines Fußballspiels einsetzbar ist. Das hierfür erforderliche System umfasst mindestens vier an bekannten Orten positionierte Empfänger, die jeweils über Datenleitungen mit einem Zentralrechner verbunden sind. Als unabdingbare Voraussetzung wird das System vor Inbetriebnahme kalibriert, wobei die Laufzeiten im Netzwerk zwischen den einzelnen Empfängern und zwischen den Empfängern zum Zentralcomputer ermittelt werden. Im Anschluss daran erfolgt eine Synchronisation der Empfänger untereinander. Diese Maßnahmen erfordern umfangreiche technische und verfahrenstechnische Vorkehrungen, die den praktischen Einsatz dieses Verfahrens verkomplizieren.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden, mit an bekannten Orten positionierten Sende-/Empfangsstationen, den sog. AccessPoints, sowie wenigstens einer mobilen Sendeeinheit, so genannter ClientNode, die mittels drahtloser Kommunikation, insbesondere mittels Funksignale, miteinander kommunizieren, derart anzugeben, dass die zur Positionsbestimmung erforderliche technische Ausstattung des ClientNodes reduziert werden kann und eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von ± 25 cm durchführbar ist. Dies bedeutet eine Bestimmung der Signallaufzeit mit einer Genauigkeit im Subnanosekundenbereich. Insbesondere gilt es die Positionsbestimmung nahtlos innerhalb und außerhalb von Gebäuden für eine Vielzahl von ClientNodes durchzuführen, ohne die Notwendigkeit aufwendiger technischer Zusatzkomponenten, wie bspw. Zeitsynchronisatoren. Das Vorliegen der Positionsinformation im jeweiligen ClientNode selbst soll nicht erforderlich sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben. Den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung sind vorteilhafte Merkmale des Erfindungsgedankens zu entnehmen.
Zur erfolgreichen Durchführung des Verfahrens bedarf es wenigstens vier Sende-/ Empfangsstationen (AccessPoints), die jeweils an bekannten Orten positioniert sind, wenigstens einer mobilen Sendeeinheit (ClientNode), die sich im Empfangsbereich von vier oder mehr AccessPoints befindet, und wenigstens eines ControlComputers zur Berechnung der Positionen des ClientNodes, der über ein Netzwerk mit mindestens einem AccessPoint verbunden ist. Gegenüber diesen wenigstens vier AccessPoints gilt es die Position des mobilen ClientNodes zu bestimmen, wobei das Verfahren zur Positionsbestimmung auf eine Vielzahl von ClientsNode erweiterbar ist. Zur Kommunikation zwischen ClientNodes und AccessPoints kommen neben Funkverfahren auch optische oder akustische Kommunikationsverfahren in Betracht. Ohne Einschränkung des Erfindungsgedankens wird die Erfindung nachfolgend am Beispiel der Funkkommunikation beschrieben.
Für die folgende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst wichtige Begriffe näher erläutert:
Die sog. ClientNodes können als batteriebetriebene mobile Sendeeinheiten aufgefasst werden, die in bestimmten Zeitzyklen so genannte Probe-Request- Signale (PR-Signale) aussenden. Jeder ClientNode weist einen Prozessor auf und verfügt über eine individuelle Systemzeit. Zur Identifizierung der einzelnen ClientNodes besitzt jeder ClientNode jeweils eine eindeutige Kennung, die in vorteilhafter weise mit jedem PR-Signal ausgesandt wird. Die PR-Signale können neben der Kennung des jeweils sendenden ClientNodes weitere Daten enthalten.
Die sog. AccessPoints können als an bekannten Orten installierte Sende-/ Empfangsstationen aufgefasst werden, die durch Austausch von Funksignalen untereinander sowie durch den Empfang der PR-Signale von ClientNodes jeweils Datensätze erzeugen, diese in einem Zwischenspeicher abspeichern und zur letztendlichen Auswertung der Datensätze, diese an den wenigstens einen ControlComputer weiterleiten. Auch zwischen den AccessPoints ist eine Datenaustausch möglich. Die AccessPoints liefern alle Daten, die für die Positionsberechnung der ClientNodes erforderlich sind. Die AccessPoints senden in bestimmten Zeitzyklen so genannte Broadcast-Beacon-Signale (BC-Signale) aus, die von den jeweils anderen AccessPoints empfangen und mit einem jeweiligen Antwortsignal beantwortet werden. Die BC-Signale sowie die Antwortsignale können zusätzliche Daten enthalten. Jeder AccessPoints weist einen Prozessor auf, verfügt über eine individuelle Systemzeit und eine individuelle Kennung, die in vorteilhafter Weise mit dem BC-Signal bzw. einem Antwort-Signal gesendet werden kann. Innerhalb des Systems der AccessPoints ist mindestens ein sog. ControlComputer vorgesehen, der die von den AccessPoints erfassten Datensätze zur weiteren Verarbeitung empfängt. Der ControlComputer ist hierfür über eine Netzwerkstruktur mit mindestens einem AccessPoint verbunden. Das sog. DistributionNetwork stellt die notwendigen Hardwarekomponenten der Netzwerkstruktur zum Datenaustausch zwischen AccessPoints und dem ControlComputer dar, das im einfachsten Fall aus einem normalen drahtlosen oder drahtgebundenen Ethemet-Netzwerk besteht. Die anderen AccessPoints können ebenfalls eine solche Netzwerkverbindung zum ControlComputer haben, dies ist aber für die Funktionsweise des Systems nicht unbedingt erforderlich. Vorzugsweise wird als Netzwerkverbindung eine drahtlose oder drahtgebundene Ethernet-Netzwerkstruktur eingesetzt. Die an einem AccessPoint vorliegenden Datensätze, die im internen Pufferspeicher zwischengespeichert wurden, werden über die Netzwerkverbindung in einem komprimierten Datenpaket zum ControlComputer gesendet. Sofern der AccessPoint einen Netzwerkanschluss zum ControlComputer hat, werden die Daten direkt über das Netzwerk zum ControlComputer transferiert. Ist kein direkter Netzwerkanschluss zum ControlComputer vorhanden, dann werden die Daten per Funk zum nächsten verfügbaren AccessPoint übertragen. Falls dieser AccessPoint auch keine Netzwerkschnittstelle zum ControlComputer hat, werden die Daten wieder zum nächsten verfügbaren AccessPoint übertragen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die Daten einen AccessPoint mit einer Netzwerkschnittstelle zum ControlComputer erreicht haben. Von diesem AccessPoint werden dann Daten zum ControlComputer übertragen. Für den Fall, dass eine hohe Anzahl von ClientNodes und/oder AccessPoints vorhanden ist oder die Auslastung des ControlComputers es also erfordert, können im System auch mehrere ControlComputer parallel eingebunden werden.
Schließlich bildet die sog. ServiceArea den Raumbereich zwischen den ClientNodes und den AccessPoints, in dem zur Signalübertragung und zum Datenaustausch Funkwellen übertragen werden können. Um die Anforderungen, die beim Aussenden und Empfangen von PR- , BC- oder Antwort-Signalen bei einer möglichen Vielzahl von ClientNodes bzw. AccessPoints auftreten, sicher voneinander zu trennen, bedient sich das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter weise für das Aussenden und Empfangen von Signalen der AccessPoints und der beteiligten ClientNodes des drahtlosen Netzwerkstandards IEEE 802.11 oder des Übertragungsprotokolls CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) oder eines mit einem Zufallssignal spreizbandmodulierten Signals. Die ClientNodes können vorteilhafter Weise hierfür zusätzlich mit einer Empfangseinheit ausgestattet werden, die die Auswertung derartiger Übertragungsprotokolle erlaubt. Dadurch können bei den ClientNodes (CN) die BC- und PR- Signale zur Protokollsynchronisation eingesetzt werden. Diese Übertragungsprotokolle werden bei verschiedener standardisierten Kommunikationsverfahren, wie beispielsweise WLAN, Bluetooth oder GSM verwendet. Mit diesen Übertragungsprotokollen wird gewährleistet, dass jede einzelne Station, die an der Funkkommunikation zwischen den einzelnen ClientNodes und den betreffenden AccesPoints bzw. den AccessPoints untereinander beteiligt ist, den jeweiligen Funkkanal überwacht und erst dann sendet, wenn der Funkkanal nicht belegt ist. Dies verhindert Kollisionen und die damit zusammenhängenden Interferenzen und minimiert zusätzliche Übertragungsversuche.
Das Funkkommunikationsverfahren arbeitet normalerweise im Zeitmultiplex-Betrieb. Zur Erhöhung der Kapazität kann aber auch im Frequenzmultiplex-Betrieb gearbeitet werden. Dadurch, dass damit keine zeitaufwendigen Kanalumschaltungen notwendig sind, erhöht sich die Anzahl der mit dem System bedienbaren ClientNodes. Werden sehr viele AccessPoints in einem kleinen Bereich benötigt, dann kann das System alternativ auch im kombinierten Zeit- und Frequenzmultiplex-Betrieb betrieben werden, d.h. ein Teil der AccessPoint arbeitet in einem anderen verfügbaren Frequenzband.
In vielen Anwendungsfällen sind, neben dem Lokalisierungsservice, auch gleichzeitig hohe Datentransferraten zwischen den einzelnen ClientNodes und AccessPoints notwendig. In diesem Fall werden dedizierte AccessPoints nur zur Nutzdatenkommunikation verwendet. Alle AccessPoints, die zur Ortung eingesetzt werden, arbeiten immer im selben Frequenzband. Das aktuelle Frequenzband kann durch den ControlComputer, innerhalb der verfügbaren Frequenzbänder, geändert werden. Zur Steuerung der Umschaltung der Frequenzbänder werden Kommandos verwendet, die als Zeitangabe für die nächste Umschaltung des Frequenzbands an alle AccessPoints die virtuelle Systemzeit verwenden. Diese virtuelle Systemzeit wird dann für jeden AccessPoint auf die lokale Systemzeit umgerechnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden, mit wenigstens vier an bekannten Orten positionierten Sende-/ Empfangsstationen, so genannten AccessPoints, wenigstens einer mobilen Sendeeinheit, so genannter ClientNode, die mittels drahtloser Kommunikationstechnik, insbesondere mittels Funksignalen, miteinander kommunizieren, und mit wenigstens einer ControlComputer, die über eine Netzwerkstruktur mit den AccessPoints verbunden ist, setzt sich aus folgenden Verfahrensschritten zusammen:
Im ersten Verfahrensschritt wird ein fester Zeitbezug, d.h. der relative Zeitunterschied, zwischen den Systemzeiten der jeweiligen AccessPoints ermittelt. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die in den ClientNodes und AccessPoints eingesetzten und für die Zeitmessung verwendeten Prozessoren eine hinreichend stabile Taktfrequenz aufweisen, so dass nach einer Ermittlung des festen Zeitbezuges der Systemzeiten bis zu einer nächsten Ermittlung des festen Zeitbezuges, der ermittelte Zeitbezug als konstant angenommen werden kann. Im zweiten Verfahrensschritt wird vom ClientNode ein PR-Signal ausgesandt, welches von denjenigen AccessPoints empfangen wird, in deren Empfangsbereich sich der ClientNode befindet. Jeder dieser AccessPoints registriert in seiner Systemzeit den Zeitpunkt, mit dem das PR-Signal bei ihm eintrifft. Im dritten Verfahrensschritt erfolgt auf Basis des ermittelten Zeitbezuges zwischen den Systemzeiten sowie der bekannten Orte der AccessPoints schließlich die Berechnung der Position des ClientNodes. Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, dass zur Bestimmung der Positionen der ClientNodes nur der Empfang von ClientNode- Signalen durch die AccessPoints notwendig ist und dass keine Synchronisation der Systemzeiten von AccessPoints und ClientNodes erforderlich ist.
Die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden einzelnen Prozessschritte werden unter Bezugnahme auf die nachstehenden erläuternden Figuren näher beschrieben.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung der Ausgangssituation zur Positionsbestimmung von drei
ClientNodes in einem System von vier an bekannten Orten positionierten AccessPoints und der Kommunikation untereinander.
Fig. 2 Zeitlaufdiagramm eines von einem ersten AccessPoint ausgesandten BC- Signals sowie eines darauf hin von einem zweiten AccessPoint ausgesandten Antwort-Signals bis zu dessen Empfang durch den ersten AccessPoint.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung weist vier sog. AccessPoints auf, die jeweils an bekannten Orten positioniert sind. Drei von den vier AccessPoints sind über ein sog. DistributionNetwork mit dem ControlComputer verbunden und somit in der Lage Daten mit dem ControlComputer auszutauschen. Gegenüber den fest positionierten AccessPoints sind in Figur 1 drei mobile ClientNodes vorgesehen, die sich innerhalb des Empfangsbereiches der AccessPoints, d. h. der sog. ServiceArea, befinden. Wie im Weiteren beschrieben wird, gilt es nun die aktuelle Position der einzelnen ClientNodes durch entsprechende Funkkommunikation mit den umliegenden AccessPoints und deren Auswertung zu ermitteln.
Zur Vereinfachung der weiteren Beschreibung sei im Folgenden anstelle von drei nur ein einziger ClientNode angenommen, der zu Zwecken der Positionsbestimmung PR-Signale an die vier AccessPoints sendet und dessen Position im Empfangsbereich aller vier AccesPoints liegt.
Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Positionsermittlung zugrunde liegende Messprinzip basiert auf einer sog. Einwege-Laufzeitmessung, bei der die wichtigsten Messgrößen die Signallaufzeiten zwischen dem ClientNode zu den jeweiligen AccessPoints sind. Unter Berücksichtigung der sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden elektromagnetischen Wellen kann auf diese Weise die Distanz zwischen einem ClientNode und einem jeweiligen AccessPoint in der nachfolgenden Weise berechnet werden:
= h = cto (1 ) mit
I0 der Abstand zwischen AccessPoint und ClientNode, c die Lichtgeschwindigkeit und to die Signallaufzeit.
Legt man der Positionsbestimmung lediglich eine einzige derartige Signallaufzeitmessung zwischen dem ClientNode und einem einzigen AccessPoint zugrunde, so befindet sich der aktuelle Aufenthaltsort des ClientNodes auf einer theoretischen Kugeloberfläche um den AccessPoint mit einem Radius, der dem innerhalb der Laufzeit zurückgelegten Strecke des Funksignals entspricht. Somit kann sich der ClientNode grundsätzlich irgendwo auf dieser theoretischen Kugeloberfläche befinden. Mit einer zusätzlichen Messung zu einem zweiten AccessPoint erhält man eine Schnittlinie der beiden Kugeloberflächen. Unter Hinzuziehung einer dritten Messung verbleiben letztlich zwei Schnittpunkte der Kugeloberfläche, auf denen sich der ClientNode befinden kann. Durch den vierten AccessPoints ergibt sich schließlich ein eindeutig ein definierter Schnittpunkt von vier Kugeloberflächen, der sich oberhalb des Raumbodens befindet.
Diese bisher beschriebene Positionsberechnung auf Basis der Einwege- Laufzeitmessung zwischen ClientNode und AccessPoints setzt jedoch voraus, dass die Signallaufzeiten als absolute Signallaufzeiten vorliegen, was beispielsweise mit synchronisierten Systemzeiten des ClientNodes und der AccessPoints möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert jedoch darauf, dass Client Nodes sowie AccessPoints jeweils nicht synchronisierte Systemzeiten aufweisen. Die Zeitmessungen an den einzelnen AccessPoints liefern damit nur Zeiten, die ohne Bezug zueinander stehen.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt daher zunächst die Ermittlung eines festen Zeitbezuges der Systemzeiten oder anders ausgedrückt die Ermittlung der relativen Abweichungen der Systemzeiten der vier einzelnen AccessPoints. Das hierfür in vorteilhafter Weise verwendete Verfahren basiert auf einer an sich bekannten Zweiwege-Laufzeitmessung zwischen den einzelnen AccessPoints. Derartige Laufzeitmessungen werden dabei zwischen allen vier AccessPoints durchgeführt.
Figur 2 zeigt exemplarisch das grundlegende Zeitablaufdiagramm einer Laufzeitmessung zwischen einem ersten und einem zweiten AccessPoint (AP und AP-M). Vor Beginn der Messungen kann, falls erforderlich, der erste AccessPoint (AP) die Anforderung dieser Zweiwege-Laufzeitmessung mit Aussendung eines RTMS-Kommandos (RunTime Measurement Service) an den zweiten AccessPoint (AP-M) starten (nicht dargestellt). Wird das RTMS Kommando von dem zweiten AccessPoint empfangen, so startet er die Prozedur zur Aufzeichnung von Signalen, d.h. die Datenaufzeichnung, falls sie nicht bereits aktiv ist. Ist die Messprozedur einmal gestartet, kann sie in bestimmten Rhythmen immer wieder durchgeführt werden. Die Durchführung der Messung startet mit der Aussendung des BC-Signals vom ersten AccessPoint (AP), gleichzeitig speichert der erste AccessPoint den Startzeitpunkt tAp.i des gesendeten Spreizbandcodes in seiner Systemzeit ab. Dieses BC-Signal wird grundsätzlich von allen AccessPoints empfangen, in deren Empfangsbereich sich der sendende erste AccessPoint befindet. In Figur 2 ist der Empfang des BC-Signals durch den zweiten AccessPoint (AP-M) zur Zeit tAp-M.m , in der Systemzeit von AP-M dargestellt. Im zweiten AccessPoint werden der relative Startzeitpunkt des Beginns der Signalaufzeichnung, der Zeitpunkt des Eintreffens des Signals vom ersten AccessPoint tAp-M.m und/oder einen Teil des Empfangssignals in der Systemzeit von AP-M gespeichert. Das BC-Signal wird im zweiten AccessPoint für eine Korrelationsmessung benutzt, um den relativen Zeitunterschied beim Eintreffen des BC-Signals zur Zeit tAp-M.m zum internen Prozessor-Oszillator zu messen. Dieser Datensatz oder der daraus resultierende Messwert wird zusammen mit der Identifikation des sendenden ersten AccessPoints in einem internen Pufferspeicher gespeichert. Anschließend sendet der zweite AccessPoint zur Zeit tAp. M.2 im Frequenz- oder Zeitmultiplex-Betrieb ebenfalls ein BC-Signal, das vom ersten AccessPoint zur Zeit tAp.m empfangen wird. Dieses BC-Signal wird im ersten AccessPoint für eine Korrelationsmessung benutzt, um den relativen Zeitunterschied beim Eintreffen dieses BC-Signals zur Zeit tAp-M.m zum internen Prozessor-Oszillator zu messen. Dieser Datensatz oder der daraus resultierende Messwert wird zusammen mit der Identifikation des sendenden zweiten AccessPoints in einem internen Pufferspeicher gespeichert.
Anschließend wird der im zweiten AccessPoint erzeugte Datensatz an den ersten AccessPoint gesendet. Dabei kann im zweiten AccessPoint noch eine Vorverarbeitung des Datensatzes durchgeführt werden, um die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren, bzw. zu komprimieren.
Mit dem Datensatz des zweiten AccessPoints, seinen eigenen Daten, den relativen Startzeitpunkten der Datenaufzeichnungen und den Startzeitpunkten der Anforderung für die Laufzeitmessung, kann der erste AccessPoint die Zweiwege- Signallaufzeit wie im Folgenden beschrieben berechnen. Die Zeitdifferenz für die gesamte Prozedur kann formuliert werden als
'AP m ~ 'AP 1 = 'Θ 1 + ^' AP-M d + 'e 2 > (2)
mit
-AP.1 der Startzeit der Übertragung im AccessPoint,
.AP.m der Empfangzeit des Signals vom AccessPoint-M beim
AccessPoint, fe.i der Signallaufzeit vom AccessPoint zum AccessPoint-M, fe.2 der Signallaufzeit vom AccessPoint-M zum AccessPoint
Die Zeitverzögerung zwischen dem Empfang des Signals und dem Aussenden des Antwort-Funksignals vom zweiten AccessPoint AP-M1 der dadurch in der Logik der Mess-Algorithmik wieder zu einem ersten AccessPoint (AP) wird, ist
Δ'AP-M d = 'AP-M 2 ~ 'AP-M ΠV W)
mit
JAP-M.2 der Startzeit der Übertragung im AccessPoint-M und fop-M.m der Empfangszeit des Signals vom AccessPoint beim AccessPoint-M.
Bedingt dadurch, dass die Takte für die Zeitmessung in den AccessPoint-M nicht mit den anderen AccessPoints synchronisiert sind, muss mit relativen Zeiten gerechnet werden. Die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Signalaufzeichnung und der Rücksendung ist
Δ'AP-M = 'AP-M 2 ~ 'AP-M 1 • (4)
Die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Signalaufzeichnung und dem Empfang des Signal im AccessPoint ist
Δ* AP m = * AP m ~ ' AP 2 ■ w)
Dadurch, dass das beide Signale die selbe Ausbreitungsstrecke durchlaufen müssen, ist
'.1 = '.2 - (6) Damit kann die Basisgleichung (2) konvertiert werden in
2K = AtfiP m + ' AP 2 - fAP 1 - At AP-M + Δ'AP-M m ■ (?)
Alle diese Variablen können mit dem beschriebenen Algorithmus gemessen werden und korrespondierend zu (1 ) kann
<e = O (8)
gesetzt werden. Daraus ergibt sich, dass die Laufzeitmessung für einen AccessPoint-M wie folgt berechnet werden kann:
O = 2 iAt AP m + ' AP 2 - t AP 1 " Δ'AP-M + Δ'AP-M m ) • (9)
Die Werte von /ΆP.1 I ^AP.2, und A^AP-M können von digitalen Zählern bei den jeweiligen Prozessoren bestimmt werden. Zur Bestimmung von Δ.λp-M.m und ΔfAp.m wird die Korrelationsfunktion benutzt.
Hieraus lässt sich nun die Abweichung der Systemzeiten zwischen dem ersten AccessPoint (AP) und dem zweiten AccessPoint (AP-M) mit
'AP-M sync = 'AP-M 1 ~ * AP 1 • (1 0)
und somit durch
^AP-M sync = 'AP-M m ~ Δ'AP-M m ~ ' AP 1 ■ \ > * )
berechnen.
Derartige Korrelations- und Laufzeitmessungen zwischen den AccessPoints können auf Basis der drei folgenden Signale durchgeführt werden:
- BC-Signale mit Datenpaketen
- BC-Signalen ohne Datenpakete - Datenpakete und Acknowledge-Signale, die zur Bestätigung der Korrektheit der Datenübertragung verwendet werden.
Werden Datenpakete und Acknowledge-Signale verwendet, können damit zwei Korrelations- und Laufzeitmessungen, eine auf dem Hin- und eine auf dem Rückweg der Datenübertragung, durchgeführt werden. Damit sind alle notwendigen Messdaten zwischen zwei AccessPoints vorhanden, um das dargestellte Berechnungsverfahren durchzuführen.
Mit dem bisher beschriebenen Verfahren wurden die relativen Abweichungen der Systemzeiten der vier an bekannten Orten positionierten AccessPoints bestimmt. Dieser Zeitbezug wird im Folgenden als bekannt und konstant angenommen.
Im zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Einwege- Laufzeitmessungen zwischen ClientNode und den AccessPoints durchgeführt. Hierzu sendet der ClientNode ein PR-Signal aus, welches im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel von vier AccessPoints empfangen wird. In den AccessPoints wird zumindest die jeweilige Empfangszeit des PR-Signals erfasst. Das PR-Signal wird in den vier AccessPoints, analog dem zuvor bei den BC-Signalen beschriebenen Verfahren, zu einer Korrelationsmessung benutzt, um den relativen Zeitunterschied beim Eintreffen des PR-Signals am jeweiligen AccessPoint zum internen AP-Oszillator zu messen. Die daraus resultierenden Datensätze oder Messwerte werden mit der Kennung des sendenden ClientNodes zunächst im internen Pufferspeicher der jeweiligen AccessPoints gespeichert und anschließend an den Control Computer zur weiteren Auswertung weitergeleitet.
Im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im ControlComputer die
Ortskoordinaten des ClientNodes auf Basis der bekannten Orte der AccessPoints sowie der erfassten Empfangszeiten für das PR-Signal durch die wenigstens vier
AccessPoints berechnet. Dabei wird der im Folgenden beschriebene Algorithmus angewandt. Der Algorithmus geht von einem beliebig im Raum gewählten Koordinatenursprung aus, von dem sich ein kartesisches Koordinatensystem aufspannt, innerhalb dem folgende Koordinatenpunkte gegeben sind. Es wird angenommen, dass ein AccessPoint durch den Vektor s gemäß Gleichung 2 sowie der ClientNode durch den Vektor e gemäß Gleichung 3 gegeben sind. Ein Abstandsvektor I0 zwischen dem AccessPoint und dem ClientNode lässt sich als Differenz beider Vektoren in folgender Weise gemäß Gleichung (4) berechnen:
Aufgrund der im zweiten Verfahrensschritt erzeugten relativen Zeitmessungen muss die Gleichung (1 ) derart erweitert werden, dass nun nicht die absolute Signallaufzeit to, sondern die zu einer Zeitskala relative Zeit tm verwendet wird. Diese Zeitskala kann zunächst virtuell oder beliebig sein, in der technischen Realisierung wird sie jedoch der Zeitskala, also der Taktung des Prozessors, eines aus den vier AccessPoints ausgewählten sog. Master-AccessPoints entsprechen. Die verbleibenden AccessPoints werden im folgenden als Managed-AccessPoints bezeichnet. Die Phase, d.h. der Stand der Zeitskalen in den Managed-AccessPoints und in dem ClientNode kann unterschiedlich sein, die Taktfrequenz hingegen ist bei allen Teilnehmern in der Regel identisch. Dadurch entspricht der Zeitwert, beim Eintreffen des ClientNode-Signals am AccessPoint, einer, abhängig vom Vorzeichen, relativen Zeitsumme oder Zeitdifferenz.
mit fm gemessene Differenzzeit, to ideale Einwege-Signallaufzeit, und fcN relative ClientNode-Zeit, d.h. die Abweichung der Zeitskala im ClientNode von der Zeitskala im Master-AccessPoint.
Die Bezugsphase im Master-AccessPoint ändert sich nur durch den minimalen Drift der Prozessor-Oszillatoren. Die Phasen der Managed-AccessPoint-Zeitskalen,
JAP, relativer Phasenfehler der Managed-AccessPoint-Zeit, d.h. die Abweichung der Zeitskala im Managed-AccessPoint von der Zeitskala im Master-AccessPoint,
wird als konstant und bekannt angenommen. Im Betrieb müssen diese Werte in bestimmten Abständen, die im wesentlichen von der Güte der verwendeten Oszillatoren in den AccessPoints abhängen, gemessen und aktualisiert werden.
Damit erweitert sich (15) zu
'm = 'θ + 'cN + 'AP - (16)
Die Strecke vom ClientNode zu einem AccessPoint (AP) lässt sich also mit (1) wie folgt berechnen:
Mit der Kugelgleichung wird die Beziehung
(( j )2 + (/*• - yCN)2 + (ZAP " ZCN )2 = C('m " 'CM " Αp) (18) zwischen den relativen Laufzeitmessungen und den Koordinatendifferenzen hergeleitet. Die Gleichung (18) enthält vier Unbekannte, die drei ClientNode- Koordinaten, XCN, /CN, ZCN und tcu, die Abweichung der Zeitskala im ClientNode von der Zeitskala im Master-AccessPoint. Wie bereits erwähnt, wird die Differenz der Zeitskala der Managed-AccessPoints von der Master-Zeitskala ebenfalls mit dem System gemessen, kann aber hier als bekannt und konstant vorausgesetzt werden. Zur Berechnung der vier Unbekannten sind vier Bestimmungsgleichungen notwendig. Dies bedeutet, dass ein (4,4)-Gleichungssystem, mit vier unabhängigen relativen Laufzeitmessungen zu vier unterschiedlichen AccessPoints, notwendig sind:
Vl*AP 1 ~ XCN ) + (./AP 1 ~" /CN ) + (ZAP 1 ~ ZCN ) = C('m 1 ~ 'CN ~ *AP 1 ) '
Um dieses nichtlineare (4,4)-Gleichungssystem zu lösen und das Lösungs-Tupel zu berechnen, wird in zwei Schritten vorgegangen. Im ersten Schritt wird dieses Gleichungssystem linerarisiert, im zweiten Schritt wird die Lösung mit Hilfe eines Iterationsverfahrens berechnet. Zur Linearisierung kann zum Beispiel die Methode von Newton-Kantorowitsch angewandt werden. Das Gleichungssystem muss hierbei um eine geeignete Näherungslösung
linearisiert werden. Da die Berechnung der ClientNode-Position zweideutig ist, muss für die Näherungslösung der Abstand zum Schnittpunkt der drei Kugeloberflächen, welcher der ClientNode-Position entspricht, kleiner sein, als der Abstand zu dem Zweideutigkeitspunkt. Dies ist notwendig, damit das Verfahren gegen die richtige Lösung konvergiert. In der Praxis sollten deshalb die ClientNodes nur in Bereichen eingeschaltet bzw. initialisiert werden, in denen die von der Geometrie abhängigen Zweideutigkeitspunkte weit auseinander liegen.
Für die Näherungslösung (20) werden mit den bekannten AccessPoint-Koordinaten (12) die angenäherten Signallaufzeiten t^] für die vier AccessPoint-Messungen berechnet. Als Näherungslösung für die gemessene Signallaufzeit ergibt sich damit
cL. =
FfeJ ist das Fehlerglied und steht für die Differenz zwischen der tatsächlichen und der angenäherten Lösung. Wird das Fehlerglied vernachlässigt, so resultiert für das linearisierte Gleichungssystem in Matrixdarstellung
Diese Gleichung lässt sich mit
und
zu
Δl' = A'Δe'; (26)
in der Darstellung verkürzen. Die Komponenten der Matrix A werden als partielle Ableitungen am Linearisierungspunkt berechnet, also
[XAPι XCN) a,i = / = 1...4,; (27)
ΦCN) e(0) C J Jel X 'APi *CN) +(yAP, -/CN) + {ZAP, ~ZCH)'
Um Gleichung (26) nach dem gewünschten Δe' aufzulösen, multipliziert man auf beiden Seiten mit der invertierten Matrix A'"1
Δe' = A'-1 Δl' . (31) Damit kann die Korrektur des Anfangswerts durchgeführt und die verbesserten ClientNode-Koordinaten
berechnet werden. An dieser Stelle beginnt der Iterationsprozess, bis die Bedingung
V(XcN -X^)2 +(yCN -/äf + (*» -2ffi)2 +{tCH -Cf < ε . (33)
erfüllt wird. Die Fehlerschranke ε wird dabei entsprechend der gewünschten Genauigkeit gewählt. Ist das Abbruchkriterium für die Iteration nicht erfüllt, dann wird mit dem verbesserten Lösungs-Tupel (32) in die Iterationsschleife gesprungen. Dadurch, dass sich die Koordinaten und die Zeitphase verändert haben, muss die Matrix A neu berechnet und invertiert werden. Anschließend sind wiederum Δe' und das verbesserte Lösungs-Tupel zu berechnen.
Aus Gleichung (32) ist ersichtlich, dass man mit diesem Verfahren nicht nur die Koordinaten des ClientNodes, sondern auch seine relative Zeit, d.h. die Abweichung der Zeitskala im ClientNode von der Zeitskala im AccessPoint, zum Zeitpunkt der Signalaussendung am ClientNode, berechnet hat. Diese Differenzzeit oder Zeitphase kann dazu benutzt werden, um Ereignisse im ClientNode zu synchronisieren. Dabei ist die erreichbare Genauigkeit natürlich sehr stark davon abhängig, wie genau der Zeitpunkt der Signalaussendung am ClientNode bestimmt wurde. Ist das Ziel hingegen, wie im vorliegenden Fall sehr einfache ClientNodes zu realisieren, dann wird der Aussendezeitpunkt nicht gemessen und damit eine erhebliche Reduzierung im Hard- und Softwareaufwand im ClientNode erreicht.
In vorteilhafter Weise überprüft der ControlComputer vor Beginn der Positionsberechnung für einen ClientNode, ob für diesen ClientNode mindestens Messungen zu vier unterschiedlichen AccessPoints für dieselbe Messsequenz vorhanden sind. Falls dies der Fall ist, wird die Konstellation mit der besten Qualität der Messungen und mit der besten geometrischen Verteilung, für die Berechnung der Koordinaten des ClientNodes, entsprechend dem beschriebenen Algorithmus, verwendet. Damit ist es auch möglich, Bereiche, die nicht mit mindestens vier AccessPoints versorgt werden automatisch im ControlComputer zu erkennen.
Darüber hinaus können durch das erfindungsgemäße Verfahren auch Änderungen der räumliche Anordnung von AccessPoints in Bezug auf einen ausgewählten Master- AccessPoint ermittelt werden. Hierfür werden ermittelte Abstände bzw. ermittelte Signallaufzeiten zwischen den einzelnen AccessPoints mit vorbekannten Abständen oder Signallaufzeiten verglichen. Erkannte Abweichungen können eine Systemwarnung oder ein Steuersignal erzeugen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin möglich, Bereiche, die nicht im Empfangsbereich von mindestens vier AccessPoints liegen, durch Auswertung der Datensätze der AccessPoints und der bekannten Positionen der AccessPoints zu bestimmen. Dadurch kann die räumliche Konstellation von AccessPoints in einer vorgegebenen Umgebung während des Betriebs getestet und durch das Anbringen von zusätzlichen AccessPoints weiter ausgebaut und optimiert werden. Dies stellt eine wesentliche Erleichterung in der Planung und dem Aufbau eines Positionierungs- und Navigationssystems, im Vergleich zu herkömmlichen Konstellations-Berechnungsmethoden, dar. Das System ist damit in der Lage sich selbst zu konfigurieren und zu optimieren. Im Fehlerfall, d.h. beim Ausfall eines oder mehrer AccessPoint's, wird automatisch die vorhandene Redundanz ausgenutzt und mit einer suboptimalen AccessPoint-Anordnung die Koordinaten der ClientNode's berechnet. Dies kann auch dynamisch geschehen, wenn die Feldstärke von bestimmten AccessPoint durch Störungen abgeschwächt werden, so dass die Genauigkeit der Messung nicht mehr erreicht werden kann.
Durch das beschriebene Verfahren zur Positionsbestimmung kann das System auch mit stark vereinfachten ClientNodes realisiert werden. Im einfachsten Fall bestehen die ClientNodes nur aus einer einfachen Sende- und Ansteuerelektronik, die in zeitlichen Abständen immer wieder ein PR-Signal mit der Kennung des ClientNodes sendet.
Mithin lässt sich die Genauigkeit zur Bestimmung der Zeitpunkte, an denen das Signal den Sender verlässt und jeweils beim Empfänger ankommt, mit Hilfe der drei nachstehend genannten Verfahren wesentlich erhöhen:
1. Mittelung von berechneten Maximas der Korrelationsfunktionen über mehrere Messdatensätze.
2. Erhöhung der Genauigkeit der Berechnung des Maximums der Korrelationskurve durch eine lokale Interpolation des Kurvenverlaufs im Bereich des Maximums. Das Maximum, das in der Regel zwischen zwei Werten der Korrelationskurve liegt, kann dann durch eine geometrische Beziehung aus der lokalen Interpolation berechnet werden.
3. Berechnung des Maximums der Korrelationsfunktion durch eine Interpolations- Berechnung der zwischen zwei, zu den Abtastwerten korrespondierenden Werte der Korrelationsfunktion liegenden zusätzlichen Zwischendatenwerte. Die neu entstehende Korrelationskurve enthält, im Vergleich zur ursprünglichen, wesentlich mehr Datenpunkte. Die Interpolationskurve zwischen den ursprünglichen Stützwerten wird neu abgetastet und mit zusätzlichen Stützwerten aufgefüllt. Über eine zweite Korrelation mit einer entsprechend an die neue Ausgangskorrelationskurve angepassten, neuen Filterfunktion, kann die Auflösung und Genauigkeit der Berechnung des Maximums der Korrelationsfunktion wesentlich erhöht werden.
Für eine weitere Verbesserung der Auflösung sowie der Genauigkeit der relativen Laufzeitmessung können die Änderungen der getrennt berechneten Maximalwerte der Korrelationsfunktion im Inphasen- und im Quadraturphasen-Auswertezweig verwendet werden. Hierdurch ist es möglich, die Änderung in der Signalphase, verursacht durch die Oszillatoren und die Abstandsänderungen des Senders und des Empfängers, mit einer sehr hohen Auflösung und Genauigkeit zu messen. Diese Messungen können zusätzlich zur Erhöhung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung verwendet werden.
Auch lässt sich die Zuverlässigkeit der Messdaten trotz sich ändernder Umgebungstemperaturen über einen größeren Temperaturbereich dadurch verbessern, indem in den AccessPoints mehrere Temperatursensoren integriert werden, mit denen die Temperaturen der die Signallaufzeit bestimmenden Bauteile gemessen werden können. Die aktuellen Messdaten können dann mit Hilfe einer vorher ermittelten Kennfeldfunktion zusätzlich temperaturkompensiert werden.
Neben der Erhöhung der Auflösung und der Genauigkeit der Basismessgrößen, zur Bestimmung der Distanz, d.h. Laufzeiten und Phasen, können, zur Erhöhung der Integrität der Messdaten diese mit der berechneten aktuellen Energie des Empfangssignals, entsprechend dessen Höhe, gewichtet werden.
Bei problematischen Umgebungsbedingungen können zusätzliche Sensoren, wie Radsensoren, Gyrosensoren oder Bakensensoren dazu verwendet werden, um die Integrität der Basismessgrößen zu überprüfen und entsprechend ihres mit Hilfe der zusätzlichen Sensoren ermittelten Zuverlässigkeitsfaktors, gewichtet werden. Dadurch werden eventuelle Fehler in den Basismessgrößen erkannt und es wird eine Verbesserung der statischen Fehlerbandbreite erreicht.
Um die Integrität der Positionsbestimmung in bereits bekannten Bewegungsräumen der ClientNodes zu erhöhen, können die in einem ersten Schritt berechneten Positionen durch eine drei-dimensionale Kennfeldfunktion korrigiert werden. Systematische Positionsfehler sind in der Kennfeldfunktion abgespeichert und parametrisiert und werden dafür verwendet, die resultierende Positionsgenauigkeit insbesondere bei Anwendungen innerhalb von Gebäuden oder Räumen, d.h. bei so genannten IndoorNav-Systemen, zu erhöhen.
Grundsätzlich ist es möglich, so auch insbesondere bei dem IndoorNav-System, eine so genannte „virtuelle Systemzeit" aus den Messdaten und den berechneten Gängen aus den in den AccessPoints von Quarzoszillatoren abgeleiteten lokalen Systemzeiten zu berechnen. Die virtuelle Systemzeit wird dabei aus einer gewichteten Mittelung der berechneten Einzelgängen der jeweiligen Quarzoszillatoren gewonnen. Durch dieses Verfahren erhält man eine hochgenaue virtuelle Systemzeit. Damit die Genauigkeit dieser virtuellen Systemzeit auch innerhalb des Systems für Steueraufgaben genutzt werden kann, werden die berechneten einzelnen Abweichungen parametrisiert und wieder an die AccessPoints zurückgegeben. Hiermit ist es möglich, dass die Genauigkeit der berechneten virtuellen Systemzeit, über das Ensemble aller Quarzoszillatoren, an die einzelnen Oszillatoren in den AccessPoints wieder zurückgegeben werden kann. In diesem Zusammenhang kann anstelle von „virtueller Systemzeit" alternativ auch von einer Ensemblezeit gesprochen werden. Mit dem realen Taktsignal des Oszillators und den Korrekturparametern kann die lokale Systemzeit der AccessPoints, mit ihrem Zeitsignal korrigiert und damit für hochgenaue Steueraufgaben, die zum Beispiel von Steuer-Computer initiiert werden, verwendet werden. Kommandos zur Auslösung von bestimmten Aktionen können an die AccessPoints und auch an die ClientNodes vorausschauend mit einer genauen Aktivierungszeit in der virtuellen Systemzeit generiert werden. Diese virtuelle Systemzeit kann dann auf die lokale korrigierte Systemzeit des Hardwaresignals umgerechnet werden, um mit einer zeitlichen Auflösung und Genauigkeit im Subnanosekundebereich Steuersignale auszulösen.
Durch die Genauigkeit der Basismessgrößen und der virtuellen Systemzeit können die Daten von mehreren AccessPoints zu sogenannten AccessPointClustem zusammengefasst werden. Aus der Differenz der Phasen der Basismessgrößen lässt sich damit die Einfallsrichtung des Empfangssignals berechnen. Diese Einfallsrichtungs-Informationen können wiederum dazu verwendet werden, um Plausibilitätsprüfungen durchzuführen, Fehlmessungen zu erkennen und die Genauigkeit und Integrität des gesamten IndoorNav-Systems zu erhöhen.
Ähnlich einem AccessPointCluster ist es auch möglich, durch die Verwendung der Daten von mehreren ClientNodes, ein ClientNodeCluster zu bilden. Hierbei kann aus der Differenz der Phasen der Basismessgrößen, bei bekannten ClientNode- Koordinaten, die Einfallsrichtung der Empfangssignale der AccessPoints berechnet werden. Sind die ClientNode-Koordinaten nur näherungsweise bekannt, so können die Einfallsrichtungs-Informationen dennoch dazu verwendet werden, um Plausibilitätsprüfungen durchzuführen, um damit die Genauigkeit und die Integrität der berechneten Positionen durchzuführen.
Werden die zu einem Cluster gehörenden ClientNodes auf einem Träger mit bekannten relativen Positionen angebracht, so kann aus den relativen Koordinatenunterschieden und den Differenzen in den Phasen der Basismessgrößen die Winkelinformationen der einfallenden Empfangswellen der AccessPoints und damit die räumliche Lage des Trägers des ClientNodeClusters berechnet werden.
Damit die Elektronik für die Messung der Basismessgrößen möglichst klein und einfach gehalten werden kann, werden nur die für die Berechnung der Basismessgrößen erforderlichen Daten im Empfangssignal erfasst und weiterverarbeitet. Der Datenstrom für die Kommunikation wird in einem zweiten Empfangszweig empfangen und dekodiert. Dadurch, dass dieser zweite Zweig aus hochintegrierten Standardkomponenten für Kommunikationsanwendungen aufgebaut ist, lassen sich die Parameter, die für die Kosten des Gesamtmoduls ausschlaggebend sind, wie physikalische Größe, Stromaufnahme, Standard-Hard- und Softwarekomponenten usw., wesentlich optimieren. Allerdings verlieren die Messdaten in diesem Fall ihre eindeutige Zuordnung zu dem sendenden Originator, d.h. entweder einem jeweiligen ClientNode oder AccessPoint, die nur durch eine Dekodierung des gesamten Kommunikationsdatenstroms wieder hergestellt werden kann. Die Zuordnung der Daten kann im ControlComputer mit Hilfe der folgenden Verfahren und/oder einer Kombination daraus wieder hergestellt werden:
1. Durch den Vergleich der zufällig variierenden Zeitabstände der Empfangsund Sendeereignisse der Daten aus dem Messdatenzweig mit den Daten aus dem Kommunikationsdatenzweig, kann nach einer eindeutigen Zuordnung gesucht und diese wieder hergestellt werden. 2. Die Berechnung der Kreuzkorrelation der Daten des Kommunikationszweigs mit den Daten des Messdatenzweigs kann ebenfalls dazu verwendet werden, um die eindeutige Zuordnung der Daten wieder hergestellt und damit den Originator der Signale zu bestimmen.
3. Zur weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit der Zuordnung können zusätzliche Merkmale, die in beiden Empfangszweigen vorhanden sind, wie zum Beispiel die Signalstärke, verwendet werden.
Damit die Positionskoordinaten eines ClientNodes berechnet werden können, sind, wie bereist mehrfach ausgeführt, Daten von mehreren verschiedenen AccessPoints notwendig. Die Anzahl der für die Auswertung notwendigen Datensätzen von verschiedenen AccessPoints oder ClientNodes steigt noch zusätzlich, wenn eine AccessPointCluster- oder ClientNodeCluster-Auswertung verwendet werden soll. Bedingt durch unterschiedliche Faktoren, wie zum Beispiel der nicht prioritätsgesteuerte Transfer der Daten von den AccessPoints oder ClientNodes zum ControlComputer, können die Messdaten nicht in der der Messung entsprechenden zeitlichen Reihenfolge bei der Prozessierungs- und Auswerteeinheit ankommen. Aus diesem Grund müssen die für die jeweilige Auswertung notwendigen Messdaten vor der weiteren Prozessierung sortiert und dadurch wieder, entsprechend dem aktuelle Auswertung, in den ursprünglichen zeitlichen Bezug gebracht werden. Dafür werden für jede Sende- und Empfangs-Messelektronik im ControlComputer ringförmige Pufferspeicher verwendet, in denen die Daten, nachdem sie vom Übertragungsnetzwerk empfangen wurden, in dieser Reihenfolge abgespeichert werden.
Für jeden ClientNode wird ein zusätzlicher Ringpuffer aufgebaut, in dem die Identifikationen der für die letzte Positionsberechnungen empfangenen AccessPoints mit dem aktuell verwendeten Frequenzband abgespeichert sind. Diese Gruppe von AccessPoints wird auch als so genannte „Relevante Zone" für einen ClientNode bezeichnet. Wird eine Auswertung für einen bestimmten ClientNode gewünscht, so wird ein Auftrag zur Sammlung der dafür notwendigen Daten in den so genannten „NavScheduler" eingetragen. Sobald dieser Auftrag bearbeitet wird, wird der jeweils letzte Datensatz dieses ClientNodes in seinem Ringpuffer für die „Relevante Zone" verwendet. Die Ringpuffer von den verschiedenen, im System befindlichen AccessPoints und ClientNodes werden nun nach den jeweils zeitlich am nächsten liegenden korrespondieren Datensätzen durchsucht. Hierbei können Gütekriterien angewandt werden, wonach das relative Alter der Datensätze, in Bezug zum ClientNode-Datensatz, bewerten wird. Ist einer oder mehrere Datensätze zu alt, dann kann der Auftrag zur Datensammlung mehrere Male wiederholt in den „NavScheduler" eingetragen und/oder deren Aktualisierung gezielt durch Kommandos angestoßen werden. Sind für die „Relevante Zone" des jeweiligen ClientNodes aktuelle und gültige Daten gefunden, so wird aus der Relevanten Zone eine so genannte „Gültige Zone". Dies bedeutet, dass nun die notwendigen Prozessierungsschritte, zur Datenauswertung und letztendlich zur Positions- und/oder Lageberechnung, durchgeführt werden können.
In vielen Anwendungsfällen sind, neben dem Lokalisierungsservice, auch gleichzeitig hohe Datentransferraten zwischen den einzelnen ClientNodes und AccessPoints notwendig. In diesem Fall werden dedizierte AccessPoints nur zur Nutzdatenkommunikation verwendet. Alle AccessPoint, die zur Ortung eingesetzt werden, arbeiten mindestens in einer „ServiceArea" im selben Frequenzband. Das aktuelle Frequenzband kann durch den ControlComputer, innerhalb der verfügbaren Frequenzbänder, geändert werden.
Zur Steuerung der Umschaltung der Frequenzbänder werden Kommandos verwendet, die als Zeitangabe für die nächste Umschaltung des Frequenzbands an alle AccessPoints die virtuelle Systemzeit verwenden. Diese virtuelle Systemzeit wird dann für jeden AccessPoint auf die lokale Systemzeit umgerechnet. Das Muster für die Wechsel der Frequenzbänder kann dabei derart gewählt werden, dass eine, entsprechend der Anzahl der ClientNodes und der notwendigen Positionsupdaterate, optimierte zeitliche Belegung der Frequenzbänder resultiert. Damit neu hinzukommende ClientNodes sicher erkannt werden können, senden die für Kommunikationsaufgaben dedizierten AccessPoints beim Einbuchungsvorgang der ClientNodes eine Meldung an den ControlComputer, der ein Ringpufferspeicher für die Relevante Zone des neuen ClientNodes anlegt. Dadurch ist der NavScheduler in der Lage, gezielt den neu hinzukommenden ClientNode mit entsprechenden Steuer- und Datensignalen anzusprechen.
Werden verschiedene Frequenzbänder aktuell nur von ClientNodes mit wenig oder überhaupt keinem Datenverkehr benutzt, dann kann das relative Alter der Daten der Gültigen Zone groß werden und damit die mit den Daten erzielbare Positionsgenauigkeit deutlich degradieren. In diesem Fall wird direkt nach dem Frequenzbandwechsel, mit entsprechenden Kommandos und Signalen, die Aufzeichnung von Messdaten für die einzelnen ClientNodes angestoßen. Durch dieses Verfahren und das lastabhängige Muster für den Wechsel der Frequenzbänder wird sichergestellt, dass alle vorhandenen und neu hinzukommenden ClientNodes für den Lokalisierungsservice berücksichtigt werden.
Dieses Verfahren hat außerdem den Vorteil, dass das IndoorNav-System an eine bestehende Kommunikations-Infrastruktur angedockt werden kann, ohne Standard- WLAN-ClientNodes ändern zu müssen oder deren Kommunikationsfunktion wesentlich zu stören oder deren Funktion zu beeinflussen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Positionsbestimmung innerhalb und außerhalb von Gebäuden, mit wenigstens vier an bekannten Orten positionierten Sende-/ Empfangsstationen, so genannten AccessPoints (AP), wenigstens einer mobilen Sendeeinheit, so genannter ClientNode (CN), die mittels drahtloser Kommunikationstechnik, insbesondere mittels Funksignale, miteinander kommunizieren, und mit wenigstens einer Recheneinheit, ein so genannter ControlComputer, die über eine Netzwerkstruktur mit den AccessPoints verbunden ist, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- Herstellen eines festen Zeitbezuges zwischen individuellen nicht zeitsynchronen Systemzeiten der jeweiligen AccessPoints,
- Aussenden eines PR-Signals (Probe Request - Signal) durch den ClientNode,
- Empfangen des PR-Signals durch die AccessPoints und Erfassen der jeweiligen Empfangszeit des PR-Signals in der Systemzeit des jeweiligen AccessPoints,
- Berechnen von Ortskoordinaten des ClientNodes auf Basis der bekannten Orte der AccessPoints sowie der erfassten Empfangszeiten für das PR-Signal durch die wenigstens vier AccessPoints unter Berücksichtigung der festen Zeitbezüge zwischen den individuellen Systemzeiten der jeweiligen AccesPoints.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen des festen Zeitbezuges zwischen den Systemzeiten der mindestens vier AccessPoints auf der Grundlage folgender Verfahrensschritte erfolgt:
- Aussenden eines BC-Signals (Broadcast-Beacon-Signal) von einem ersten AccessPoint, zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung und Abspeichern des Aussendezeitpunktes beim ersten AccessPoint in der Systemzeit des ersten AccessPoints,
- Empfangen des BC-Signals durch wenigstens einen zweiten AccessPoint, zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung in der Systemzeit des zweiten AccessPoints und Abspeichern des Empfangszeitpunktes im zweiten AccessPoint,
- Aussenden eines Antwort-Signals sowie von Daten von dem zweiten AccessPoint, wobei die Daten den Empfangszeitpunkt des BC-Signals und den Aussendezeitpunkt des Antwort-Signals jeweils in der Systemzeit des zweiten AccessPoints umfassen,
- Empfangen des Antwort-Signals durch den ersten AccessPoint und Abspeichern des Empfangszeitpunktes in der Systemzeit des ersten AccessPoints sowie der übertragenen Daten,
- Ermitteln der relativen Abweichung der Systemzeiten von erstem und zweiten AccessPoint auf der Grundlage der bekannten Orte von erstem und zweiten AccessPoint, des Aussendezeitpunktes des BC-Signals vom ersten AccessPoint und des Empfangszeitpunktes des vom zweiten AccessPoint stammenden Antwort-Signals im ersten AccessPoint, jeweils in der Systemzeit des ersten AccessPoints, sowie des Empfangszeitpunktes des BC-Signals und des Aussendezeitpunktes des Antwort-Signals vom zweiten AccessPoints, jeweils in der Systemzeit des zweiten AccessPoints.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aussenden und Empfangen von Signalen der AccessPoints und/oder dem mindestens einen ClientNode unter Verwendung des Netzwerkstandards IEEE 802.11 oder des Übertragungsprotokolls CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) oder eines mit einem Pseudo-Zufallssignal spreizbandmodulierten Signals durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ClientNode neben der Sendeeinheit eine Empfangseinheit aufweist, mit der wenigstens Signale zur Synchronisation des verwendeten Übertragungsprotokolls empfangen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Austausch der PR-Signale, BC-Signale und der Antwortsignale im Zeitmultiplex- oder Frequenzmultiplex-Betrieb oder in einer Kombination beider Betriebsarten erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder AccessPoint eine eindeutige Kennung besitzt und diese beim Aussenden von BC-Signalen und/oder Antwort-Signalen übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder ClientNode eine eindeutige Kennung besitzt und diese beim Aussenden von PR-Signalen übertragen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Signale von ClientNode und AccessPoints neben der Kennung weitere Daten enthalten.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor dem Absenden eines BC-Signals oder eines Antwort-Signals von einem AccessPoint, ein Triggersignal (RTMS-Komando = Runtime Measurement Service) ausgesandt wird, durch dessen Empfang in den weiteren AccessPoints eine Datenaufzeichnung aktiviert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor dem Absenden eines PR-Signals vom ClientNode ein Triggersignal (RTMS-Komando = Runtime Measurement Service) ausgesandt wird, durch dessen Empfang in jedem der AccessPoints eine Datenaufzeichnung aktiviert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Empfangen und/oder Senden eines Signals durch einen AccessPoint wenigstens ein Teil des Signals, mit dem Signal übertragene Daten, und/oder weitere für den Sende- und Empfangsvorgang charakteristische Daten im AccessPoint abgespeichert und/oder an andere AccessPoints und/oder an den ControlComputer weitergeleitet werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Antwort-Signal eines AccessPoints wenigstens Informationen über den Startzeitpunkt der Datenaufzeichnung im jeweiligen AccessPoint sowie den Absendezeitpunkt des Antwort-Signals enthält.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass von einem AccessPoint zeitlich nach Absenden des Antwort-Signals eine Dateneinheit ausgesendet wird, in der wenigstens Informationen über den Startzeitpunkt der Datenaufzeichnung im jeweiligen AccessPoint, den Absendezeitpunkt des Antwort-Signals und wenigstens ein Teil der im AccessPoint gespeicherten Daten enthalten sind.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwort-Signal die Raumkoordinaten des bekannten Ortes des jeweiligen AccessPoints enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Signale komprimiert werden bevor das jeweilige Signal abgesendet wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der ControlComputer über eine drahtlose oder drahtgebundene Ethernet-Netzwerkstruktur mit den AccessPoints verbunden ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der von den AccessPoints gewonnenen und an den ControlComputer weitergeleiteten Daten die Position des wenigstens einen ClientNodes berechnet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der ControlComputer am Ort eines AccessPoints vorgesehen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der relativen Abweichung der Systemzeiten zwischen erstem und zweiten AccessPoint unter Verwendung folgender Beziehungen erfolgt:
'■AP-M.sync ~ ^AP-M.m ^ AP-M .m ^APA mit
1 AP-M.Sync Abweichung der Systemzeiten des ersten AccessPoints AP.1 und des zweiten AccessPoints AP-M l AP-M.m Empfangszeit des Signals vom ersten AccessPoint beim zweiten
AccessPoint, tΛPΛ Startzeit der Übertragung im ersten AccessPoint und
^1 AP-M. m Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Signalaufzeichnung und der Rücksendung des Antwort-Signals im zweiten AccessPoint
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen der Position e des ClientNodes unter
Verwendung folgender Beziehungen durchgeführt wird: τI(XAP l - χCNY + (yAP 1 - yCNf + (ZAP 1 - 2CN J = C (' m 1 ~ 1CN " ^ 1 } ~ *CN ~ tAP i h Λl(XAP 4 ~ XCN )2 + (yAP 4 - yCN f + (ZAP * ~ ZCN Y = C ('« 4 " *CN " ^J
mit
s. Raumkoordinaten eines AccessPoints
e Raumkoordinaten des ClientNodes
am AccessPoint i gemessene Differenzzeit
4CAf Abweichung der Zeitskala des ClientNodes zur
Systemzeit
' AP i Abweichung der Zeitskala des i-ten AccessPoints zur Systemzeit
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 1 bis
20, zeitlich wiederkehrend durchgeführt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass aus den AccessPoints ein Master AccessPoint mit bekannter Position ausgewählt wird, und dass eine zeitlich wiederkehrende Überprüfung von Ortsveränderungen der weiteren AccessPoints in Bezug auf den Master AccessPoint auf der Grundlage folgenden Verfahrens erfolgt:
Aussenden eines BC-Signals vom Master AccessPoint und zeitgleiches
Auslösen einer Zeitmessung im Master AccessPoint, Empfangen des BC-Signals durch einen weiteren AccessPoint APj und damit zeitgleiches Auslösen einer Zeitmessung im AccessPoint APj,
Aussenden eines Antwort-Signals (SAP.I) von dem AccessPoint APi und
Empfangen des jeweiligen Antwort-Signals (SAp.i) durch den Master
AccessPoint,
Ermitteln der Laufzeiten des BC-Signals zwischen dem Master AccessPoint und dem AccessPoint APi und/oder der Laufzeit des Antwort-Signals SAP.I zwischen dem AccessPoint APj und dem Master AccessPoint und Vergleichen mit entsprechenden vorbekannten Laufzeiten, und/oder
Ermitteln des Abstandes (DMAP-API) zwischen Master AccessPoint und dem
AccessPoints APj und Vergleichen mit einem entsprechend vorbekannten
Abstand.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung zwischen einer vorbekannten Laufzeit oder einem vorbekannten Abstand zur ermittelten Laufzeit oder zum ermittelten Abstand gespeichert wird und/oder eine Systemwarnung und/oder ein Steuersignal erzeugt.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aussenden eines PR-Signals, eine Anzahl n von AccessPoints ermittelt wird, die das PR-Signal empfangen haben.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall 1 <n < 4, die Position für den entsprechenden ClientNode näherungsweise durch einen Vergleich, der sich aus den an den n AccessPoints gewonnen Daten ergebenden möglichen Positionen des ClientNodes mit der letzten eindeutig bekannten Position des ClientNodes, bestimmt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: Ermitteln eines Ortes eines ClientNodes, von dem ein von dem ClientNode abgesandtes PR-Signal von n AccessPoints mit n < 4 empfangen wird, Ermitteln einer räumlichen Anordnung von AccessPoints, bei der ein von dem ClientNode am ermittelten Ort abgesandtes PR-Signal von n >4 AccessPoints empfangen wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mehrerer ClientNodes wenigstens eine Untergruppe von ClientNodes, ein so genanntes ClientNodeCluster, gebildet wird, dass Phasendifferenzen zwischen am Ort der ClientNodes empfangenen Empfangssignalen berechnet werden, die von einem Signal herrühren, das von wenigstens einem AccessPoint abgesendet worden ist, und dass auf Basis der Phasendifferenzen die Einfallsrichtung der Empfangssignale ermittelt wird, die für eine weitere Plausibiltätsüberprüfung dient.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem ClientNodeCluster zugehörigen ClientNodes auf einem zusammenhängenden Träger montiert sind.
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