WO2013167702A1 - Vorrichtungsanordnung und verfahren zur dynamischen positionsbestimmung einer oder mehrerer personen - Google Patents

Vorrichtungsanordnung und verfahren zur dynamischen positionsbestimmung einer oder mehrerer personen Download PDF

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WO2013167702A1
WO2013167702A1 PCT/EP2013/059670 EP2013059670W WO2013167702A1 WO 2013167702 A1 WO2013167702 A1 WO 2013167702A1 EP 2013059670 W EP2013059670 W EP 2013059670W WO 2013167702 A1 WO2013167702 A1 WO 2013167702A1
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WO
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receiver
passenger
gnss
arrangement according
device arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/059670
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander HUETTENBRINK
Oliver TRINCHERA
Original Assignee
Huettenbrink Alexander
Trinchera Oliver
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 Huettenbrink Alexander, Trinchera Oliver filed Critical Huettenbrink Alexander
Publication of WO2013167702A1 publication Critical patent/WO2013167702A1/de

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Classifications

    • 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
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/43—Determining position using carrier phase measurements, e.g. kinematic positioning; using long or short baseline interferometry
    • G01S19/44—Carrier phase ambiguity resolution; Floating ambiguity; LAMBDA [Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment] method

Definitions

  • the invention relates to a device arrangement for dynamic high-precision position determination of one or more persons.
  • the invention further relates to a method for dynamic high-precision position determination of one or more persons.
  • GNSS global navigation satellite system
  • Each satellite of the GNSS satellite constellation radiates continuously encoded radio signals indicating its exact position and time. From the signal propagation times, special GNSS receivers can then calculate their own position and possibly speed. Theoretically, the reception of signals from three satellites is sufficient. In practice, however, the receivers do not have a clock that is accurate enough to correctly measure the transit times. Therefore, the signal of a fourth satellite is needed, with which then the exact time in the receiver can be determined.
  • GPS Global Positioning System
  • a constellation of GPS satellites sends two separate signals: the L1 signal on a first carrier wave with a C / A code and the L2 signal on a second carrier wave with a P code.
  • the codes contain the orbit data (ephemeris) of the respective satellite and the transmission time of the signal.
  • High-quality systems such as those used in geodesy, additionally use the so-called carrier phase measurement.
  • the phase difference between the carrier phase emitted by the satellite and the phase of the reference signal generated in the receiver is evaluated.
  • only the remainder of the wave can be measured.
  • the number of whole wavelengths (ambiguities) required for the distance measurement can not be easily determined because the transmitting satellite is in constant motion and the initial count is unknown.
  • powerful algorithms have been developed, such as the combination of code and carrier phase measurement, whereby the codes are understood as an additional measuring wave.
  • a second method is ambiguity search functions, which use statistical criteria to search for a solution.
  • initialization For real-time measurements this leads in practice to the fact that before each beginning of the measurement the receiver must first solve the phase ambiguities of at least five satellites. This process is called initialization.
  • the quality of the initialization depends on the signal quality, the number of satellites that can be received, the distance to the reference station, the frequency of occurrence of cycle slips (loss of phase relation in the carrier phase measurement) and the ones used Carrier phases. Basically, position determination in the millimeter range are possible with such systems. Further explanations and particular embodiments of such systems are given, for example, in EP 0 420 338 B1 and EP 0 968 577 B1.
  • PPP Precise Point Positioning
  • the PPP evaluation does not require local or regional reference stations because the necessary precise orbit data and satellite clock corrections are independent of the measurements of a particular data service, e.g. B. the International GNSS Service (IGS), are provided.
  • IGS International GNSS Service
  • some initialization time is required in the commissioning of such a system before the precise position determination can be started.
  • the object of the invention is to overcome these difficulties and to enable highly accurate location of persons, especially when they are in motion.
  • the device arrangement according to the invention for the dynamic high-precision positioning of one or more persons comprises at least one passenger receiver having a GNSS antenna for receiving navigation signals from satellites of a global navigation satellite system (GNSS) and a radio module for transmitting GNSS-related data of the passenger receiver to another radio module ,
  • the device arrangement further comprises a computing unit for determining position data of the passenger receiver on the basis of carrier phase measurements of the navigation signals, preferably in combination with code measurements.
  • the arithmetic unit is designed in accordance with the invention such that a drift and an offset of the carrier phases of the navigation signals of the satellites are determined in advance and / or continuously and the measured carrier phases are corrected accordingly.
  • the GNSS antenna of the passenger is located at a location on the upper half of the body of the person, in particular on the head, on a shoulder, in the neck area or in the upper back of the person.
  • it is precisely the combination of code and carrier phase measurements of satellite navigation signals that permits highly accurate position determination.
  • the hitherto unresolved reception problems must be overcome for the purpose of highly accurate dynamic positioning of persons who are able to stand still or (move) quickly.
  • the invention is based on the finding that GNSS antennas are available which are carried by persons without any particular impairment of the mobility and, when placed according to the invention, can fulfill the reception requirements in order to enable a satellite-supported position determination.
  • the inventive device arrangement allows both the use of differential evaluation techniques (DGNSS) with inclusion a nearby reference receiver as well as the use of the autarkic Precise Point Positioning method, which manages without such a reference receiver.
  • DDGNSS differential evaluation techniques
  • the method of the invention does not directly use the raw data from carrier phase measurements as they come from the GNSS receiver; Rather, the carrier phases are calibrated by determining in advance a drift and an offset of the carrier phase of the navigation signals of all satellites and correspondingly correcting the measured carrier phases. Such a calibration is necessary because the carrier phases are ambiguous.
  • the carrier phase measurements include, for example, atmospheric-specific errors, receiver-specific errors, satellite-specific biases. Other errors are so-called phase jumps of the carrier phase, which uncorrected can lead to significant errors in the position estimate.
  • the abovementioned errors are cumulatively interpreted as an offset and a drift, and accordingly estimated and used to correct the carrier phase measurements.
  • the calibration of the individual carrier phase measurements for each satellite can be done by compensation calculations based on the carrier phases and the a priori known position change of the receiver.
  • the invention is different from known smoothing methods
  • Carrier-phase smoothing relies on a permanent code measurement, whereas the solution according to the invention does not depend on it This is not the only reason why a wide field of application possibilities opens up, especially in the sports sector.
  • Satellites should also be understood to mean pseudolites, ie terrestrial transmitters which emit navigation signals that mimic those of a satellite.
  • the GNSS antenna of the personal receiver is an area-effect antenna throughout the hemisphere. Basically, at suitable orientation but also a directional antenna can be used.
  • the passenger receiver has a housing in which a plurality of components are housed, and the GNSS antenna is disposed in this housing or it protrudes directly out of this housing.
  • the GNSS antenna is arranged outside the housing, in particular at a distance of more than 2 cm, in order to avoid interferences in reception by the other components of the personal receiver as far as possible.
  • the GNSS antenna is connected by means of a wired or a wireless radio transmission to the other components of the passenger receiver, in particular to a microcontroller.
  • Very good reception results can be achieved if the GNSS antenna is arranged on the head, shoulder, neck or upper back of the person whose position is to be determined.
  • the reception characteristics can be enhanced by a pivoting device for the GNSS antenna, which is coupled to a gyroscope or an acceleration sensor, or by a bearing of the GNSS antenna on a fluid-filled cushion.
  • the arithmetic unit in which the essential calculations for position determination are carried out, is integrated into the personal receiver and preferably has a microcontroller.
  • the arithmetic unit outside the passenger receiver preferably in a reference station or an external central evaluation unit, arranged components.
  • the personal receiver should be in radio communication with a nearby fixed reference station, the position of which is accurately known and which has a GNSS antenna for receiving the same navigation signals from the satellites of the GNSS. Due to the differential evaluation can be advantageously a highly accurate dynamic Reach position determination relative to the fixed reference station, especially in the context of sporting events or other applications in which primarily the relative position changes are important.
  • the reference station may be a dedicated device; but it can also be formed by a WLAN-enabled device, in particular a notebook, with suitable software.
  • the position data can be displayed visually on a terminal, in particular a smartphone, tablet or notebook, directly or in a processed form.
  • the device arrangement according to the invention can be expanded by one or more sensors for detecting specific measured variables, wherein the computing unit of the device arrangement is designed such that it calculated position data of the personal receiver associated with the measured values of the sensor or sensors. This results in a multiplicity of further application possibilities for the invention.
  • one or more MEMS inertial sensors are provided for the detection of phase jumps in the carrier phase, so that position changes can already be taken into account during the calibration phase.
  • Microsystem sensors are particularly advantageous for the preferred application of the invention in the field of sports because of their small size and low energy consumption.
  • Embodiments are possible in which at least one sensor is integrated into the passenger receiver, is attached directly to a sports or game device and / or is attached to a sensor device which has a transmitter unit and is worn by the person or at a sport - or game device is mounted and preferably designed as a belt or belt.
  • a signaling unit which gives the person whose position is determined, a haptic, audible or visual perceptible feedback, which results from the calculated position data and / or an evaluation of the position data.
  • the signaling unit can be integrated directly into the passenger receiver in a compact embodiment.
  • the signaling unit comprises data goggles. This embodiment enables the person to continuously display position-related information without unduly distracting the person.
  • the personal receiver can be assigned certain properties that are relevant for the evaluation of the position data, eg B. a team affiliation of the person.
  • certain properties that are relevant for the evaluation of the position data, eg B. a team affiliation of the person.
  • games and sports applications it is possible to have a sports or sports
  • Game device to be integrated with a tuned to a radio module of the personal receiver radio module that continuously emits a presence signal.
  • a radio module of the personal receiver radio module that continuously emits a presence signal.
  • the radio module of the passenger receiver is set up so that it can determine the strength of the detected presence signal. From a given signal strength can be detected on "ball possession".
  • the person receiver of a person is in radio communication with at least one further person receiver of another person.
  • mutual settlement of the detected phase differences can be highly precise, relative positions of the passenger to each other determine.
  • the method according to the invention for the dynamic high-precision position determination of one or more persons comprises the following steps:
  • the advantages of this method essentially correspond to those of the device arrangement according to the invention, so that reference may be made to the above statements.
  • the navigation signals should be received continuously with a temporal resolution> 1 Hz.
  • the method according to the invention makes it possible to use either a relative or differential evaluation technique or the Precise Point Positioning method to calculate the position data.
  • measured values of additional sensors of the Device arrangement in particular of sensors that are worn by the person (acceleration sensor, gyroscope, etc.) can be used.
  • the data from these sensors also allow a continuation of the position determination, if temporarily insufficient reception of the navigation signals of the GNSS satellites is possible.
  • the method according to the invention provides that two or more personal receivers send each other their GNSS data formed from the received navigation signals to carrier phase measurements, preferably in combination with code measurements, by radio, and that in each passenger receiver the phase difference of the carrier signal of the same Satellites from the other personal receivers with its own phase data is charged.
  • FIG. 1 is an overview of essential and optional components of a device arrangement according to the invention for absolute position determination
  • FIG. 2 shows a passenger receiver of the device arrangement
  • FIG. 3 shows a reference station of the device arrangement
  • FIG. 4 shows a game or sports device of the device arrangement
  • FIG. 5 shows a sensor device of the device arrangement
  • FIG. 6 is an overview of essential components of a device arrangement according to the invention for relative position determination;
  • FIG. 7 shows a first example of application for the device arrangement according to the invention.
  • FIG. 8 shows a second example of application for the device arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows the components of a device arrangement for determining the absolute position of a person 10.
  • a stationary reference station 14 whose position is known exactly, is equipped with a receiver for the navigation signals and with a radio module.
  • the person 10, whose position is to be determined, carries at least one subsequently referred to as a personal receiver 16 device with a GNSS antenna.
  • An optional game or sports device 18, for example a ball with a radio module and a sensor device 20 carried by the person 10 on a body part is provided, which is connected by cable or by radio to the personal receiver 16.
  • the passenger receiver 16 is shown in detail in FIG.
  • This device although containing other logical components, is therefore referred to as a personal receiver because it is carried by a person 10 and includes as core components the GNSS antenna 22 and a GNSS receiver 24 with which the satellite navigation signals are received and received GNSS data to be converted.
  • the GNSS antenna 22 is preferably an area-effect antenna throughout the hemisphere; but it can also be a directional antenna, but should then be aligned so possible that the main directivity points in the direction of the hemisphere.
  • the GNSS antenna 22 is arranged in a housing 26 of the passenger receiver 16, in which further components of the passenger receiver 16 are accommodated, or the GNSS antenna 22 projects directly out of the housing 26.
  • the GNSS antenna 22 may also be arranged externally, in particular at a distance of more than 2 cm from the housing 26, in order to avoid possible disturbing influences of the remaining components of the passenger receiver 16 on the reception of the navigation signals.
  • the GNSS antenna 22 is by means of a wired or a wireless Radio transmission to the other components of the passenger receiver 16, in particular to a microcontroller 28, connected.
  • the microcontroller 28 coordinates the data streams of the personal receiver 16 and performs calculations.
  • the Bluetooth technology optionally allows the wireless connection of the GNSS antenna 22 and / or external sensors, the z. B. are attached to a game or sports equipment.
  • the same or another radio module 32 is (also) designed for further distances and may transmit GNSS data to a radio module of the reference station 14 and receive commands from the reference station 14, and / or the radio module 32 may transmit GNSS data to other personal receivers 16.
  • a storage medium 34 and a voltage source 36, in particular a rechargeable accumulator, for supplying power to the electrical components of the personal receiver 16 are also present.
  • the passenger receiver 16 also includes various sensors 38, which provide additional information, eg. Acceleration, orientation / orientation and temperature data.
  • a signaling unit 40 is also provided, which under certain circumstances can give the wearer a haptic (vibration), acoustically or visually perceptible feedback.
  • the signaling unit 40 like the sensors 38, can be integrated into the housing 26 or arranged externally and connected by cable or radio.
  • the signaling unit 40 includes a data glasses with an integrated display in the manner of a head-mounted display. On a small, placed close to the eyeball screen the person 10 certain information, such as your own position, speed, acceleration, etc. are displayed.
  • An operating device 42 in particular a switch or a button, is used to switch the passenger receiver 16 on and off. With the same or further operating devices, it is optionally also possible to make special settings, such as a team affiliation of the wearer.
  • the GNSS antenna 22 or the passenger receiver 16 with the integrated GNSS antenna 22 is arranged on the upper body half (upper body) of the person 10. Suitable locations are in particular the head, the shoulders, the neck area or the upper back area, as indicated in FIG. It is decisive that the best possible reception of the satellite navigation signals is ensured on a continuous basis. For this purpose, the directivity of the GNSS antenna 22 should be oriented horizontally upwards, which is best ensured at the locations mentioned.
  • the GNSS antenna 22 can always be pivoted in the preferred direction of reception, if necessary, by means of a gyroscope or acceleration sensor by means of a pivoting device coupled thereto.
  • the GNSS antenna 22 may also be supported on a pad filled with a fluid, so that an inclination of the body of the person 10 is automatically compensated.
  • GNSS antenna 22 may be carried by the person 10 in a variety of ways.
  • the GNSS antenna 22 may be incorporated with or without the remaining components of the passenger receiver 16 in the clothing of the person 10, z. B. in a vest, a shoulder strap, a protector, a shoulder pad, a jersey, a tracksuit or in a headgear (helmet, peaked cap, etc.).
  • the GNSS antenna 22 or the passenger receiver 16 may also be attached to the clothing or directly on the body of the person, for.
  • FIG. 3 shows the reference station 14 with its components.
  • the passenger receiver Like the passenger receiver, it includes a GNSS antenna 44 and a GNSS receiver 46, which receive the satellite navigation signals and convert them to GNSS data.
  • a radio module 48 z. B. on WLAN, UMTS, HSDPA or LTE-based
  • the transmitted GNSS data from surrounding personal receivers 16 can be received.
  • the respective positions of the personal receivers 16 can be determined using a suitable calculation method from the received (code and) carrier phase data. In particular, time-critical calculations can also be applied to another device with larger Computing power to be outsourced.
  • the radio module 48 or a wired transmission the position data or the not yet evaluated GNSS data are forwarded.
  • the data can in particular be sent to a cloud or directly to receivable devices.
  • the calculated position data are preferably displayed visually on a terminal (smartphone, tablet, notebook, etc.).
  • reference station 14 Further components of the reference station 14 are a storage medium 52 and a voltage source 54 for the power supply.
  • the power supply can alternatively be done via solar cells.
  • a notebook or a comparable device with suitable software and a radio module (WLAN) can also be used as the reference station 14.
  • FIG. 4 shows a ball as an example of a game or sports device 18.
  • a radio module 56 is arranged inside the ball.
  • the game or sports device 18 includes a microcontroller 58, a voltage source 60 for power and one or more sensors 62, such as a pressure sensor for determining the air pressure, an acceleration sensor or a sensor for determining the remaining accumulator power.
  • sensors 62 such as a pressure sensor for determining the air pressure, an acceleration sensor or a sensor for determining the remaining accumulator power.
  • an acceleration or pressure sensor (not shown) is provided which responds to a corresponding external influence. After a defined period of time in which the acceleration or pressure sensor detects no activity, the electrical components of the game or sports device are switched off or put into a sleep mode.
  • a voltage source 60 is an accumulator, which can be charged inductively (contactless), preferably in a charging tray.
  • the sensor device 20 shown in FIG. 5 is either worn on the body by a person 10, in particular on the arm, hand, leg or foot, or it is fastened to a game or sports device, such as a tennis or hockey game, for example. Bat.
  • the sensor device 20 can accordingly be designed as a bracelet, belt or the like.
  • the sensor device 20 has a transmitting and receiving unit 64, an acceleration sensor 66, a gyroscope 68, a Microcontroller 70 and a voltage source 72 for the power supply of the aforementioned electrical components.
  • Other sensors such as a temperature sensor or a heart rate sensor may also be provided.
  • transmitting and receiving unit 64 in turn, a Bluetooth low-energy module is suitable; but it can also be provided only a pure transmitting unit.
  • a display 74 of the sensor device 20 is used to display information coming from the personal receiver 16 or from its own receiving unit.
  • the reference station 14 with the GNSS antenna 44 and the GNSS receiver 46 is placed on a point with known coordinates. If this is not possible, the position can also be determined by the reference station 14 itself by averaging a long-term positioning calculation. It is also possible to determine the position of the reference station 14 relative to other reference stations, at least one of which knows the exact absolute coordinates. The manner of such a relative position determination is analogous to the explained determination of the positions of several passenger receiver 16 relative to each other.
  • the GNSS data provided by the GNSS receiver 24 in usable digital form is used by the radio module 32, which preferably operates with 2.4 GHz technology, for (code and) Phase measurement transmitted to the reference station 14.
  • RCTM, RINEX or NMEA can be provided as the data format.
  • the phase differences of the carrier signal of the same satellite from the reference receiver 46 and from the receiver 24 of the personal receiver 16 are respectively compared.
  • carrier phase measurements preferably in combination with code measurements, as well as statistical algorithms for solving the phase ambiguity
  • a highly accurate, absolute (geodetic) position of the respective personal receiver 16 is then calculated in real time.
  • DGNSS relative / differential evaluation techniques
  • IGS data service
  • Preferred data formats for the position data obtained are again RCTM, RINEX or NMEA. However, other known or self-developed data formats can be used.
  • the position data may, if appropriate, after further processing and / or evaluation, transmitted to one or more terminals (if necessary) or via a data service such. As an Internet portal, are provided. On a terminal, the position data is displayed visually.
  • the position determination and optionally a subsequent processing and / or evaluation of the position data can also be done in the passenger receiver 16 itself, in particular in the microcontroller 28, or in an external central evaluation unit.
  • the GNSS data are forwarded by radio transmission technology for long ranges (eg UMTS, HSDPA or LTE) from the reference station 14 or also directly from the personal receiver 16 by means of such a transmission technique. This is particularly advisable when the data of a plurality of personal receivers 16 are to be processed in real time and the computing power of the reference station 14 or the personal receiver 16 is not designed for it.
  • an internal or external Arithmetic unit is present, which can perform the calculations required for the position determination.
  • the individual position data of the personal receiver 16 can be evaluated in a variety of forms. In particular, movement patterns of the persons 10 who carry the personal receivers 16 can be created and evaluated. Based on the information on where a player has been at what time, more information can be obtained, such. B. Maximum, average, and current speed, acceleration, distance traveled, etc.
  • the position or movement data of the personal receiver 16 can be validated or corrected using the data of existing sensors (acceleration sensor, gyroscope, etc.), even during the calibration phase. If for a short time no reception of the navigation signals of the satellites 12 is possible, the data of these sensors can be used to continue the dynamic position determination.
  • the signaling unit 40 serves to give the wearer of the device feedback that results directly from the position data itself and / or from its evaluation. For example, a player information about his position, speed, acceleration, free game positions, free paths, etc. are displayed, in the case of a head-up display in graphically processed form. Likewise, the person 10 optical, acoustic or haptic alarm signals can be taught. The corresponding commands and information can be sent by radio from the central evaluation unit, the reference station 14 or another command center to the personal receiver 16. Alarm signals, the passenger receiver 16 but also trigger alone when he z. B. recognizes that he is leaving a previously defined area.
  • the game or sports device 18 is integrated by the transmitting and receiving unit emits a radio signal, preferably in the 2.4 GHz range.
  • a radio signal preferably in the 2.4 GHz range.
  • further data of the sensors 62 such as air pressure, acceleration and state of charge of the accumulator, can be sent.
  • These signals or data are received by the radio module 30 of the personal receiver 16 and transmitted to the reference station 14 together with the GNSS data.
  • the strength of the detected presence signal can be determined, for example, as an RSSI value (Received Signal Strength Indication).
  • RSSI value Received Signal Strength Indication
  • the evaluation of the signal strength allows an interpretation of how close the game or sports device 18 is to the person 10. In this way, z. B. in a football match or other ball sports the ball-bearing players are identified.
  • a separate transmitting and receiving unit can be attached to the leg or foot of a player, which detects the presence signal of the game or sports equipment 18 and determines its signal strength and then forwards it to the personal receiver 16 in the area of the upper body of the person 10.
  • sensor data acceleration, temperature, heart rate, etc.
  • the microcontroller 70 can perform certain calculations with the sensor data (in particular acceleration) and interpret based on certain algorithms, which type of movement was performed with the body part or game or sports equipment to which the sensor device 20 is attached. So z. B. in tennis between a forehand and a backhand are distinguished.
  • This information is transmitted by means of the transmitting and receiving unit 64 to the personal receiver 16, which carries the person 10 on the upper body.
  • the evaluation of the sensor data can be outsourced, i. H. In this case, only the raw data is transmitted to the personal receiver 16 and forwarded from there to an evaluation unit.
  • Two or more personal receivers 16 send each other their usable GNSS data for (code and) carrier phase measurement by radio.
  • the phase difference of the carrier signal of the same satellite from the other personal receivers 16 is charged with its own phase data.
  • carrier phase measurements preferably in combination with code measurements, as well as statistical algorithms for solving the phase ambiguity, a highly accurate, relative position of the personal receivers 16 to each other is then calculated in real time.
  • both relative / differential evaluation techniques (DGNSS) and the (self-sufficient) stand-alone precision point-positioning method can be used for this position determination.
  • DDGNSS relative / differential evaluation techniques
  • self-sufficient position determination ie if a self-sufficient position determination is carried out for a passenger receiver 16, the relative distances of the other passenger receivers 16 to this passenger receiver 16 can be converted into highly accurate, absolute positions.
  • the device arrangement essentially corresponds to the arrangement described in FIG. 1, so that reference may be made to the above statements.
  • FIGS. 7 and 8 two possible applications for the device arrangement are shown by way of example.
  • the absolute position of players 10 is determined and set in relation to predefined zones 76 of a playing field 78. In this way it can then be recognized whether a player 10 leaves such a zone 76.
  • the player 10, this can be communicated immediately using the signaling unit 40, z. B. acoustically or by vibration. Such signals can also be output when overshooting or undershooting a given speed or heart rate.
  • the positional data of a plurality of players 10 are used to evaluate the relative positional play.
  • a desired game formation eg defense chain or offside trap
  • the reference station 14 gives the personal receiver 16 the command to signal the player 10 the deviation.
  • Similar scenarios relate, for. For example, the maximum / minimum distance a player 10 may have to an opponent or to certain cones of a course set up by the trainer for training purposes.
  • a camera which knows its position (absolutely on the ground or relative to the reference station 14) itself or calculated by means of a personal receiver 16 which is temporarily or permanently attached to the camera.
  • the camera has a digital or optical zoom and is integrated into one or has a pan and / or tilt device.
  • a computing unit for controlling the camera and the pan and / or tilt device the position of a passenger receiver 16 to be filmed is transmitted by wire or wirelessly.
  • the arithmetic unit then calculates the relative position of the passenger receiver 16 to be filmed or the associated person to the camera. Accordingly, the zoom setting, auto-focus setting, tilt and pan angles are determined, and these control signals are wired or wirelessly forwarded to the camera (device).

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Abstract

Eine Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10) umfasst wenigstens einen Personenempfänger (16), der eine GNSS-Antenne (22) zum Empfang von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist. Die Vorrichtungsanordnung umfasst ferner eine Recheneinheit zur Berechnung von Positionsdaten des Personenempfängers (16) auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen. Die Recheneinheit ist so ausgelegt, dass eine Drift und ein Versatz der Trägerphasen der Navigationssignale der Satelliten (12) vorab und/oder kontinuierlich bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden. Die GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) ist an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10) angeordnet. Ein Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10) umfasst folgende Schritte: Bereitstellen wenigstens eines Personenempfängers (16), der eine GNSS-Antenne (22) und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist; Bereitstellen einer Recheneinheit; Anbringen der GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10), insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person (10); Empfangen von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS mittels der GNSS-Antenne (22); und Berechnen von Positionsdaten des Personenempfängers (16) mit der Recheneinheit auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, wobei eine Drift und ein Versatz der Trägerphasen der Navigationssignale der Satelliten (12) vorab und/oder kontinuierlich bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden.

Description

Vorrichtungsanordnung und Verfahren
zur dynamischen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen. Die Erfindung be- trifft ferner ein Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen.
Konventionelle satellitengestützte Positionsbestimmungstechniken basieren auf der Auswertung von Navigationssignalen von mehreren Satelliten eines globalen Navigationssatellitensystems (englisch: Global Navigation Satellite System) das nachfolgend gemäß der üblichen Abkürzung kurz als GNSS bezeichnet wird. Jeder Satellit der GNSS-Satellitenkonstellation strahlt kontinuierlich kodierte Radiosignale aus, die seine genaue Position und Uhrzeit angeben. Aus den Signallaufzeiten können spezielle GNSS-Empfänger dann ihre eigene Position und gegebenenfalls Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reicht dazu der Empfang der Signale von drei Satelliten aus. In der Praxis haben aber die Empfänger keine Uhr, die genau genug ist, um die Laufzeiten korrekt messen zu können. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem dann auch die genaue Zeit im Empfänger bestimmt werden kann.
Beim bekannten Global Positioning System (GPS) beispielsweise sendet eine Konstellation von GPS-Satelliten zwei getrennte Signale: das L1 -Signal auf einer ersten Trägerwelle mit einem C/A-Code und das L2-Signal auf einer zweiten Trägerwelle mit einem P-Code. Die Codes enthalten die Bahndaten (Ephemeride) des jeweiligen Satelliten und den Sendezeitpunkt des Signals. Durch Messen der Code-Signale kann ein Empfänger seine Position mit einer Genauigkeit von wenigen Metern bestimmen.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, ist es notwendig, Störfaktoren wie Uhrenfehler, Einflüsse der Troposphäre und Ionosphäre, ungenaue Bahndaten, etc. zu kontrollieren. Die meisten dieser Fehler können durch die Differenzbildung von GNSS-Signalen zweier benachbarter Empfänger und den gleichzeitigen Empfang der Navigationssignale zweier Satelliten (Doppeldifferenzen) eliminiert werden. Konkret wird bei der Umsetzung dieser differentiellen Technik (DNGSS) neben dem DNGSS-Empfänger, dessen Position bestimmt werden soll, ein Empfänger einer in der Nähe befindlichen Referenzstation mit genau bekannter Position einbezogen, der auch die Code-Signale empfängt und seine Position berechnet. Aus der Abweichung zwischen der tatsächlichen und der berechneten Position lassen sich für jeden Satelliten die wirklichen Laufzeiten der Signale zum Empfänger sehr genau bestimmen. Die Referenzstation übermittelt dann die Differenzen der theoretischen und der tatsächlichen Signal-Laufzeiten als Korrektursignale an den DNGSS-Empfänger. Dadurch kann eine Genauigkeit im Meter-Bereich erreicht werden, abhängig hauptsächlich von der Entfernung des DNGSS-Empfängers von der Referenzstation.
Hochqualitative Systeme, wie sie beispielsweise in der Geodäsie verwendet werden, wenden zusätzlich die sogenannte Trägerphasenmessung an. Hierbei wird die Phasendifferenz zwischen der vom Satelliten ausgesendeten Trägerphase und der Phase des im Empfänger erzeugten Referenzsignals ausgewertet. Es ist jedoch nur das Wellenreststück messbar. Die zur Entfernungsmessung notwendige Anzahl der ganzen Wellenlängen (Ambiguities) ist dagegen nicht ohne Weiteres zu bestimmen, da sich der sendende Satellit in ständiger Bewegung befindet und der Anfangszählerstand unbekannt ist. Für die schnelle Bestimmung der Wellenlängenanzahl wurden deshalb leistungsfähige Algorithmen entwickelt, wie etwa die Kombination von Code und Trägerphasenmessung, wobei die Codes als zusätzliche Messwelle aufgefasst werden. Eine zweite Methode sind Mehrdeutigkeitssuchfunktionen, bei der mit Hilfe statistischer Kriterien nach einer Lösung gesucht wird. Für Echtzeit- Messungen führt dies in der Praxis dazu, dass vor jedem Messbeginn der Empfänger zunächst die Phasenmehrdeutigkeiten von mindestens fünf Satelliten lösen muss. Dieser Prozess wird Initialisierung genannt. Die Güte der Initialisierung, und damit auch die Genauigkeit, hängt unter anderem von der Sig- nalqualität, der Anzahl der empfangbaren Satelliten, der Entfernung zur Referenzstation, der Häufigkeit des Auftretens von Cycle Slips (Verlust der Phasenbeziehung bei der Trägerphasenmessung) und von den genutzten Trägerphasen ab. Grundsätzlich sind mit solchen Systemen Positionsbestimmungen im Millimeter-Bereich möglich. Nähere Erläuterungen und besondere Ausführungsformen solcher Systeme sind beispielsweise in der EP 0 420 338 B1 und der EP 0 968 577 B1 angegeben.
Anstatt der relativen Positionsbestimmungsverfahren (DGNSS) kann auch die sogenannte Precise Point Positioning (PPP) Auswertetechnik verwendet werden, die mittels komplexer Algorithmen ohne die Verwendung von Referenzempfängern ebenfalls hochgenaue Positionierungsergebnisse erreicht. Die PPP-Auswertung benötigt keine lokalen oder regionalen Referenzstationen, da die notwendigen präzisen Bahndaten und Satellitenuhrkorrekturen unabhängig von den Messungen von einem speziellen Datendienst, z. B. dem International GNSS Service (IGS), bereitgestellt werden. Es ist jedoch eine gewisse Initialisierungszeit bei der Inbetriebnahme eines solchen Systems erforderlich, bevor mit der präzisen Positionsbestimmung begonnen werden kann.
Bislang gibt es aber noch kein brauchbares System für die hochgenaue Posi- tionsbestimmung von sich bewegenden Personen. So können Systeme, die auf Trägerphasenmessungen von Satellitensignalen basieren, nicht ohne Weiteres auf Personen übertragen werden. Der Empfang von Trägerphasendaten mittels am Körper getragener Empfänger ist nämlich aus mehreren Gründen problematisch: So können große Antennen nicht am Körper getragen werden, ohne die Bewegungsfreiheit einzuschränken. Des Weiteren können durch den menschlichen Körper bedingte Mehrwegeffekte (Mehrwegempfang; englisch: multipath) zu einer Verzerrung der Positionsbestimmung führen. Außerdem stellt der menschliche Körper eine Störquelle für elektromagnetische Signale dar, da Wasser - d. h. 80% des menschlichen Körpers - die Signale abschirmt. Zudem findet aufgrund der Bewegung der Person häufig eine Abschattung der Satelliten durch bestimmte Körperteile statt. Schließlich ist auch zu berücksichtigen, dass eine schnelle Änderung der Ausrichtung des Körpers eine Änderung der empfangenen Satelliten bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu überwinden und eine hochgenaue Ortung von Personen zu ermöglichen, insbesondere wenn sie sich in Bewegung befinden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An- spruchs 26. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen umfasst wenigstens einen Personenempfänger, der eine GNSS-Antenne zum Empfang von Navigationssignalen von Satelliten eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) und ein Funkmodul zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers an ein anderes Funkmodul aufweist. Die Vorrichtungsanordnung umfasst ferner eine Recheneinheit zur Bestimmung von Positionsdaten des Personenempfängers auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen. Die Recheneinheit ist gemäß der Erfindung so ausgelegt, dass eine Drift und ein Versatz der Trägerphasen der Navigationssignale der Satelliten vorab und/oder kontinuierlich bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden. Die GNSS-Antenne des Personenempfängers ist an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person angeordnet, insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person. Wie bereits eingangs erläutert, erlaubt gerade die Kombination von Code- und Trägerphasenmessungen von Satelliten-Navigationssignalen eine hochgenaue Positionsbestimmung. Für die angestrebte hochgenaue dynamische Positionsbestimmung von Personen, die stillstehen oder sich (schnell) bewegen können, müssen aber die bislang ungelösten Empfangsprobleme überwunden werden. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass GNSS-Antennen verfügbar sind, die von Personen ohne besondere Beeinträchtigung der Beweglichkeit getragen werden und bei erfindungsgemäßer Platzierung die Empfangsanforderungen erfüllen können, um eine satellitengestützte Positionsbestimmung zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass die GNSS- Antennen auch dann, wenn sich die Personen schnell und abrupt bewegen, dauerhaft die Navigationssignale von genügend Satelliten in einer Qualität empfangen können, wie sie für die Berechnung hochgenauer Positionsdaten erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung erlaubt sowohl die Verwendung von differentiellen Auswertetechniken (DGNSS) unter Einbeziehung eines nahegelegenen Referenzempfängers als auch die Verwendung der autarken Precise-Point-Positioning-Methode, die ohne einen solchen Referenzempfänger auskommt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden nicht direkt die rohen Daten von Trägerphasenmessungen verwendet, wie sie aus dem GNSS-Receiver kommen; vielmehr werden die Trägerphasen kalibriert, indem eine Drift und ein Versatz der Trägerphase der Navigationssignale aller Satelliten vorab bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden. Eine solche Kalibrierung ist notwendig weil die Trägerphasen mehrdeutig sind. Die Trägerphasenmessungen beinhalten beispielsweise atmosphärenspezifische Fehler, empfängerspezifische Fehler, satellitenspezifische Biases. Weitere Fehler sind sogenannte Phasensprünge der Trägerphase, welche unkorrigiert zu deutlichen Fehlern in der Positionsschätzung führen können.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die oben genannten Fehler kumulativ als ein Versatz und eine Drift interpretiert und dementsprechend geschätzt und benutzt, um die Trägerphasenmessungen zu korrigieren. Die Kalibrierung der einzelnen Trägerphasenmessungen für jeden Satelliten kann durch Ausgleichsrechnungen anhand der Trägerphasen und der a-priori bekannten Positionsänderung des Empfängers erfolgen. Die Erfindung grenzt sich damit ab von bekannten Glättungsmethoden
(„Carrier-phase smoothing"), bei denen die nicht kalibrierte Trägerphase verwendet wird, um die Codemessung genauer zu machen. Carrier-phase smoothing ist auf eine permanente Codemessung angewiesen, die erfindungsgemäße Lösung hingegen nicht. Die erfindungsgemäße Positionsbestimmung ist in Echtzeit möglich und eröffnet nicht zuletzt deshalb ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Sportbereich.
Unter Satelliten sollen hier auch Pseudoliten verstanden werden, also terrestrische Sender, die Navigationssignale aussenden, die diejenigen eines Satelliten nachahmen.
Vorzugsweise ist die GNSS-Antenne des Personenempfängers eine Antenne mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre. Grundsätzlich kann bei geeigneter Ausrichtung aber auch eine richtungsabhängige Antenne verwendet werden.
Gemäß einer ersten Alternative weist der Personenempfänger ein Gehäuse auf, in dem mehrere Komponenten untergebracht sind, und die GNSS-Antenne ist in diesem Gehäuse angeordnet oder sie ragt unmittelbar aus diesem Gehäuse heraus. Gemäß einer zweiten Alternative ist die GNSS-Antenne außerhalb des Gehäuses angeordnet, insbesondere in einem Abstand von mehr als 2 cm, um Störungen beim Empfang durch die anderen Komponenten des Personenempfängers weitestgehend zu vermeiden. In diesem Fall ist die GNSS- Antenne mittels einer kabelgebundenen oder einer drahtlosen Funkübertragung an die anderen Komponenten des Personenempfängers angebunden, insbesondere an einen Mikrocontroller.
Sehr gute Empfangsergebnisse lassen sich erzielen, wenn die GNSS- Antenne am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person angeordnet ist, deren Position bestimmt werden soll.
Die Empfangseigenschaften können durch eine Schwenkeinrichtung für die GNSS-Antenne gesteigert werden, die an ein Gyroskop oder einen Beschleunigungssensor gekoppelt ist, oder durch eine Lagerung der GNSS-Antenne auf einem mit Fluid gefüllten Kissen. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Recheneinheit, in der die wesentlichen Berechnungen zur Positionsbestimmung durchgeführt werden, in den Personenempfänger integriert und weist vorzugsweise einen Mikrocontroller auf.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist die Recheneinheit außerhalb des Personenempfängers, vorzugsweise in einer Referenzstation oder einer externen zentralen Auswerteeinheit, angeordnete Komponenten auf.
Insbesondere für eine differentielle Auswertung der GNSS-Daten zur absoluten Positionsbestimmung sollte der Personenempfänger mit einer nahegelegenen ortsfesten Referenzstation in Funkverbindung stehen, deren Position genau bekannt ist und die eine GNSS-Antenne zum Empfang derselben Navigationssignale der Satelliten des GNSS aufweist. Durch die differentielle Auswertung lässt sich auf vorteilhafte Weise eine hochgenaue dynamische Positionsbestimmung relativ zur ortsfesten Referenzstation erreichen, insbesondere im Rahmen von Sportereignissen oder bei anderen Anwendungen, bei denen vornehmlich die relativen Positionsänderungen von Bedeutung sind.
Die Referenzstation kann eine dedizierte Vorrichtung sein; sie kann aber auch durch ein WLAN-fähiges Gerät, insbesondere ein Notebook, mit geeigneter Software gebildet sein.
Die Positionsdaten können auf einem Endgerät, insbesondere einem Smartphone, Tablet oder Notebook, direkt oder in aufbereiteter Form visuell dargestellt werden Die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung kann erweitert werden durch einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung bestimmter Messgrößen, wobei die Recheneinheit der Vorrichtungsanordnung so ausgelegt ist, dass sie berechnete Positionsdaten des Personenempfängers mit den Messwerten des bzw. der Sensoren verknüpft. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglich- keiten für die Erfindung.
Vorzugsweise sind ein oder mehrere MEMS-Inertialsensoren zur Detektion von Phasensprüngen in der Trägerphase vorgesehen, sodass bereits während der Kalibrierungsphase Positionsänderungen berücksichtigt werden können. Mikrosystem-Sensoren sind aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Energiebedarfs für die bevorzugte Anwendung der Erfindung im Sportbereich besonders vorteilhaft.
Es sind Ausführungsformen möglich, bei denen wenigstens ein Sensor in den Personenempfänger integriert ist, unmittelbar an einem Sport- oder Spielgerät befestigt ist und/oder an einer Sensorvorrichtung angebracht ist, die eine Sende- einheit aufweist und von der Person getragen wird oder an einem Sport- oder Spielgerät angebracht ist und vorzugsweise als Band oder Gurt ausgebildet ist.
Besonders vorteilhaft ist die Erweiterung der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung um eine Signalisierungseinheit, die der Person, deren Position bestimmt wird, eine haptisch, akustisch oder optisch wahrnehmbare Rückmeldung gibt, welche sich aus den berechneten Positionsdaten und/oder aus einer Auswertung der Positionsdaten ergibt. So kann unmittelbar Einfluss auf die Bewegungsabläufe der Person genommen werden. Die Signalisierungseinheit kann in einer kompakten Ausführungsform direkt in den Personenempfänger integriert sein.
Gemäß einer aufwändigeren Lösung umfasst die Signalisierungseinheit eine Datenbrille. Diese Ausführungsform ermöglicht es, der Person kontinuierlich posi- tionsbezogene Informationen anzuzeigen, ohne dass die Person dadurch übermäßig abgelenkt wird.
Mit einer Bedieneinrichtung können dem Personenempfänger bestimmte, für die Auswertung der Positionsdaten relevante Eigenschaften zugewiesen werden, z. B. eine Teamzugehörigkeit der Person. Im Hinblick auf Spiel- und Sportanwendungen ist es möglich, ein Sport- oder
Spielgerät einzubinden, mit einem auf ein Funkmodul des Personenempfängers abgestimmten Funkmodul, das kontinuierlich ein Anwesenheitssignal aussendet. Gerade beim Fußball oder bei anderen Ballsportarten ist es für die Erstellung von Statistiken wichtig zu wissen, wo sich der Ball gerade genau befindet und wer gerade der ballführende Spieler ist. Dies wird durch das vom Personenempfänger registrierbare Anwesenheitssignal des Sport- oder Spielgeräts ermöglicht.
Für eine solche Anwendung ist es von Vorteil, wenn das Funkmodul des Personenempfängers so eingerichtet ist, dass es die Stärke des detektierten Anwe- senheitssignals bestimmen kann. Ab einer vorgegebenen Signalstärke kann auf „Ballbesitz" erkannt werden.
Weitere interessante Informationen in Bezug auf das Sport- oder Spielgerät werden durch wenigstens einen daran angebrachten Sensor verfügbar gemacht, indem die Messwerte des Sensors per Funk an den Personenempfänger übertra- gen werden, von wo sie zur weiteren Auswertung weitergeleitet werden.
Für eine hochgenaue Positionsbestimmung von Personen relativ zueinander ist vorgesehen, dass der Personenempfänger einer Person mit wenigstens einem weiteren Personenempfänger einer anderen Person in Funkverbindung steht. Durch gegenseitige Verrechnung der festgestellten Phasendifferenzen lassen sich hochgenaue, relative Positionen der Personenempfänger zueinander bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen umfasst folgende Schritte:
- Bereitstellen wenigstens eines Personenempfängers, der eine GNSS- Antenne und ein Funkmodul zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers an ein anderes Funkmodul aufweist;
- Bereitstellen einer Recheneinheit;
- Anbringen der GNSS-Antenne des Personenempfängers an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person, insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person; - Empfangen von Navigationssignalen von Satelliten eines GNSS mittels der GNSS-Antenne; und
- Berechnen von Positionsdaten des Personenempfängers mit der Recheneinheit auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, wobei eine Drift und ein Versatz der Trägerphasen der Navigationssignale der Satelliten vorab und/oder kontinuierlich bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden.
Die Vorteile dieses Verfahrens entsprechen im Wesentlichen denen der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Im Hinblick auf eine unterbrechungsfreie Positionsbestimmung sollten die Navigationssignale kontinuierlich mit einer zeitlicher Auflösung > 1 Hz empfangen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, zum Berechnen der Positionsdaten entweder eine relative oder differentielle Auswertetechnik oder die Precise- Point-Positioning-Methode zu verwenden.
Besonders interessante und vielfältige Auswertemöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass Messwerte von Sensoren der Vorrichtungsanordnung an den Personenempfänger übertragen und mit den Positionsdaten verknüpft werden.
Zur Validierung oder Korrektur der berechneten Positionsdaten des Personenempfängers können Messwerte von zusätzlichen Sensoren der Vorrichtungsanordnung, insbesondere von Sensoren, die von der Person getragen werden (Beschleunigungssensor, Gyroskop, etc.), verwendet werden. Die Daten dieser Sensoren ermöglichen auch eine Fortführung der Positionsbestimmung, wenn temporär kein ausreichender Empfang der Navigationssignale der GNSS-Satelliten möglich ist.
Für eine hochgenaue relative Positionsbestimmung sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass zwei oder mehr Personenempfänger sich gegenseitig ihre aus den empfangenen Navigationssignalen gebildeten GNSS-Daten zu Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, per Funk zusenden, und dass in jedem Personenempfänger die Phasendifferenz des Trägersignals derselben Satelliten von den anderen Personenempfängern mit den eigenen Phasendaten verrechnet wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 einen Überblick über wesentliche und optionale Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung zur absoluten Positionsbestimmung;
- Figur 2 einen Personenempfänger der Vorrichtungsanordnung; - Figur 3 eine Referenzstation der Vorrichtungsanordnung;
- Figur 4 ein Spiel- oder Sportgerät der Vorrichtungsanordnung;
- Figur 5 eine Sensorvorrichtung der Vorrichtungsanordnung;
- Figur 6 einen Überblick über wesentliche Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung zur relativen Positionsbestimmung; - Figur 7 ein erstes Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung; und
- Figur 8 ein zweites Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung. In Figur 1 sind schematisch die Komponenten einer Vorrichtungsanordnung zur absoluten Positionsbestimmung einer Person 10 dargestellt. Bevor die Funktionsweise der Vorrichtungsanordnung erläutert wird, werden zunächst die einzelnen Komponenten der Vorrichtungsanordnung beschrieben. Zur Positionsbestimmung werden Navigationssignale von mehreren Satelliten 12 eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) verwendet. Eine ortsfeste Referenzstation 14, deren Position genau bekannt ist, ist mit einem Empfänger für die Navigationssignale und mit einem Funkmodul ausgestattet. Die Person 10, deren Position bestimmt werden soll, trägt wenigstens eine nachfolgend als Personenempfänger 16 bezeichnete Vorrichtung mit einer GNSS-Antenne. Auf den Aufbau und die Position des Personenempfängers 16, insbesondere der GNSS-Antenne, relativ zur Person 10 wird unten noch genauer eingegangen. Jeweils optional sind ein Spiel- oder Sportgerät 18, beispielsweise ein Ball, mit einem Funkmodul und eine von der Person 10 an einem Körperteil getragene Sensorvorrichtung 20 vorgesehen, die per Kabel oder per Funk an den Personenempfänger 16 angebunden ist.
Der Personenempfänger 16 ist in Figur 2 im Detail gezeigt. Diese Vorrichtung wird, obwohl sie noch weitere logische Komponenten enthält, deswegen als Personenempfänger bezeichnet, weil sie von einer Person 10 getragen wird und als Kernkomponenten die GNSS-Antenne 22 und ein GNSS-Empfänger 24 enthält, mit denen die Satelliten-Navigationssignale empfangen und in GNSS-Daten umgewandelt werden. Die GNSS-Antenne 22 ist vorzugsweise eine Antenne mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre; sie kann aber auch eine richtungsabhängige Antenne sein, sollte dann aber möglichst so ausgerichtet sein, dass die Haupt-Richtwirkung in Richtung der Hemisphäre zeigt.
Die GNSS-Antenne 22 ist in einem Gehäuse 26 des Personenempfängers 16 angeordnet, in dem weitere Komponenten des Personenempfängers 16 untergebracht sind, oder die GNSS-Antenne 22 ragt unmittelbar aus dem Gehäuse 26 heraus. Alternativ kann die GNSS-Antenne 22 auch extern angeordnet sein, insbesondere in einem Abstand von mehr als 2 cm vom Gehäuse 26, um mögliche Störeinflüsse der restlichen Komponenten des Personenempfängers 16 auf den Empfang der Navigationssignale zu vermeiden. In letzterem Fall ist die GNSS-Antenne 22 mittels einer kabelgebundenen oder einer drahtlosen Funkübertragung an die anderen Komponenten des Personenempfängers 16, insbesondere an einen MikroController 28, angebunden. Der MikroController 28 koordiniert die Datenströme des Personenempfängers 16 und führt Berechnungen durch. Ein Funkmodul 30 des Personenempfängers 16, z. B. basierend auf der Bluetooth-Technologie, ermöglicht gegebenenfalls den drahtlosen Anschluss der GNSS-Antenne 22 und/oder externer Sensoren, die z. B. an einem Spiel- oder Sportgerät angebracht sind. Dasselbe oder ein weiteres Funkmodul 32 ist (auch) für weitere Entfernungen ausgelegt und kann GNSS-Daten an ein Funkmodul der Referenzstation 14 übertragen und Befehle von der Referenzstation 14 empfangen, und/oder das Funkmodul 32 kann GNSS-Daten an andere Personenempfänger 16 übertragen.
Ein Speichermedium 34 und eine Spannungsquelle 36, insbesondere ein wie- deraufladbarer Akkumulator, zur Energieversorgung der elektrischen Komponenten des Personenempfängers 16 sind ebenfalls vorhanden. Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Personenempfänger 16 auch noch diverse Sensoren 38, die zusätzliche Informationen liefern, z. B. Beschleunigungs-, Ausrichtungs-/Orientierungs- und Temperaturdaten.
Auch eine Signalisierungseinheit 40 ist vorgesehen, die dem Träger unter bestimmten Umständen eine haptisch (Vibration), akustisch oder optisch wahrnehmbare Rückmeldung geben kann. Die Signalisierungseinheit 40 kann ebenso wie die Sensoren 38 in das Gehäuse 26 integriert oder extern angeordnet und per Kabel oder Funk angebunden sein. In einer erweiterten Version umfasst die Signalisierungseinheit 40 eine Datenbrille mit einem integrierten Display nach Art eines Head-Mounted Displays. Auf einen kleinen, dicht vor dem Augapfel platzierten Bildschirm können der Person 10 bestimmte Informationen, wie etwa die eigene Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc. angezeigt werden.
Eine Bedieneinrichtung 42, insbesondere ein Schalter oder eine Taste, dient zum Ein- und Ausschalten des Personenempfängers 16. Mit derselben oder weiteren Bedieneinrichtungen können gegebenenfalls auch spezielle Einstellungen vorgenommen werden, wie etwa eine Teamzugehörigkeit des Trägers. Die GNSS-Antenne 22 bzw. der Personenempfänger 16 mit der integrierten GNSS-Antenne 22 ist an der oberen Körperhälfte (Oberkörper) der Person 10 angeordnet. Geeignete Stellen sind insbesondere der Kopf, die Schultern, der Nackenbereich oder der obere Rückenbereich, wie in Figur 1 angedeutet. Ent- scheidend ist, dass fortwährend ein möglichst guter Empfang der Satelliten-Navigationssignale gewährleistet ist. Hierfür sollte die die Richtwirkung der GNSS- Antenne 22 horizontal nach oben ausgerichtet sein, was an den genannten Stellen am besten gewährleistet ist. Um eine solche Ausrichtung zu unterstützen, kann die GNSS-Antenne 22 unter Zuhilfenahme eines Gyroskops oder Beschleunigungssensors mittels einer daran gekoppelten Schwenkvorrichtung immer bei Bedarf in die bevorzugte Empfangsrichtung geschwenkt werden. Die GNSS-Antenne 22 kann auch auf einer Art Kissen, das mit einem Fluid gefüllt ist, gelagert sein, sodass eine Neigung des Körpers der Person 10 automatisch ausgeglichen wird. Die GNSS-Antenne 22 bzw. der Personenempfänger 16 mit der integrierten
GNSS-Antenne 22 kann auf verschiedene Weise von der Person 10 getragen werden. Die GNSS-Antenne 22 kann mit oder ohne den restlichen Komponenten des Personenempfängers 16 in die Kleidung der Person 10 eingearbeitet sein, z. B. in eine Weste, einen Schultergurt, einen Protektor, ein Schulterpad, ein Trikot, einen Trainingsanzug oder in eine Kopfbedeckung (Helm, Schirmmütze, etc.). Die GNSS-Antenne 22 bzw. der Personenempfänger 16 kann auch an der Kleidung oder direkt am Körper der Person befestigt sein, z. B. mit einem Klettband, einem Clip, einer Knöpfvorrichtung, einem Gummizug, einer Klemme oder dergleichen. Figur 3 zeigt die Referenzstation 14 mit ihren Komponenten. Wie der Personenempfänger weist sie eine GNSS-Antenne 44 und einen GNSS-Empfänger 46 auf, mit denen die Satelliten-Navigationssignale empfangen und in GNSS-Daten umgewandelt werden. Mit einem Funkmodul 48, z. B. auf WLAN-, UMTS-, HSDPA- oder LTE-Basis, können die ausgesendeten GNSS-Daten von umliegenden Personenempfängern 16 empfangen werden. In einer Auswertungseinheit 50 können mit einem geeigneten Berechnungsverfahren aus den empfangenen (Code- und) Trägerphasendaten die jeweiligen Positionen der Personenempfänger 16 bestimmt werden. Insbesondere zeitkritische Berechnungen können aber auch auf ein anderes Gerät mit größerer Rechenleistung ausgelagert werden. Mithilfe des Funkmoduls 48 oder einer kabelgebundenen Übertragung werden die Positionsdaten bzw. die noch nicht ausgewerteten GNSS-Daten weitergeleitet. Die Daten können insbesondere an eine Cloud oder direkt an empfangsbereite Geräte geschickt werden. Die berechneten Positionsdaten werden vorzugsweise auf einem Endgerät (Smartphone, Tablet, Notebook, etc.) visuell dargestellt.
Weitere Komponenten der Referenzstation 14 sind ein Speichermedium 52 und eine Spannungsquelle 54 zur Stromversorgung. Die Stromversorgung kann alternativ über Solarzellen erfolgen. Als Referenzstation 14 kann grundsätzlich auch ein Notebook oder ein vergleichbares Gerät mit geeigneter Software und einem Funkmodul (WLAN) eingesetzt werden.
In Figur 4 ist ein Ball als Beispiel für ein Spiel- oder Sportgerät 18 gezeigt. Im Inneren des Balls ist ein Funkmodul 56 angeordnet. Hierfür eignet sich z. B. ein Bluetooth-Low-Energy-Modul. Des Weiteren enthält das Spiel- oder Sportgerät 18 einen MikroController 58, eine Spannungsquelle 60 zur Stromversorgung sowie einen oder mehrere Sensoren 62, wie etwa einen Drucksensor zur Bestimmung des Luftdrucks, einen Beschleunigungssensor oder einen Sensor zur Ermittlung der verbleibenden Akkumulatorleistung. Zum automatischen Aktivieren der elektrischen Komponenten im Spiel- oder Sportgerät 18 ist ein (nicht gezeigter) Beschleunigungs- oder Drucksensor vorgesehen, der auf einen entsprechenden äußeren Einfluss reagiert. Nach einer definierten Zeitspanne, in der der Beschleunigungs- oder Drucksensor keine Aktivität feststellt, werden die elektrischen Komponenten des Spiel- oder Sportgeräts abgeschaltet oder in einen Schlafmodus versetzt. Als Spannungsquelle 60 eignet sich ein Akkumulator, der induktiv (kontaktlos) aufgeladen werden kann, vorzugsweise in einer Ladeschale.
Die in Figur 5 gezeigte Sensorvorrichtung 20 wird je nach Einsatzzweck entweder von einer Person 10 am Körper getragen, insbesondere an Arm, Hand, Bein oder Fuß, oder sie wird an einem Spiel- oder Sportgerät befestigt, wie etwa an einem Tennis- oder Hockey-Schläger. Die Sensorvorrichtung 20 kann dementsprechend als Armband, Gurt oder dergleichen ausgebildet sein. Als funktionale Komponenten weist die Sensorvorrichtung 20 eine Sende- und Empfangseinheit 64, einen Beschleunigungssensor 66, ein Gyroskop 68, einen MikroController 70 und eine Spannungsquelle 72 zur Stromversorgung der vorgenannten elektrischen Komponenten auf. Weitere Sensoren, wie etwa ein Temperatursensor oder ein Herzfrequenzsensor können ebenfalls vorgesehen sein. Als Sende- und Empfangseinheit 64 eignet sich wiederum ein Bluetooth- Low-Energy-Modul; es kann aber auch nur eine reine Sendeeinheit vorgesehen sein. Ein Display 74 der Sensorvorrichtung 20 dient zur Anzeige von Informationen, die vom Personenempfänger 16 oder von der eigenen Empfangseinheit kommen.
Nachfolgend wird nun die grundlegende Funktionsweise der Vorrichtungsan- Ordnung zur absoluten Positionsbestimmung mittels Trägerphasenauswertung beschrieben. Als Anwendungsbeispiel soll der Einsatz der Vorrichtungsanordnung bei der Ausübung einer Sportart, insbesondere beim Fußball, betrachtet werden.
Die Referenzstation 14 mit der GNSS-Antenne 44 und dem GNSS- Empfänger 46 wird auf einen Punkt mit bekannten Koordinaten platziert. Sollte dies nicht möglich sein, kann die Position auch von der Referenzstation 14 selbst durch eine Mittelwertbildung einer Langzeit-Positionierungsberechnung ermittelt werden. Es ist auch möglich, die Position der Referenzstation 14 relativ zu anderen Referenzstationen zu ermitteln, von denen wenigstens von einer die genauen absoluten Koordinaten bekannt sind. Die Art und Weise einer solchen relativen Positionsbestimmung ist analog zu der erläuterten Bestimmung der Positionen mehrerer Personenempfänger 16 relativ zueinander.
Die von einer oder mehreren Personen 10 (Spielern) an der oberen Körperhälfte getragenen GNSS-Antennen 22 empfangen die Navigationssignale mehrerer Satelliten 12. Für die spätere Auswertung der Trägerphasen der Navigationssignale und die Berechnung der genauen Position aus diesen Signalen ist ein möglichst unterbrechungsfreier und guter Empfang von möglichst vielen (>= 4) Satelliten entscheidend. Bei sich bewegenden Personen 10 sollten die Personenempfänger 16 die Navigationssignale kontinuierlich mit hoher zeitlicher Auflösung empfangen können (> 1 Hz). Die vom GNSS-Empfänger 24 in verwertbarer digitaler Form bereitgestellten GNSS-Daten werden vom Funkmodul 32, das vorzugsweise mit 2,4 GHz Technik arbeitet, zur (Code- und) Phasenmessung an die Referenzstation 14 übertragen. Als Datenformat kann insbesondere RCTM, RINEX oder NMEA vorgesehen sein.
In der Referenzstation 14 werden jeweils die Phasendifferenzen des Trägersignals derselben Satelliten vom Referenzempfänger 46 und vom Empfänger 24 des Personenempfängers 16 verglichen. Mittels Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, sowie statistischer Algorithmen zur Lösung der Phasenmehrdeutigkeit wird dann in Echtzeit eine hochgenaue, absolute (geodätische) Position des jeweiligen Personenempfängers 16 berechnet. Für die Berechnung der Positionsdaten können sowohl relative/differentielle Auswertetechniken (DGNSS) als auch die (autarke/eigenständige) Precise-Point-Positioning-Methode herangezogen werden. In letzterem Fall werden keine Code- und Trägerphasenmessungen für die direkt von der Referenzstation 14 empfangenen Satelliten-Navigationssignale benötigt; stattdessen fließen die von einem Datendienst (IGS) bereitgestellte Bahndaten und Satellitenuhrkorrekturen ein.
Bevorzugte Datenformate für die gewonnenen Positionsdaten sind wiederum RCTM, RINEX oder NMEA. Es können aber auch andere bekannte oder selbst entwickelte Datenformate verwendet werden. Die Positionsdaten können, gegebenenfalls nach weiterer Verarbeitung und/oder Auswertung, an ein oder mehrere Endgeräte übermittelt (sofern erforderlich) oder über einen Datendienst, wie z. B. ein Internetportal, zur Verfügung gestellt werden. Auf einem Endgerät werden die Positionsdaten visuell dargestellt.
Die Positionsbestimmung und gegebenenfalls eine nachfolgende Verarbeitung und/oder Auswertung der Positionsdaten kann auch im Personenempfänger 16 selbst, insbesondere im MikroController 28, oder in einer externen zentralen Auswerteeinheit erfolgen. Die GNSS-Daten werden in letzterem Fall mit einer Funkübertragungstechnik für große Reichweiten (z. B. UMTS, HSDPA oder LTE) von der Referenzstation 14 oder auch direkt vom Personenempfänger 16 mittels einer solchen Übertragungstechnik weitergeleitet. Dies ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn die Daten einer Vielzahl von Personenempfängern 16 in Echtzeit verarbeitet werden sollen und die Rechenleistung der Referenzstation 14 oder des Personenempfängers 16 dafür nicht ausgelegt ist. Entscheidend ist jedenfalls, dass eine interne oder externe Recheneinheit vorhanden ist, die die für die Positionsbestimmung erforderlichen Berechnungen durchführen kann.
Die einzelnen Positionsdaten der Personenempfänger 16 können in vielfältiger Form ausgewertet werden. Insbesondere können Bewegungsmuster der Personen 10, die die Personenempfänger 16 tragen, erstellt und ausgewertet werden. Anhand der Information, an welchem Ort sich ein Spieler zu welcher Zeit aufgehalten hat, können weitere Informationen gewonnen werden, wie z. B. Höchst-, Durchschnitts, und aktuelle Geschwindigkeit, Beschleunigung, zurückgelegte Strecke, etc. Die Positions- bzw. Bewegungsdaten des Personenempfängers 16 können mithilfe der Daten vorhandener Sensoren (Beschleunigungssensor, Gyroskop, etc.) validiert bzw. korrigiert werden, auch schon während der Kalibrierungsphase. Wenn kurzzeitig kein Empfang der Navigationssignale der Satelliten 12 möglich ist, können die Daten dieser Sensoren zur Fortführung der dynamischen Positionsbestimmung verwendet werden.
Die Signalisierungseinheit 40 dient dazu, dem Träger der Vorrichtung eine Rückmeldung zu geben, die sich unmittelbar aus den Positionsdaten selbst und/oder aus deren Auswertung ergibt. Beispielsweise können einem Spieler Informationen bezüglich seiner Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung, freie Spielpositionen, freie Laufwege, etc. angezeigt werden, im Falle eines Head-Up Displays auch in grafisch aufbereiteter Form. Ebenso können der Person 10 optische, akustische oder haptische Alarmsignale vermittelt werden. Die entsprechenden Befehle und Informationen können von der zentralen Auswerteeinheit, der Referenzstation 14 oder einer anderen Kommandozentrale per Funk an den Personenempfänger 16 gesendet werden. Alarmsignale kann der Personenempfänger 16 aber auch alleine auslösen, wenn er z. B. erkennt, dass er einen vorher definierten Bereich verlässt.
Das Spiel- oder Sportgerät 18 wird eingebunden, indem die Sende- und Empfangseinheit ein Funksignal, vorzugsweise im 2,4-GHz-Bereich, aussendet. Neben einem hochfrequenten Sendeimpuls, der als Anwesenheitssignal dient, können weitere Daten der Sensoren 62, wie etwa Luftdruck, Beschleunigung und Ladezustand des Akkumulators, gesendet werden. Diese Signale bzw. Daten werden vom Funkmodul 30 des Personenempfängers 16 empfangen und zusammen mit den GNSS-Daten an die Referenzstation 14 übertragen.
Mit dem Funkmodul 30 kann auch die Stärke des detektierten Anwesenheitssignals bestimmt werden, beispielsweise als RSSI-Wert (Received Signal Strength Indication). Die Auswertung der Signalstärke erlaubt eine Interpretation, wie nahe sich das Spiel- oder Sportgerät 18 an der Person 10 befindet. Auf diese Weise kann z. B. bei einem Fußballspiel oder bei anderen Ballsportarten der ballführende Spieler identifiziert werden.
Alternativ kann eine separate Sende- und Empfangseinheit am Bein oder Fuß eines Spielers befestigt werden, die das Anwesenheitssignal des Spiel- oder Sportgeräts 18 detektiert und dessen Signalstärke bestimmt und dann an den Personenempfänger 16 im Bereich des Oberkörpers der Person 10 weiterleitet.
Trägt die Person zusätzlich eine Sensorvorrichtung 20, können weitere Sensordaten (Beschleunigung, Temperatur, Herzfrequenz, etc.) über den Personen- empfänger 16 oder direkt an die Referenzstation 14 übertragen werden. Kombiniert man bei der Datenauswertung die Positionsdaten eines Spielers mit den zusätzlichen Sensordaten, lassen sich interessante Kenngrößen und Statistiken erstellen. So können beispielsweise Belastungsindizes anhand der Orts- und Pulsinformationen berechnet werden. Je nach ausgeübter Sportart kann der MikroController 70 bestimmte Berechnungen mit den Sensordaten (insbesondere Beschleunigung) durchführen und anhand bestimmter Algorithmen interpretieren, welche Art von Bewegung mit dem Körperteil bzw. Spiel- oder Sportgerät, an dem die Sensorvorrichtung 20 befestigt ist, durchgeführt wurde. So kann z. B. beim Tennis zwischen einem Vorhandschlag und einem Rückhandschlag unterschieden werden. Diese Informationen werden mittels der Sende- und Empfangseinheit 64 an den Personenempfänger 16 übertragen, den die Person 10 am Oberkörper trägt. Alternativ kann die Auswertung der Sensordaten ausgelagert werden, d. h. es werden in diesem Fall nur die Rohdaten an den Personenempfänger 16 übertragen und von dort an eine Auswerteeinheit weitergeleitet.
Die obige Funktionsbeschreibung bezog sich auf die absolute Positionsbestimmung. Im Folgenden wird anhand von Figur 6 eine ergänzte bzw. leicht abgewandelte Vorrichtungsanordnung und deren Funktionsweise im Hinblick auf eine hochgenaue relative Positionsbestimmung beschrieben.
Zwei oder mehr Personenempfänger 16 senden sich gegenseitig ihre verwertbaren GNSS-Daten zur (Code- und) Trägerphasenmessung per Funk zu. In jedem Personenempfänger 16 wird die Phasendifferenz des Trägersignals derselben Satelliten von den anderen Personenempfängern 16 mit den eigenen Phasendaten verrechnet. Mittels Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, sowie statistischer Algorithmen zur Lösung der Phasenmehrdeutigkeit wird dann in Echtzeit eine hochgenaue, relative Position der Personenempfänger 16 zueinander berechnet.
Für diese Positionsbestimmung können wiederum sowohl relative/differentielle Auswertetechniken (DGNSS) als auch die (autarke/eigenständige) Precise-Point-Positioning-Methode herangezogen werden. In letzterem Fall, wenn also eine autarke Positionsbestimmung für einen Personenempfänger 16 erfolgt, können die relativen Entfernungen der anderen Personenempfänger 16 zu diesem Personenempfänger 16 in hochgenaue, absolute Positionen umgerechnet werden.
Ansonsten entspricht die Vorrichtungsanordnung im Wesentlichen der in Figur 1 beschriebenen Anordnung, sodass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Insbesondere sind eine Auslagerung der Berechnungen sowie Ergänzungen der Anordnung um Spiel- oder Sportgeräte 18 und/oder Sensorvorrichtungen 20 möglich.
In den Figuren 7 und 8 sind beispielhaft zwei Anwendungsmöglichkeiten für die Vorrichtungsanordnung gezeigt. Gemäß Figur 7 wird die absolute Position von Spielern 10 bestimmt und in Relation zu vordefinierten Zonen 76 eines Spielfelds 78 gesetzt. Auf diese Weise kann dann erkannt werden, ob ein Spieler 10 eine solche Zone 76 verlässt. Dem Spieler 10 kann dies mithilfe der Signalisierungseinheit 40 sofort mitgeteilt werden, z. B. akustisch oder durch Vibration. Solche Signale können auch bei Über-/Untersch reiten einer vorgegebenen Geschwindigkeit oder Herzfrequenz ausgegeben werden.
Gemäß Figur 8 wird aus den Positionsdaten mehrerer Spieler 10 das relative Stellungsspiel bewertet. So kann automatisch berechnet werden, ob eine ge- wünschte Spielformation (z. B. Abwehrkette oder Abseitsfalle) eingehalten wird. Falls ein Spieler 10 von einer Sollposition abweicht, gibt die Referenzstation 14 dem Personenempfänger 16 den Befehl, dem Spieler 10 die Abweichung zu signalisieren. Ähnliche Szenarien betreffen z. B. den maximalen/minimalen Abstand, den ein Spieler 10 zu einem Gegenspieler oder zu bestimmten Hütchen eines Parcours haben darf, die der Trainer zu Trainingszwecken aufgestellt hat.
Bei einer nicht explizit in den Figuren gezeigten Ausführungsform kommt eine Kamera zum Einsatz, die ihre Position (absolut auf der Erde oder relativ zur Referenzstation 14) selbst kennt oder berechnet mittels eines Personenempfängers 16, der kurzzeitig oder permanent an der Kamera angebracht wird. Die Kamera besitzt ein digitales oder optisches Zoom und ist integriert in eine oder besitzt eine Schwenk- und/oder Neigevorrichtung. An eine Recheneinheit zur Steuerung der Kamera und der Schwenk- und/oder Neigevorrichtung wird drahtgebunden oder drahtlos die Position eines zu filmenden Personenempfängers 16 übermittelt. Die Recheneinheit berechnet daraufhin die relative Position des zu filmenden Personenempfängers 16 bzw. der zugehörigen Person zur Kamera. Entsprechend werden die Zoom-Einstellung, die Auto-Focus-Einstellung, Neige- und Schwenk-Winkel bestimmt und diese Steuersignale drahtgebunden oder drahtlos an die Kamera(-vorrichtung) weitergeleitet.
Bezugszeichenliste
Person
Satellit
Referenzstation
Personenempfänger
Spiel- oder Sportgerät
Sensorvorrichtung
GNSS-Antenne des Personenempfängers GNSS-Empfänger des Personenempfängers Gehäuse des Personenempfängers
MikroController des Personenempfängers Funkmodul des Personenempfängers
Funkmodul des Personenempfängers
Speichermedium des Personenempfängers Spannungsquelle des Personenempfängers Sensoren des Personenempfängers
Signalisierungseinheit des Personenempfängers Bedieneinrichtung des Personenempfängers GNSS-Antenne der Referenzstation
GNSS-Empfänger der Referenzstation
Funkmodul der Referenzstation
Auswertungseinheit der Referenzstation Speichermedium der Referenzstation Spannungsquelle der Referenzstation
Funkmodul des Spiel- oder Sportgeräts
MikroController des Spiel- oder Sportgeräts
Spannungsquelle des Spiel- oder Sportgeräts Sensoren des Spiel- oder Sportgeräts
Sende- und Empfangseinheit der Sensorvorrichtung Beschleunigungssensor der Sensorvorrichtung Gyroskop der Sensorvorrichtung
MikroController der Sensorvorrichtung
Spannungsquelle der Sensorvorrichtung
Display der Sensorvorrichtung
Zone
Spielfeld

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtungsanordnung zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10), mit
wenigstens einem Personenempfänger (16), der eine GNSS-Antenne (22) zum Empfang von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist, und einer Recheneinheit zur Berechnung von Positionsdaten des Personenempfängers (16) auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen,
wobei die Recheneinheit so ausgelegt ist, dass eine Drift und ein Versatz der Trägerphasen der Navigationssignale der Satelliten (12) vorab und/oder kontinuierlich bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden, und
wobei die GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10) angeordnet ist.
2. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) eine Antenne mit Flächenwirkung innerhalb der gesamten Hemisphäre ist.
3. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) ein Gehäuse (26) aufweist, in dem mehrere Komponenten untergebracht sind, und dass die GNSS-Antenne (22) im Gehäuse (26) angeordnet ist oder unmittelbar aus dem Gehäuse (26) herausragt.
4. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) ein Gehäuse (26) aufweist, in dem mehrere Komponenten untergebracht sind, und dass die GNSS-Antenne (22) außerhalb des Gehäuses (26) angeordnet ist, insbesondere in einem Abstand von mehr als 2 cm, wobei die GNSS-Antenne (22) mittels einer kabelgebundenen oder einer drahtlosen Funkübertragung an die anderen Komponenten des Personenempfängers (16), insbesondere an einen MikroController (28), angebunden ist.
5. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GNSS-Antenne (22) am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person (10) angeordnet ist.
6. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schwenkeinrichtung für die GNSS-Antenne (22), die an ein Gyroskop oder einen Beschleunigungssensor gekoppelt ist, oder durch eine Lagerung der GNSS-Antenne (22) auf einem mit Fluid gefüllten Kissen.
7. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit in den Personenempfänger (16) integriert ist und vorzugsweise einen Mikrocontroller (28) aufweist.
8. Vorrichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit außerhalb des Personenempfängers (16), vorzugsweise in einer Referenzstation (14) oder einer externen zentralen Auswerteeinheit, angeordnete Komponenten aufweist.
9. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) mit einer ortsfesten Referenzstation (14) in Funkverbindung steht, deren Position genau bekannt ist und die eine GNSS-Antenne (44) zum Empfang derselben Navigationssignale der Satelliten (12) des GNSS aufweist.
10. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstation (14) durch ein WLAN-fähiges Gerät, insbesondere ein Notebook, mit geeigneter Software gebildet ist.
1 1 . Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Endgerät, insbesondere ein Smartphone, Tablet oder Notebook, auf dem die Positionsdaten visuell dargestellt.
12. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Sensoren (38; 62; 66, 68) zur Erfassung bestimmter Messgrößen, wobei die Recheneinheit so ausgelegt ist, dass sie be- rechnete Positionsdaten des Personenempfängers (16) mit den Messwerten des bzw. der Sensoren (38; 62; 66, 68) verknüpft.
13. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere MEMS-Inertialsensoren zur Detektion von Phasensprüngen in der Trägerphase vorgesehen sind.
14. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (38) in den Personenempfänger (16) integriert ist.
15. Vorrichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (62) unmittelbar an einem Sportoder Spielgerät (18) befestigt ist.
16. Vorrichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (66, 68), insbesondere ein Beschleunigungssensor und/oder ein Gyroskop, an einer Sensorvorrichtung (20) angebracht ist, die eine Sendeeinheit (64) aufweist und von der Person (10) getragen wird oder an einem Sport- oder Spielgerät (18) angebracht ist und vorzugsweise als Band oder Gurt ausgebildet ist.
17. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Signalisierungseinheit (40), die der Person (10) eine haptisch, akustisch oder optisch wahrnehmbare Rückmeldung gibt, welche sich aus den berechneten Positionsdaten und/oder aus einer Auswertung der Positionsdaten ergibt.
18. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierungseinheit (40) in den Personenempfänger (16) integriert ist.
19. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalisierungseinheit (40) eine Datenbrille umfasst.
20. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Bedieneinrichtung (42), mit der dem Personenempfänger (16) bestimmte, für die Auswertung der Positionsdaten relevante Eigenschaften zugewiesen werden können.
21 . Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sport- oder Spielgerät (18) mit einem auf ein Funkmodul (30) des Personenempfängers (16) abgestimmten Funkmodul (56), das kontinuierlich ein Anwesenheitssignal aussendet.
22. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Funkmodul (30) des Personenempfängers (16) so eingerichtet ist, dass es die Stärke des detektierten Anwesenheitssignals bestimmen kann.
23. Vorrichtungsanordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sport- oder Spielgerät (18) wenigstens ein Sensor (62) angebracht ist, dessen Messwerte per Funk an den Personenempfänger (16) übertragen werden können.
24. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) mit wenigstens einem weiteren Personenempfänger (16) in Funkverbindung steht.
25. Vorrichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kamera, deren Position absolut auf der Erde oder relativ zu einer Referenzstation (14) bekannt ist, und die ein digitales oder optisches Zoom besitzt und integriert ist in eine Schwenk- und/oder Neigevorrichtung oder eine Schwenk- und/oder Neigevorrichtung aufweist, wobei eine Datenübertragungsverbindung zwischen einer Recheneinheit zur Steuerung der Kamera und der Schwenk- und/oder Neigevorrichtung vorgesehen ist, über die drahtgebunden oder drahtlos die Position eines zu filmenden Personenempfängers (16) übermittelt werden kann, und wobei die Recheneinheit so ausgelegt ist, dass sie die relative Position des zu filmenden Personenempfängers (16) zur Kamera berechnet und auf Basis der Berechnung Einstellungen an der Kamera, insbesondere Zoom und/oder Auto-Focus, und/oder Einstellungen der Schwenk- und/oder Neigevorrichtung steuert.
26. Verfahren zur dynamischen hochgenauen Positionsbestimmung einer oder mehrerer Personen (10), mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen wenigstens eines Personenempfängers (16), der eine GNSS- Antenne (22) und ein Funkmodul (32) zum Senden von GNSS-bezogenen Daten des Personenempfängers (16) an ein anderes Funkmodul (30; 32; 48) aufweist; - Bereitstellen einer Recheneinheit;
- Anbringen der GNSS-Antenne (22) des Personenempfängers (16) an einer Stelle an der oberen Körperhälfte der Person (10), insbesondere am Kopf, an einer Schulter, im Nackenbereich oder im oberen Rückenbereich der Person (10);
- Empfangen von Navigationssignalen von Satelliten (12) eines GNSS mittels der GNSS-Antenne (22); und
- Berechnen von Positionsdaten des Personenempfängers (16) mit der Recheneinheit auf Basis von Trägerphasenmessungen der Navigationssignale, vor- zugsweise in Kombination mit Codemessungen, wobei eine Drift und ein Versatz der Trägerphasen der Navigationssignale der Satelliten (12) vorab und/oder kontinuierlich bestimmt und die gemessenen Trägerphasen entsprechend korrigiert werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Naviga- tionssignale kontinuierlich mit einer zeitlicher Auflösung > 1 Hz empfangen werden.
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungen zum Bestimmen der Position des Personenempfängers (16) im Personenempfänger (16) durchgeführt werden, vorzugsweise von einem Mikro- Controller (28).
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Personenempfänger (16) die Positionsdaten an eine ortsfeste Referenzstation (14) übermittelt, deren Position genau bekannt ist und die mittels einer GNSS-Antenne (44) dieselben Navigationssignale der Satelliten (12) des GNSS empfängt.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wesentlicher Teil der Berechnungen zum Bestimmen der Position des Personenempfängers (16) außerhalb des Personenempfängers (16) durchgeführt werden, vorzugsweise in der Referenzstation (14) oder einer externen zentralen Auswerteeinheit.
31 . Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zum Berechnen der Positionsdaten entweder eine relative oder differentielle Auswertetechnik oder die Precise Point Positioning-Methode verwendet wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte von Sensoren (38; 62; 66, 68) der Vorrichtungsanordnung an den Personenempfänger (16) übertragen und mit den Positionsdaten verknüpft werden.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass Messwerte von Sensoren (38; 62; 66, 68) der
Vorrichtungsanordnung, insbesondere von Sensoren (38; 62), die von der Person (10) getragen werden, zur Validierung oder Korrektur der Positionsdaten verwendet werden.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Personenempfänger (16) sich gegenseitig ihre aus den empfangenen Navigationssignalen gebildeten GNSS-Daten zu Trägerphasenmessungen, vorzugsweise in Kombination mit Codemessungen, per Funk zusenden, und dass in jedem Personenempfänger (16) die Phasendifferenz des Trägersignals derselben Satelliten (12) von den anderen Personenempfängern (16) mit den eigenen Phasendaten verrechnet wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Recheneinheit zur Steuerung einer Kamera, deren Position absolut auf der Erde oder relativ zu einer Referenzstation (14) bekannt ist oder mittels eines Personenempfängers 16, der kurzzeitig oder permanent an der Kamera angebracht wird, berechnet wird, und die ein digitales oder optisches Zoom aufweist und integriert ist in eine Schwenk- und/oder Neigevorrichtung oder eine Schwenk- und/oder Neigevorrichtung besitzt, drahtgebunden oder drahtlos die Position eines zu filmenden Personenempfängers (16) übermittelt werden, und dass die Recheneinheit daraufhin die relative Position des zu filmenden Personenempfängers (16) zur Kamera berechnet und entsprechend der Berechnung Steuersignale für Einstellungen der Kamera, insbesondere Zoom und/oder Auto-Focus, und/oder für Einstellungen der Schwenk- und/oder Neigevorrichtung erzeugt und drahtgebunden oder drahtlos an die Kamera und/oder die Schwenk- und/oder Neigevorrichtung weitergeleitet werden.
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