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Mobilfunksystem
mit Basisstations-Sendeempfängern,
einer Ortungszentrale und mit mobilen Endgeräten, die zur Bestimmung der
Position des jeweiligen mobilen Endgerätes aus empfangenen Servicezellen-Identifikationen
und aus einem Vergleich von gemessenen Empfangsfeldstärken mit
entsprechenden ortsabhängigen,
in der Ortungszentrale abgespeicherten Referenz-Empfangsfeldstärken der empfangbaren
Basisstations-Sendeempfänger
eingerichtet sind.
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Zur
Navigation, Fuhrparksteuerung und Verkehrslagedatenerfassung ist
es erforderlich, die Positionen mobiler Verkehrsteilnehmer regelmäßig zu erfassen.
Vor allem zur Verkehrslagedatenerfassung (z. B. in einem Verkehrsmanagementsystem)
müssen
möglichst
alle relevanten Wegedaten, wie z. B. Fahrtbeginn und Fahrtende,
Quelle und Ziel, Fahrzweck, Verkehrsmittel und Route, von einer
Vielzahl von Verkehrsteilnehmern ohne einen nennenswerten Zusatzaufwand
für die
Verkehrsteilnehmer automatisch erfasst werden.
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Zur
Ortung sind satellitengestützte
Ortungsverfahren bekannt, bei denen mit Hilfe von Navigationssatelliten,
insbesondere mit dem Global-Positioning-System (GPS) die Positionen
relativ genau bestimmt werden können.
Diese Verfahren erfordern nachteilig relativ aufwendige und teure
Satelliten-Navigationsempfänger,
die energieintensiv und störanfällig sind.
Zudem bestehen Empfangslöcher
z.B. in U-Bahnen,
Tunnel etc., in denen eine Satelliten-Positionsbestimmung nicht
möglich
ist.
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Es
sind weiterhin z.B. aus der
DE-OS
38 16 377 A1 und
EP
0 838 692 A1 Ortungsverfahren in einem Mobilfunksystem
bekannt, bei denen die Laufzeiten von Signalen zwischen mobilen
Endgeräten und
Basisstationen gemessen werden. Die Laufzeitmessung und Positionsauswertung
erfolgt zentral in der Basisstation. Sie weist nur eine relativ
geringe Genauigkeit auf. Die Kapazität dieses Systems ist begrenzt
und daher nicht im großen
Maßstab
einsetzbar.
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Zur
Erfassung des Verkehrs werden weiterhin Detektionsschleifen in Fahrbahnen
eingelassen, um Fahrzeuge lokal zu zählen. Zudem sind Infraroterfassungsgeräte vor allem
auf Autobahnen oberhalb der Fahrbahn angebracht. Diese Maßnahmen sind
sehr kostenaufwendig und bieten nur Informationen für einen
bestimmten Streckenabschnitt. Eine Aussage über das Verkehrsverhalten individueller Verkehrsteilnehmer
kann mit diesen Maßnahmen nicht
gewonnen werden.
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Bei
der sogenannten FCD-Methode (Floating-Car-Data) werden fahrzeugbezogene
Kenngrößen wie
Position und Geschwindigkeit mit Sensoren ermittelt, die in den
Fahrzeugen eingebaut sind, und über
Datenfunk an eine Zentrale übertragen.
Die FCD-Methode erfordert nachteilig eine entsprechende Aufrüstung der
Fahrzeuge mit einem Satelliten-Navigationsempfänger und einem Kommunikationssystem.
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In
der
DE-OS 37 16 320
A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung mit Hilfe
von Mobiltelefonen beschrieben, wobei eine Position mit Hilfe der Feststations nummer
einer Basisstation ermittelt wird, in dessen Funkzelle sich das
Mobiltelefon befindet. Hierdurch kann die Position in einer Genauigkeit
entsprechend der Ausdehnung der Funkzelle bestimmt werden. Als zusätzliche
Standortinformation wird die Feldstärkeinformation der Basisstation
gemessen und mit bekannten Sollwerten verglichen. Die gemessenen
Feldstärkeinformationen
können
jedoch nicht eindeutig einer Position zugeordnet werden. Zudem sind
sie stark von Umwelteinflüssen
abhängig.
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In
der
EP-PS-O 777 863
B1 ist ein Navigationsinformationssystem beschrieben, bei
dem mobile Einheiten über
einen Satelliten-Navigationsempfänger
oder über
ein Funk-Ortungssystem des Kommunikationssystems ermittelt und die
Positionen der mobilen Einheiten an eine Zentrale gesendet werden.
Die Routenplanung erfolgt in einer Zentrale, die auf eine Datenbank
mit geographischen Daten zurückgreift.
Hierdurch entfällt
ein aufwendiges Navigationssystem im Fahrzeug. Durch das Satelliten-Navigationssystem
können
relativ genaue Koordinaten ermittelt werden. Dies ist jedoch teuer
und aufwendig. Das System hat weiterhin den Nachteil, dass das Verkehrsverhalten
nur in definierten Zonen ermittelt werden kann.
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In
der
WO 98/12683 A ist
ein Verfahren zur Verkehrsdatenerfassung mit Mobiltelefonen beschrieben,
bei dem die Position des Mobiltelefons mit Hilfe der Basisstationskennung
und funktechnischen Informationen bestimmt wird. Dabei erfolgt eine
Zuordnung der Position auf das Wegenetz in der Zelle, die in einer
geographischen Informationsdatenbank abgespeichert ist.
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Die
in den dezentralen Einheiten gesammelten Daten werden an eine Zentrale übermittelt,
in der die Daten unter Verwendung von zellcharakteristischen Informationen
geographische Informationen über
das Wegenetz zugeordnet werden, um den Fahrweg eines Fahrzeugs zu
rekonstruieren.
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Eine
bestimmte Route wird hierbei insbesondere durch Auswertung des Zellkennungswechsels ermittelt.
Diese Route wird den Verkehrswegen zugeordnet, die für diese
ermittelten Routen verfügbar sind.
Ein solches Verfahren ist auch in der
DE-OS 197 555 891 A1 beschrieben.
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In
der
DE-PS 198 24 528 ist
ein Verfahren zur Detektion von Transpondern anhand definierter Feldcharakteristika
beschrieben. Nach Detektion eines Transponders in einer ersten Zelle
wird die Feldcharakteristik einer benachbarten Zelle derart eingestellt,
dass sich diese von derjenigen der ersten Zelle unterscheidet.
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In
der
WO 96/42179 ist
ein Verfahren zur Verbesserung der Auflösung eines Ortungssystems mit
Mobiltelefonen beschrieben, bei dem gemessene Positionen gegebenenfalls
unter Zuhilfenahme von Zusatzinformationen wie Geschwindigkeit auf
Transportwege projiziert werden.
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In
der
EP 0 290 725 B1 ist
ein Verfahren zur Bestimmung des ungefähren Aufenthaltsortes einer mobilen
Funkstation offenbart, bei dem die Feldstärkeinformation eines von einer
Feststation an die mobile Funkstation ausgesendeten Datentelegramms gemessen
und ausgewertet und als zusätzliche Standortinformation
an die Feststation zurückgesendet
wird.
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In
Martin Junius: „Intelligentes
Radio Ressource Management Mustererkennung mit GSM-Funkmessdaten
und Anwendung",
in: ITG-Fachberichte, 27. September 1993, XP 002006361 ist ein Verfahren
beschrieben, bei dem Pegel von bis zu sechs Nachbarzellen von einem
mobilen Endgerät
gemessen werden und entsprechende Messwertreporte periodisch an
eine Basisstation geschickt und dort mit Mustererkennungsverfahren zur
Ortsbestimmung ausgewertet werden. Ein entsprechendes Verfahren
ist auch in Martin Junius und Olrik Kennemann: „New Methods for Processing GSM-Radio
Measurement Data: Applications for Locating, Handover and Network
Management", in: Proceedings
of the Vehicular Technology Conference, US, New York, IEEE, Bd.
Conf. 44, 08. Juni 1994, Seiten 338 bis 342, XP 00496691 offenbart.
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In
der
WO 01/01715 A1 bzw.
DE 199 28 451 A1 wird
zur Verbesserung der bekannten Verfahren ein Ortüngsverfahren der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, bei denen die gemessenen Empfangsfeldstärken von
mindestens zwei Basisstations-Sendeempfängern eines Mobilfunknetzes
aufeinander bezogen und diese aufeinander bezogenen Empfangsfeldstärken mit
positionsabhängig
gespeicherten Referenzfeldstärke-Pegelmustern
verglichen werden. Dadurch, dass nicht nur eine absolute Feldstärkeinformation,
sondern die Verhältnisse
der Empfangsfeldstärken
verschiedener Basisstations-Sendeempfänger eines
Mobilfunknetzes zueinander berücksichtigt
werden, kann eine Position relativ eindeutig bestimmt werden. Auch
wenn die absoluten Feldstärkeinformationen
eines Basisstations-Sendeempfängers
an mehreren Orten gleich ist, trifft dies in der Regel nicht für das Verhältnis der
Empfangsfeldstärken
benachbarter Basissations-Sendeempfänger zueinander zu.
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EP 0 830 797 B1 offenbart
ein Verfahren und ein Modul zur Ortung eines Gegenstandes mit einem Mobilkommunikationsnetz,
wobei für
eine Korrelation zur Ortung eine die Zeit auf eine Entfernung, zu
den Basisstationen des Netzes korrelierte Zeitinformation, die Feldstärke und
die Identität
einer Basisstation genutzt wird.
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US 5, 218,716 A offenbart
ein Mobilfunksystem, bei dem Ortungsabfragenachrichten an ein mobiles
Endgerät
geschickt werden, das eine Zuordnung an ein Kommunikationssystem
an mindestens ein Mobilfunksystem zurücküberträgt. Die Position des mobilen
Endgeräts
wird dann anhand der Zelle des zugeordneten Mobilfunksystems bestimmt.
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DE 199 11 240 A1 offenbart
ein Verfahren zur Ortung von mobilen Telefonen, bei dem relative
Feldstärkewerte
von Mobilfunk-Messeinheiten zueinander bewertet und damit unterschiedliche
Sendeleistungen von Handys relativiert werden, um anhand der Feldstärkeverteilung
einer Ortung durchzuführen.
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DE 197 43 258 A1 offenbart
eine Navigationsvorrichtung mit einer Positionserken nungsreinrichtung
von mobilen Stationen anhand einer Abstandsmessung, durch Auswertung
von Informationen der zu ortenden mobilen Stationen einer Feldstärkemessung
und einer Richtungsmessung.
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DE 44 09 178 A1 beschreibt
eine Anordnung zur Positionsermittlung von Mobilstationen in einem Mobilfunksystem
durch Entfernungsmessung zwischen Mobilstation und Basisstationen
anhand der Laufzeit, der Feldstärke
und/oder der Übertragungsqualität.
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DE 199 28 451 A1 offenbart
ein Ortungsverfahren mit einem Mobilfunksystem, bei dem neben einer
Auswertung von Servicezellen-Identifikationen auch zur Ortung gemessene
Empfangsfeldstärken mit
abgespeicherten Empfangsfeldstärken
für das Mobilfunknetz
verglichen werden.
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DE 199 20 587 A1 beschreibt
ein Mobilfunksystem, bei dem eine Funkfelddatenbank mit Hilfe lokalisierter
Mobilstationen optimiert wird. Hierzu werden beim Betrieb von Mobilstationen,
die gemessenen Empfangsverhältnisse
zur Aktualisierung einer Funkfelddatenbank eingesetzt, um eine sichere
Aussage über
die Empfangsverhältnisse
an dem jeweiligen Ort der Messung zu ermöglichen.
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Aufgabe
der Erfindung war es, ein verbessertes Mobilfunksystem mit Ortungszentrale
zu schaffen, das eine im Vergleich zu den oben beschriebenen Systemen
verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ortung mobiler
Endgeräte
aufweist.
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Die
Aufgabe wird bei einem Mobilfunksystem der eingangs genannten Art
gelöst
durch an definierten Positionen stationär aufgestellte Kalibrier-Empfangsgeräte, die
zum wiederholten Messen von Kalibrier-Empfangsfeldstärken empfangbarer
Basisstations-Sendeempfänger
und Senden der gemessenen Kalibrier-Empfangsfeldstärken an
die Ortungszentrale eingerichtet sind, wobei die Ortungszentrale
zur Korrektur von Referenz-Empfangsfeldstärken in Abhängigkeit von Änderungen
der gemessenen Kalibrier-Empfangsfeldstärken und den definierten Positionen
eingerichtet ist.
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Für die Aufnahme
der Referenz-Empfangsfeldstärken
sind aufwendige Testfahrten erforderlich, so dass diese nur einmalig
oder in großen
zeitlichen Abständen
gemessen werden. Durch bauliche Veränderungen in der Umgebung von
Basisstations-Sendeempfängern sowie
bedingt durch Witterungseinflüsse
unterliegen die ortsabhängigen
Empfangsfeldstärken Änderungen
und Schwankungen, die zu einer ungenauen Ortung führen. Es
wurde erkannt, dass die Ortungsgenauigkeit erheblich gesteigert
werden kann, indem die Referenz-Empfangsfeldstärken in Abhängigkeit von Änderungen
wiederholt gemessener Kalibrier-Empfangsfeldstärken und den definierten Positionen
der Kalibrier-Empfangsgeräte
korrigiert werden. Hierbei fließen
die gemessenen Änderungen
an einigen wenigen definierten Positionen in die Korrektur der Referenz-Empfangsfeldstärken für die gesamte
Umgebung der jeweils definierten Position ein. Ein zur Ortung verwendetes
Mobilfunksystem muss lediglich um einige stationäre Kalibrier-Empfangsgeräte erweitert
werden.
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Die
Referenz-Empfangsfeldstärken
sind wie üblich
in einer Ortungszentrale abgespeichert, in der auch die Korrektur
durchgeführt
wird. Die Kalibrier-Empfangsgeräte
sind daher so ausgebildet, dass die gemessenen Kalibrier-Empfangsfeldstärken an die
Ortungszentrale gesendet werden.
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Eine
entsprechende Korrektur kann auch für aufeinander bezogene Referenz-Empfangsfeldstärken verschiedener
Basisstations-Sendeempfänger erfolgen,
wobei die Korrektur in Abhängigkeit
von Änderungen
entsprechend aufeinander bezogener Kalibrier-Empfangsfeldstärken erfolgt.
Die Ortungsgenauigkeit kann durch die Berücksichtigung aufeinander bezogener
Empfangsfeldstärken
erhöht
werden. Hierzu kann z. B. der Quotient oder die Differenz von Empfangsfeldstärken jeweils
zweier verschiedener Basisstations-Sendeempfänger gebildet werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn für
die ortsabhängige
Korrektur der Referenz-Empfangsfeldstärken die
an den definierten Positionen gemessenen und/oder bezogenen Kalibrier-Empfangsfeldstärken in
der Umgebung einer jeweiligen definierten Position gewichtet werden.
Auf diese Weise können die
an den ausgewählten
definierten Positionen gemessenen Kalibrier-Empfangsfeldstärken durch
Auswahl ge eigneter Richtungsfaktoren zur Korrektur der Referenz-Empfangsfeldstärken in
der gesamten Umgebung der jeweiligen definierten Positionen verwendet
werden.
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Vor
dem Schritt des Messens der Kalibrier-Empfangsfeldstärken kann
eine Detektion von Veränderungen
des Mobilfunknetzes erfolgen. Nach dieser Detektion der Mobilfunknetz-Veränderungen sollte
zunächst
bewertet werden, ob eine automatische Kalibrierung möglich oder
eine Neuaufnahme der Referenz-Empfangsfeldstärken erforderlich ist. Es kommt
nämlich
vor, dass die Zuordnungen der Kennnummern zu Basisstations-Sendeempfängern, die
Kanalnummern und sonstige Parameter des Mobilfunknetzes von dem
Betreiber des Mobilfunknetzes geändert
werden. Zudem können
sich die Referenz-Empfangsfeldstärken
z.B. durch bauliche Veränderungen
in dem Empfangsbereich verändern.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Korrektur durch Messung in mehreren
voneinander unabhängigen
Mobilfunknetzen verifiziert wird. Da in den mehreren voneinander
unabhängigen
Mobilfunknetzen die gleichen Frequenz- und Rahmenbedingungen herrschen,
kann hierdurch auf Veränderungen
in einem Mobilfunknetz geschlossen werden, wenn sich Parameter nur
in einem Netz geändert
haben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – Skizze
eines Ausschnitts eines Mobilfunknetzes mit vier Basisstationen
und Kalibrier-Empfangsgeräten;
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2 – Diagramme
ortsabhängiger
Referenz-Empfangsfeldstärken
des Mobilfunknetzes aus der 1 und Korrektur
in Abhängigkeit
von Änderungen
von Kalibrier-Empfangsfeldstärken.
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Die 1 lässt eine
Skizze eines Ausschnittes eines Mobilfunknetzes mit vier Zellen
A1, A2, A3 und A4 erkennen.
Jede Zelle A hat eine Basisstation BTS1,
BTS2, BTS3 und BTS4, um die Kommunikation mit mindestens einem
mobilen Endgerät
M zu ermöglichen.
Die Basistationen BTS sind in bekannter Weise zu einem Telekommunikationsnetz
verschaltet.
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Zur
Ortung wird ausgenutzt, dass die Positionen der Basisstationen BTS
und die Bereiche der Zellen A bekannt sind. Befindet sich das mobile
Endgerät
M, wie dargestellt, im Schnittbereich der Zellen A1,
A2, A3 und A4. so werden die Servicezellen-Identifikationen
der drei empfangbaren Basisstationen BTS1,
BTS3, BTS4 der drei
Zellen A1, A3 und
A4 gemessen. Die Position des mobilen Endgerätes M kann
somit auf die Schnittfläche
S der Zellen A1, A3 und
A4 eingeschränkt werden.
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Zur
Verfeinerung der Ortungsbestimmung werden die Empfangsfeldstärken der
drei empfangbaren Basisstationen BTS1, BTS3, BTS4 gemessen. Diese
Empfangsfeldstärken
werden gegebenenfalls zusätzlich
aufeinander bezogen, indem z. B. die Quotienten oder Differenzen
der Empfangsfeldstärken zueinander
berechnet werden. Diese gemessenen Empfangsfeldstärken werden
mit entsprechenden vorher ausgemessenen und abgespeicherten Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV
korreliert. Diese Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV können jedoch durch
Witterungseinflüsse
schwanken. Zudem werden die Referenz-Empfangsfeldstärken nur einmalig oder in großen zeitlichen
Intervallen durch Testfahrten aufgenommen, so dass sich die ortsabhängigen Empfangsfeldstärken z.
B. durch bauliche Veränderungen ändern können und
diese Änderungen
bei den Referenz-Empfangsfeldstärken
nicht berücksichtigt
sind.
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Erfindungsgemäß sind in
dem Ortungssystem eine Vielzahl von Kalibrier-Empfangsgeräten K vorgesehen, die an festgelegten
bekannten Positionen angeordnet sind. Die Kalibrier-Empfangsgeräte K messen
in zeitlichen Intervallen wiederholt oder auch kontinuierlich die
Empfangsfeldstärken
der jeweils empfangbaren Basisstations-Sendeempfänger BTS. Diese gemessenen
Kalibrier-Empfangsfeldstärken werden
an eine Ortungszentrale geschickt und dort zur Korrektur der in
Testfahrten aufgenommenen und abgespeicherten Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV
verwendet. Die Korrektur erfolgt hierbei in Abhängigkeit von der Änderung
der gemessenen Kalibrier-Empfangsfeldstärken und der jeweiligen festgelegten
bekannten Positionen der Kalibrier-Empfangsgeräte K.
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Die
Korrektur der Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV wird mit Hilfe der 2 näher erläutert. Die 2 lässt ein
Diagramm von ortsabhängigen
Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV
der vier Basisstations-Sendeempfänger
BTS1, BTS2, BTS3 und BTS4 in Abhängigkeit
von einer X-Achse erkennen. Entsprechende Diagramme für die Referenz-Empfangsfeldstärken werden
auch für
die Y-Achse aufgenommen und abgespeichert. Als X- und Y-Achsen kann
auch der Längen-
und Breitengrad o. ä.
verwendet werden.
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Durch
die Kalibrier-Empfangsgeräte
K werden Kalibrier-Empfangsfeldstärken für die jeweils empfangbaren
Basisstations-Sendeempfänger
BTS wiederholt gemessen und die Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV
in Abhängigkeit
von Änderungen der
Kalibrier-Empfangsfeldstärken
korrigiert. So können
zum Beispiel mit Hilfe des Kalibrier-Empfangsgeräts K1 die
Referenz-Empfangsfeldstärken
RXLEV der Basisstations-Sendeempfänger BTS1 und
BTS2 und die aufeinander bezogenen Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV
dieser Basisstations-Sendeempfänger
BTS1 und BTS2 korrigiert
werden. Die durch die definierten bekannten Positionen definierten
Korrekturpunkte sind in den Diagrammen eingezeichnet. Die Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV werden
in der Umgebung dieser Korrekturpunkte angepasst, indem die an den
jeweiligen definierten Positionen gemessenen Änderungen der Kalibrier-Empfangsfeldstärken zum
Beispiel ortsabhängig gewichtet
werden. Ein Ansteigen der Kalibrier-Empfangsfeldstärken führt somit
zu einem Anheben der zugehörigen
Referenz-Empfangsfeldstärken
RXLEV in der Umgebung der jeweiligen definierten Position des Kalibrier-Empfangsgeräts K.
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Die
Wichtungsfaktoren sind hierbei vorzugsweise so definiert, dass sie
an der festgelegten definierten Position eines Kalibrier-Empfangsgerätes K maximal
sind und mit zunehmenden Abstand von der festgelegten Position kleiner
werden.
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Eine
Zunahme der Kalibrier-Empfangsfeldstärken ist mit einem nach oben
weisenden Pfeil an den senkrechten Messpunkten der Kalibrier-Empfangsgeräte K und
ein Abnehmen mit einem nach unten weisenden Pfeil skizziert. Die
gestrichelten Linien zeigen die Korrektur der Referenz-Empfangsfeldstärken RXLEV
in der Umgebung der Kalibrier-Empfangsgeräte K. Auf diese Weise können die
Referenz-Empfangsfeldstärken
RXLEV kostengünstig, aktuell
und einfach an geänderte
bauliche Umgebungsbedingungen und zeitweise veränderte Empfangsbedingungen
z. B. aufgrund von Witterungseinflüssen angepaßt werden. Dies führt zu einer
erheblichen Steigerung der Ortungsgenauigkeit.