DE102008036681A1

DE102008036681A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Übereinstimmung einer Position mit einer Referenzposition

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Publication number: DE102008036681A1
Application number: DE102008036681A
Authority: DE
Inventors: Steffen Meyer; Jürgen HUPP; Thorsten Vaupel; Stephan Haimerl; Frank Müller; Renata Kitti Zahonyi; Karin Loidl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2009-07-23
Also published as: AU2008346509B2; PT2171493E; CN101868733B; WO2009086912A1; EP2171493B1; DK2171493T3; RU2010102102A; US8320280B2; PL2171493T3; KR101206634B1; JP5083783B2; CA2701142C; KR20100046048A; RU2460086C2; HK1143208A1; ES2434731T3; EP2171493A1; US20100278079A1; CN101868733A; CA2701142A1

Abstract

Eine Vorrichtung (30) zum Bestimmen einer Übereinstimmung einer Position mit einer Referenzposition, wobei an der Position Funksignale von fest positionierten Funksendern empfangbar sind, mit einer Einrichtung (32) zum Liefern von Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale der fest positionierten Funksender an der Position, wobei die gelieferten Eigenschaften der Funksignale die Funksender identifizierende Senderkennungen umfassen, einer Einrichtung (34) zum Trennen der Funksender in eine erste Anzahl (Neq) von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, und in eine zweite Anzahl (Nneq) von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition und an der Position gelieferte Senderkennungen verschieden sind, und einer Einrichtung (39) zum Ermitteln eines Übereinstimmungsmaßes für die Position, basierend auf den gelieferten Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale, wobei sowohl Eigenschaften (36) der ersten Anzahl (Neq) von Funksendern als auch Eigenschaften (37; 38) der zweiten Anzahl (Nneq) von Funksendern bei der Bestimmung eines Übereinstimmungsmaßes berücksichtigt werden, und wobei die Eigenschaften der ersten Anzahl von Funksendern und die Eigenschaften der zweiten Anzahl von Funksendern unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Bestimmen einer Übereinstimmung einer Position mit einer Referenzposition, wie sie insbesondere zum Lokalisieren oder Navigieren von mobilen Endgeräten in einem drahtlosen Kommunikationsnetz eingesetzt werden können.
Für ein Auffinden von Personen mit mobilen Endgeräten stehen verschiedene Ortungstechnologien zur Verfügung. Das wohl bekannteste System zur Lokalisierung bzw. Navigation im Outdoorbereich ist das satellitengestützte Global Positioning System (GPS). Für die Lokalisierung bzw. Navigation innerhalb von Gebäuden bzw. in einem Indoorbereich sind verschiedene Ansätze bekannt, wie beispielsweise Infrarotsysteme, RFID-Systeme oder auch Feldstärkeauswertungen von IEEE 802.11 WLAN-Netzwerken (WLAN = wireless local area network). Das GPS-System ist momentan nur für den Outdoorbereich zuverlässig verfügbar. Neuere Erweiterungen, wie hochsensible Empfänger oder das so genannte A-GPS (assisted GPS) stellen Versuche dar, die Technologie auch innerhalb von Gebäuden nutzbar zu machen. A-GPS kombiniert dabei die Nutzung des satellitenbasierten GPS-Systems mit einem Empfang so genannter Assistenzinformationen aus zellularen Mobilfunknetzen. Zurzeit weisen diese Technologien aber noch nicht die gewünschten mittleren Genauigkeiten auf. Infrarotsysteme und RIFD-Systeme stehen im Allgemeinen nicht flächendeckend zur Verfügung und sind an spezifische Voraussetzungen gebunden.
Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von drahtlosen Funknetzen, die beispielsweise auf dem WLAN-Standard basieren, bieten sich diese drahtlosen Netze als eine Basis für neue Lokalisierungsverfahren an.
Gängige, bisher verwendete Lokalisierungsverfahren basieren beispielsweise auf Triangulation, Nachbarschaftsbeziehungen, Lateration mittels Zeitmessung oder Lateration mittels Feldstärkeauswertung. Bei diesen Verfahren handelt es sich um Lokalisationsverfahren, bei denen entweder eine Position ortsfester Sender bzw. Basisstationen bekannt sein muss, oder bei denen vorher an typischen Positionen in einer von dem Lokalisationsverfahren abzudeckenden Umgebung trainiert werden muss.
Bei WLAN-basierten Ortungssystemen kommt als Basisverfahren oft ein so genanntes Received-Signal-Strength (RSS) Fingerprinting zum Einsatz. Dieses Verfahren basiert auf der Annahme, dass an einem aktuellen Ort empfangene bzw. empfangbare Signalstärken von Funksignalen mehrerer Funkstationen den Ort bzw. die Position eindeutig charakterisieren. Existiert eine Datenbasis, die für eine Anzahl von Referenzorten bzw. Referenzpositionen Kennungen von dort empfangenen bzw. empfangbaren Funkstationen sowie die Signalstärken entsprechender Funksignale enthält, so kann aus einem Satz aktueller Messwerte (Senderkennungen und Signalstärkenwerte) auf die aktuelle Position geschlossen werden, indem ein Abgleich zwischen aktuell gemessenen Messwerten und den Referenzwerten der Datenbasis erfolgt. Dieser Abgleich (Matching) bewertet für jeden Referenzpunkt, wie ähnlich dessen vorher aufgezeichnete Messwerte bzw. Referenzwerte zu den aktuellen Messwerten der aktuellen Position sind. Der oder die ähnlichsten Referenzpunkte bestimmen dann einen Schätzwert für den aktuellen Aufenthaltsort.

Für eine Referenz-Datenbasis wird durch Testmessungen die Signalstärke an hinreichend vielen Punkten experimentell ermittelt. Dadurch entsteht eine Datenbasis, die zu jeder Position, an der eine Testmessung durchgeführt wurde, eine Liste von Basisstationen (Access Points) mit der jeweilig zugeordneten Empfangsfeldstärke und -qualität enthält. Bei einer WLAN-Implementierung kann eine solche Referenzdaten-Basis beispielsweise die folgenden Parameter enthalten:

RID	MAC	RSSI	PGS	X	Y	Z	MAPNR	CREATED
1	00.0D.54.9E.17.81	46530	100	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
1	00.0D.54.9E.1A.BA	67260	90	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
1	00.0D.54.9E.1D.64	72002	88	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
1	00.0E.6A.D3.B9.8B	59531	100	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
1	00.0F.A3.10.07.6C	46464	96	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
1	00.0F.A3.10.07.FB	74488	94	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
1	00.0F.A3.10.09.SF	72375	97	5795	15627	150	0	12.03.07 12:42
2	00.0D.54.9E.17.81	54138	100	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0D.54.9E.18.1D	76560	11	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0D.54.9E.1A.BA	62318	94	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0D.54.9E.1D.64	71348	96	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0E.6A.D3.B9.8B	45393	100	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0F.A3.10.07.6C	66853	96	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0F.A3.10.07.FB	72251	100	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
2	00.0F.A3.10.09.5F	70990	90	14399	15451	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0D.54.9E.17.81	58291	100	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0D.54.9E.18.1D	78610	68	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0D.54.9E.1A.BA	62153	98	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0D.54.9E.1D.64	64187	90	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0E.6A.D3.B9.8B	32851	100	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0F.A3.10.07.6C	69006	96	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0F.A3.10.07.FB	71749	92	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0F.A3.10.09.5F	71482	83	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43
3	00.0F.A3.10.09.80	71000	40	24583	15627	150	0	12.03.07 12:43

Dabei enthält die Tabelle die folgenden Informationen:

– die Referenzpunkt-Identifikation (RID)
– die MAC-Adressen der empfangenen Stationen
– die Empfangsfeldstärken der Access Points (RSSI; 46560 bedeutet –46,560 dBm)
– die Position in kartesischen, metrischen Koordinaten (x, y, z; 24583 bedeutet 245,83 m) sowie
– den Zeitpunkt der Messwertaufnahme.

WLAN-Signale, die theoretisch nur mit einer relativ geringen Feldstärke zu messen sind, zeigen ein relativ unzuverlässiges Verhalten bzgl. „messbar" oder „nicht messbar". Die Spalte PGS („Percentage Seen") gibt an, wie häufig diese Station bei der Messwertaufnahme prozentual gesehen wurde (d. h. PGS = 90 bedeutet, dass im Schnitt die Station bei 9 von 10 Messungen gemessen wurde). Der PGS-Wert wird beim Trainieren der Referenzpositionen bzw. der Referenzmesspakete für jeden Funksender ermittelt und ist als Maß für dessen Zuverlässigkeit zu verstehen. Innerhalb eines bestimmten Messzeitfensters besteht durch ein festes Abtastintervall von z. B. 200 ms eine definierte Anzahl an möglichen Messwerten von einem Funksender. Der PGS-Wert ist ein Prozentwert der tatsächlich innerhalb des Messzeitfensters gemessenen (RSSI-)Werte eines Funksenders im Verhältnis zu den potentiell möglichen. Referenzpunkte werden beim Einmessen im Idealfall über ein längeres Zeitfenster (z. B. 6 bis 10 s) hinweg z. B. alle 200 ms aufgenommen. 5 zeigt dazu einen exemplarischen Signalverlauf eines Empfangssignals eines bestimmten Funksenders, der an der Messposition nur relativ unzuverlässig empfangen werden kann. Über ein Messzeitfenster von 10 s ist der bestimmte Funksender lediglich ca. 3 s empfangbar, woraus sich ein PGS-Wert von ca. 30% für diesen Funksender ergibt.
Für die Lokalisierung werden aktuell aufgenommene Messwerte mit der Datenbasis verglichen. Der ähnlichste oder eine Integration der ähnlichsten Referenzpunkte werden als aktuelle Position angenommen. Für den Abgleich sind mehrere Verfahren denkbar; das am weitesten verbreitete ist Least-Distance-in-Signal-Space.
RSS Fingerprinting liefert gute Ergebnisse im Innen- und Außenbereich. Dadurch, dass die Aufstellorte der ortsfesten Funksender nicht bekannt sein müssen, eignet sich das Verfahren auch für unbekannte Umgebungen mit fremder Infrastruktur. Fingerprinting-Ansätze für den Abgleich gehen von einer festen, unveränderlichen Infrastruktur aus. Viele bekannte Lösungen gehen darüber hinaus von einem begrenzten Areal aus, in dem Signale jedes Funksenders überall zu empfangen sind.
Um eine Übereinstimmung einer aktuellen Position mit einer Referenzposition zu bestimmen, werden bei herkömmlichen Verfahren oftmals RSSI-Werte einer Anzahl von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, miteinander verglichen. Je geringer die Abweichung der RSSI-Werte zwischen den Funksendern mit identischer Senderkennung, desto höher die Übereinstimmung der aktuellen Position und der Referenzposition. Allerdings birgt diese Vorgehensweise auch die Gefahr einer fehlerhaften Positionsschätzung – nämlich beispielsweise dann, wenn die Anzahl der Funksender, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, gering ist und dadurch eine ebenfalls geringe RSSI-Wert-Abweichung ermittelt wird, was zu einer fälschlicherweise gut eingeschätzten Übereinstimmung führen kann.
Ausgehend von diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Konzept für den Abgleich zwischen aktuell gemessenen Werten und vorher aufgezeichneten Referenzwerten bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Navigationsgerät gemäß Patentanspruch 19 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 22 gelöst.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in einem Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Abgleich zwischen an einer aktuellen (geografischen) Position aktuell gelieferten bzw. gemessenen Werten bzw. Eigenschaften (z. B. Senderkennungen und Signalstärkenwerten) fest positionierter Funksender und vorher aufgezeichneten Referenzwerten bzw. Eigenschaften an einer betrachteten (geografischen) Referenzposition durch eine Art Filterung der aktuell gemessenen Eigenschaften der Funksignale an der Position und der Referenzwerte der vorher aufgezeichneten Funksignale an der Referenzposition erreicht werden kann. Dabei werden die Funksignale in eine erste Anzahl von Funksendern aufgeteilt, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der aktuellen Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, und in eine zweite Anzahl von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition und an der Position gelieferte Senderkennungen verschieden sind, d. h., deren Senderkennungen entweder nur an der aktuellen Position geliefert werden und vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet wurden, oder, deren Senderkennungen vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet wurden und nicht an der aktuellen Position geliefert werden.
Ein Satz von an der aktuellen Position gemessenen Messwerten, umfassend Funksender identifizierende Senderkennungen (z. B. MAC Adressen) und dazu gehörige Signalstärkewerte (RSSI = Received Signal Strength Indicator), soll im Folgenden als Messpaket (MP) bezeichnet werden. Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden gelieferte Messwerte an der aktuellen Position und vorher aufgezeichnete Messwerte an der Referenzposition in drei Gruppen vorgefiltert. Zum einen werden sämtliche Funksender aus einem Messpaket separiert, die auch in dem dem Abgleich zugrunde liegenden Referenzmesspaket enthalten sind. Abweichend von dem Referenzmesspaket an der aktuellen Position empfangene Funksender (heard too much) sind ein Zeichen dafür, dass man sich nicht an der Referenzposition befinden kann. Diese an der aktuellen Position zu viel empfangenen Funksender können bei einem direkten Abgleich (Matching), d. h. bei einem Abgleich zwischen Funksendern mit gleichen Senderkennungen im aktuellen Messpaket und im Referenzmesspaket, nicht verwendet werden. Des Weiteren können in den Referenzdaten der Referenzposition bzw. dem Referenzmesspaket Funksender gelistet sein, die an der aktuellen Position nicht empfangen wurden (not heard). Auch diese an der aktuellen Position zu wenig empfangenen Funksender bzw. deren Messwerte benötigen eine besondere Bearbeitung und werden daher dem direkten Matching, d. h. dem Abgleich zwischen Funksendern mit gleichen Senderkennungen im aktuellen Messpaket und im Referenzmesspaket, nicht zugeführt.
Eine Matchingeinheit gleicht die aktuellen Messwerte an der aktuellen Position mit jedem in Frage kommenden Referenzpunkt der Referenzdaten ab, d. h. es wird ein Übereinstimmungsmaß zwischen der aktuellen Position und jedem in Frage kommenden Referenzpunkt ermittelt. Eine Menge der Referenzpunkte bzw. -positionen, die abgeglichen werden, kann optional auch eingeschränkt werden, beispielsweise indem eine letzte Position des mobilen Endgeräts als Ausgangspunkt genommen wird, mit der Annahme, dass sich der Benutzer seither nicht weiter als eine feste Maximaldistanz von der letzten Position entfernt hat. Eine Einschränkung der zu vergleichenden Referenzpunkte kann dynamisch aufgrund eines Bewegungsmodells, einer Güte der aktuellen Positionsermittlung, begrenzter Rechenleistung oder begrenztem Speicher etc. erfolgen.
Bei jedem Vergleich eines aktuellen Messpakets mit einem Referenzmesspaket wird ein Übereinstimmungsmaß berechnet, welches festlegt, wie gut die empfangenen Messwerte an der aktuellen Position mit den vorher aufgezeichneten Messwerten der Referenzposition zusammenpassen. Die Ermittlung des Übereinstimmungsmaßes für die Position erfolgt basierend auf den gelieferten Eigenschaften der Funksignale, wobei sowohl Eigenschaften der ersten Anzahl von Funksendern als auch Eigenschaften der zweiten Anzahl von Funksendern bei der Bestimmung des Übereinstimmungsmaßes berücksichtigt werden, und wobei die Eigenschaften der ersten Anzahl von Funksendern und die Eigenschaften der zweiten Anzahl von Funksendern unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen. Bei der ersten Anzahl von Funksendern sind vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der aktuellen Position gelieferten Senderkennungen identisch. Bei der zweiten Anzahl von Funksendern werden Senderkennungen entweder nur an der aktuellen Position geliefert und wurden vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet, oder, Senderkennungen wurden vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet und werden nicht an der aktuellen Position geliefert.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Eigenschaften der ersten Anzahl von Funksendern höher gewichtet als die Eigenschaften der Funksignale der zweiten Anzahl von Funksendern. Das heißt, die Anzahl von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, geht stärker in die Berechnung des Übereinstimmungsmaßes ein als die zweite Anzahl von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition und an der Position gelieferte Senderkennungen verschieden sind, also von Funksendern, deren Senderkennungen entweder nur an der Position geliefert werden und vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet wurden, oder, deren Senderkennungen vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet wurden und nicht an der Position geliefert werden. Die Gewichte der Eigenschaften der ersten und der zweiten Anzahl ergänzen sich beispielsweise komplementär zu Eins.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Durch ein Einbeziehen der Messwerte von Funksendern, deren Senderkennungen nur an der aktuellen Position empfangen werden und vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet wurden und ein Einbeziehen der Funksender, deren Senderkennungen vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet wurden und nicht an der aktuellen Position empfangen werden, kann eine Genauigkeit bei der Bestimmung des Übereinstimmungsmaßes zwischen der aktuellen Position und der Referenzposition deutlich gesteigert werden. Dies kann zu deutlichen Verbesserungen der Lokalisations- bzw. Navigationsergebnisse führen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen einer Übereinstimmung zwischen einer aktuellen Position und einer Referenzposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine beispielhafte Folge von Messpaketen;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Übereinstimmung einer aktuellen Position mit einer Referenzposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockdiagramm einer Einrichtung zum Ermitteln eines Übereinstimmungsmaßes für die Position ge mäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 einen typischen Signalverlauf eines unzuverlässig empfangbaren Funksenders.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
Im Nachfolgenden wird anhand der 1 bis 4 das erfindungsgemäße Konzept zum Bestimmen einer Übereinstimmung zwischen einer aktuellen geografischen Position mit einer geografischen Referenzposition beschrieben.
Um Referenzpositionen zu erhalten, zeichnet ein Nutzer in einer Trainingsphase beispielsweise Radiofingerabdrücke auf, um sie in einer späteren Lokalisierungsphase als Teil einer Datenbasis zu nutzen. Praktisch kann das Trainieren beispielsweise mit einem PDA oder Smartphone erfolgen. Ein geografischer Plan der Zielumgebung kann zum Beispiel als Bitmap hinterlegt sein. Beim Trainieren markiert der Nutzer seine aktuelle Position auf dem Plan und stößt dann die Messwertaufnahme an. In der Praxis hat sich gezeigt, dass dichtere Trainingspunkte das Ergebnis kaum merklich verbessern, aber den Rechenaufwand beim Lokalisieren deutlich erhöhen.
Ein manuelles Sammeln von Fingerabdrücken ist jedoch nur in begrenzten Arealen praktikabel. In Innenstädten können für diesen Zweck sogenannte Einmessboxen eingesetzt werden. Sie verfügen jeweils über eine hochgenaue GPS-Einheit (sogenanntes Differential GPS) in Kombination mit hochgenauen Innertialsensoren (zum Beispiel Beschleunigungssensoren und elektronische Kompasse). Diese Einmessboxen können ohne manuellen Eingriff Fingerabdrücke sammeln, wenn man sie durch die Stadt bewegt. Die Lokalisierung über Differential GPS erlaubt auch im städtischen Umfeld eine Positionsbestimmung mit einer mittleren Genauigkeit von wenigen Dezimetern, die durch die hochgenaue Innertialsensorik auch bei Ausfall des GPS Signals noch bis zu 20 Minuten weiterbesteht. Überdachte Passagen beispielsweise stellen damit für die Einmessbox kein Problem dar.
1 zeigt zunächst ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bestimmen der Übereinstimmung der aktuellen Position, an der sich ein mobiles Endgerät befindet, mit der Referenzposition.
Das in 1 schematisch dargestellte Verfahren zum Bestimmen der Übereinstimmung weist einen ersten Schritt S1 des Ermittelns bzw. Lieferns von Eigenschaften von Funksignalen fest positionierter Funksender an der aktuellen Position auf, wobei die ermittelten bzw. gelieferten Eigenschaften der Funksignale die Funksender identifizierende Senderkennungen umfassen. Das heißt, in dem Schritt S1 werden u. a. Senderkennungen der Funksender ermittelt. Zusätzlich werden bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Eigenschaften der Funksignale, wie z. B. eine Empfangsfeldstärke, ein Empfangsleistungsspektrum, ein Signal-zu-Rauschleistungsverhältnis (SNR = Signal-to-Noise Ratio), Einfallswinkel, Laufzeit, Polarisation oder Phasenlage der Funksignale ermittelt.
In einem zweiten Schritt S2 werden die Funksignale bzw. die den Funksignalen zugeordneten Funksender getrennt bzw. gefiltert in eine erste Anzahl N_eq von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der aktuellen Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, und in eine zweite Anzahl N_neq von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Sen derkennungen an der Referenzposition und an der Position gelieferte Senderkennungen verschieden sind, also von Funksendern, deren Senderkennungen entweder nur an der aktuellen Position geliefert werden und vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet wurden, oder, deren Senderkennungen vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet wurden und nicht an der aktuellen Position geliefert werden. Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst der zweite Schritt S2 zusätzlich einen Unterschritt, um aus der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern eine Anzahl N_nh von an der aktuellen Position zuwenig empfangenen Funksendern auszuwählen, d. h. von Funksender, von denen vorher aufgezeichnete Eigenschaften an der Referenzposition vorhanden sind, von denen jedoch keine an der aktuellen Position gelieferte Eigenschaften vorhanden sind. Je höher die Anzahl N_nh der an der aktuellen Position zuwenig empfangenen Funksender ausfällt, desto wahrscheinlicher ist es, daß die aktuelle Position nicht der Referenzposition entspricht. Ferner umfasst der Schritt S2 einen weiteren Unterschritt, bei dem aus der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern eine Anzahl N_htm von an der aktuellen Position zuviel empfangenen Funksendern ausgewählt werden, von denen keine vorher aufgezeichnete elektromagnetische Eigenschaften an der Referenzposition vorhanden sind, vor denen jedoch an der aktuellen Position gelieferte elektromagnetische Eigenschaften vorhanden sind. Je höher die Anzahl N_htm der an der aktuellen Position zuviel empfangenen Funksender ausfällt, desto wahrscheinlicher ist es, daß die aktuelle Position nicht der Referenzposition entspricht. Die zweite Anzahl N_neq von Funksendern ergibt sich also aus der Anzahl N_nh von an der aktuellen Position zuwenig empfangenen Funksendern und der Anzahl N_htm von an der aktuellen Position zuviel empfangenen Funksendern gemäß N_neq = (N_nh + N_htm).
Basierend auf den aus Schritt S1 gelieferten Eigenschaften der Funksignale wird in einem dritten Schritt S3 ein Übereinstimmungsmaß bzw. ein Distanzwert acc für die aktuelle Position ermittelt, wobei sowohl Eigenschaften der ersten Anzahl N_eq von Funksendern als auch Eigenschaften der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern bei der Bestimmung des Übereinstimmungsmaßes berücksichtigt werden, und wobei die Eigenschaften der ersten Anzahl N_eq der Funksender und die Eigenschaften der zweiten Anzahl N_neq der Funksender unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen. Gemäß Ausführungsbeispielen werden die Eigenschaften der ersten Anzahl N_eq der Funksender höher gewichtet als die Eigenschaften der zweiten Anzahl N_neq der Funksender, worauf im Nachfolgenden noch näher eingegangen wird.
Der Schritt S1 des Ermittelns bzw. Lieferns der Eigenschaften von Funksignalen wird gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung von einem mobilen Endgerät bzw. einem Client durchgeführt, wie beispielsweise einem WLAN-fähigen PDA, einem Bluetooth-fähigen PDA oder z. B. auch einem Mobiltelefon. Dazu weist der Client eine Einrichtung zum Ermitteln bzw. Liefern der Eigenschaften der Funksignale der fest positionierten Funksender auf, wobei die Eigenschaften im Allgemeinen gekennzeichnet sind durch eine Kennung eines fest positionierten Funksenders und dessen elektromagnetische Signalcharakteristik, wie beispielsweise eine Empfangsfeldstärke, ein Empfangsspektrum oder ein empfangener Signalrauschabstand. Die Kennung bzw. ein identifizierendes Merkmal eines fest positionierten Funksenders kann beispielsweise seine MAC-Adresse (MAC = Media Access Control), Basisstationskennung oder eine Zellkennung sein.
Die Eigenschaften der Funksignale der fest positionierten Funksender werden zu so genannten Messpaketen MP(i) zusammengefasst. Dieser Sachverhalt ist beispielhaft in 2 gezeigt.
2 zeigt beispielhaft drei zeitlich aufeinander folgende Messpakete aus einem WLAN-Netzwerk MP(1), MP(2), MP(3), d. h. i = 1, 2, 3, wobei ein Messpaket MP(i) jeweils eine Mehrzahl von MAC-Adressen 22 und zugehörigen RSSI-Werten RSSI_k(i) aufweist, wobei der Index k auf einen k-ten Funksender hindeutet. Das heißt, pro Zeitintervall werden die MAC-Adressen der fest positionierten Funksender, sowie deren vom Client empfangene RSSI-Werte in einem Messpaket MP(i) zusammengefasst.
3 zeigt eine Vorrichtung 30 zum Bestimmen einer Übereinstimmung zwischen einer aktuellen Position mit einer Referenzposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei sind an der aktuellen Position Funksignale von fest positionierten Funksendern bzw. Basisstationen empfangbar.
Die Vorrichtung 30 weist dazu eine Einrichtung 32 zum Liefern von Eigenschaften der Funksignale der fest positionierten Funksender an der aktuellen Position auf, wobei die gelieferten Eigenschaften der Funksignale die Funksender identifizierende Senderkennungen, wie z. B. MAC-Adressen, umfassen. Dazu kann die Einrichtung 32 mit einer Empfangsantenne 33 gekoppelt sein, um die Eigenschaften der Funksignale, wie z. B. auch elektromagnetische Eigenschaften, zu empfangen. Insbesondere können unter den Eigenschaften der Funksignale die vorher beschriebenen Messpakete MP(i) verstanden werden. Die ermittelten bzw. gelieferten Eigenschaften MP(i) werden an eine Einrichtung 34 zum Trennen der Funksignale bzw. ihrer zugeordneten Funksender in eine erste Anzahl N_eq von Funksendern und eine zweite Anzahl N_neq von Funksendern geliefert. Dabei umfasst die erste Anzahl N_eq von Funksendern diejenigen Funksender, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der betrachteten Referenzposition mit an der aktuellen Position ermittelten Senderkennungen identisch sind. Die zweite Anzahl N_neq = (N_nh + N_htm) von Funksendern umfasst diejenigen Funksender, deren Senderkennungen entweder nur an der Position geliefert werden und vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet wurden, oder, deren Senderkennungen vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet wurden und nicht an der Position geliefert werden. Um die erste Anzahl N_eq und die zweite Anzahl N_neq von Funksendern zu ermitteln, kann die Einrichtung 34 zum Trennen mit einer Datenbasis 35 gekoppelt sein, in der vorher aufgezeichnete Eigenschaften von Funksignalen von einer Mehrzahl von Referenzpositionen, d. h. Referenzmesspakete, gespeichert sind. Das heißt, die Datenbasis 35 umfasst beispielsweise eine Vielzahl von vorher aufgezeichneten Messpaketen, die jeweils einer Referenzposition zugeordnet sind. Diese vorher aufgezeichneten Messpakete sollen im Nachfolgenden auch als Referenzmesspakete RP bezeichnet werden. Die Einrichtung 34 trennt die Funksignale also in wenigstens zwei Gruppen auf. Eine erste Gruppe 36 umfasst Eigenschaften von Funksignalen der ersten Anzahl N_eq von Funksendern, wohingegen eine zweite Gruppe 37, 38 Eigenschaften von Funksignalen der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern umfasst. Wie vorhin schon beschrieben wurde, kann die zweite Gruppe 37, 38 noch unterteilt werden in eine Gruppe von Eigenschaften von Funksignalen von an der aktuellen Position zu wenig empfangenen Funksendern und in eine Gruppe von Eigenschaften 38 von Funksignalen von an der Position zu viel empfangenen Funksendern.
Die Vorrichtung 30 weist ferner eine Einrichtung 39 zum Ermitteln eines Übereinstimmungsmaßes für die aktuelle Position auf, die sowohl mit der Einrichtung 34 zum Trennen als auch mit der Datenbasis 35 gekoppelt sein kann. Die Einrichtung 39 ist ausgebildet, um das Übereinstimmungsmaß basierend auf den gelieferten Eigenschaften 36, 37, 38 der Funksignale zu ermitteln, wobei sowohl Eigenschaften 36 der ersten Anzahl N_eq von Funksendern als auch Eigenschaften 37, 38 der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern bei der Bestimmung des Übereinstimmungsmaßes bzw. des Distanzwertes acc berücksichtigt werden, und wobei die Eigenschaften 36 der ersten Anzahl N_eq von Funksendern und die Eigenschaften 37, 38 der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen, d. h. unterschiedlich gewichtet werden.
Die Einrichtung 32 liefert an jedem Ort bzw. jeder Position Signale mehrerer Basisstationen bzw. Funksender mit unterschiedlicher Signalstärke zusammen mit den zugehörigen Senderkennungen. Im Falle von WLAN-Netzen umfasst ein derartiger elektronischer Fingerabdruck eine Liste von für jedes WLAN-Gerät bzw. WLAN-Funksendern eindeutigen MAC-Adressen und den dazu gehörigen Empfangssignalstärken und charakterisiert damit die aktuelle Position. Wo die WLAN-Funksender stehen, spielt keine Rolle.
Eine Lokalisierung besteht nun im Wesentlichen aus zwei Schritten: Erstens, einem Abgleich der aktuell gemessenen Messpakete mit den Fingerabdrücken bzw. den Referenzmesspaketen in der Datenbank 35 und zweitens, einer Auswahl passender Positionskandidaten einerseits sowie andererseits der Gewichtung und Kombination der Kandidatenpositionen zu einer Positionsschätzung.
In einer Abgleichphase werden Abweichungen eines aktuell gemessenen Messpakets MP(i) zu Referenzmesspaketen RP in der Datenbank 35 ermittelt. Dazu dienen insbesondere die Einrichtungen 34 und 39 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 30.
Um in der Abgleichphase mögliche Kandidatenpositionen für die aktuelle Position aus der Vielzahl von gespeicherten Referenzpositionen zu finden, ermittelt die Einrichtung 39 das Übereinstimmungsmaß zwischen aktuell gemessenen Messpaketen und vorher an Referenzpositionen aufgezeichneten Referenzmesspaketen. Ein schematisches Blockschaltbild der Einrichtung 39 zum Ermitteln des Übereinstimmungsmaßes bzw. des Distanzwertes acc ist in 4 gezeigt.
Wie vorher bereits beschrieben wurde, wird die Einrichtung 39 eingangsseitig mit elektromagnetischen Eigenschaften 36, z. B. RSSI-Werten, der ersten Anzahl N_eq von Funksendern gespeist. Ferner liegen vom Eingang der Einrichtung 39 elektromagnetische Eigenschaften 37, 38, wie z. B. RSSI-Werte, der zweiten Anzahl N_neq von Funksendern an. Dabei umfassen die Eigenschaften 36 der ersten Anzahl N_eq von Funksendern sowohl die an der aktuellen Position gemessenen Signaleigenschaften sowie die vorher an der Referenzposition aufgezeichneten Signaleigenschaften.
In einem Block 41 werden gemäß Ausführungsbeispielen Differenzen zwischen den vorher aufgezeichneten elektromagnetischen Eigenschaften an der Referenzposition und den an der aktuellen Position gelieferten elektromagnetischen Eigenschaften der ersten Anzahl N_eq von Funksendern gebildet. Beispielsweise werden Differenzen von RSSI-Werten von Funksendern gebildet, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der aktuellen Position gelieferten Senderkennungen identisch sind. Diese Differenz-RSSI-Werte ΔRSSI₁ bis ΔRSSI_Neq werden an einen Summationsblock 42 geliefert, welcher die N_eq Differenz-RSSI-Werte ΔRSSI_n (n = 1, ..., N_eq) zu einer Summe ΣΔRSSI_n aufsummiert. N_eq ist die erste Anzahl der Funksender, die sowohl im Messpaket als auch im Referenzpaket vorkommen. Die Funktion ΔRSSI berechnet eine Distanz zwischen zwei Signalstärkewerten. Als Distanzfunktion kann beispielsweise der euklidische Abstand der Messwerte in dB gewählt werden. Distanz heißt in diesem Zusammenhang also nicht räumlicher Abstand, sondern mathematische Abweichung. Nach der Summation durch den Block 42 wird die Summe ΣΔRSSI_n mit einem Gewichtungsfaktor EQW gewichtet, d. h. EQW·ΣΔRSSI_n. EQW definiert dabei ein Gewicht zwischen 0 und 1, das angibt, wie stark die Distanz der Messwerte bzw. die Distanz der Signalstärkewerte ΣΔRSSI_n im Vergleich zu den an der aktuellen Position gegenüber den zuviel oder zuwenig gehörten Funksendern gewertet werden soll.
Würde man an dieser Stelle mit der Berechnung des Übereinstimmungsmaßes aufhören, so wäre es möglich, dass eigentlich schlechter zu der aktuellen Position passende Referenzpositionen als Kandidaten ausgewählt würden als besser passende. Dafür ein Beispiel: Angenommen, für einen ersten Referenzpunkt ergibt sich im Vergleich zu der aktuellen Position N_eq = 1, d. h. lediglich eine Funksendersenderkennung zwischen Referenzmesspaket und aktuellem Messpaket stimmt überein. Liegen die entsprechenden RSSI-Werte der übereinstimmenden Messpakete nun beispielsweise zufällig 2,5 dB auseinander, so ergibt sich ΣΔRSSI_n/N_eq = 2,5 dB. Weiter angenommen, für einen zweiten Referenzpunkt ergibt sich im Vergleich zu der aktuellen Position N_eq = 3, d. h. drei Funksendersenderkennungen stimmen zwischen Referenzmesspaket und aktuellem Messpaket überein. Liegen die entsprechenden RSSI-Werte nun beispielsweise 2 dB, 3 dB und 4 dB auseinander, so ergibt sich insgesamt ΣΔRSSI_n/N_eq = 3 dB. In der Folge würde der zweite Referenzpunkt schlechter bewertet werden als der erste, was zu einem Schätzfehler führen würde. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können derartige Schätzfehler vermeiden bzw. wenigstens reduzieren.
Das Bezugszeichen 37 kennzeichnet Eigenschaften von Funksignalen von einer Anzahl N_nh von an der aktuellen Position zuwenig empfangenen Funksendern, d. h. von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Eigenschaften an der Referenzposition vorhanden sind, von denen jedoch keine an der Position gelieferte Eigenschaft vorhanden ist, also von Funksendern, die an der aktuellen Position nicht empfangen werden können. In einem Block 43 kann für jede der zuwenig empfangenen Funksender eine Malusfunktion bzw. ein Maluswert M_nh,m() (m = 1, ..., N_nh) definiert werden. Das heißt, für jede Station, die in den Referenzwerten vorhanden ist, jedoch nicht in den aktuellen Messwerten, kann ein Maluswert M_nh,m() (m = 1, ..., N_nh) definiert werden. Dieser kann beispielsweise davon abhängen, wie zuverlässig die entsprechend zuwenig empfangene Station in der Vergangenheit an der Referenzposition empfangbar war. Bei einer bisher guten Empfangbarkeit der zuwenig empfangenen Station, d. h. hoher RSSI-Wert, resultiert beispielsweise ein hoher Maluswert. Der Maluswert M_nh,m() (m = 1, ..., N_nh) kann also gemäß Ausfüh rungsbeispielen direkt proportional zum Referenz-RSSI-Wert der an der aktuellen Position zuwenig empfangenen Station sein. Des Weiteren kann die Malusfunktion M_nh,m() (m = 1, ..., N_nh) mit einem PGS-Wert des entsprechenden zuwenig empfangenen Funksenders verknüpft sein. Ein kleiner PGS-Wert in der Referenzdatenbasis kann beispielsweise auch nur zu einem kleinen Wert der entsprechenden Malusfunktion M_nh,m() führen. Dies kann z. B. durch die folgende Formel errechnet werden: M_nh,m(PGS) = FixMalus + DynamicMalus, wobei DynamicMalus = FixMalus·PGS/100. Die Funktion M_nh,m() (m = 1, ..., N_nh) für einen Maluswert für einen zuwenig empfangenen Funksender ist also gemäß Ausführungsbeispielen abhängig von einer mit einer Empfangsfeldstärke in Beziehung stehenden vorher am Referenzpunkt aufgezeichneten Eigenschaft, sowie von Modellen, beispielsweise für die Umgebung, der Güte der Messwerte etc.. Die N_nh Maluswerte M_nh,m (m = 1, ..., N_nh) für die an der aktuellen Position zuwenig empfangenen Funksender werden einem Summationsblock 44 übergeben, um eine erste Summe M_nh,m() der N_nh Maluswerte der zuwenig empfangenen Funksender zu bestimmen.
Mit dem Bezugszeichen 38 sind Eigenschaften von Funksignalen von einer Anzahl N_htm von an der aktuellen Position zuviel empfangenen Funksendern versehen. Damit sind Funksender gemeint, von denen keine vorher aufgezeichneten elektromagnetischen Eigenschaften an der Referenzposition vorhanden sind, von denen jedoch an der aktuellen Position gelieferte elektromagnetische Eigenschaften vorhanden sind. In einem Block 45 kann jedem der an der aktuellen Position zuviel empfangenen Funksender eine Malusfunktion M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) bzw. ein Maluswert zugeordnet werden. Das heißt, für jeden Funksender, der in den Referenzwerten fehlt, jedoch in den aktuell gemessenen Messwerten enthalten ist, kann ein Maluswert M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) definiert werden. Auch hier kann die Funktion für den Maluswert M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) abhängig vom aktuellen RSSI-Messwert des Funksenders, sowie von Modellen, beispielsweise für die Umgebung, der Güte der Messwerte, dem Alter der Referenzda ten etc., sein. Das heißt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 39 zum Bestimmen ausgebildet, um einem der an der aktuellen Position zuviel empfangenen Funksender einen Maluswert M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) abhängig von einer zu der Empfangsfeldstärke seines Funksignals in Beziehung stehenden Eigenschaft, beispielsweise dem RSSI-Wert, zuzuordnen. Der Maluswert M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) ist also gemäß Ausführungsbeispielen direkt proportional zum Referenz-RSSI-Wert der an der aktuellen Position zuviel empfangenen Station. Des Weiteren kann die Malusfunktion M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) mit einem PGS-Wert des entsprechenden zuviel empfangenen Funksenders verknüpft sein. Ein kleiner PGS-Wert in der Referenzdatenbasis kann beispielsweise auch nur zu einem kleinen Wert der entsprechenden Malusfunktion M_htm,r() (r = 1, ..., N_htm) führen.
Die N_htm Maluswerte der zuviel empfangenen Funksender werden an einen Summationsblock 46 übergeben, um die N_htm Maluswerte zu einer zweiten Summe ΣM_htm,r() aufzusummieren.
Die erste Summe ΣM_nh,m() der Maluswerte der zuwenig empfangenen Funksender und die zweite Summe ΣM_htm,r() der zuviel empfangenen Funksender werden gemäß Ausführungsbeispielen aufsummiert und mit einem Gewichtungsfaktor (1 – EQW) gewichtet, d. h. (1 – EQW)·(ΣM_nh,m() + ΣM_htm,r()).
Schließlich werden gemäß einem Ausführungsbeispiel die gewichtete Summe ΣQW·ΣΔRSSI_n der Differenzen zwischen vorher aufgezeichneten elektromagnetischen Eigenschaften an der Referenzposition und den an der Position gelieferten elektromagnetischen Eigenschaften der ersten Anzahl N_eq von Funksendern und die gewichtete Summe (1 – EQW)·(ΣM_nh,m() + ΣM_htm,r()) der Maluswerte aufsummiert und mit (N_eq + N_nh + N_htm) normiert, um den Distanzwert acc zwischen der aktuellen Position und der betrachteten Referenzposition zu erhalten. Der Distanzwert acc berechnet sich also beispielsweise gemäß
Wird der Distanzwert acc gemäß Gl. (1) bestimmt, so ist eine Übereinstimmung zwischen der aktuellen Position und der betrachteten Referenzposition umso größer, je kleiner der Distanzwert acc ist. Das heißt, die Übereinstimmung ist umso größer, je kleiner die Summe ΣΔRSSI_n der Differenzen ist und je kleiner die Summen ΣM_nh,m(), ΣM_htm,r() der Maluswerte sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel entspricht der Distanzwert acc dem Übereinstimmungsmaß.
Das Übereinstimmungsmaß könnte gemäß anderen Ausführungsbeispielen auch invers zu dem Distanzwert acc sein, oder es könnte sich gemäß (1 – acc) berechnen lassen, falls acc nicht größer als 1 werden kann. D. h., je kleiner die Distanz acc, desto größer das Übereinstimmungsmaß. Natürlich sind auch andere Berechnungsvorschriften denkbar, bei denen die Eigenschaften der ersten Anzahl N_eq von Funksendern und die Eigenschaften der zweiten Anzahl N_neq = (N_nh + N_htm) von Funksendern unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erhöht also jede zuviel oder zuwenig empfangene Station die Distanz acc. Die Behandlung unterschiedlicher Stationen im Fingerabdruck und in aktuellen Messwerten beeinflusst die Genauigkeit stark: eine Station, die im gespeicherten Referenz-Fingerabdruck fehlt, doch in der aktuellen Messung auftaucht, ist ein starkes Indiz dafür, dass dieser Fingerabdruck nicht passt.
In großen Arealen kann die Distanzberechnung gemäß Gl. (1) zu sämtlichen gespeicherten Referenz-Fingerabdrücken viel Zeit in Anspruch nehmen. Eine Vorauswahl von Referenz- Fingerabdrücken ist daher vorteilhaft. Die letzte berechnete Position des Endgeräts kann bereits einen Anhaltspunkt für die aktuelle Position geben. Digitale Umgebungskarten können die Zahl der Kandidaten weiter einschränken. Eine solche Bereichseinschränkung birgt jedoch auch Gefahren. Liegt die geschätzte Position grob daneben, kann sich die Positionierung nicht mehr erholen und bleibt an der „besten falschen" Position hängen. Daher gilt es immer, auch die absolute Qualität der Kandidatenpositionen zu prüfen. Ist die absolute Qualität des besten Kandidaten zu schlecht, z. B. aufgrund sehr schwacher RSSI-Werte, sollte der Abgleich ohne Bereichseinschränkung neu gestartet werden. Am Ende der Abgleichsphase erhält man eine Menge wahrscheinlicher Aufenthaltsorte bzw. Kandidatenpositionen, aus denen dann ein Schätzwert für die aktuelle Position ermittelt werden kann.
Der oder die besten in der Abgleichphase ermittelten Positionskandidaten kommen für eine so genannte Positionsberechnungsphase (Position Calculation Phase) in einem Navigationsgerät, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30 umfasst, zum Einsatz. Dazu umfasst ein erfindungsgemäßes Navigationsgerät zusätzlich eine Einrichtung zum Ausgeben eines Schätzwertes für die aktuelle Position basierend auf dem durch die Vorrichtung 30 übermittelten Übereinstimmungsmaß bzw. der Distanz acc.
Die Einrichtung zum Ausgeben des Schätzwerts für die Position berechnet aus Kandidatenpositionen, welche einen vorgegebenen Grenzwert für das Übereinstimmungsmaß bzw. die Distanz acc nicht über- bzw. unterschreiten, die Position bzw. den Schätzwert für die Position des mobilen Endgeräts. Dabei werden weniger Einzelpositionen betrachtet, sondern diese werden vielmehr in einem Kontext einer Gesamtbewegung gesetzt. Das Ergebnis stellt den Schätzwert für die aktuelle Position des Endgeräts dar.
Eine einfache Realisierung ist beispielsweise eine Berechnung eines gewichteten Mittelwerts aus den Kandidatenpositionen. Von den Übereinstimmungsmaßen der Kandidatenpositionen abhängige Werte, z. B. inverse Übereinstimmungsmaße, bilden dabei Gewichte der Kandidatenposition in der Mittelung. Dieses so genannte k-Weighted-Nearest-Neighbor genannte Verfahren liefert durchaus respektable Ergebnisse. Die mittleren Positionierungsfehler liegen bei wenigen Metern.
Der Schätzwert für die aktuelle Position kann aber auch mittels komplexeren Verfahren bestimmt werden, beispielsweise mittels Methoden aus der Wahrscheinlichkeitsrechnung, wie beispielsweise mittels des Bayes'sche Verfahren oder Markov-Ketten. Eine Grundidee dabei ist, Fehler in einzelnen Positionsschätzungen auszugleichen, indem man einen gesamten Laufweg im Nachhinein betrachtet und optimiert. Die Berechnung des wahrscheinlichsten Laufwegs kann darüber hinaus Zusatzdaten wie Umgebungskarten einbeziehen. Auch Bewegungsschätzfilter wie z. B. ein Kalman-Filter können zum Einsatz kommen. Ein derartiges Filter schätzt auf Basis der letzten Positionen die Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit und Beschleunigung und erstellt eine Prognose für die Zukunft. Ein Abgleich zwischen Prognose und berechneter Position kann unplausible Bewegungen und Sprünge erkennen und korrigieren.
In der Abgleich- und der Positionsberechnungsphase können digitale Umgebungskarten wichtige Zusatzinformationen liefern. Eine digitale Karte der Umgebung, aus der mögliche Laufwege hervorgehen, kann helfen, unmögliche Bewegungen zu erkennen und auf zulässige Wege zu korrigieren. Die Genauigkeit der Lokalisierung kann sich dadurch signifikant erhöhen. Digitale Karten können entweder aus möglichen Laufwegen bestehen (Positivkarten), nur nichtbetretbare Bereiche enthalten (Negativkarten) oder die baulichen Bedingungen wie Stockwerke, Wände oder Türen repräsentieren (Realkarten). Im Bereich der Fahrzeugnavigation ist es üblich, Positivkarten einzusetzen. Diese enthalten Straßen und Wege sowie wichtige Metadaten (beispielsweise die Fahrrichtung in Einbahnstraßen sowie Geschwindigkeitsbegrenzungen). Positivkarten sind hier sinnvoll, da die befahrbaren Straßen und Wege nur einen Bruchteil der Fläche eines Landes einnehmen.
In Gebäuden, Hallen oder auf Werksgeländen sind Laufwege dagegen nur durch wenige Hindernisse begrenzt. Hier bieten sich Negativ- oder Realkarten an. Während Positivkarten für die Fahrzeugnavigation in mehreren Standardformaten (wie beispielsweise GDF, SIF oder ArcView) kommerziell erhältlich sind, hat sich für Karten in und um Gebäude bisher kein Standard entwickelt. Bisherige WLAN-Lokalisierungslösungen überlassen es dem Anwender, eine Umgebungskarte im passenden Format zu erstellen und unterstützen dabei mit proprietären Werkzeugen. Basisinformationen können oft aus Bitmaps oder CAD-Plänen übernommen werden. Die Entwicklung von stadt- und landesweiten, navigationstauglichen 3D-Karten, die neben Straßen und öffentlichen Bauwerken auch Gebäudedetails enthalten, ist daher ein wichtiger Schritt zur Vereinheitlichung der Kartenformate.
Zusammenfassend wird darauf hingewiesen, dass, abhängig von den Gegebenheiten, das erfindungsgemäße Konzept auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette, einer CD oder einer DVD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.

Claims

Vorrichtung (30) zum Bestimmen einer Übereinstimmung einer Position mit einer Referenzposition, wobei an der Position Funksignale von fest positionierten Funksendern empfangbar sind, mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (32) zum Liefern von Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale der fest positionierten Funksender an der Position, wobei die gelieferten Eigenschaften der Funksignale die Funksender identifizierende Senderkennungen umfassen; einer Einrichtung (34) zum Trennen der Funksender in eine erste Anzahl (N_eq) von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, und in eine zweite Anzahl (N_neq) von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition und an der Position gelieferte Senderkennungen verschieden sind; und einer Einrichtung (39) zum Ermitteln eines Übereinstimmungsmaßes für die Position, basierend auf den gelieferten Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale, wobei sowohl Eigenschaften (36) der ersten Anzahl (N_eq) von Funksendern als auch Eigenschaften (37; 38) der zweiten Anzahl (N_neq) von Funksendern bei der Bestimmung eines Übereinstimmungsmaßes berücksichtigt werden, und wobei die Eigenschaften der ersten Anzahl von Funksendern und die Eigenschaften der zweiten Anzahl von Funksendern unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Anzahl (N_neq) von Funksendern Senderkennungen aufweist, die entweder nur an der Position geliefert werden und vorher an der Referenzposition nicht aufgezeichnet wur den, oder, die vorher nur an der Referenzposition aufgezeichnet wurden und nicht an der Position geliefert werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Eigenschaften (36) der ersten Anzahl (N_eq) von Funksendern höher gewichtet werden als die Eigenschaften (37; 38) der zweiten Anzahl (N_neq) von Funksendern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei die Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale elektromagnetische Eigenschaften der Funksignale umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um das Übereinstimmungsmaß für die Position basierend auf Differenzen (ΔRSSI_n) zwischen vorher aufgezeichneten elektromagnetische Eigenschaften an der Referenzposition und den an der Position gelieferten elektromagnetische Eigenschaften der ersten Anzahl (N_eq) von Funksendern zu bestimmen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um der Position ein höheres Übereinstimmungsmaß zuzuordnen, je kleiner eine Summe der Differenzen (ΔRSSI_n) ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (32) zum Liefern der Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale ausgebildet ist, um mit einer Empfangsfeldstärke in Beziehung stehende Eigenschaften der Funksignale an der Position zu liefern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Einrichtung (32) zum Liefern der Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale ausgebildet ist, um einen RSSI-Wert, ein Empfangsleistungsspektrum oder ein Signal-zu- Rauschleistungsverhältnis der Funksignale an der Position zu liefern.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (34) zum Trennen ausgebildet ist, um aus der zweiten Anzahl (N_neq) von Funksendern eine Anzahl (N_nh) von an der Position zuwenig empfangenen Funksendern auszuwählen, von denen vorher aufgezeichnete Eigenschaften an der Referenzposition vorhanden sind, von denen jedoch keine an der Position gelieferte Eigenschaften vorhanden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um einem der an der Position zuwenig empfangenen Funksender einen Maluswert (M_nh,m()) zuzuordnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um einem an der Position zuwenig empfangenen Funksender den Maluswert (M_nh,m()) abhängig davon zuzuordnen, wie zuverlässig der Funksender in der Vergangenheit an der Referenzposition zu empfangen war.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um einem an der Position zuwenig empfangenen Funksender den Maluswert (M_nh,m()) abhängig von einer mit einer Empfangsfeldstärke in Beziehung stehenden Eigenschaft zuzuordnen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um der Position ein höheres Übereinstimmungsmaß zuzuordnen, je kleiner eine Summe der Maluswerte (ΣM_nh,m()) der an der Position zuwenig empfangenen Funksender ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (34) zum Trennen ausgebildet ist, um aus der zweiten Anzahl (N_neq) von Funksendern eine Anzahl (M_nh,m) von an der Position zuviel empfangenen Funksendern auszuwählen, von denen keine vorher aufgezeichnete elektromagnetische Eigenschaften an der Referenzposition vorhanden sind, von denen jedoch an der Position gelieferte elektromagnetische Eigenschaften vorhanden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um einem der an der Position zuviel empfangenen Funksender einen Maluswert (M_htm,r()) zuzuordnen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um einem der an der Position zuviel empfangenen Funksender den Maluswert (M_htm,r()) abhängig von einer zu der Empfangsfeldstärke seines Funksignals in Beziehung stehenden Eigenschaft zuzuordnen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der die Einrichtung (39) zum Bestimmen ausgebildet ist, um der Position ein höheres Übereinstimmungsmaß zuzuordnen, je kleiner eine Summe der Maluswerte (ΣM_nh,m()) der an der Position zuviel empfangenen Funksender ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung (32) zum Ermitteln von Eigenschaften der Funksignale ausgebildet ist, um Eigenschaften von WLAN-Funksignalen (WLAN = Wireless Local Area Network) zu ermitteln.
Navigationsgerät, mit einer Vorrichtung (30) zum Bestimmen eines Übereinstimmungsmaßes einer aktuellen Position mit einer Referenzposition gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; und einer Einrichtung zum Ausgeben eines Schätzwertes für die aktuelle Position basierend auf dem ermittelten Übereinstimmungsmaß.
Navigationsgerät gemäß Anspruch 19, bei dem die Vorrichtung (30) zum Bestimmen des Übereinstimmungsmaßes ausgebildet ist, um jeweils ein Übereinstimmungsmaß zwischen der aktuellen Position und einer begrenzten Zahl von Referenzpositionen zu bilden, wobei die begrenzte Zahl von Referenzpositionen in einer vorbestimmten Umgebung eines Schätzwertes für eine vorherige Position zu der aktuellen Position liegt.
Navigationsgerät gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem die Einrichtung zum Ausgeben des Schätzwertes ausgebildet ist, um den Schätzwertes basierend auf einem Mittelwert einer Mehrzahl von Referenzpositionen mit Übereinstimmungsmaßen unter- oder oberhalb eines Grenzwertes zu ermitteln und auszugeben.
Verfahren zum Bestimmen einer Übereinstimmung einer Position mit einer Referenzposition, wobei an der Position Funksignale von fest positionierten Funksendern empfangbar sind, mit folgenden Schritten: Liefern von Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale der fest positionierten Funksender an der Position, wobei die gelieferten Eigenschaften der Funksignale die Funksender identifizierende Senderkennungen umfassen; Trennen der Funksender in eine erste Anzahl (N_eq) von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition mit an der Position gelieferten Senderkennungen identisch sind, und in eine zweite Anzahl (N_neq) von Funksendern, von denen vorher aufgezeichnete Senderkennungen an der Referenzposition und an der Position gelieferte Senderkennungen verschieden sind; und Ermitteln eines Übereinstimmungsmaßes für die Position, basierend auf den gelieferten Eigenschaften (MP(i)) der Funksignale, wobei sowohl Eigenschaften (36) der ersten Anzahl (N_eq) von Funksendern als auch Eigenschaften (37; 38) der zweiten Anzahl (N_neq) von Funksendern bei der Bestimmung eines Übereinstimmungsmaßes berücksichtigt werden, und wobei die Eigenschaften der ersten Anzahl von Funksendern und die Eigenschaften der zweiten Anzahl von Funksendern unterschiedlich in das Übereinstimmungsmaß eingehen.
Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens zum Lokalisieren einer Position gemäß Anspruch 22, wenn das Computer-Programm auf einem Computer abläuft.