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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung eines Objekts und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Ortung bezeichnet Verfahren, die dazu dienen, die räumliche Position entfernter Objekte, insbesondere im Verhältnis zum Beobachter, zu ermitteln. Im weiteren Sinne wird auch die Lokalisation anhand empfangener Signale als Ortung bezeichnet. Hierunter fällt insbesondere die Ortung mittels eines Globalen Navigationssatellitensystems (GNSS). Unter Ortung wird hierin auch die sogenannte Ortsbestimmung, nämlich die Bestimmung des eigenen Standorts, verstanden.
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Ein GNSS ist ein System zur Positionsbestimmung und Navigation durch den Empfang der Signale von Navigationssatelliten und Pseudoliten. Ein Pseudolit (zusammengesetzt aus pseudo und Satellit) ist ein terrestrischer Sender, der Signale aussendet, die Signale nachahmen, die von Satelliten gesendet werden. Pseudoliten werden bspw. dazu eingesetzt, um lokal die Messgenauigkeit von satellitengestützten Navigationssystemen zu erhöhen.
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Zu berücksichtigen ist, dass GNSS ein Sammelbegriff für die Verwendung bestehender und zukünftiger globaler Satellitensysteme, wie bspw NAVSTAR GPS, GLONASS, Galileo, Beidou usw. ist. Das vorgestellte Verfahren ist auf keines dieser Systeme beschränkt.
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Bei einem bekannten Verfahren kann auch das zu lokalisierende Objekt Signale auf der GPS-Frequenz aussenden, die von stationären Empfängern registriert werden. Anhand der Laufzeiten kann die Position des Objekts berechnet werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2016 225 886 A1 sind hierzu ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung bekannt. Bei dem Verfahren wird von mindestens einem Objekt auf mindestens einer Trägerfrequenz eines satellitengestützten Navigationssystems mindestens ein Signal an mindestens zwei stationäre Empfangsstationen übertragen. Es wird mindestens ein Laufzeitunterschied für jeweilige von den mindestens zwei stationären Empfangsstationen empfangene Signale berechnet. Anhand des mindestens einen Laufzeitunterschieds wird eine aktuelle Position des mindestens einen Objekts relativ zu den mindestens zwei Empfangsstationen berechnet. Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Technik mit stationären Pseudoliten, die ein Pseudosignal versenden, sendet hier das bewegliche und zu ortende bzw. lokalisierende Objekt Pseudo-Satellitensignale.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 015 326 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion von Objekten, die in einem Medium eingeschlossen sind. Es wird weiterhin ein Ortungsgerät zum Lokalisieren derartiger eingeschlossener Objekte beschrieben. Weiterhin wird ein mit einem Objekt korreliertes Messsignal gemessen, aus dem ein zweites Signal erzeugt wird, das eine gemessene Signalstärke des Messsignals in segmentierter Weise wiedergibt, wobei einzelne Segmenteinheiten des zweiten Signals in Abhängigkeit von der gemessenen Signalstärke des Messsignals variiert werden.
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Bei der Ortung von Objekten in Gebäuden erweist es sich als problematisch, dass die Signale sowohl von Satelliten als auch von Pseudoliten durch Gebäudewände gedämpft werden. Zudem ist insbesondere bei Pseudoliten das Abstandsgesetz zu beachten, das die Abnahme einer physikalischen Größe mit wachsender Entfernung zur Quelle oder zum Sender beschreibt. Da hiernach zwischen Abstand und Intensität eine quadratische Abhängigkeit gegeben ist, bedeutet dies, dass die Intensität bei einer Entfernungsverdopplung auf ein Viertel des Anfangswerts fällt. Bei Satelliten, die sich in großer Entfernung zu den zu ortenden Objekten befinden, spielt dies eine geringe Rolle. Bei Pseudoliten, die sich ggf. in unmittelbarer Umgebung des zu ortenden Objekts befinden, ist diese Abhängigkeit unbedingt zu beachten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Ortung eines Objekts mittels eines globalen Satellitensystems vorgestellt, wobei das Satellitensystem eine Anzahl an Kommunikationseinheiten umfasst, wobei als Kommunikationseinheiten mindestens eine Sendeeinheit, die ein Satellitensignal sendet, und mindestens eine Empfangseinheit, die Satellitensignale empfängt, vorgesehen sind, wobei das Objekt als Kommunikationseinheit dient, wobei wenigstens eine von der mindestens einen Sendeeinheit derart angesteuert wird, so dass diese ein Satellitensignal mit variierender Leistung sendet, und wobei die mindestens eine Empfangseinheit die empfangenen Satellitensignale auswertet, um den Ort des Objekts zu bestimmen. Bei der Variation der Leistung, die durch eine Regelung eingestellt werden kann, kann bzw. können bspw. eine Information, die das Satellitensignal trägt, aber auch ergänzend oder alternativ der Ort, an dem sich das Objekt befindet, berücksichtigt werden.
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Mit dem vorgestellten Verfahren ist es nunmehr möglich, eine bestehende GNSS, bspw. GPS-Empfangstechnik (GPS: global positioning system), weitgehend unverändert für eine sogenannte Indoorlokalisierung, d. h. eine Lokalisierung in einem Gebäude, zu verwenden. Dies ist in Ausgestaltung auch dann möglich, wenn sich die Signalstärke bei kurzen Abständen zwischen Sender und Empfänger sehr stark unterscheidet.
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Weiterhin kann die Lokalisierung mit Hilfe der Satelliten bei schlechten Empfangsbedingungen hinsichtlich Time to First Fix verbessert werden. Gegebenenfalls wird dafür auch in Kauf genommen, dass sich die Empfangsbedingungen unter guten Bedingungen ein wenig verschlechtern. Unter Time to First Fix ist die Zeit zu verstehen, die ein GPS-Empfänger benötigt, bis er nach dem Einschalten seine Position zum ersten Mal bestimmen kann.
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Die beschriebene Anordnung dient zum Durchführen des vorgestellten Verfahrens und ist bspw. in einer Hardware und/oder Software implementiert.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Anordnung von Pseudoliten.
- 2 zeigt eine Anordnung von stationären Empfangsstationen und einem Objekt zur Ortung des Objekts in einem Gebäude gemäß einem bekannten Verfahren.
- 3 zeigt ein mögliches Szenario einer möglichen Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Anordnung mit Sende- und Empfangseinheiten zur Durchführung einer Ortung, die insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein zu ortendes Objekt 12, in diesem Fall einen GPS-Nutzer, einen ersten Pseudoliten 14, einen zweiten Pseudoliten 16, einen dritten Pseudoliten 18, einen vierten Pseudoliten 20 und eine Referenzstation 22. Zwischen der Referenzstation 22 und dem Objekt 12 besteht zudem eine drahtlose Verbindung 24.
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Die gestrichelten Linien zeigen die Übertragung der Satellitensignale und die durchgezogenen Linien zeigen die Übertragung der Referenzwerte von der Referenzstation 22 zum Objekt 12, dessen Position bestimmt werden soll.
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Aufgrund des eingangs erwähnten Abstandsgesetzes sind die Intensitäten der von dem Objekt 12 empfangenen Signale ggf. sehr unterschiedlich, so dass es zu einer Überdeckung von Signalen kommen kann. Hier setzt die Erfindung an.
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In 2 ist eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines Objekts 31 in einem Gebäude 33 dargestellt, die gemäß einem bekannten Verfahren arbeitet. Mittels stationärer Empfangsstationen 35, 37, 39, 41, 43 und 45, die bspw. von einem Feuerwehrzug an jeweiligen Fenstern des Gebäudes 33 sehr schnell aufgestellt werden können, kann eine Position des Objekts 31 in dem Gebäude 33 bestimmt werden, indem ein Laufzeitunterschied eines von dem Objekt 31 ausgesendeten Signals 47 zwischen jeweiligen stationären Empfangsstationen 35, 37, 39, 41 und 43 ermittelt wird. Da das Signal 47 die stationäre Empfangsstation 45 nicht erreicht, wird diese bei der Bestimmung der Position des Objekts 31 nicht verwendet.
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Das Objekt 31 kann zur Orientierung innerhalb des Gebäudes 33 verwendet werden, auch wenn in dem Gebäude 33 bspw. aufgrund eines Brandes schlechte Sichtverhältnisse vorliegen.
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3 zeigt ein Szenario gemäß einer Ausführung des hierin beschriebenen Verfahrens. Die Darstellung zeigt ein Objekt 60, in diesem Fall ein Fahrzeug, das sich in einem Gebäude 62 befindet. Dieses Gebäude 62 umfasst eine Reihe von Wänden 64 und eine Decke 66.
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In dem Objekt 60 sind eine Empfangseinheit 70 und eine Sendeeinheit 72 zum Senden und Empfangen von Satellitennavigationssignalen vorgesehen. Die Darstellung zeigt weiterhin einen ersten Pseudoliten 80, einen zweiten Pseudoliten 82, einen Satelliten 84 und eine Cloud 86.
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Zu erkennen ist, dass die gesendeten Satellitensignale durch die Wände 64 und die Decke 66, insbesondere in Abhängigkeit des Orts des Objekts 60, unterschiedlich gedämpft werden. Weiterhin ist das Abstandsgesetz zu beachten. Dies hat zur Folge, dass Satellitensignale mit hoher Intensität Satellitensignale mit geringer Intensität überdecken, was dazu führen kann, dass die Ortung beeinträchtigt ist. Durch Variation der abgestrahlten Leistung zumindest eines der Satellitensignale kommt es dazu, dass diese Überdeckung zumindest in einem gewissen zeitlichen Bereich aufgehoben ist. Dieser Bereich wiederum reicht aus, dass eine zuverlässige Ortung durchgeführt werden kann.
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Bei dem vorgestellten Verfahren ist vorgesehen, dass Pseusoliten, GPS-Sender oder GPS-Satelliten ihre Sendeleistung variieren. So kann bspw. die Sendeleistung mit jedem Bit des C/A- bzw. P-Codes variiert werden.
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Der C/A-Code ist eine pseudozufällige Codefolge mit einer Länge von 1023 Bits, die für die Modulation eines Datensignals, in diesem Fall das Satellitensignal, eingesetzt wird. Die Sendebits einer Codefolge werden bei Modulationen als sogenannte Chips bezeichnet und tragen keine Nutzerinformationen, sondern dienen nur zur Demodulation mittels Korrelation mit der Codefolge selbst. Der längere P-Code verwendet als Codegenerator sogenannte JPL-Folgen (JPL: Jet Propulsion Labs).
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Die Variation kann daher bspw. entweder stochastisch oder ebenso wie die C/A- bzw. P-Codes mit Hilfe von Pseudozufallsdatenfolgen geschehen. Jedes Bit der Datenfolge bestimmt dabei, ob die Sendeleistung gegenüber der vorherigen Übertragung verringert oder erhöht wird. Alternativ kann auch die Sendeleistung von kompletten C/A- oder P-Code-Datenfolge mit jedem Bit geändert werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Leistung mehrerer C/A- oder P-Code-Datenfolgen hintereinander mit einem Bit geändert werden. Beim Einsatz des beschriebenen Verfahrens bei Pseudoliten bietet das zum einen den Vorteil, dass in der Nähe befindliche Pseudoliten nicht die Signale weit entfernter Pseudoliten dauerhaft überdecken können. Beim Einsatz in bereits vorhandenen Satelliten kann damit bewirkt werden, dass die nur indirekt empfangenen Signale nicht durch direkt empfangene Signale überdeckt werden können. Zum anderen können mit Hilfe der codierten Leistungsregelung sogar dann noch Satelliten von sehr vielen Pseudoliten und auch sehr viele Pseudoliten untereinander voneinander unterschieden werden, selbst wenn diese dieselben C/A- bzw. P-Codes zur Codierung der Phasenlage des Signals verwenden.
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Dabei können auch mehrere Datenfolgen miteinander überlagert werden, wodurch die Erhöhung der Leistung weiter verstärkt werden kann. Außerdem können durch die Überlagerung noch mehr Pseudoliten voneinander unterscheidbar gemacht werden.
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Im folgenden wird ein Beispiel gegeben:
- Ein GPS-Sender codiert seine Signale mit Hilfe der SV PRN ID 1 (SV: Space Vehicle, PRN: Pseudo Random Noise: Pseudozufallsrauschen), die durch die Chipfolge 1100100000 definiert ist, wobei der Wechsel zwischen einer 1 und einer 0 eine Phasenverschiebung der Trägerfrequenz um 180° bewirkt. Allerdings passt der Sender mit dem vorgeschlagenen Verfahren neuerdings nach 10 Chips die Leistung gemäß SV PRN ID 2 an: Wenn die Chipfolge der SV PRN ID 2 (1110010000) eine 1 zurückliefert, verdreifacht der Sender die Leistung. Zusätzlich passt der Sender nach 1023 Chips die Leistung gemäß SV PRN ID 3 (1111001000) an: Wenn die Chipfolge SV PRN ID 3 eine 1 zurückliefert, verzehnfacht der Sender die Leistung zusätzlich. Wenn sowohl ID 2 als auch ID 3 eine 1 zurückliefern, dann führt das dazu, dass der Sender die Leistung verdreißigfacht.
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Es können im Allgemeinen auch andere Pseudozufallsfolgen zur Leistungsregelung verwendet werden. Allerdings bietet es sich an, für die Leistungsregelung Pseudozufallsfolgen zu verwenden, die ohnehin bereits im Speicher von Sender und Empfänger abgelegt sind. Dadurch können Ressourcen gespart werden.
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Für jedes Bit des C/A- bzw. P-Codes können individuelle Datenfolgen zur Variation der Sendeleistung verwendet werden. Die Länge der Pseudozufallsdatenfolgen für die Leistungsanpassung können genauso lange wie die C/A- bzw. P-Codes gewählt werden.
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Geschieht die Variation mit Hilfe von Pseudozufallsdatenfolgen, dann können die Empfänger optional so modifiziert werden, dass sie auch die erwarteten Empfangspegel gemäß den Pseudozufallsdatenfolgen anpassen, bevor sie die erwarteten Pegel mit den empfangen Pegel per Kreuzkorellation miteinander verrechnen. Die Psudozufallsdatenfolgen sollten dabei wie gewohnt so gewählt werden, dass sie wie bisher mit anderen Codephasen, nämlich den Codephasen der anderen Satelliten, eine minimale Kreuzkorellation aufweisen und ebenso nur ein einziges Maximum auftritt.
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Die Pseudoliten verwenden in Ausgestaltung Pseudozufallsdatenfolgen, die von keinem der Satelliten verwendet werden und die sich möglichst orthogonal zu verwendeten Pseudozufallsdatenfolgen verhalten. Alternativ können die Pseudoliten aber auch die Pseudozufallsdatenfolgen von Satelliten verwenden, die momentan nicht am Horizont sichtbar sind.
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Wenn das zu lokalisierende Objekt Signale auf GPS-Frequenzen aussendet, die von stationären Empfängern registriert werden und anhand der Laufzeiten die Position des Objekts berechnet wird, dann ist die folgende Leistungsregelung besonders wirksam. Die zu lokalisierenden Objekte erhöhen die Sendeleistung schrittweise, bis eine Lokalisierung mit Hilfe der stationären Empfänger möglich ist. Die Information zur aktuellen Position des Objekts wird über einen zweiten Kanal, wie bspw. WLAN, Bluetooth oder GSM, empfangen. Sobald die Position des Objekts erneut bestimmt werden soll, prüft das Objekt, ob mittlerweile ein Empfang der Satellitensignale möglich ist. Wenn immer noch kein Empfang möglich ist, dann beginnt das Objekt erneut die Sendeleistung schrittweise zu erhöhen. Durch dieses Vorgehen ist gewährleistet, dass die GPS-Frequenzbänder nur soweit durch die Pseudoliten „gestört“ werden, wie dies für die Lokalisierung unbedingt notwendig ist.
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Es können bspw. am Ein- und Ausgang eines Tunnels stationäre GPS-Empfänger so angebracht werden, dass sie ständig genügend Satellitensignale empfangen können, um jederzeit die genaue Uhrzeit berechnen zu können. Wenn ein Fahrzeug so weit in einen Tunnel eingefahren ist, dass es nicht mehr genügend Satellitensignale empfangen kann, dann beginnt es über die eigene GPS-Antenne Signale auszusenden. Diese Signale werden von den GPS-Antennen der stationären Empfänger an den Tunnelöffnungen detektiert und mit dem aktuellen Zeitstempel an einen Server gesendet. Dieser berechnet bspw. über das Laufzeitverfahren die aktuelle Position des Fahrzeugs und sendet diese z. B. über GSM, LTE, UWB oder eine andere Mobilfunkverbindung an das Fahrzeug.
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Wenn die Pseudoliten zusätzlich 32 P-Codes zur Signalcodierung und 64 mal 64 P-Codes zur Signalstärkenmodulation verwenden, dann ergeben sich daraus über 131.072 Kombinationsmöglichkeiten. Dies bedeutet, dass selbst im größten Stadion Deutschlands jeder einzelne Besucher mit diesem Verfahren lokalisiert werden könnte.
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Sollten nicht genügend weitere ungenutzte, annähernd orthogonale Pseudozufallsfolgen zur Verfügung stehen, dann können auch neue Folgen mit mehr als 10 Chips generiert werden, die dann besser von bestehenden Pseudozufallsfolgen unterschieden werden können. Generell können auch Pseudozufallsfolgen zur Phasencodierung verwendet werden, die momentan von Satelliten in der Umgebung verwendet werden. Da fehlerhafte Satellitensignale sehr häufig durch Mehrwegeempfang vorliegen, sind die Empfänger robust gegenüber diesen Störungen und können dennoch eine genaue Position berechnen.
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Eine Lokalisierung kann besonders gut in den folgenden Bereichen verbessert werden:
- - Kaufhaus, Shopping Mall,
- - Parkhaus, Tiefgarage,
- - Tunnel, U-Bahnhof,
- - überdachte Verkehrswege,
- - Wohnhäuser, Öffentliche Gebäude, Werkshallen.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- - Bei den bestehenden Satelliten kann die Energieversorgung weiterhin verwendet werden. Es müssen nur die Leistungsregelung und der Leistungspuffer angepasst werden.
- - Ein GPS-Empfang ist auch unter schlechten Bedingungen schneller und mit geringerem Energieeinsatz möglich.
- - Eine gebäudegenaue Ortung ist auch nur anhand der Satellitensignale mit wenig Energieeinsatz in tiefen Kellern möglich.
- - Durch die zusätzliche Auswertung der Amplitude können eine Vielzahl neuer Sender voneinander unterschieden werden. Dadurch sinkt die Verwechslungsgefahr von Pseudoliten mit echten Satelliten.
- - Der Einfluss der Pseudoliten auf die Ortung mit Hilfe der GPS-Satelliten ist vernachlässigbar klein und ist nur in sehr kurzem Abstand zu Gebäuden nachweisbar, in denen das Verfahren zum Einsatz kommt.
- - Bei dreidimensionaler Bewegungsmöglichkeit ist die Höhe mit Hilfe von vier stationären Einheiten bzw. Pseudoliten berechenbar.
- - Gegenüber einer Kreuzpeilung, bei der die Sendesignalstärke so lange erhöht wird, bis es ein Empfänger wahrnehmen kann, können mit dem Verfahren sehr viel mehr Sender auf engem Raum betrieben werden, ohne dass der Sendezeitpunkt von zentraler Stelle koordiniert werden muss.
- - Wände zwischen Sender und Empfänger dämpfen und reflektieren die Signale. Reflektierte Signale, die indirekt zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden, sind zwar stärker, benötigen aber längere Zeit, bis sie beim Empfänger ankommen, als die direkten aber stark gedämpften Signale. Durch die Modulation mit Hilfe der Pseudocodes können die stark gedämpften Signale besser von den über Umwege reflektierten Signalen unterschieden werden, wodurch sich die Genauigkeit innerhalb von Gebäuden enorm steigern lässt. Hierin liegt auch der Vorteil gegenüber einer Intensitäts-basierten Ortung wie bspw. WLAN, oder einer laufzeitbasierten Ortung mittels UWB (Ultra-wideband)
- - Der Aufwand, um eine Indoorlokalisierung zu realisieren, ist verglichen mit anderen Verfahren sehr gering, wenn vorausgesetzt wird, dass ein GPS- und Internet-fähiges Gerät indoor lokalisiert werden soll (Smartphone, Smartwatch, Fahrzeug, ...). Für diesen Fall sind lediglich ausreichend, Internet-fähige Geräte innerhalb des Gebäudes mit GPS auszurüsten, die möglichst so platziert werden, dass sie auch GPS-Empfang haben.
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Nachfolgend ist eine Tabelle der PRN-Nummern gegeben.
| SV PRN ID | G2 Phasen Taps | Ersten 10 chips |
| 1 | 2 & 6 | 1100100000 |
| 2 | 3 & 7 | 1110010000 |
| 3 | 4 & 8 | 1111001000 |
| 4 | 5 & 9 | 1111100100 |
| 5 | 1 & 9 | 1001011011 |
| 6 | 2 & 10 | 1100101101 |
| 7 | 1 & 8 | 1001011001 |
| 8 | 2 & 9 | 1100101100 |
| 9 | 3 & 10 | 1110010110 |
| 10 | 2 & 3 | 1101000100 |
| 11 | 3 & 4 | 1110100010 |
| 12 | 5 & 6 | 1111101000 |
| 13 | 6 & 7 | 1111110100 |
| 14 | 7 & 8 | 1111111010 |
| 15 | 8 & 9 | 1111111101 |
| 16 | 9 & 10 | 1111111110 |
| 17 | 1 & 4 | 1001101110 |
| 18 | 2 & 5 | 1100110111 |
| 19 | 3 & 6 | 1110011011 |
| 20 | 4 & 7 | 1111001101 |
| 21 | 5 & 8 | 1111100110 |
| 22 | 6 & 9 | 1111110011 |
| 23 | 1 & 3 | 1000110011 |
| 24 | 4 & 6 | 1111000110 |
| 25 | 5 & 7 | 1111100011 |
| 26 | 6 & 8 | 1111110001 |
| 27 | 7 & 9 | 1111111000 |
| 28 | 8 & 10 | 1111111100 |
| 29 | 1 & 6 | 1001010111 |
| 30 | 2 & 7 | 1100101011 |
| 31 | 3 & 8 | 1110010101 |
| 32 | 4 & 9 | 1111001010 |
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Bei den in der Tabelle gezeigten ersten 10 Chips könnte eine 1 einer hohen Leistung und eine 0 einer niedrigen Leistung entsprechen. Daraus wird deutlich, dass das Signal immer nach einem gewissen Zeitraum mit einer niedrigen Leistung gesendet wird. Das Signal trägt somit eine Information, in diesem Fall die aufmodulierte Folge von 0en und 1en, wobei in Abhängigkeit von diesen Werten, und somit in Abhängigkeit von der Information, die das Signal trägt, die Leistung variiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225886 A1 [0006]
- DE 102005015326 A1 [0007]