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DE102020206032A1 - Method for determining a position of a mobile device within a building and mobile device, location device and system for carrying out the method - Google Patents

Method for determining a position of a mobile device within a building and mobile device, location device and system for carrying out the method Download PDF

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DE102020206032A1
DE102020206032A1 DE102020206032.0A DE102020206032A DE102020206032A1 DE 102020206032 A1 DE102020206032 A1 DE 102020206032A1 DE 102020206032 A DE102020206032 A DE 102020206032A DE 102020206032 A1 DE102020206032 A1 DE 102020206032A1
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DE
Germany
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mobile device
building
radio signal
magnetic field
clocks
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Application number
DE102020206032.0A
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German (de)
Inventor
Tino Fuchs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung (2) innerhalb eines Gebäudes, wobei die mobile Vorrichtung (2) eine Uhr (23) und ein Magnetometer (21) aufweist, umfassend Aussenden eines Funksignals, das eine Uhrzeitinformation trägt; Empfangen einer aus dem Funksignal ermittelten ersten Positionsangabe; Empfangen einer Information über eine magnetische Kartierung des Gebäudes; Messen eines Magnetfeldes an der Position der mobilen Vorrichtung (2) mittels des Magnetometers (21); Bestimmen einer zweiten Positionsangabe aus dem gemessenen Magnetfeld und der magnetischen Kartierung des Gebäudes; Bestimmen einer korrigierten Positionsangabe aus der ersten Positionsangabe und der zweiten Positionsangabe. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mobile Vorrichtung, eine Ortungseinrichtung und ein System.The invention relates to a method for determining a position of a mobile device (2) within a building, the mobile device (2) having a clock (23) and a magnetometer (21), comprising the transmission of a radio signal that carries time information; Receiving a first position information determined from the radio signal; Receiving information on a magnetic map of the building; Measuring a magnetic field at the position of the mobile device (2) by means of the magnetometer (21); Determining a second position specification from the measured magnetic field and the magnetic mapping of the building; Determining a corrected position specification from the first position specification and the second position specification. The invention also relates to a mobile device, a locating device and a system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes sowie eine mobile Vorrichtung, eine Ortungseinrichtung und ein System zu deren Durchführung.The present invention relates to a method for determining a position of a mobile device within a building as well as a mobile device, a locating device and a system for carrying it out.

Stand der TechnikState of the art

Gebäude in entwickelten Ländern können eine beträchtliche Größe aufweisen, so dass man darin leicht die Orientierung verlieren kann. Daneben verbringen Menschen immer mehr Zeit in Innenräumen, so dass es Bedarf an Lösungen zur Innenraum- bzw. Indoor-Navigation bzw. -Ortung gibt.Buildings in developed countries can be large and easily lost. In addition, people spend more and more time indoors, so that there is a need for solutions for indoor navigation and location.

Während Möglichkeiten der Outdoor-Navigation in fast jede mobile und smarte Vorrichtung Einzug gehalten haben, sind Lösungen für den Indoor-Bereich weiter ausbaufähig. Noch keine Technologie hat sich im Indoor-Bereich flächendeckend durchsetzen können. Beispielsweise lässt sich über vorhandene WiFi-Infrastruktur die Position eines Empfängers für manche Anwendungen nur unzureichend genau bestimmen.While the possibilities of outdoor navigation have found their way into almost every mobile and smart device, solutions for the indoor area can be expanded further. No technology has yet been able to establish itself across the board in the indoor area. For example, the position of a receiver cannot be determined with sufficient accuracy for some applications using the existing WiFi infrastructure.

In der US 2014/148196 A1 ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Mobilgerätes in einem Indoor-Bereich offenbart, bei dem zwei unterschiedliche Arten der Positionsbestimmung eingesetzt werden. Die erste Art lässt sich auf die bereits genannte WiFi-Infrastruktur zurückführen. Über „wireless tags“, deren Abstandsinformationen bekannt sind und die innerhalb eines Innenraumes angeordnet sind, werden Nachrichten ausgetauscht, wodurch eine Positionsbestimmung eines Nutzers bezüglich einer Untermenge der „wireless tags“ möglich ist. Wie oben bereits erläutert, ist die Genauigkeit einer solchen Positionsbestimmung begrenzt. Die zweite Art besteht darin, dass die „wireless tags“ ein Signal senden, dass von ortsfesten „beacons“ gemessen und hinsichtlich Signalstärke ausgewertet wird, um die Position zu bestimmen. Auch diese Art der Positionsbestimmung ist in der Genauigkeit begrenzt.In the US 2014/148196 A1 discloses a method for determining the position of a mobile device in an indoor area, in which two different types of position determination are used. The first type can be traced back to the WiFi infrastructure already mentioned. Messages are exchanged via “wireless tags”, the distance information of which is known and which are arranged within an interior space, which enables a user's position to be determined with regard to a subset of the “wireless tags”. As already explained above, the accuracy of such a position determination is limited. The second type is that the "wireless tags" send a signal that is measured by fixed "beacons" and evaluated with regard to signal strength in order to determine the position. This type of position determination is also limited in terms of accuracy.

US 2018/027386 A1 offenbart, dass eine mobile Vorrichtung außer dem WiFi-Signal weitere physikalische Messgrößen erfasst, wie zum Beispiel ein Magnetfeld, gibt jedoch keine Lösung an, um dadurch die Genauigkeit der Messung wesentlich zu erhöhen. US 2018/027386 A1 discloses that a mobile device detects other physical measured variables in addition to the WiFi signal, such as a magnetic field, but does not provide a solution in order to thereby significantly increase the accuracy of the measurement.

EP 3 330 891 A1 offenbart ein 4G- oder 5G- Kommunikationssystem, in dem die Aussendung von Magnetfeldern von einer mobilen Vorrichtung, die Übertragung der ausgesandten Signalstärke und die Messung von Magnetfeldern zur Positionsbestimmung genutzt wird. EP 3 330 891 A1 discloses a 4G or 5G communication system in which the transmission of magnetic fields from a mobile device, the transmission of the transmitted signal strength and the measurement of magnetic fields are used to determine the position.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß werden Verfahren zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes sowie eine mobile Vorrichtung, eine Ortungseinrichtung und ein System zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, methods for determining a position of a mobile device within a building as well as a mobile device, a locating device and a system for carrying it out are proposed with the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes sowohl durch Aussenden eines Funksignals zum Ermöglichen einer Laufzeitmessung als auch durch Bestimmen einer Positionsangabe aus einem gemessenen Magnetfeld und einer magnetischen Kartierung zu ermitteln und aus diesen beiden Positionsangaben eine korrigierte Positionsangabe zu bestimmen. Dies wird insbesondere von der mobilen Vorrichtung durchgeführt, so dass eine Eigenortung stattfindet.According to one aspect of the invention, it is proposed to determine a position of a mobile device within a building both by transmitting a radio signal to enable a transit time measurement and by determining a position information from a measured magnetic field and a magnetic mapping and to use these two position information to provide a corrected position information determine. This is carried out in particular by the mobile device, so that self-location takes place.

Auf diese Weise ist eine sehr genaue, insbesondere zentimetergenaue, Positionsbestimmung innerhalb eines Gebäudes möglich. Die Genauigkeit gegenüber dem Stand der Technik kann um ein Vielfaches verbessert werden. Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung aus der Magnetfeldmessung durch magnetische Materialien im Raum können durch die Positionsbestimmung aus dem Funksignal korrigiert werden. Umgekehrt können Ungenauigkeiten bei der Positionsbestimmung aus dem Funksignal durch Wandreflektionen durch die Positionsbestimmung aus der Magnetfeldmessung korrigiert werden.In this way, a very precise, in particular centimeter-precise, position determination within a building is possible. The accuracy compared to the prior art can be improved many times over. Inaccuracies in determining the position from the magnetic field measurement due to magnetic materials in the room can be corrected by determining the position from the radio signal. Conversely, inaccuracies in determining the position from the radio signal due to wall reflections can be corrected by determining the position from the magnetic field measurement.

Bevorzugt werden die erste Positionsangabe und/oder die Information über die magnetische Kartierung aus einem Netzwerk, mit dem die mobile Vorrichtung drahtlos verbunden ist, abgerufen und empfangen. Es kann sich dabei insbesondere um eine WiFi-Verbindung oder eine Mobilfunkverbindung handeln. Die Quelle der ersten Positionsangabe und der Information über die magnetische Kartierung kann dieselbe Quelle sein. Es kann sich aber auch um unterschiedliche Quellen handeln. Dies ist vorteilhaft, da Netzwerkverbindungen in der Regel ohnehin vorhanden sind.The first position information and / or the information about the magnetic mapping are preferably called up and received from a network to which the mobile device is wirelessly connected. In particular, it can be a WiFi connection or a cellular connection. The source of the first position indication and the information about the magnetic mapping can be the same source. However, they can also be different sources. This is advantageous because network connections are usually available anyway.

Zweckmäßigerweise wird die korrigierte Positionsangabe bestimmt, indem ein gewichteter Mittelwert aus der ersten und zweiten Positionsangabe gebildet wird. Die beiden Gewichte, mit denen die erste und die zweite Positionsangabe gewichtet wird und deren Summe zweckmäßigerweise 1,0 ergibt, können aus einer Ungenauigkeit der jeweiligen Positionsangabe ermittelt werden. Je höher die Ungenauigkeit, desto kleiner wird das Gewicht für diese Positionsangabe gesetzt. Die Ungenauigkeit kann dadurch ermittelt werden, dass die Position redundant bestimmt wird, d.h. mit mehr Messungen als nötig (bei drei Koordinaten z.B. wenigstens vier Messungen), und ausgewertet wird, wie sich die Positionsbestimmung ändert, wenn nur die Minimalsysteme (d.h. so viele Messungen wie nötig) zur Positionsbestimmung ausgewertet werden. Ändert sich die Positionsangabe nur wenig, dann ist der Fehler durch z.B. Reflexionen an der Wand oder durch Verzerrung der magnetischen Kartierung gering.The corrected position information is expediently determined by forming a weighted mean value from the first and second position information. The two weights with which the first and the second position information are weighted and whose sum expediently results in 1.0 can be determined from an inaccuracy of the respective position information. The higher the inaccuracy, the lower the weight is set for this position specification. The inaccuracy can can be determined by determining the position redundantly, ie with more measurements than necessary (with three coordinates, for example, at least four measurements), and evaluating how the position determination changes if only the minimal systems (ie as many measurements as necessary) are used Position determination are evaluated. If the position information changes only a little, then the error due to reflections on the wall or distortion of the magnetic mapping is small.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine mobile Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Uhr und ein Magnetometer aufweist und dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Diese mobile Vorrichtung ist vorteilhaft in der Lage, ihre eigene Position sehr genau zu bestimmen.According to a second aspect of the invention, a mobile device is proposed which has a clock and a magnetometer and is set up to carry out a method according to the invention. This mobile device is advantageously able to determine its own position very precisely.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Uhr als Atomuhr ausgebildet. Insbesondere ist die Uhr als Atomuhr mit Rubidium-, abgekürzt Rb-Atomen ausgebildet und dazu eingerichtet, den Hyperfeinübergang der Rb-Atome als Frequenznormal zu nutzen. Dies ist vorteilhaft, da mit einer solchen Uhr auf kleinstem Volumen eine sehr genaue Zeitbestimmung möglich ist.In an advantageous embodiment, the clock is designed as an atomic clock. In particular, the clock is designed as an atomic clock with rubidium, or abbreviated Rb, atoms and is set up to use the hyperfine transition of the Rb atoms as a frequency standard. This is advantageous because with such a clock a very precise time determination is possible in the smallest of spaces.

Zweckmäßigerweise weist das Magnetometer der mobilen Vorrichtung einen Kristallkörper mit Farbzentren auf. Dies ist vorteilhaft, da somit sehr genaue Magnetfeldmessungen möglich sind.The magnetometer of the mobile device expediently has a crystal body with color centers. This is advantageous because it enables very precise magnetic field measurements.

Farbzentren wie beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere in einem Diamant bzw. Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht dabei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können zur Magnetfeldmessung eingesetzt werden. Durch Anregung solcher NV-Zentren mit Licht, insbesondere grünem Licht, und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz derselben beobachtet werden. Andere Beispiele derartiger Farbzentren sind Defektzentren in SiC oder SiV in Diamant. Bei den NV-Zentren bestehen konkret die Vorteile einer ultrahohen Empfindlichkeit (mitunter < 1 pT/√Hz), einer Vektormagnetometrie (d.h. einer Richtungsbestimmung des Magnetfelds), eines hohen Messbereichs (> 1 T), einer Linearität (über den Zeemaneffekt) sowie das Fehlen einer Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht (ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine orts- und zeitunabhängige Konstante ist).Color centers such as nitrogen vacancy centers in a crystal body, in particular in a diamond or diamond lattice, also referred to as NV centers (NV stands for “Nitrogen Vacancy”), can be used to measure magnetic fields. By exciting such NV centers with light, in particular green light, and microwave radiation, a magnetic field-dependent fluorescence of the same can be observed. Other examples of such color centers are defect centers in SiC or SiV in diamond. The NV centers have the specific advantages of ultra-high sensitivity (sometimes <1 pT / √Hz), vector magnetometry (i.e. determining the direction of the magnetic field), a high measuring range (> 1 T), linearity (via the Zeeman effect) and that Absence of degradation, since the measurement is based on quantum mechanical states (similar to the hydrogen atom, in which the Rydberg constant is a fixed energy that is a constant that is independent of location and time for all atoms).

Um einen auf NV-Zentren basierenden Sensor auszulesen, kann die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert werden (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu kann das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Das rot-verschobene Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspin-Resonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeeman-Effekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.In order to read a sensor based on NV centers, the magnetic resonance of the triplet of the ground state can be detected optically (ODMR, optically detected magnetic resonance). For this purpose, the NV center can be stimulated with a green light. The red-shifted fluorescent light shows a characteristic dip in the energetic position of the electron spin resonance. Due to the Zeeman effect, the position is linearly dependent on the magnetic field. This enables a highly sensitive magnetic field sensor to be constructed.

Bevorzugt ist das Magnetometer ein optisch gepumptes Magnetometer. Dies ist vorteilhaft, da optisch gepumpte Magnetometer auf kleinem Raum genaue Magnetfeldmessungen erlauben.Preferably the magnetometer is an optically pumped magnetometer. This is advantageous because optically pumped magnetometers allow precise magnetic field measurements in a small space.

Ein typisches optisch gepumptes Magnetometer weist eine Zelle auf, in der zwei verschiedene Alkalimetall-Gase vorgesehen sind. Weiterhin ist eine Pumplichtquelle vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, zirkular polarisiertes Pumplicht mit einer erste Wellenlänge in die Zelle einzustrahlen, um die Spins des ersten Alkalimetalls zu polarisieren. Die Spins beider Alkalimetalle wechselwirken miteinander. Eine Mess-Lichtquelle ist dazu eingerichtet, linear polarisiertes Licht in die Zelle einzustrahlen, das eine Wellenlänge aufweist, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet und dazu eingerichtet ist, abhängig von der Spin-Polarisation des zweiten Alkalimetall-Gases seine Polarisationsrichtung zu ändern. Auf diese Weise kann, wenn beispielsweise die Richtung des Pumplichts und des Mess-Lichts übereinstimmen, ein statisches Magnetfeld senkrecht zur Richtung der beiden Lichtstrahlen gemessen werden. Durch Anlegen eines Bias-Magnetfeldes in Lichtstrahlrichtung kann auf diese Weise auch ein magnetisches Wechselfeld senkrecht zur Lichtstrahlrichtung bestimmt werden. Da eine Atomuhr ebenfalls eine Zelle mit gasförmigen Alkalimetallatomen aufweist, können bei einem optisch gepumpten Magnetometer Synergien bei Aufbau und Betrieb von Magnetometer und Uhr genutzt werden.A typical optically pumped magnetometer has a cell in which two different alkali metal gases are provided. Furthermore, a pump light source is provided which is set up to radiate circularly polarized pump light with a first wavelength into the cell in order to polarize the spins of the first alkali metal. The spins of both alkali metals interact with each other. A measuring light source is set up to radiate linearly polarized light into the cell, which has a wavelength that differs from the first wavelength and is set up to change its polarization direction depending on the spin polarization of the second alkali metal gas. In this way, if, for example, the direction of the pump light and the measurement light coincide, a static magnetic field can be measured perpendicular to the direction of the two light beams. By applying a bias magnetic field in the direction of the light beam, it is also possible in this way to determine an alternating magnetic field perpendicular to the direction of the light beam. Since an atomic clock also has a cell with gaseous alkali metal atoms, synergies can be used in the construction and operation of the magnetometer and clock with an optically pumped magnetometer.

Zweckmäßigerweise weist die mobile Vorrichtung weiterhin ein oder mehrere künstliche neuronale Netze auf, die darauf trainiert sind, aus Abweichungen zwischen der ersten Positionsangabe und der zweiten Positionsangabe eine optimale korrigierte Positionsangabe zu errechnen. Dies ist vorteilhaft, da die Korrekturzusammenhänge relativ komplex sein können. Künstliche neuronale Netze können automatisch Muster anhand von realen Korrekturwerten erkennen und auf diese Weise die optimale korrigierte Positionsangabe bestmöglich errechnen. Für das Training des neuronalen Netzes wird der Träger der mobilen Vorrichtung z.B. bei Betreten des Raumes aufgefordert, einige wenige Referenzpunkte aufzusuchen bzw. die mobile Vorrichtung dort aufzustellen. Bei erneutem Betreten des Raumes erkennt das System, dass hierfür schon Trainingsdaten vorliegen, so das kein neues Trainieren notwendig ist, sondern das für diesen Raum parametrisierte neuronale Netz direkt genutzt werden kann.The mobile device expediently also has one or more artificial neural networks which are trained to calculate an optimal corrected position information from deviations between the first position information and the second position information. This is advantageous since the correlation between the corrections can be relatively complex. Artificial neural networks can automatically recognize patterns based on real correction values and in this way calculate the best possible corrected position information. For the training of the neural network, the wearer of the mobile device is requested, e.g. when entering the room, to visit a few reference points or to set up the mobile device there. When entering the room again, the system recognizes that training data is already available for this, so that no new training is necessary, but the neural network parameterized for this room can be used directly.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein sog. Head-Mounted Display (HMD), also ein auf dem Kopf zu tragendes visuelles Ausgabegerät, mit einer erfindungsgemäßen mobilen Vorrichtung vorgeschlagen. Typische Vertreter von HMDs sind Video- und Datenbrillen, wie z.B. die sog. Virtual- oder Augmented-Reality-Brillen. Die Erfindung lässt sich vorteilhaft für die Positionsbestimmung von HMDs in einem Gebäude nutzen. Insbesondere wenn ein HMD mit einem Brain-Machine-Interface verbunden ist, ist die Erfindung besonders vorteilhaft, da Brain-Machine-Interfaces in der Regel bereits mit Magnetfeldsensoren ausgestattet sind, die zur Messung von Hirnaktivitäten vorgesehen sind. Diese lassen sich dann zusätzlich zur Positionsbestimmung nutzen. Hier kann somit eine Positionsbestimmung mittels Funksignal vorteilhaft mit einer Positionsbestimmung durch Magnetfeldmessung kombiniert werden. Ebenso können HMDs bereits mit Magnetfeldsensoren (z.B. sog. Proximity-Sensoren) ausgestattet sein, um beispielsweise in der Nähe von Wänden magnetische Warnfelder zu erfassen.According to a further aspect of the invention, a so-called head-mounted display (HMD), that is to say a visual output device to be worn on the head, with a mobile device according to the invention is proposed. Typical representatives of HMDs are video and data glasses, such as so-called virtual or augmented reality glasses. The invention can be used advantageously for determining the position of HMDs in a building. In particular when an HMD is connected to a brain-machine interface, the invention is particularly advantageous since brain-machine interfaces are usually already equipped with magnetic field sensors that are provided for measuring brain activities. These can then also be used to determine your position. A position determination by means of a radio signal can thus be advantageously combined with a position determination by means of magnetic field measurement. HMDs can also already be equipped with magnetic field sensors (for example so-called proximity sensors) in order to detect magnetic warning fields in the vicinity of walls, for example.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes zu bestimmen, indem ein Funksignal von wenigstens drei Funksignalempfängern empfangen wird, eine erste Position eines Senders der Funkwelle bestimmt wird und die ermittelte erste Position gesendet wird, wobei weiterhin Magnetfelder durch wenigstens drei Magnetfeldgeneratoren derart erzeugt werden, dass jedem Magnetfeld eindeutig ein Punkt innerhalb des Raumes zuordenbar ist bzw. jedem Punkt im Raum bestimmte Messwerte des durch die Überlagerung der Magnetfelder der drei Magneltfeldgeneratoren erzeugten resultierenden Magnetfeldes zuordenbar ist, und wobei eine Information über die magnetische Kartierung des Raumes bereitgestellt wird. Auf diese Weise sind die gleichen Vorteile erzielbar wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt.According to a further aspect of the invention, it is proposed to determine a position of a mobile device within a building by receiving a radio signal from at least three radio signal receivers, determining a first position of a transmitter of the radio wave and transmitting the determined first position, with magnetic fields also being transmitted are generated by at least three magnetic field generators in such a way that a point within the room can be clearly assigned to each magnetic field or certain measured values of the resulting magnetic field generated by the superposition of the magnetic fields of the three magnetic field generators can be assigned to each point in the room, and information about the magnetic mapping of the room is provided. In this way, the same advantages can be achieved as in the method according to the invention according to the first aspect.

Bevorzugt werden die ermittelte erste Position und/oder die Information über die magnetische Kartierung über ein Netzwerk gesendet, mit dem die mobile Vorrichtung, deren Position bestimmt werden soll, verbunden ist. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise keine eigene Datenübermittlungsmethode eingerichtet werden braucht.The first position determined and / or the information about the magnetic mapping are preferably sent via a network to which the mobile device whose position is to be determined is connected. This is advantageous because in this way no separate data transmission method needs to be set up.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Ortungseinrichtung vorgeschlagen, die wenigstens drei Funksignalempfänger mit Uhren und wenigstens drei Magnetfeldgeneratoren aufweist, wobei die Uhren der Empfänger miteinander synchronisiert sind, die weiterhin dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach dem dritten Aspekt durchzuführen. Diese Ortungseinrichtung ist vorteilhaft in der Lage, eine Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Raumes zentimetergenau zu bestimmen.According to a further aspect of the invention, a locating device is proposed which has at least three radio signal receivers with clocks and at least three magnetic field generators, the clocks of the receivers being synchronized with one another, which is also set up to carry out a method according to the third aspect. This locating device is advantageously able to determine a position of a mobile device within a room with centimeter accuracy.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Uhren als Atomuhren, insbesondere als Atomuhren mit Rb-Atomen ausgebildet, die dazu eingerichtet sind, den Hyperfeinübergang der Rb-Atome als Frequenznormal zu nutzen. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise auf kleinem Raum sehr exakte Uhrzeitmessungen gewährleistet werden können.In an advantageous embodiment, the clocks are designed as atomic clocks, in particular as atomic clocks with Rb atoms, which are set up to use the hyperfine transition of the Rb atoms as a frequency standard. This is advantageous because in this way very exact time measurements can be guaranteed in a small space.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System vorgeschlagen, das aus einer Ortungseinrichtung nach dem vierten Aspekt und einer mobilen Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt zusammengesetzt ist. Dieses System ermöglicht durch ein Zusammenspiel zwischen der Ortungseinrichtung und der mobilen Vorrichtung eine sehr genaue Positionsbestimmung der mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes.According to a further aspect of the invention, a system is proposed which is composed of a location device according to the fourth aspect and a mobile device according to the second aspect. This system enables a very precise position determination of the mobile device within a building through an interaction between the location device and the mobile device.

Zweckmäßigerweise sind die Uhren der Funksignalempfänger und die Uhr der mobilen Vorrichtung miteinander synchronisiert. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung weiter verbessert werden.The clocks of the radio signal receivers and the clock of the mobile device are expediently synchronized with one another. In this way, the accuracy of the position determination can be further improved.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawings.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt ein System zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung; 1 shows a system for determining a position of a mobile device within a building according to a preferred embodiment of the invention in a schematic representation;
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zu einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 shows a flowchart for a preferred embodiment of a method according to the invention.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Systems zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung innerhalb eines Gebäudes dargestellt und mit 100 bezeichnet. Das System 100 ist beispielhaft in einem Raum eines Gebäudes angeordnet, dessen Wandung mit 1 bezeichnet ist.In 1 A preferred embodiment of a system for determining a position of a mobile device within a building is shown and designated by 100. The system 100 is arranged, for example, in a room of a building, the wall of which is denoted by 1.

Das System 100 weist eine mobile Vorrichtung 2 auf. Die mobile Vorrichtung 2 kann zum Beispiel ein Smartphone sein, dessen Position im Raum auf wenige Zentimeter genau bestimmt werden soll. Es verfügt über eine Uhr 23 und ein Magnetometer 21. Sowohl die Uhr 23 als auch das Magnetometer sind bevorzugt miniaturisiert ausgebildet und weisen jeweils ein Volumen von wenigen mm3 auf. Die mobile Vorrichtung 2 weist weiterhin einen Funksender 22 auf. Sie ist dazu eingerichtet, ein Funksignal z.B. im GHz-Bereich auszusenden.The system 100 has a mobile device 2 on. The mobile device 2 For example, it can be a smartphone whose position in space needs to be determined with a precision of a few centimeters. It has a clock 23 and a magnetometer 21 . Both the clock 23 and the magnetometer are preferably miniaturized and each have a volume of a few mm 3 . The mobile device 2 still has a radio transmitter 22nd on. It is set up to send out a radio signal, for example in the GHz range.

Das System 100 weist weiterhin eine Ortungseinrichtung auf. Die Ortungseinrichtung weist in dieser Ausführungsform drei Funksignalempfänger 12A, 12B, 12C mit Uhren 11A, 11B, 11C und drei Magnetfeldgeneratoren 13A, 13B, 13C auf. In dieser Ausführungsform sind die Uhren 11A, 11B, 11C der Empfänger mit der Uhr 23 der mobilen Vorrichtung synchronisiert.The system 100 furthermore has a locating device. In this embodiment, the locating device has three radio signal receivers 12A , 12B , 12C with clocks 11A , 11B , 11C and three magnetic field generators 13A , 13B , 13C on. In this embodiment the clocks are 11A , 11B , 11C the recipient with the watch 23 of the mobile device.

Das von der mobilen Vorrichtung 2 ausgesandte Funksignal breitet sich mit (im Wesentlichen) Lichtgeschwindigkeit zu den drei Funksignalempfängern 12A, 12B, 12C aus. Die mit der Uhr 23 in der mobilen Vorrichtung 2 synchronisierten Uhren der Funksignalempfänger 11A, 11B, 11C sind dazu eingerichtet, die Laufzeit des Signals zu messen, aus der sich der Abstand der mobilen Vorrichtung zum jeweiligen Funksignalempfänger 12A, 12B, 12C berechnen lässt. Damit ist im Prinzip bereits eine Navigationsgenauigkeit von wenigen Zentimetern erreichbar. Diese berechnete erste Positionsangabe wird dann bevorzugt über ein Netzwerk, z.B. WiFi oder Mobilfunk, an die mobile Vorrichtung 2 gesendet.That from the mobile device 2 The transmitted radio signal travels at (essentially) the speed of light to the three radio signal receivers 12A , 12B , 12C the end. The one with the clock 23 in the mobile device 2 synchronized clocks of the radio signal receivers 11A , 11B , 11C are set up to measure the transit time of the signal, from which the distance between the mobile device and the respective radio signal receiver is determined 12A , 12B , 12C can be calculated. This means that, in principle, a navigation accuracy of a few centimeters can be achieved. This calculated first position information is then preferably sent to the mobile device via a network, for example WiFi or cellular radio 2 sent.

Aufgrund möglicher Reflexionen an den Wänden 1 oder Gegenständen im Raum kann es zu falschen Positionsbestimmungen kommen. Deshalb ist das sog. TOF-Navigationssystem („time of flight“) um eine magnetische Positionsbestimmung ergänzt.Due to possible reflections on the walls 1 or objects in the room can lead to incorrect positioning. This is why the so-called TOF navigation system (“time of flight”) is supplemented by a magnetic position determination.

Daher weist die Ortungseinrichtung an mehreren stationären Punkten um Raum, die mit dem Ort der stationären Funksignalempfänger 12A, 12B, 12C übereinstimmen können, jeweils einen Magnetfeldgenerator 13A, 13B, 13C auf. Diese sind dazu eingerichtet, Magnetfelder zu erzeugen. Die Überlagerung der Felder wird so gewählt, dass eine eindeutige magnetische Kartierung des Raumes erzielt wird, d.h. dass die Position innerhalb des Raumes bzw. Gebäudes anhand des an der Position herrschenden Magnetfeldes bestimmbar sind. Durch präzise Messung von Betrag und Richtung des Magnetfeldes am Ort der mobilen Vorrichtung 2 mittels des Magnetometers 21 ist die Positionsbestimmung prinzipiell ebenfalls mit Zentimetergenauigkeit möglich. Magnetische Materialien im Raum, die ihren Ort ändern, können allerdings zu falschen Ergebnissen bei der Positionsbestimmung führen, so dass hier die TOF-Triangulation als Korrektur genutzt werden kann und umgekehrt.Therefore, the location device has several stationary points around space that corresponds to the location of the stationary radio signal receiver 12A , 12B , 12C can match, one magnetic field generator each 13A , 13B , 13C on. These are set up to generate magnetic fields. The superposition of the fields is chosen so that a clear magnetic mapping of the room is achieved, ie that the position within the room or building can be determined on the basis of the magnetic field prevailing at the position. By precisely measuring the magnitude and direction of the magnetic field at the location of the mobile device 2 by means of the magnetometer 21 In principle, position determination is also possible with centimeter accuracy. Magnetic materials in the room that change their location can, however, lead to incorrect results when determining the position, so that the TOF triangulation can be used as a correction and vice versa.

Ein Flussdiagramm, das den Ablauf der Positionsbestimmung zeigt, ist in 2 dargestellt.A flowchart showing the position determination process is shown in FIG 2 shown.

Mit S101 ist die TOF-Positionsbestimmung bezeichnet. Mit S102 ist die magnetische Positionsbestimmung bezeichnet. In einem Schritt S103 werden die erste Positionsangabe aus der TOF-Positionsbestimmung und die zweite Positionsangabe aus der magnetischen Positionsbestimmung miteinander in Beziehung gesetzt und es wird eine Fehlerkorrektur ermittelt. Dies kann zum Beispiel im Vorfeld mittels eines künstlichen neuronalen Netzes erlernt worden sein und gemäß diesem Verfahren dann ermittelt werden.With S101 the TOF position determination is called. With S102 is called the magnetic position determination. In one step S103 the first position information from the TOF position determination and the second position information from the magnetic position determination are related to one another and an error correction is determined. This can, for example, have been learned in advance by means of an artificial neural network and then be determined according to this method.

Eine höhere Genauigkeit der Messung wird beispielsweise erreicht, indem redundante Systeme verwendet werden, d.h. bei drei Koordinaten x, y, z durch den Einsatz von vier oder mehr Funksignalempfängern bzw. Magnetfeldgeneratoren. Die Redundanz hilft, das System weniger störanfällig zu machen, und erhöht gleichzeitig die Genauigkeit der Positionsbestimmung.A higher accuracy of the measurement is achieved, for example, by using redundant systems, i.e. with three coordinates x, y, z by using four or more radio signal receivers or magnetic field generators. The redundancy helps to make the system less susceptible to failure and at the same time increases the accuracy of the position determination.

Sei das System A das System, das die Position durch Laufzeitmessung bestimmt, und System B das System, das die Position durch eine Magnetische Karte bestimmt.Let system A be the system that determines the position by measuring the transit time, and system B the system that determines the position by means of a magnetic card.

Um die Position der mobilen Vorrichtung 2 im Raum, d.h. die Koordinaten x, y und z, mit System A zu bestimmen, sind mindestens drei Laufzeitmessungen notwendig. Wenn die mobile Vorrichtung 2 z.B. einen Radiopuls isotrop in den Raum abstrahlt, sind mindestens 3 Empfänger an verschiedenen Punkten im Raum notwendig, um die Position zu ermitteln.To the position of the mobile device 2 In space, ie to determine the coordinates x, y and z with system A, at least three transit time measurements are necessary. When the mobile device 2 For example, if a radio pulse is isotropically emitted into the room, at least 3 receivers are required at different points in the room in order to determine the position.

Sind es mehr als drei, ist das System redundant, und die Redundanz hilft, das System weniger störanfällig zu machen, und erhöht gleichzeitig die Genauigkeit der Positionsbestimmung. Wenn man nur für beide Systeme analysiert, wie sich die Genauigkeit ändert, wenn redundantes System, sondern nur das minimal notwendige genutzt wird, kann man darauf schließen, bei welchem System die Ungenauigkeit bei der Positionsbestimmung größer ist. Es ist das System, bei dem die Abweichungen zwischen Minimal-System und Redundanz-System größer ist. Die Positionsangaben können dann entsprechend der Genauigkeit gewichtet werden, so dass auch im Betrieb mit Minimalsystemen gearbeitet werden kann.If there are more than three, the system is redundant and the redundancy helps to make the system less susceptible to failure and at the same time increases the accuracy of the position determination. If one only analyzes for both systems how the accuracy changes when a redundant system, but only the minimum necessary, is used, one can infer which system has greater inaccuracy in determining the position. It is the system in which the discrepancy between the minimum system and the redundancy system is greater. The position information can then be weighted according to the accuracy so that minimal systems can also be used during operation.

In Schritt S104 wird dann das korrigierte Ergebnis ausgegeben. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Korrekturzusammenhänge oft sehr komplex sind. Die Muster der Zusammenhänge können mittels der künstlichen neuronalen Netze automatisch erfasst werden.In step S104 the corrected result is then output. This is particularly advantageous since the correction relationships are often very complex. The patterns of the relationships can be recorded automatically by means of the artificial neural networks.

Wie erläutert, ist die Anzahl der Funksignalempfänger 12A, 12B, 12C nicht auf drei beschränkt. Die Anzahl der Magnetfeldgeneratoren 13A, 13B, 13C ebenso wenig. Die Erzeugung des Magnetfeldes kann sowohl durch Permanentmagnete als auch durch stromdurchflossene Spulen erzeugt werden, wobei in letzterem Fall sowohl konstante Ströme als auch Wechselströme unterschiedlicher Frequenz herangezogen werden können.As explained, is the number of radio signal receivers 12A , 12B , 12C not limited to three. The number of magnetic field generators 13A , 13B , 13C just as little. The generation of the magnetic field can be generated both by permanent magnets and by current-carrying coils, in the latter case both constant currents and alternating currents of different frequencies can be used.

Die Uhr 23 in der mobilen Vorrichtung als auch die Uhren 11A, 12A, 13A in den Empfängern von Funksignalen 11B, 12B, 13B sind vorzugsweise Atomuhren in Chipgröße unter 2 mm. Solche Uhren werden in US 8 624 682 A beschrieben. Für die Magnetometer 13A, 13B, 13C wird vorzugsweise die optisch detektierte Magnetresonanz von NV-Zentren in Diamant ausgenutzt (ODMR), was in US 9 851 418 A beschrieben ist. Somit können Magnetfelder mit einer Auflösung bis 1 pT/ H z

Figure DE102020206032A1_0001
erfasst werden. Alternativ kann zur Messung des Magnetfeldes auch ein optisch gepumptes Magnetometer verwendet werden. Solche Magnetometer sind in US 9 946 609 beschrieben.The clock 23 in the mobile device as well as the clocks 11A , 12A , 13A in the receivers of radio signals 11B , 12B , 13B are preferably atomic clocks with a chip size of less than 2 mm. Such watches are in U.S. 8,624,682 A described. For the magnetometer 13A , 13B , 13C the optically detected magnetic resonance of NV centers in diamond is preferably used (ODMR), which is shown in U.S. 9,851,418 A is described. Thus, magnetic fields with a resolution of up to 1 pT / H z
Figure DE102020206032A1_0001
are recorded. Alternatively, an optically pumped magnetometer can be used to measure the magnetic field. Such magnetometers are in U.S. 9,946,609 described.

Die miniaturisierte Atomuhr in der mobilen Vorrichtung kann als Frequenznormal für eine ODMR-Messung zur Erfassung des Magnetfeldes herangezogen werden.The miniaturized atomic clock in the mobile device can be used as a frequency standard for an ODMR measurement to detect the magnetic field.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (15)

Verfahren zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung (2) innerhalb eines Gebäudes, wobei die mobile Vorrichtung (2) eine Uhr (23) und ein Magnetometer (21) aufweist, umfassend die Schritte: - Aussenden eines Funksignals, das eine Uhrzeitinformation trägt; - Empfangen einer aus dem Funksignal ermittelten ersten Positionsangabe; - Empfangen einer Information über eine magnetische Kartierung des Gebäudes; - Messen eines Magnetfeldes an der Position der mobilen Vorrichtung (2) mittels des Magnetometers (21); - Bestimmen einer zweiten Positionsangabe aus dem gemessenen Magnetfeld und der magnetischen Kartierung des Gebäudes; - Bestimmen einer korrigierten Positionsangabe aus der ersten Positionsangabe und der zweiten Positionsangabe.A method for determining a position of a mobile device (2) within a building, the mobile device (2) having a clock (23) and a magnetometer (21), comprising the steps of: - Sending a radio signal that carries time information; - Receiving a first position information determined from the radio signal; Receiving information on a magnetic map of the building; - Measuring a magnetic field at the position of the mobile device (2) by means of the magnetometer (21); - Determination of a second position specification from the measured magnetic field and the magnetic mapping of the building; - Determination of a corrected position specification from the first position specification and the second position specification. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Positionsangabe und/oder die Information über die magnetische Kartierung aus einem Netzwerk, mit dem die mobile Vorrichtung (2) drahtlos verbunden ist, abgerufen und empfangen werden.Procedure according to Claim 1 , wherein the first position information and / or the information about the magnetic mapping are called up and received from a network to which the mobile device (2) is wirelessly connected. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die korrigierte Positionsangabe bestimmt wird, indem ein gewichteter Mittelwert aus der ersten Positionsangabe und der zweiten Positionsangabe gebildet wird, wobei Gewichte zur Bildung des gewichteten Mittelwerts insbesondere aus einer Ungenauigkeit der jeweiligen Positionsangabe ermittelt werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , the corrected position information being determined by forming a weighted average value from the first position information and the second position information, weights for forming the weighted average being determined in particular from an inaccuracy of the respective position information. Mobile Vorrichtung (2), die eine Uhr (23) und ein Magnetometer (21) aufweist und dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.Mobile device (2) which has a clock (23) and a magnetometer (21) and is set up to carry out a method according to one of the preceding claims. Mobile Vorrichtung (2) nach Anspruch 4, wobei die Uhr (23) als Atomuhr ausgebildet ist, vorzugsweise als Atomuhr mit Rb-Atomen, die dazu eingerichtet ist, den Hyperfeinübergang der Rb-Atome als Frequenznormal zu nutzen.Mobile device (2) according to Claim 4 , wherein the clock (23) is designed as an atomic clock, preferably as an atomic clock with Rb atoms, which is set up to use the hyperfine transition of the Rb atoms as a frequency standard. Mobile Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, deren Magnetometer (21) einen Kristallkörper mit Farbzentren aufweist.Mobile device (2) according to one of the Claims 4 or 5 whose magnetometer (21) has a crystal body with color centers. Mobile Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Magnetometer (21) ein optisch gepumptes Magnetometer ist.Mobile device (2) according to one of the Claims 4 or 5 wherein the magnetometer (21) is an optically pumped magnetometer. Mobile Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, die weiterhin ein oder mehrere künstliche neuronale Netze aufweist, die darauf trainiert sind, aus Abweichungen zwischen der ersten Positionsangabe und der zweiten Positionsangabe eine optimale korrigierte Positionsangabe zu errechnen.Mobile device (2) according to one of the Claims 4 until 7th , which also has one or more artificial neural networks that are trained to calculate an optimal corrected position information from deviations between the first position information and the second position information. Head-Mounted-Display mit einer mobilen Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8.Head-mounted display with a mobile device (2) according to one of the Claims 4 until 8th . Verfahren zur Bestimmung einer Position einer mobilen Vorrichtung (2) innerhalb eines Gebäudes, wobei innerhalb des Gebäudes wenigstens drei Funksignalempfänger (12A, 12B, 12C) mit Uhren (11A, 11B, 11C) und wenigstens drei Magnetfeldgeneratoren (13A, 13B, 13C) angeordnet sind, wobei die Uhren der Empfänger miteinander synchronisiert sind, umfassend die Schritte: - wenn von den Funksignalempfängern (12A, 12B, 12C) ein Funksignal empfangen wird, Bestimmen einer ersten Position eines Senders des Funksignals; - Senden der ermittelten ersten Position; - Erzeugen von Magnetfeldern durch die wenigstens drei Magnetfeldgeneratoren (13A, 13B, 13C) derart, dass eine zweite Position innerhalb des Gebäudes anhand des an der zweiten Position herrschenden Magnetfeldes bestimmbar ist; - Bereitstellen einer Information über die magnetische Kartierung des Gebäudes.Method for determining a position of a mobile device (2) within a building, at least three radio signal receivers (12A, 12B, 12C) with clocks (11A, 11B, 11C) and at least three magnetic field generators (13A, 13B, 13C) being arranged within the building are, the clocks of the receivers are synchronized with each other, comprising the steps: - When a radio signal is received by the radio signal receivers (12A, 12B, 12C), determining a first position of a transmitter of the radio signal; - Sending the determined first position; - Generating magnetic fields by the at least three magnetic field generators (13A, 13B, 13C) in such a way that a second position within the building can be determined on the basis of the magnetic field prevailing at the second position; - Providing information about the magnetic mapping of the building. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die ermittelte erste Position und/oder die Information über die magnetische Kartierung über ein Netzwerk gesendet werden.Procedure according to Claim 10 , wherein the determined first position and / or the information about the magnetic mapping are sent over a network. Ortungseinrichtung, die wenigstens drei Funksignalempfänger (12A, 12B, 12C) mit Uhren (11A, 11B, 11C) und wenigstens drei Magnetfeldgeneratoren (13A, 13B, 13C) aufweist, wobei die Uhren der Empfänger miteinander synchronisiert sind, wobei die Ortungseinrichtung dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 durchzuführen.Locating device which has at least three radio signal receivers (12A, 12B, 12C) with clocks (11A, 11B, 11C) and at least three magnetic field generators (13A, 13B, 13C), the clocks of the receivers being synchronized with one another, the locating device being set up for this purpose , a method according to one of the Claims 10 or 11th perform. Ortungseinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Uhren (11A, 11B, 11C) als Atomuhren ausgebildet sind, insbesondere als Atomuhren mit Rb-Atomen, die dazu eingerichtet sind, den Hyperfeinübergang der Rb-Atome als Frequenznormal zu nutzen.Location device according to Claim 12 , wherein the clocks (11A, 11B, 11C) are designed as atomic clocks, in particular as atomic clocks with Rb atoms, which are set up to use the hyperfine transition of the Rb atoms as a frequency standard. System (100), das eine Ortungseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und eine mobile Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 8 aufweist.System (100) comprising a location device according to one of the Claims 12 or 13th and a mobile device (2) according to one of the Claims 4 until 8th having. System (100) nach Anspruch 14, wobei die Uhren (11A, 11B, 11C) der Funksignalempfänger und die Uhr (23) der mobilen Vorrichtung (2) miteinander synchronisiert sind.System (100) according to Claim 14 wherein the clocks (11A, 11B, 11C) of the radio signal receiver and the clock (23) of the mobile device (2) are synchronized with one another.
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