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DE102020200023B4 - Method and device for the highly accurate determination of the position and/or orientation of an object to be located and fixed station for a mobile radio communication system - Google Patents

Method and device for the highly accurate determination of the position and/or orientation of an object to be located and fixed station for a mobile radio communication system Download PDF

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DE102020200023B4
DE102020200023B4 DE102020200023.9A DE102020200023A DE102020200023B4 DE 102020200023 B4 DE102020200023 B4 DE 102020200023B4 DE 102020200023 A DE102020200023 A DE 102020200023A DE 102020200023 B4 DE102020200023 B4 DE 102020200023B4
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Roland KUBE
Timo Iken
Stefan Wappler
Claus-Peter Brückner
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Volkswagen AG
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Abstract

Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges (10), das zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgelegt ist, wobei von dem Fahrzeug (10) breitbandige Impulse kurzer Dauer an umliegende Feststationen (31 - 35) ausgesendet werden, die bei Empfang von den umliegenden Feststationen (31 - 35) in einer unmittelbaren Rücksendung eines Antwortimpulses beantwortet werden, wobei in dem Fahrzeug (10) eine Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Impulses der Rücksendung von wenigstens einer der umliegenden Feststationen (31 - 35) durchgeführt wird, wobei eine jeweilige Aussendung eines Impulses nacheinander durch eine Anzahl von an verschiedenen Positionen des Fahrzeuges (10) angebrachten Antennenelementen (176) mit jeweiligem Transrecevier erfolgt, wobei pro angebrachtem Antennenelement (176) ein Transceiver (170) in der Nähe einer Position des Antennenelements (176) lokalisiert und ein Kommunikationsmodul (110) mit den Transceivern (170) der an den verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelemente (176) verbunden ist, wobei das Kommunikationsmodul (110) dafür ausgelegt ist, die verschiedenen Transceiver (170) nacheinander zum Aussenden des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer aufzufordern oder ihnen jeweilige geplante Zeiten zuzuweisen für die nacheinander erfolgende Aussendung der breitbandigen Impulse, und die Zeit jeweils bis zum Eintreffen des jeweiligen Antwortimpulses bei den einzelnen Antennenelementen (176) mittels des jeweiligen Transreceivers (170) gemessen wird, wobei die Bestimmung der Positionen der Antennenelemente (176) des zu ortenden Fahrzeuges (10) jeweils basierend auf mindestens einer Schnittpunktberechnung mit den sich ergebenden wenigstens drei Laufzeiten und den bekannten Positionen der Antennen der Feststationen (31 - 35) erfolgt und die Position und/oder Orientierung des Fahrzeugs (10) aus den ermittelten Antennenelementpositionen (176) an dem Fahrzeug (10) bestimmt wird, wobei die Antennen jeder Feststationen (31 - 35) in Form von Antennen-Arrays (310) ausgelegt werden, die aus einer Anzahl von Antennenelementen (31A, 31B, 31C, 31E) bestehen, wobei für die Rücksendung jeweils ein einzelnes Antennenelement (31E) eingesetzt wird, um den Antwort impuls abzustrahlen wobei drei verschiedene Laufzeitmessungen mit drei verschiedenen einzelnen Antennenelementen (31A, 31B, 31C) des Antennen-Arrays (310) nacheinander durchgeführt werden, wobei die einzelnen Antennenelemente (31A, 31B, 31C) so ausgewählt werden, dass sie einen möglichst großen Abstand voneinander haben.

Figure DE102020200023B4_0000
Method for the highly accurate determination of the position and/or orientation of a vehicle (10) to be located, which is designed for communication in a wireless communication network, wherein broadband pulses of short duration are transmitted from the vehicle (10) to surrounding fixed stations (31 - 35), which are answered by the surrounding fixed stations (31 - 35) in an immediate return of a response pulse when received, wherein a measurement of the transit time of the emitted pulse until the arrival of the return pulse from at least one of the surrounding fixed stations (31 - 35) is carried out in the vehicle (10), wherein a respective transmission of a pulse takes place one after the other by a number of antenna elements (176) mounted at different positions of the vehicle (10) with a respective transceiver, wherein for each mounted antenna element (176) a transceiver (170) is located in the vicinity of a position of the antenna element (176) and a communication module (110) with the Transceivers (170) of the antenna elements (176) mounted at the various positions, wherein the communication module (110) is designed to request the various transceivers (170) one after the other to transmit the broadband pulse of short duration or to assign them respective planned times for the successive transmission of the broadband pulses, and the time until the respective response pulse arrives at the individual antenna elements (176) is measured by means of the respective transreceiver (170), wherein the determination of the positions of the antenna elements (176) of the vehicle (10) to be located is carried out in each case based on at least one intersection calculation with the resulting at least three travel times and the known positions of the antennas of the fixed stations (31 - 35) and the position and/or orientation of the vehicle (10) is determined from the determined antenna element positions (176) on the vehicle (10) is determined, wherein the antennas of each fixed station (31 - 35) are designed in the form of antenna arrays (310) which consist of a number of antenna elements (31A, 31B, 31C, 31E), wherein a single antenna element (31E) is used for the return in order to radiate the response pulse, wherein three different transit time measurements are carried out one after the other with three different individual antenna elements (31A, 31B, 31C) of the antenna array (310), wherein the individual antenna elements (31A, 31B, 31C) are selected such that they are as far apart from one another as possible.
Figure DE102020200023B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges. Der Vorschlag betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges sowie eine Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem.The invention relates to a method for the highly accurate determination of the position and/or orientation of a vehicle to be located. The proposal also relates to a device for the highly accurate determination of the position and/or orientation of a vehicle to be located and a base station for a mobile radio communication system.

Für das Szenario von mit Funkkommunikationsmodulen ausgestatteten Fahrzeugen, die im öffentlichen Straßenverkehr direkt miteinander kommunizieren, sei es für ein kooperatives oder autonomes Fahren, oder auch für die Teilnahme am Mobilfunk und die Anbindung an das Internet oder die Versorgung mit anderen Datendiensten ist eine hohe Verlässlichkeit bei sicherheitskritischen Anwendungen unablässig oder für den Kunden sehr wichtig.For the scenario of vehicles equipped with radio communication modules that communicate directly with each other in public traffic, be it for cooperative or autonomous driving, or for participation in mobile communications and connection to the Internet or the provision of other data services, a high level of reliability in safety-critical applications is essential or very important for the customer.

Navigationshilfen haben den Alltag vieler Menschen erobert. So helfen sie im ruralen wie im urbanen Bereich, gezielt Orte anzusteuern und die Zeit für den Anfahrtsweg zu minimieren. Dabei wird speziell bei Fahrzeug-Anwendungen in der Regel auf eine Satellitennavigation zurückgegriffen, in die Informationen aus Signalen anderer Fahrzeugsensoren zwecks Robustheitssteigerung mit einfließen. Die Satellitennavigation ist unter dem Begriff GNSS, entsprechend Global Navigation Satellite System, bekannt.Navigation aids have become a part of many people's everyday lives. In both rural and urban areas, they help people to reach specific locations and minimize the time needed to get there. In vehicle applications in particular, satellite navigation is generally used, which incorporates information from signals from other vehicle sensors to increase robustness. Satellite navigation is known as GNSS, or Global Navigation Satellite System.

In dicht bebauten Gebieten stößt die Satellitennavigation jedoch an technische Grenzen, da die Satellitensignale in engen Häuserschluchten oft nicht direkt, sondern nur indirekt nach (Mehrfach-)Reflektionen an Häuserwänden empfangen werden können. Das satellitenbasierte Lokalisierungsergebnis wird dadurch teilweise so stark verfälscht, dass es zumindest vorübergehend für die Korrektur der Positionsschätzung aus den (ungenaueren) Fahrzeug-Sensorsignalen nicht geeignet ist.In densely built-up areas, however, satellite navigation reaches its technical limits, as the satellite signals in narrow urban canyons often cannot be received directly, but only indirectly after (multiple) reflections on house walls. The satellite-based localization result is thus sometimes so distorted that it is at least temporarily unsuitable for correcting the position estimate from the (less accurate) vehicle sensor signals.

Innerhalb von Gebäuden gestaltet sich die Lokalisierungsaufgabe noch schwieriger. Da die Satellitensignale Decken und Wände in der Regel nicht durchdringen, muss für Indoor-Navigations-Anwendungen ein Verfahren entwickelt werden, das komplett ohne Satellitensignale auskommt. Dabei ist es erforderlich, im Vergleich zu Outdoor-Navigationen wesentlich höhere Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen. Während dies beim autonomen Fahren eines Fahrzeugs im Parkhaus als wichtigste Fahrzeug-Anwendung erforderlich ist, um Kollisionen mit anderen Fahrzeugen oder Parkhaus-Hindernissen zu vermeiden, besteht beim elektronischen Museumsführer als einer typischen Nichtfahrzeug-Anwendung bereits bei einer Ungenauigkeit von mehreren Metern die Gefahr, den Nutzer in einen falschen Raum zu navigieren.The localization task is even more difficult inside buildings. Since satellite signals generally do not penetrate ceilings and walls, a method must be developed for indoor navigation applications that does not require any satellite signals at all. This requires significantly higher accuracy requirements than outdoor navigation. While this is necessary for autonomous driving of a vehicle in a parking garage, the most important vehicle application, in order to avoid collisions with other vehicles or parking garage obstacles, for the electronic museum guide, a typical non-vehicle application, there is a risk of navigating the user to the wrong room even if the accuracy is several meters.

Als nicht-satellitenbasierte Alternative für die Indoor-Lokalisierung kommt zum Beispiel die Feldstärke des oftmals bereits vorhandenen WLAN-Netzes in Frage. Dabei muss mit dem Endgerät, also z. B. einer Zusatzeinheit des Fahrzeugnavigationssystems oder des elektronischen Museumsführers, das Signal gemessen und mit Karten der charakteristischen Feldstärkeverteilung des WLAN-Netzes verglichen werden. Auf diesem Prinzip basiert auch die Standortbestimmung via Erdmagnetfeld, das durch Gebäudeeigenschaften markant verändert wird. Der Aufwand für die Erstellung und kontinuierliche Aktualisierung der Feldstärke-Karten ist allerdings speziell vor dem Hintergrund der ausgeprägten Genauigkeitsanforderungen hoch.A non-satellite-based alternative for indoor localization is the field strength of the WLAN network that is often already in place. The signal must be measured using the end device, e.g. an additional unit of the vehicle navigation system or the electronic museum guide, and compared with maps of the characteristic field strength distribution of the WLAN network. Location determination via the earth's magnetic field, which is significantly changed by building properties, is also based on this principle. The effort required to create and continuously update the field strength maps is, however, high, especially given the high accuracy requirements.

Eine andere Möglichkeit beruht auf der Anbringung von kleinen Sendern innerhalb eines Gebäudes, die beispielsweise Bluetooth-Low-Energy-Signale (BLE-Signale) übertragen. Der Standort lässt sich dann etwa mittels Trilateration bestimmen: Aus den Signalen dreier Sender wird deren jeweilige Entfernung zum Endgerät bestimmt und mit Hilfe der bekannten Senderstandorte und der bestimmten Entfernungen die Position durch Schnittpunktberechnung ermittelt. Zur Entfernungsmessung können ähnlich wie bei der Radar-Technologie Laufzeitmessungen von ausgesendeten Signalen durchgeführt werden, die zurückreflektiert werden oder aber unmittelbar vom Sender neu ausgestrahlt werden, wenn ein Messsignal des Fahrzeuges eintrifft. Eine andere Möglichkeit besteht in einer Feldstärkemessung, wodurch sich mit Hilfe einer entsprechend genauen Karte über die Feldstärkeverteilung bei einer Normausstrahlung die Entfernung zum Sender ebenfalls bestimmen lässt.Another possibility is to install small transmitters inside a building that transmit Bluetooth Low Energy signals (BLE signals), for example. The location can then be determined using trilateration: the signals from three transmitters are used to determine their respective distances from the end device, and the position is determined using the known transmitter locations and the determined distances by calculating the intersection point. To measure the distance, similar to radar technology, time-of-flight measurements can be carried out on transmitted signals that are reflected back or immediately re-transmitted by the transmitter when a measurement signal from the vehicle arrives. Another possibility is to measure the field strength, whereby the distance to the transmitter can also be determined using a correspondingly accurate map of the field strength distribution for a standard transmission.

Ein Beispiel eines auf GPS Signalauswertung basierenden Positionsbestimmungssystem ist in US2004/0193372 A1 auch für den Anwendungsfall Platooning beschrieben. Dabei wird das GPS-System verbessert, indem es mit Bluetooth kombiniert wird. Über eine Bluetooth-Verbindung werden Lageinformationen ausgetauscht mit einem Fahrzeug des Platoons. Im Betrieb kommunizieren die Fahrzeuge Satelliten-Daten über die Bluetooth-Verbindungen. Dies ermöglicht es, die Bluetooth-Funkverbindungen zur Reduzierung der Anzahl der benötigten Satelliten für das GPS-System auszunutzen, ohne die Genauigkeit der Messungen zu verlieren. Auf die Möglichkeit der Verwendung von UWB-Kommunikation als Alternative zur Bluetooth-Kommunikation wird hingewiesen.An example of a positioning system based on GPS signal evaluation is in US2004/0193372 A1 also described for the platooning application. The GPS system is improved by combining it with Bluetooth. Position information is exchanged with a vehicle in the platoon via a Bluetooth connection. During operation, the vehicles communicate satellite data via the Bluetooth connections. This makes it possible to use the Bluetooth radio connections to reduce the number of satellites required for the GPS system without losing the accuracy of the measurements. The possibility of using UWB communication as an alternative to Bluetooth communication is pointed out.

Ein weiteres Beispiel für ein solches System ist in US 2015/0269845 A1 beschrieben. Hier wird insbesondere auf die Notwendigkeit der hochgenauen Synchronisierung der Uhren bei den Fahrzeugen hingewiesen, um über Laufzeitmessungen die genaue Position der Fahrzeuge zu messen. Als Lösung wird auf den Einsatz der hochgenauen Uhren bei den GNSS-Systemen hingewiesen.Another example of such a system is in US 2015/0269845 A1 Here, particular emphasis is placed on the need for high-quality The precise synchronization of the clocks in the vehicles is pointed out in order to measure the exact position of the vehicles using runtime measurements. The use of high-precision clocks in the GNSS systems is suggested as a solution.

Aus der DE 10 2015 122 145 A1 ist ein Verfahren zur verbesserten Positionsbestimmung einer Mobilstation beziehungsweise eines Handgeräts innerhalb eines Mobilfunknetzes bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Übertragen von mindestens drei Funksignalen zwischen der Mobilstation und einer entsprechenden Anzahl von mindestens drei Basisstationen, wobei zumindest jedes von den drei Funksignalen eine zeitliche Information umfasst, die eine Absendezeit des entsprechenden Funksignals anzeigt; Berechnen einer Zeitverzögerung für jedes der mindestens drei Funksignale auf der Basis einer Differenz zwischen einer Ankunftszeit und der Absendezeit des entsprechenden Funksignals; Abrufen der Information für jedes der mindestens drei Funksignale über die Übertragungspfadverluste des entsprechenden Funksignals aus einem Datenspeicher; Berechnen eines Abstands der Mobilstation von der entsprechenden Basisstation für jedes der mindestens drei Funksignale basierend auf der Zeitverzögerung und der Information über die Übertragungspfadverluste; und Bestimmen eines Orts der Mobilstation basierend auf der Trilateration der mindestens drei Abstände.From the DE 10 2015 122 145 A1 A method for improved position determination of a mobile station or a handset within a mobile radio network is known. The method comprises the steps of: transmitting at least three radio signals between the mobile station and a corresponding number of at least three base stations, wherein at least each of the three radio signals comprises temporal information indicating a transmission time of the corresponding radio signal; calculating a time delay for each of the at least three radio signals on the basis of a difference between an arrival time and the transmission time of the corresponding radio signal; retrieving the information for each of the at least three radio signals about the transmission path losses of the corresponding radio signal from a data memory; calculating a distance of the mobile station from the corresponding base station for each of the at least three radio signals based on the time delay and the information about the transmission path losses; and determining a location of the mobile station based on the trilateration of the at least three distances.

Aus der US 2019 066 504 A1 ist ein bodengestütztes Funksystem mit der Bezeichnung Autonomous Transceivers Positioning System („ATPS“) bekannt, das eine vollständige autonome Verfolgung mehrerer sich bewegender Objekte durchführt und die Positions- und Geschwindigkeitskomponenten (Geschwindigkeit und Richtung) eines sich bewegenden Objekts oder die stationäre Position eines Objekts bestimmt. Für ein sich bewegendes Objekt bietet das System eine Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von mehreren Zentimetern und eine Geschwindigkeitsbestimmung mit einer Genauigkeit von Zentimetern pro Sekunde. Das ATPS-System verfolgt die Position mehrerer Objekte gleichzeitig und kontinuierlich, solange sich die Objekte im Arbeitsbereich des drahtlosen ATPS-Systems befinden. Das ATPS enthält RFID-inspirierte Komponenten, einschließlich fortschrittlicher autonomer drahtloser Abfragegeräte mit mehreren festen Standorten innerhalb des definierten Arbeitsbereichs des Systems und mehrerer autonomer drahtloser Responder, die an sich bewegenden und / oder stationären Objekten befestigt sind.From the US 2019 066 504 A1 is a ground-based radio system called Autonomous Transceivers Positioning System ("ATPS") that performs complete autonomous tracking of multiple moving objects and determines the position and velocity components (speed and direction) of a moving object or the stationary position of an object. For a moving object, the system provides position determination with an accuracy of several centimeters and velocity determination with an accuracy of centimeters per second. The ATPS system tracks the position of multiple objects simultaneously and continuously as long as the objects are within the working area of the wireless ATPS system. The ATPS includes RFID-inspired components including advanced autonomous wireless interrogators with multiple fixed locations within the system's defined working area and multiple autonomous wireless responders attached to moving and/or stationary objects.

In der WO 2019 143 437 A1 werden Techniken zur Positionsbestimmung beschrieben, die in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk eine Lokalisierung eines Zielbenutzergeräts (UE) ermöglichen , das von einem (oder einer Anzahl) verschiedener Funkzugangstechnologien (RATs) bedient wird. Zu den Techniken zählen Feldstärkemessungen, Laufzeitmessungen und Winkelmessungen.In the WO 2019 143 437 A1 describes positioning techniques that enable the localization of a target user equipment (UE) in a wireless communication network that is served by one (or a number of) different radio access technologies (RATs). The techniques include field strength measurements, time-of-flight measurements and angle measurements.

Auf Grund der Wellenlänge der WLAN- und BLE-Signale von ca. 12,5 cm entsprechend einer Frequenz von 2,5 GHz ist eine Lokalisierung mit genügend hoher Genauigkeit prinzipiell möglich. Da die erlaubte WLAN- und BLE-Sendeleistung hoch genug ist, um eine störungsfreie bzw. störminimale Informationsübertragung auch bei größeren Antennenabständen und damit akzeptablen Systemkosten zu realisieren, muss bei Indoor-Navigations-Anwendungen davon ausgegangen werden, dass die WLAN- und BLE-Signale nicht von jedem Punkt aus direkt, sondern nur indirekt nach (Mehrfach-) Reflektionen an Wänden und Hindernissen empfangen werden können. Die mit einer Wellenlänge von 12,5 cm theoretisch mögliche Lokalisierungsgenauigkeit kann unter diesen Bedingungen nur dann annähernd erreicht werden, wenn eine Kompensation der (Mehrfach-)Reflektionen mit dedizierten Rechenmodellen erfolgt. Diese Rechenmodelle sind einerseits sehr komplex und damit zeitintensiv in ihrer Entwicklung, andererseits müssen sie kontinuierlich aktuell gehalten werden, um eventuellen baulichen Gebäudeveränderungen während des Systembetriebs über mehrere Jahre Rechnung tragen zu können.Due to the wavelength of the WLAN and BLE signals of approximately 12.5 cm, corresponding to a frequency of 2.5 GHz, localization with sufficiently high accuracy is possible in principle. Since the permitted WLAN and BLE transmission power is high enough to achieve interference-free or interference-minimal information transmission even with larger antenna distances and thus acceptable system costs, it must be assumed for indoor navigation applications that the WLAN and BLE signals cannot be received directly from every point, but only indirectly after (multiple) reflections on walls and obstacles. The localization accuracy theoretically possible with a wavelength of 12.5 cm can only be approximately achieved under these conditions if the (multiple) reflections are compensated for using dedicated calculation models. On the one hand, these calculation models are very complex and therefore time-consuming to develop; on the other hand, they must be continuously kept up to date in order to take into account possible structural changes to the building during system operation over several years.

Die dafür erforderlichen Arbeiten entfallen bei Erhöhung der Antennendichte, sodass die WLAN- und BLE-Signale größtenteils direkt empfangen werden können und damit der Anteil der (Mehrfach-)Reflektionen abnimmt. Für ihre Kompensation bei der Indoor-Lokalisierung sind damit generische Modelle ausreichend, die sich einerseits einfacher gestalten und andererseits nicht mehr kontinuierlich aktualisiert werden müssen.The work required for this is eliminated when the antenna density is increased, so that the WLAN and BLE signals can largely be received directly and the proportion of (multiple) reflections is reduced. Generic models are therefore sufficient to compensate for them in indoor localization, which are on the one hand simpler and on the other hand no longer need to be continuously updated.

Für Indoor-Navigations-Anwendungen mit besonders hohen Genauigkeitsanforderungen kann es erforderlich werden, das oben beschriebene Trilaterationsverfahren um einen Ultra-Wide-Band-Ansatz (UWB-Ansatz) zu erweitern. Dessen Prinzip besteht darin, von einem Sender eines autonom fahrenden Fahrzeugs oder eines elektronischen Museumsführers beispielsweise einen zeitlich stark begrenzten Impuls mit einer Dauer <1ns und stark ausgeprägter Flankensteilheit entsprechend einer Bandbreite von mehreren Hundert MHz auszusenden. Prinzip bedingt verteilt sich die Strahlungsleistung eines UWB-Impulses auf die sehr große Bandbreite. Pro Bandbreitenintervall ergibt sich somit nur eine wenig erhöhte Strahlungsleistung, sodass der Grenzwert der spezifischen Strahlungsleistung einer von derselben Station ausgestrahlten anderen Kommunikationsart durch die zusätzliche UWB-Ausstrahlung in dem jeweiligen Intervall praktisch nicht überschritten wird.For indoor navigation applications with particularly high accuracy requirements, it may be necessary to extend the trilateration method described above to include an ultra-wide-band approach (UWB approach). The principle of this approach is to send out a very limited time pulse with a duration of <1ns and a very pronounced edge steepness corresponding to a bandwidth of several hundred MHz from a transmitter of an autonomous vehicle or an electronic museum guide, for example. Due to the principle, the radiated power of a UWB pulse is distributed over the very large bandwidth. This results in only a slightly increased radiated power per bandwidth interval, so that the limit of the specific radiated power of another type of communication emitted by the same station is practically not exceeded by the additional UWB emission in the respective interval.

Trotz der geringen Leistung des UWB-Pulses müssen im Indoor-Bereich verteilt angebrachte Empfänger in der Lage sein, eine einwandfreie Detektion des UWB-Pulses durchzuführen und eine Rückantwort in Richtung des aussendenden Endgeräts zurückzusenden. Der Abstand der im Indoor-Bereich verteilt angebrachten Empfänger darf daher einen von den gegebenen Randbedingungen abhängigen max. Wert nicht überschreiten und sollte im Idealfall so gewählt werden, dass von jedem Punkt des Indoor-Bereichs aus Sichtkontakt zu mindestens drei Empfängern besteht. Die Begründung für diese Forderung ist die Notwendigkeit, Reflektionen erkennen und ignorieren zu können. Bei fehlendem direkten Sichtkontakt würden ausschließlich reflektierte Signale oder sogar mehrfach reflektierte Signale vorliegen. Um daraus die Entfernung zwischen Sender und Empfänger ermitteln zu können, wären aufwändige Rechen-Modelle erforderlich. Diese Modelle müssten immer aktuell gehalten werden, um eventuelle bauliche Veränderungen wiedergeben zu können. Bei Vorliegen einer direkten Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger ist es möglich, Reflektionen und Mehrfach-Reflektionen zu erkennen und zu ignorieren. Die Entfernungs-Berechnung kann dann auf Basis der direkten Pulslaufzeit mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.Despite the low power of the UWB pulse, receivers distributed indoors must be able to detect the UWB pulse correctly and send a response back to the transmitting device. The distance between the receivers distributed indoors must therefore not exceed a maximum value that depends on the given boundary conditions and should ideally be chosen so that there is visual contact with at least three receivers from every point in the indoor area. The reason for this requirement is the need to be able to detect and ignore reflections. If there is no direct visual contact, only reflected signals or even multiple reflected signals would be present. In order to be able to determine the distance between transmitter and receiver from this, complex calculation models would be required. These models would always have to be kept up to date in order to be able to reflect any structural changes. If there is a direct line of sight between transmitter and receiver, it is possible to detect and ignore reflections and multiple reflections. The distance calculation can then be determined with high accuracy based on the direct pulse transit time.

Unter diesen Bedingungen wird es durch eine präzise Messung der Zeit zwischen Aussenden des Original-Impulses und Wiedereintreffen der reflektierten Impulses von mindestens drei Empfängern möglich, die Entfernungen zwischen Endgerät und Sendern zu bestimmen und mithilfe der Senderstandorte und der Distanzen die Endgeräteposition zu ermitteln.Under these conditions, by precisely measuring the time between the transmission of the original pulse and the arrival of the reflected pulse by at least three receivers, it is possible to determine the distances between the terminal device and the transmitters and to determine the terminal device position using the transmitter locations and the distances.

Der ausgeprägte Gleichlauf aktuell verfügbarer elektronischer Uhren ermöglicht dabei, den Fehler der ermittelten Position < 1cm zu halten. Dem Vorteil dieser hohen Genauigkeit steht dabei der Nachteil der hohen Kosten durch die Vielzahl der erforderlichen Empfänger zur Reflektion der gesendeten Impulse gegenüber.The pronounced synchronization of currently available electronic clocks makes it possible to keep the error of the determined position < 1 cm. The advantage of this high accuracy is offset by the disadvantage of the high costs due to the large number of receivers required to reflect the transmitted pulses.

Aus der US 2019/0361109 A1 geht ein System zur Detektierung hervor, was vornehmlich in einer Industrieumgebung in einem Gebäude zum Einsatz kommt. Das System einer Trackingvorrichtung kann aber auch bei Fahrzeugen beispielsweise in urbanen Gegenden oder dort, wo keine Lokalisierung mittels GNSS ermöglicht ist, zum Einsatz kommen. Die Trackingvorrichtung sieht eine Lokalisierung vor, bei die Position eines beweglichen Obiekts relativ zu einem Sender oder umgekehrt mittels einem ersten und einem zweiten Referenzsignal, jeweils von einem Sende- bzw. Empfangssignal abhängig, bestimmt wird. Die Vorrichtung umfasst gemäß eines Beispiels die Messung einer „direct time of flight (TOF) mittels zumindest eines Transmitters und mittels zumindest eines Receivers. Ein weiteres Beispiel sieht vor, dass durch die Nutzung von einem Abfragesender mit zugeordneten drei Antennen und vier Kanälen eine erhöhte Lokalisierbarkeit ermöglicht wird, wobei auch hier die drei Antennen einen direkten Kontakt zu dem Transponder aufweisen. Zwei bzw. drei dem Abfragesender zugeordnete Receiver nehmen das vom Transponder abgestrahlte Signal auf und ermöglichen darüber eine hyperbolische bzw. triangulare Bestimmung des Transponders und damit des Objekts.From the US 2019/0361109 A1 A detection system emerges which is primarily used in an industrial environment in a building. The system of a tracking device can also be used in vehicles, for example in urban areas or where localization using GNSS is not possible. The tracking device provides localization in which the position of a moving object relative to a transmitter or vice versa is determined using a first and a second reference signal, each dependent on a transmission or reception signal. According to one example, the device comprises the measurement of a "direct time of flight (TOF) using at least one transmitter and at least one receiver. Another example provides that increased localizability is made possible by using an interrogation transmitter with three antennas and four channels, whereby here too the three antennas have direct contact with the transponder. Two or three receivers assigned to the interrogation transmitter receive the signal emitted by the transponder and enable hyperbolic or triangular determination of the transponder and thus of the object.

Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, eine Methode zur hochgenauen Eigenlokalisierung für Fahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge, zu finden, die sich innerhalb von Gebäuden bewegen.The invention aims to find a method for highly accurate self-localization for vehicles, in particular vehicles moving inside buildings.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges gemäß Anspruch 7 sowie eine Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem gemäß Anspruch 12 gelöst.This object is achieved by a method for determining the position and/or orientation of a vehicle to be located according to claim 1, a device for determining the position and/or orientation of a vehicle to be located according to claim 7 and a base station for a mobile radio communication system according to claim 12.

Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung entsprechend der nachfolgenden Beschreibung dieser Maßnahmen.The dependent claims contain advantageous developments and improvements of the invention according to the following description of these measures.

Die Lösung für das Problem besteht in einem Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines Fahrzeuges, das zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgelegt ist. Dieses kann in Form eines Mobilfunkkommunikationsnetzwerkes ausgeführt sein. Zur hochgenauen Positions- und/oder Orientierungsbestimmung werden von dem Fahrzeug breitbandige Impulse kurzer Dauer an die umliegenden Feststationen ausgesendet, die bei Empfang von den umliegenden Feststationen in einer unmittelbaren Rücksendung beantwortet werden. Für die genaue Positions- und/oder Orientierungsbestimmung wird in dem Fahrzeug eine . Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Antwortimpulses der Rücksendung von einer der umliegenden Feststationen durchgeführt. Dabei wird der Impuls nacheinander wiederholt durch eine Anzahl von an verschiedenen Positionen des Fahrzeuges angebrachten Antennenelementen abgestrahlt und es wird jeweils die Laufzeit von und zu den einzelnen Antennenelementen gemessen. Aus der Laufzeit wird die Bestimmung der Position des Antennenelementes des Fahrzeuges jeweils basierend auf den gemessenen Laufzeiten und den bekannten Positionen der Feststationen durchgeführt. Dabei wird eine Schnittpunktberechnung durchgeführt. Liegen Messergebnisse für drei verschiedene Feststationen vor, entspricht die Schnittpunktberechnung einer Trilaterationsrechnung. Bei mehr vorliegenden Messergebnissen kann die Schnittpunktberechnung in Form einer Multilaterationsrechnung erfolgen. Ausgehend von der Lage der Schnittpunkte wird die Position der Antennenelemente berechnet. Theoretisch ist es möglich, dass zwei Rücksendungen von verschiedenen Feststationen zum gleichen Zeitpunkt beim Fahrzeug eintreffen. Wenn sich hier eine Störung ergibt, muss die Messung wiederholt werden. Bei einem sich bewegenden Fahrzeug werden sich dann schnell andere Verhältnisse ergeben, sodass die Störung wegfällt.The solution to the problem is a method for highly accurate determination of the position and/or orientation of a vehicle that is designed for communication in a wireless communication network. This can be implemented in the form of a mobile radio communication network. For highly accurate position and/or orientation determination, the vehicle sends out broadband pulses of short duration to the surrounding fixed stations, which are responded to immediately by the surrounding fixed stations when received. For accurate position and/or orientation determination, a measurement of the transit time of the emitted pulse until the response pulse of the return is received from one of the surrounding fixed stations is carried out in the vehicle. The pulse is repeatedly emitted one after the other by a number of antenna elements attached to different positions on the vehicle, and the transit time from and to the individual antenna elements is measured. The transit time is used to determine the position of the antenna element of the vehicle based on the measured transit times and the known positions of the fixed stations. An intersection point calculation is carried out. If measurement results are available for three different fixed stations, the Intersection calculation of a trilateration calculation. If more measurement results are available, the intersection calculation can be carried out in the form of a multilateration calculation. The position of the antenna elements is calculated based on the position of the intersection points. Theoretically, it is possible for two returns from different fixed stations to arrive at the vehicle at the same time. If there is an interference here, the measurement must be repeated. If the vehicle is moving, then different conditions will quickly arise so that the interference is eliminated.

Die breitbandigen Impulse kurzer Dauer können in einer bevorzugten Variante Ultra-Wide-Band-Impulsen (UWB) entsprechen. Das sind Impulse, die im UHF- oder SHF-Frequenzband abgestrahlt werden. Sie eignen sich besonders gut für die Abstandsmessung. Die UWB-Impulse haben eine hohe Bandbreite von ca. 500 MHz oder mehr, was eine kurze Dauer im Zeitbereich von wenigen oder Bruchteilen von Nanosekunden bedingt. Deshalb werden UWB-Impulse auch zur Abstandsmessung eingesetzt, allerdings nur für kurze Entfernungen, da sie mit nur geringer Strahlungsenergie abgestrahlt werden, und die Reichweite dementsprechend begrenzt ist.The broadband pulses of short duration can, in a preferred variant, correspond to ultra-wide-band pulses (UWB). These are pulses that are emitted in the UHF or SHF frequency band. They are particularly suitable for distance measurement. The UWB pulses have a high bandwidth of around 500 MHz or more, which means they last a short time in the time range of a few or fractions of nanoseconds. UWB pulses are therefore also used for distance measurement, but only for short distances, since they are emitted with only a small amount of radiation energy and the range is accordingly limited.

Für das Verfahren ist es vorgesogen, dass die Antennen der Feststationen in Form von Antennen-Arrays ausgelegt werden, die aus einer Anzahl von Antennenelementen bestehen, wobei für die Laufzeitmessung eine Anzahl von Antennenelementen den Messimpuls parallel abstrahlen oder ein einzelnes Antennenelement eingesetzt wird, um den Messimpuls abzustrahlen. Insbesondere eignen sich die 5G-Antennen für das sogenannte 26 GHz-Frequenzband für den Einsatz bei dem Messverfahren. Mit ihrer flächendeckenden Implementierung ist zu rechnen, sobald das aktuell laufende Ausrollen der 5G-Telekommunikationstechnologie für das 3,5GHz-Frequenzband abgeschlossen ist. In dem 26 GHz-Band sind die Ausbreitungsbedingungen schlechter als in den Frequenzbereichen bis 10,6 GHz, da die Funksignale in diesem Frequenzbereich einer ausgeprägt hohen Dämpfung unterliegen. Deshalb ist eine Verringerung des Abstandes zwischen den Feststationen erforderlich, wodurch sich aber häufiger Sichtverbindungen herstellen lassen und sich das Problem mit den Mehrfachreflektionen verringert.For the method, it is planned that the antennas of the fixed stations are designed in the form of antenna arrays consisting of a number of antenna elements, whereby a number of antenna elements radiate the measuring pulse in parallel for the time of flight measurement or a single antenna element is used to radiate the measuring pulse. The 5G antennas for the so-called 26 GHz frequency band are particularly suitable for use in the measurement method. Their widespread implementation is expected as soon as the current rollout of 5G telecommunications technology for the 3.5 GHz frequency band is completed. In the 26 GHz band, the propagation conditions are worse than in the frequency ranges up to 10.6 GHz, since the radio signals in this frequency range are subject to a particularly high level of attenuation. Therefore, a reduction in the distance between the fixed stations is necessary, which allows line of sight to be established more frequently and reduces the problem of multiple reflections.

Es werden drei verschiedene Laufzeitmessungen mit drei verschiedenen einzelnen Antennenelementen des Antennen-Arrays in den Feststationen nacheinander durchgeführt, wobei die einzelnen Antennenelemente so ausgewählt werden, dass sie einen möglichst großen Abstand voneinander haben. Diese drei Einzelmessungen liefern Ergebnisse für drei verschiedene Positionen von drei verschiedenen Antennenelementen. Die Durchführung der Laufzeitmessungen nacheinander ist vorteilhaft, da in diesem Fall nur ein Antennenelement in der Gegenstelle (hier das Fahrzeug) vorhanden sein muss. Damit ergeben sich Kostenvorteile. Soll jedoch nicht nur die Position des Fahrzeugs, sondern auch seine Orientierung etwa in Form des Gierwinkels ermittelt werden, sind mehrere Antennenelemente, z. B. in Form von weiter auseinanderliegenden Einzelantennenelementen in der Gegenstelle (hier dem Fahrzeug) erforderlich.Three different runtime measurements are carried out one after the other with three different individual antenna elements of the antenna array in the fixed stations, with the individual antenna elements being selected so that they are as far apart as possible from each other. These three individual measurements provide results for three different positions of three different antenna elements. Carrying out the runtime measurements one after the other is advantageous because in this case only one antenna element needs to be present in the remote station (here the vehicle). This results in cost advantages. However, if not only the position of the vehicle but also its orientation, for example in the form of the yaw angle, is to be determined, several antenna elements are required, e.g. in the form of individual antenna elements that are further apart in the remote station (here the vehicle).

Es kann dann die Position des fahrzeugseitigen Antennenelementes bzw. der fahrzeugseitigen Antennenelemente durch Trilaterationsrechnung basierend auf den Laufzeitmessungen zu den drei Antennenelementen des Antennen-Arrays der Feststation errechnet werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt dabei aber auch von dem Abstand zwischen den Antennenelementen des bzw. der Antennen-Arrays ab.The position of the vehicle-side antenna element(s) can then be calculated using trilateration calculations based on the transit time measurements for the three antenna elements of the antenna array of the base station. However, the accuracy of the position determination also depends on the distance between the antenna elements of the antenna array(s).

Hier ist es dann auch von Vorteil, wenn bei Eintreffen der Antwortimpulse von zwei oder mehr verschiedenen umliegenden Feststationen an einem Antennenelement des Fahrzeuges eine Mittelung der Positionsbestimmungen des Antennenelementes des zu ortenden Fahrzeuges durchgeführt wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung nochmals gesteigert werden.Here it is also advantageous if, when the response pulses from two or more different surrounding fixed stations arrive at an antenna element of the vehicle, the position determinations of the antenna element of the vehicle to be located are averaged. This can further increase the accuracy of the position determination.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Laufzeitmessungen seitens der verschiedenen Antennenelemente des Fahrzeuges für den von einer Feststation zurückgesendeten Impuls einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden, wobei eine Laufzeit, die bei der Plausibilitätsprüfung als fehlerhaft verworfen wurde, für die Schnittpunktberechnung nicht verwendet wird. So wird es verhindert, dass eine mit größerem Fehler behaftete Laufzeitmessung die Genauigkeit der Positionsbestimmung verschlechtert. Unter Umständen ist es nämlich möglich, dass ein Messimpuls an Hindernissen reflektiert wird und nicht auf direktem Wege zu einer Antenne zurückgelangt. Dann entspricht die Laufzeitmessung nicht mehr der direkten Abstandsmessung zwischen ObjektFahrzeug und Feststation und ist dadurch verfälscht.It is also advantageous if the transit time measurements from the various antenna elements of the vehicle for the pulse sent back from a fixed station are subjected to a plausibility check, whereby a transit time that was rejected as incorrect during the plausibility check is not used for the intersection calculation. This prevents a transit time measurement with a larger error from worsening the accuracy of the position determination. In certain circumstances, it is possible that a measurement pulse is reflected by obstacles and does not return directly to an antenna. In this case, the transit time measurement no longer corresponds to the direct distance measurement between the object vehicle and the fixed station and is therefore falsified.

In einer Variante beruht die Plausibilitätsprüfung auf einem Vergleich der gemessenen Laufzeiten unter Berücksichtigung der örtlichen Nähe der an dem Fahrzeug angebrachten Antennenelemente und es werden diejenigen Laufzeiten als fehlerhaft verworfen, deren Laufzeit nicht mit der örtlichen Nähe der Antennen korreliert. Mit anderen Worten wird bei der Plausibilitätsprüfung ausgenutzt, dass es eine Laufzeitmessung beruhend auf Direktempfang geben wird. Wenn andere Laufzeitmessungen über den bekannten Abstand von den Antennen des Fahrzeuges hinaus davon sehr stark abweichen, wird davon ausgegangen, dass sie auf Reflexionsempfang beruhen. Diese werden dann als fehlerhaft verworfen.In one variant, the plausibility check is based on a comparison of the measured runtimes, taking into account the local proximity of the antenna elements attached to the vehicle, and those runtimes whose runtime does not correlate with the local proximity of the antennas are rejected as incorrect. In other words, the plausibility check takes advantage of the fact that there will be a runtime measurement based on direct reception. If other runtime measurements deviate significantly from this beyond the known distance from the vehicle's antennas, it is assumed that they are due to reflections. reception. These are then discarded as faulty.

Durch die Maßnahme der Durchführung einer Gewichtung der Laufzeitmessungen in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Plausibilitätsprüfung kann ebenfalls eine Steigerung der Genauigkeit der Positionsbestimmung erzielt werden.By weighting the runtime measurements depending on the results of the plausibility check, the accuracy of the position determination can also be increased.

Schließlich wird gemäß des Verfahrens die Position und Orientierung des Fahrzeuges aus den ermittelten Antennenelementpositionen an dem Fahrzeug bestimmt. Bei einem Fahrzeug wird die Fahrzeugposition und/oder -orientierung für vielfältige Zwecke benötigt. Unter anderem zu Navigationszwecken. Aber auch, wenn das Fahrzeug mit automatischer Fahrfunktion ausgestattet ist, ist die Positions- und/oder Orientierungsangabe unabdinglich, damit es zu keiner Kollision mit einem Hindernis oder einem anderen Verkehrsteilnehmer kommt. Aber auch, wenn das Fahrzeug kein Fahrzeug ist, sondern z.B. ein Fußgänger, kommt es genauso auf die Genauigkeit der Positions- und/oder Orientierungsbestimmung an, damit die Navigation insbesondere innerhalb von Gebäuden funktioniert.Finally, according to the method, the position and orientation of the vehicle is determined from the determined antenna element positions on the vehicle. In a vehicle, the vehicle position and/or orientation is required for a variety of purposes. Among other things, for navigation purposes. But even if the vehicle is equipped with an automatic driving function, the position and/or orientation information is essential to avoid a collision with an obstacle or another road user. But even if the vehicle is not a vehicle, for example a pedestrian, the accuracy of the position and/or orientation determination is just as important so that navigation works, especially inside buildings.

Eine besonders vorteilhafte Variante der Bestimmung der Position und/oder Orientierung des Fahrzeuges wird mit Anwendung einer Trilaterationsrechnung bzw. Multilaterationsrechnung auf Basis der Laufzeitmessungen eines an dem Fahrzeug angebrachten Antennenelementes für die von drei oder mehr verschiedenen Feststationen zurückgesendeten Impulse erreicht. Damit kann die Position auf wenige Zentimeter und die Orientierung auf weniger als 10° genau bestimmt werden. Hier sind die Abstände zwischen den Feststationen groß genug, um die Trilateration mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Je kleiner die Abstände zwischen den Feststationen sind, umso mehr wirken sich Fehler bei der Laufzeitmessung auf die Positions- und/oder Orientierungsbestimmung aus.A particularly advantageous variant of determining the position and/or orientation of the vehicle is achieved by using a trilateration calculation or multilateration calculation based on the runtime measurements of an antenna element attached to the vehicle for the pulses sent back from three or more different fixed stations. This allows the position to be determined to within a few centimeters and the orientation to within less than 10°. Here, the distances between the fixed stations are large enough to carry out the trilateration with high accuracy. The smaller the distances between the fixed stations, the more errors in the runtime measurement affect the position and/or orientation determination.

Die Erfindung betrifft in einer anderen Ausprägung auch eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges. Dabei ist die Vorrichtung mit einem Kommunikationsmodul zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgestattet. Die Vorrichtung ist auch zur Kommunikation mit den umliegenden Feststationen des Kommunikationsnetzwerkes ausgestattet. Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch eine Anzahl von an dem Fahrzeug an verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelementen, wobei jeweils ein Transceiver pro angebrachtem Antennenelement vorgesehen ist, das in der Nähe zu der Position des Antennenelementes lokalisiert ist. Der Vorteil der Positionierung in der Nähe des Antennenelementes besteht darin, dass so nur kurze Verbindungsleitungen zwischen Antennenelement und Transceiver benötigt werden. Dies ist erforderlich, um möglichst nicht die Laufzeitmessungen zu verfälschen. Der Transceiver dient dabei zur Erzeugung eines breitbandigen Impulses von kurzer Dauer, der von dem Antennenelement an die umliegenden Feststationen abgestrahlt wird und zum Empfang eines von den umliegenden Feststationen durch unmittelbare Rücksendung ausgesendeten Antwortimpulses. Es dient ebenfalls zur Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Antwortimpulses von einer der umliegenden Feststationen. Dabei erfolgt die Aussendung des Impulses durch die verschiedenen Antennenelemente, die an unterschiedlichen . Positionen des Fahrzeuges angebracht sind, und die Laufzeitmessung erfolgt durch die jeweils den einzelnen Antennenelementen zugeordneten Transceiver. Mit dieser Anordnung kann die Position und/oder Orientierung des Fahrzeuges durch gängige Methoden zur Schnittpunktberechnung, insbesondere Trilateration oder Multilateration, sehr genau bestimmt werden.In another embodiment, the invention also relates to a corresponding device for determining the position and/or orientation of a vehicle to be located. The device is equipped with a communication module for communication in a wireless communication network. The device is also equipped for communication with the surrounding fixed stations of the communication network. The device is characterized by a number of antenna elements attached to the vehicle at different positions, with one transceiver being provided for each attached antenna element, which is located close to the position of the antenna element. The advantage of positioning it close to the antenna element is that only short connecting lines are required between the antenna element and the transceiver. This is necessary in order to avoid falsifying the transit time measurements as much as possible. The transceiver is used to generate a broadband pulse of short duration, which is emitted by the antenna element to the surrounding fixed stations and to receive a response pulse sent out by the surrounding fixed stations by direct return. It is also used to measure the transit time of the emitted pulse until the response pulse arrives from one of the surrounding fixed stations. The pulse is transmitted by the various antenna elements that are mounted at different positions on the vehicle, and the transit time is measured by the transceivers assigned to the individual antenna elements. With this arrangement, the position and/or orientation of the vehicle can be determined very precisely using common methods for calculating intersection points, in particular trilateration or multilateration.

Das Kommunikationsmodul ist mit den Transceivern der an den verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelemente verbunden, und das Kommunikationsmodul ist dafür ausgelegt, die verschiedenen Transceiver nacheinander zum Aussenden des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer aufzufordern oder ihnen jeweilige geplante Zeiten zuzuweisen für die nacheinander erfolgende Aussendung der breitbandigen Impulse. Das ist nötig, damit es nicht zu Interferenzen zwischen den Impulsen kommt. Die Gefahr besteht nämlich, wenn die Impulse von unterschiedlichen Antennen gleichzeitig abgestrahlt werden.The communication module is connected to the transceivers of the antenna elements located at the various positions, and the communication module is designed to request the various transceivers to transmit the short-duration broadband pulse one after the other or to assign them respective scheduled times for the sequential transmission of the broadband pulses. This is necessary to avoid interference between the pulses. This is because the danger arises when the pulses are transmitted by different antennas at the same time.

Dabei ist es dann auch von Vorteil, wenn das Kommunikationsmodul ebenfalls für die Kommunikation in einem Mobilfunknetz ausgelegt ist und eingerichtet ist, eine Ankündigungsnachricht für die Positions- und/oder Orientierungsbestimmungsmessphase an die umliegenden Feststationen zu senden, mit der das Eintreffen eines breitbandigen Impulses angekündigt wird und die Feststationen aufgefordert werden, den eintreffenden Impuls durch sofortige Rücksendung des Antwortimpulses zu beantworten. Nur wenn der Antwortimpuls unmittelbar ausgesendet wird, kann die Laufzeitmessung direkt durch Bilden der Differenz zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung des Messimpulses und dem Zeitpunkt des Eintreffens des Antwortimpulses berechnet werden.It is also advantageous if the communication module is also designed for communication in a mobile network and is set up to send an announcement message for the position and/or orientation determination measurement phase to the surrounding fixed stations, with which the arrival of a broadband pulse is announced and the fixed stations are requested to respond to the incoming pulse by immediately returning the response pulse. Only if the response pulse is sent immediately can the transit time measurement be calculated directly by forming the difference between the time of transmission of the measurement pulse and the time of arrival of the response pulse.

Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn die Feststationen mit der Ankündigungsnachricht aufgefordert werden, im Anschluss an die Aussendung des Antwortimpulses ihre Kennung an die Kommunikationseinheit in einem weiteren Impuls oder einer weiteren Impulsfolge oder in einer Nachricht über einen logischen Kanal des Drahtloskommunikationssystems zu senden.In addition, it is advantageous if the base stations are requested with the announcement message to transmit their identification to the communication unit in a further pulse or a further pulse sequence or in a message via a logical channel of the wireless communication system.

In einer weiteren Ausprägung betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, wobei in dem Fahrzeug eine Vorrichtung gemäß der Erfindung verbaut ist.In a further embodiment, the invention also relates to a vehicle, wherein a device according to the invention is installed in the vehicle.

Schließlich betrifft die Erfindung in einer weiteren Ausprägung auch noch eine Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem mit einer Antennen-Anordnung und mit einer Sende- und Empfangseinheit. Dabei ist die Sende- und Empfangseinheit ausgelegt, eine Ankündigungsnachricht für die Positions- und/oder Orientierungsbestimmungsmessphase eines zu lokalisierenden Fahrzeuges zu empfangen und in Reaktion auf den Empfang der Ankündigungsnachricht in einen Betriebsmodus zu wechseln, in dem auf das Eintreffen des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer gewartet wird und bei Empfang des Impulses den Antwortimpuls unmittelbar zurückzusenden.Finally, in a further embodiment, the invention also relates to a base station for a mobile radio communication system with an antenna arrangement and with a transmitting and receiving unit. The transmitting and receiving unit is designed to receive an announcement message for the position and/or orientation determination measurement phase of a vehicle to be located and, in response to the receipt of the announcement message, to switch to an operating mode in which the arrival of the short-duration broadband pulse is waited for and, upon receipt of the pulse, the response pulse is immediately sent back.

Weiterhin ist es worgeschen, dass die Sende- und Empfangseinheit ausgelegt ist, eine andere Ankündigungsnachricht zu empfangen, mit der die Feststation in einen anderen Betriebsmodus versetzt wird, in dem sie drei Antennenelemente des Antennen-Arrays bestimmt, die für separate Laufzeitmessungen jeweils einen Antwortimpuls bei Eintreffen des breitbandigen Impulses an das Fahrzeug zurücksenden. Die Laufzeitmessungen finden nacheinander statt.Furthermore, it is provided that the transmitting and receiving unit is designed to receive another announcement message, which puts the base station into another operating mode in which it determines three antenna elements of the antenna array, which each send a response pulse back to the vehicle for separate transit time measurements when the broadband pulse arrives. The transit time measurements take place one after the other.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is explained in more detail below with reference to the figures.

Es zeigen:

  • 1 das Prinzip der Fahrzeugkommunikation über Mobilfunk;
  • 2 die Sichtlinienverhältnisse zwischen in Abständen von 50 - 100 m angebrachten Feststationen eines Mobilfunkkommunikationssystems in einem ruralen Bereich;
  • 3 die Sichtlinienverhältnisse zwischen in Abständen von 50 - 100 m angebrachten Feststationen eines Mobilfunkkommunikationssystems in einem urbanen Bereich;
  • 4 die Sichtlinienverhältnisse zwischen in Abständen von 30 - 50 m angebrachten Feststationen eines Mobilfunkkommunikationssystems in einem Parkhaus;
  • 5 ein Beispiel einer Antennenanordnung in Form eines Antennen-Arrays wie sie in einer Feststation eines 5G-Mobilfunksystems eingesetzt werden;
  • 6 ein Beispiel einer Antennenanordnung und der zugehörigen Transceiver bei einem Fahrzeug;
  • 7 ein Blockdiagramm für die Fahrzeugelektronik eines Kraftfahrzeuges;
  • 8 ein erstes Beispiel der Sichtlinienverhältnisse von einem Fahrzeug zu mehreren umliegenden Feststationen in einem Parkhaus; und
  • 9 ein zweites Beispiel der Sichtlinienverhältnisse von einem Fahrzeug zu mehreren umliegenden Feststationen in dem Parkhaus.
They show:
  • 1 the principle of vehicle communication via mobile communications;
  • 2 the line of sight conditions between fixed stations of a mobile radio communication system installed at intervals of 50 - 100 m in a rural area;
  • 3 the line of sight conditions between fixed stations of a mobile radio communication system installed at intervals of 50 - 100 m in an urban area;
  • 4 the line of sight conditions between fixed stations of a mobile radio communication system installed at intervals of 30 - 50 m in a parking garage;
  • 5 an example of an antenna arrangement in the form of an antenna array as used in a base station of a 5G mobile radio system;
  • 6 an example of an antenna arrangement and the associated transceivers in a vehicle;
  • 7 a block diagram for the vehicle electronics of a motor vehicle;
  • 8 a first example of the line of sight conditions from a vehicle to several surrounding fixed stations in a parking garage; and
  • 9 a second example of the line of sight conditions from a vehicle to several surrounding fixed stations in the parking garage.

Die vorliegende Beschreibung veranschaulicht die Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung. Es versteht sich somit, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu konzipieren, die zwar hier nicht explizit beschrieben werden, die aber Prinzipien der erfindungsgemäßen Offenbarung verkörpern und in ihrem Umfang ebenfalls geschützt sein sollen.The present description illustrates the principles of the inventive disclosure. It is therefore to be understood that those skilled in the art will be able to devise various arrangements which, although not explicitly described herein, embody principles of the inventive disclosure and are also intended to be protected within their scope.

1 zeigt das Prinzip der Fahrzeugkommunikation mittels Mobilfunk. Die Fahrzeuge sind mit Bezugszahl 10 versehen. 1 shows the principle of vehicle communication via mobile radio. The vehicles are provided with the reference number 10.

Der Begriff Fahrzeug versteht sich als Sammelbegriff, sei es für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine oder Elektromotor, sei es für Fahrräder mit und ohne Elektromotor oder andere mit Muskelkraft betriebene Fahrzeuge, z.B. Rollstühle, sei es für Fahrzeuge mit einem, zwei, vier oder mehr Rädern, sei es für Motorräder, Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Busse, Landwirtschaftsfahrzeuge oder Baumaschinen. Die Aufzählung ist nicht abschließend und umfasst auch weitere Fahrzeugkategorien. Dazu zählen auch noch Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge oder Schienenfahrzeuge.The term vehicle is a collective term, whether for motor vehicles with internal combustion engines or electric motors, for bicycles with and without electric motors or other vehicles powered by human power, e.g. wheelchairs, for vehicles with one, two, four or more wheels, for motorcycles, passenger cars, trucks, buses, agricultural vehicles or construction machinery. The list is not exhaustive and also includes other vehicle categories. These also include aircraft, watercraft or rail vehicles.

Die Fahrzeuge in 1 sind jeweils mit einer sogenannten On-Board Unit 110 ausgestattet, die als Kommunikationsmodul für ein Mobilfunkkommunikationssystem dient. Diese On-Board Unit 110 entspricht einer Mobilfunknetz-Teilnehmerstation im Sinne der Offenbarung der Erfindung. Beispiele von öffentlichen Mobilfunknetzen sind die bereits erwähnten Mobilfunkkommunikationssysteme LTE und 5G. Bei diesen Mobilfunkkommunikationssystemen werden die typischen Mobilfunknetz-Teilnehmerstationen als UE, entsprechend User Equipment bezeichnet. Im dargestellten Fall handelt es sich bei der On-Board Unit 110 ebenfalls um eine vollwertige Mobilfunknetz-Teilnehmerstation in einem Personenkraftwagen. Alle Nachrichten von den Fahrzeugen (Uplink) und zu den Fahrzeugen (Downlink) werden entweder über eine Mobilfunk-Basisstation 30 geleitet, die eine Mobilfunkzelle bedient, oder im Fall von Fahrzeugdirektkommunikation (Sidelink) unmittelbar zwischen den Fahrzeugen ausgetauscht. Befinden sich die Fahrzeuge 10 innerhalb dieser Mobilfunkzelle, sind sie bei der Basisstation 30 angemeldet bzw. eingebucht. Verlassen sie die Mobilfunkzelle, werden sie an die benachbarte Zelle übergeben (Handover) und dementsprechend an der Basisstation 30 abgemeldet bzw. ausgebucht. Die Basisstation 30 stellt auch einen Zugang zum Internet zur Verfügung, sodass die Fahrzeuge 10 bzw. alle anderen Mobilfunk-Teilnehmer in der Mobilfunkzelle mit Internetdaten versorgt sind. Dazu steht die Basisstation 30 über die sogenannte S1-Schnittstelle mit dem EPC 40 (Evolved Packet Core) in Verbindung. Über das Internet 300 oder ein anderes Weitverkehrsnetz WAN erreichbar sind noch Zentralrechner 50 oder allgemein die Server eines Dienstanbieters.The vehicles in 1 are each equipped with a so-called on-board unit 110, which serves as a communication module for a mobile radio communication system. This on-board unit 110 corresponds to a mobile radio network subscriber station in the sense of the disclosure of the invention. Examples of public mobile radio networks are the already mentioned mobile radio communication systems LTE and 5G. In these mobile radio communication systems, the typical mobile radio network subscriber stations are referred to as UE, corresponding to user equipment. In the case shown, the on-board unit 110 is also a fully-fledged mobile radio network subscriber station in a passenger car. All messages from the vehicles (uplink) and to the vehicles (downlink) are either routed via a mobile radio base station 30, which serves a mobile radio cell, or in the case of direct vehicle communication (sidelink), exchanged directly between the vehicles. If the vehicles 10 are within this mobile radio cell, cell, they are registered or logged in at the base station 30. If they leave the cell, they are transferred to the neighboring cell (handover) and accordingly deregistered or logged out at the base station 30. The base station 30 also provides access to the Internet, so that the vehicles 10 or all other mobile phone subscribers in the cell are supplied with Internet data. For this purpose, the base station 30 is connected to the EPC 40 (Evolved Packet Core) via the so-called S1 interface. Central computers 50 or generally the servers of a service provider can also be reached via the Internet 300 or another wide area network WAN.

Derartige Mobilfunk-Technologien sind standardisiert und es wird diesbezüglich auf die entsprechenden Spezifikationen von Mobilfunkstandards hingewiesen.Such mobile communications technologies are standardized and reference is made to the relevant specifications of mobile communications standards.

LTE steht vor allem für hohe Übertragungsraten und kurze Reaktionszeiten. Zur Zeit wird massiv an dem neueren 5G-Mobilfunk-Standard gearbeitet. Dieser soll noch wesentlich flexibler für die verschiedenen Anwendungszwecke einsetzbar sein. Einige Stichworte für die neueren Einsatzzwecke sind Internet of Things loT, Industrie 4.0, Fahrzeug-zu-Fahrzeug- Kommunikation für autonomes oder kooperatives Fahren. Für all diese Anwendungsfälle soll das 5G-Mobilfunksystem die Datenanbindung liefern. Das geht nur, wenn ein massiver Netzausbau erfolgt. Dabei wird insbesondere auch die Kommunikation innerhalb von Gebäuden verbessert.LTE stands primarily for high transmission rates and short response times. At the moment, a lot of work is being done on the newer 5G mobile communications standard. This should be much more flexible for different applications. Some keywords for the newer applications are Internet of Things (loT), Industry 4.0, vehicle-to-vehicle communication for autonomous or cooperative driving. The 5G mobile communications system should provide the data connection for all of these applications. This is only possible if there is a massive network expansion. This will also improve communication within buildings in particular.

Wie bei LTE wird auch die Übertragungsgeschwindigkeit von 5G im Wesentlichen vom Frequenzbereich, der Kanalbreite, dem Abstand zur Basisstation 30 und der Teilnehmeranzahl innerhalb der Mobilfunkzelle abhängig. Je mehr Nutzer die Bandbreite gleichzeitig nutzen, desto geringer fällt die Übertragungsrate pro Teilnehmer aus. Es kann aber eine Priorisierung für Bezahldienste erfolgen und es wird stärker mit Quality of Service QoS gearbeitet bei der Bandbreite für bestimmte Anwendungen reserviert werden kann. Auch für das Mobilfunksystem 5G wird auf die verschiedenen Spezifikationen für die genauen Einzelheiten zu dem 5G-Standard hingewiesen. Diese sind abrufbar unter der Internet Domäne www.3gpp.org.As with LTE, the transmission speed of 5G depends essentially on the frequency range, the channel width, the distance to the base station 30 and the number of participants within the cell. The more users use the bandwidth at the same time, the lower the transmission rate per participant. However, prioritization can be made for paid services and more work is being done with Quality of Service (QoS), which can reserve bandwidth for specific applications. For the 5G mobile communications system, too, reference is made to the various specifications for the exact details of the 5G standard. These can be accessed at the Internet domain www.3gpp.org.

Für den Downlink wird wie bei LTE und 5G die OFDMA-Technik (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) verwendet. Dort wird die bekannte Vielträgerübertragungstechnik OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) verwendet, bei der Datensymbole auf die einzelnen Träger mittels QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) oder QAM (Quadrature Amplitude Modulation) moduliert werden. Bei OFDMA wird das zur Verfügung stehende Frequenzband in viele schmale Bänder (Kanäle) aufgeteilt. Die Bandbreite wird flexibel genutzt, um das Äußerste an Übertragungsleistung aus den Frequenzen herauszuholen.As with LTE and 5G, OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) technology is used for the downlink. This uses the well-known multi-carrier transmission technology OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), in which data symbols are modulated onto the individual carriers using QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) or QAM (Quadrature Amplitude Modulation). With OFDMA, the available frequency band is divided into many narrow bands (channels). The bandwidth is used flexibly to get the maximum transmission power out of the frequencies.

Spezielle Algorithmen wählen die geeigneten Kanäle aus und berücksichtigen dabei die Einflüsse aus der Umgebung. Dabei werden vorzugsweise nur die Träger zur Übertragung genutzt, die für den Nutzer an seinem jeweiligen Ort am günstigsten sind.Special algorithms select the appropriate channels, taking environmental influences into account. Preferably, only the carriers that are most suitable for the user at his or her location are used for transmission.

Für den Uplink wird die SC-FDMA Technik verwendet (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Das ist ein Einträgerzugriffsverfahren was ansonsten OFDMA sehr ähnlich ist SC-FDMA weist geringere Leistungsschwankungen auf und macht einfachere Leistungsverstärker möglich. Das schont vor allem den Akku mobiler Geräte. SC-FDMA technology (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) is used for the uplink. This is a single carrier access method that is otherwise very similar to OFDMA. SC-FDMA has lower power fluctuations and enables simpler power amplifiers. This saves battery life, especially in mobile devices.

Für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation werden ebenfalls Ressourcen der Uplink-Kommunikation benutzt.Uplink communication resources are also used for vehicle-to-vehicle communication.

Ein neues Frequenzband wird bei 5G im 26 GHz-Bereich zur Verfügung gestellt. Auf Grund der ausgeprägten Dämpfung von Funkwellen im 26 GHz-Frequenzband durch die Atmosphäre, ist es erforderlich, die entsprechenden 5G-Antennen mit einem Abstand < 50-100m zu implementieren. Nur so kann im ruralen Bereich mit weitest gehendem direktem Sichtkontakt zu den 5G-Antennen eine genügend kleine Dämpfung der Telekommunikations-Signale bei der Übertragung zwischen 5G-Endgerät und 5G-Antennen sichergestellt werden. Die 2 zeigt den Abstand zwischen den 5G Feststationen im ruralen Bereich und die 3 den Abstand zwischen 5G-Feststationen im urbanen Bereich.A new frequency band is made available for 5G in the 26 GHz range. Due to the pronounced attenuation of radio waves in the 26 GHz frequency band by the atmosphere, it is necessary to implement the corresponding 5G antennas at a distance of < 50-100m. This is the only way to ensure that the telecommunications signals are sufficiently attenuated during transmission between the 5G terminal and the 5G antennas in rural areas with the greatest possible direct line of sight to the 5G antennas. 2 shows the distance between the 5G base stations in rural areas and the 3 the distance between 5G fixed stations in urban areas.

Im urbanen Bereich kommt noch hinzu, dass nur bei einem Abstand der 5G-Antennen < 50-100 m von den meisten Punkten aus direkter Sichtkontakt zwischen 5G-Antennen und - Telekommunikations-Endgerät besteht.In urban areas, there is also the fact that direct line of sight between 5G antennas and telecommunications terminal devices only exists if the distance between 5G antennas is < 50-100 m from most points.

Innerhalb von Gebäuden hingegen ist für die Realisierung eines direkten Sichtkontakts zwischen 5G-Antennen und Teilnehmer-Endgeräten UE eine noch höhere Dichte der 5G-Antennen und damit ein Abstand von 30 - 50 m erforderlich, s. 4.Inside buildings, however, an even higher density of 5G antennas and thus a distance of 30 - 50 m is required to achieve direct line of sight between 5G antennas and subscriber terminals UE, see. 4 .

Dieser für die Telekommunikation ohnehin vorhandene geringe Abstand der 5G-Antennen für den 26 GHz-Bereich, kann für eine hochgenaue Eigenlokalisierung der Teilnehmerstationen genutzt werden. Von besonderem Vorteil ist dabei auch, dass es sich bei den 5G-Antennen für die Telekommunikation in Wirklichkeit um Antennen-Arrays mit einer Vielzahl von Elementen handelt. Ein solches Antennen-Array 310 ist in der 5 dargestellt. Bei einer Element-Abmessung von z.B. 2cm × 2cm ergibt sich für ein Antennen-Array 310 entsprechend 5 eine Grundfläche von 12cm × 12cm. Der Grund für den Einsatz solcher Antennen-Arrays bei 5G besteht darin, dass in 5G auch der Einsatz der Beamsteering-Technik unterstützt werden soll.This small distance between the 5G antennas for the 26 GHz range, which already exists for telecommunications, can be used for highly precise self-localization of the subscriber stations. Another particular advantage is that the 5G antennas for telecommunications are actually antenna arrays with a large number of elements. Such an antenna array 310 is in the 5 For an element dimension of e.g. 2cm × 2cm For an antenna array 310, the result is 5 a base area of 12cm × 12cm. The reason for using such antenna arrays in 5G is that 5G should also support the use of beam steering technology.

Antennen-Arrays mit derartigen Abmessungen können problemlos im ruralen Bereich z. B. entlang von Straßen, Schienen- und Wasserwegen angebracht werden, aber auch in urbanen Gebieten sowie innerhalb von Gebäuden und Parkhäusern entsprechend der 2, 3 und 4 installiert werden. Im Fahrzeug 10 oder allgemeiner an mobilen Fahrzeugen ist es schwieriger solche Antennen-Arrays einzusetzen. Dafür stehen aber schon sogenannte 5G-Single-Element-Antennen zur Verfügung, wie sie z.B. vom Konsortium der Firmen NTT DOCOMO, AGC und Ericsson mit den Abmessungen 1cm × 1,5cm angeboten werden. Ein solches Element ist in der 5 auch dargestellt.Antenna arrays with such dimensions can be easily installed in rural areas, e.g. along roads, railways and waterways, but also in urban areas and inside buildings and parking garages according to the 2 , 3 and 4 It is more difficult to use such antenna arrays in vehicles 10 or more generally in mobile vehicles. However, so-called 5G single-element antennas are already available, such as those offered by the consortium of NTT DOCOMO, AGC and Ericsson with dimensions of 1cm × 1.5cm. Such an element is available in the 5 also shown.

Gemäß eines Aspektes der Erfindung werden solche Antennen-Einzelelemente an mehreren Stellen im Fahrzeug 10 installiert um eine hochgenaue Eigenlokalisierung zu ermöglichen. Diese ist erforderlich für autonom fahrende Fahrzeuge, assistiert fahrende Fahrzeuge oder kooperativ fahrende Fahrzeuge. Auch für die Navigation innerhalb von Gebäuden, wie Parkhäusern ist die hochgenaue Eigenlokalisierung erforderlich.According to one aspect of the invention, such individual antenna elements are installed at several locations in the vehicle 10 in order to enable highly precise self-localization. This is required for autonomously driving vehicles, assisted driving vehicles or cooperatively driving vehicles. Highly precise self-localization is also required for navigation within buildings, such as parking garages.

Dafür werden die Fahrzeuge 10 jeweils an Front-, Heck- und Seitenscheiben des Fahrzeugs jeweils mit mindestens einer 5G-Einzel-Element-Antenne 176 ausgestattet. Jede Einzel-Element-Antenne ist mit einer Sende- und Empfangseinheit 170 in Antennennähe verbunden. Die Sende- und Empfangseinheit wird im Folgenden als Transceiver bezeichnet. Die verschiedenen Transceiver sind untereinander vernetzt. Zusätzlich sind sie mit der On-Board Unit 110 vernetzt. Die Komponenten sowie deren Vernetzung sind in der 6 dargestellt. Dabei ist der Verbau der Transceiver 170 in Antennennähe erforderlich, um den zeitlich auf <1ns begrenzten Messimpuls mit der geforderten extremen Flankensteilheit abstrahlen zu können. Die 6 zeigt dabei die besondere Form der Vernetzung in Form eines linearen Kommunikationsbusses. Als Beispiel kann eine Variante des CAN-Busses, entsprechend Controller Area Network eingesetzt werden. Der CAN-Bus erfüllt die Anforderungen hinsichtlich Datenrate und kurzer Latenzzeit durch Einsatz des Buszugriffsverfahren CSMA-CA, entsprechend Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance.For this purpose, the vehicles 10 are each equipped with at least one 5G single-element antenna 176 on the front, rear and side windows of the vehicle. Each single-element antenna is connected to a transmitting and receiving unit 170 in the vicinity of the antenna. The transmitting and receiving unit is referred to below as a transceiver. The various transceivers are networked with each other. In addition, they are networked with the on-board unit 110. The components and their networking are shown in the 6 The installation of the transceiver 170 near the antenna is necessary in order to be able to emit the measuring pulse, which is limited to <1ns, with the required extreme edge steepness. 6 shows the special form of networking in the form of a linear communication bus. As an example, a variant of the CAN bus, corresponding to Controller Area Network, can be used. The CAN bus meets the requirements in terms of data rate and short latency by using the bus access method CSMA-CA, corresponding to Carrier Sense Multiple Access - Collision Avoidance.

Die Einbettung der Antennenanordnung in das Gesamtsystem der Bordelektronik ist in dem Blockdiagramm der 7 dargestellt.The embedding of the antenna arrangement in the overall system of the on-board electronics is shown in the block diagram of the 7 shown.

7 zeigt einen typischen Aufbau einer Bord-Elektronik 100 eines modernen Kraftfahrzeuges 10, bei dem auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hochgenauen Eigenlokalisierung vorhanden ist. Mit der Bezugszahl 151 ist ein Motorsteuergerät bezeichnet. Die Bezugszahl 152 entspricht einem ESP-Steuergerät und die Bezugszahl 153 bezeichnet ein Getriebesteuergerät. Weitere Steuergeräte wie Airbag-Steuergerät, usw. können im Kraftfahrzeug vorhanden sein. Die Vernetzung solcher Steuergeräte geschieht typischerweise mit dem CAN-Bussystem (Controller Area Network) 104 welches als ISO Norm standardisiert ist, ISO 11898. Da verschiedene Sensoren im Kraftfahrzeug installiert werden und diese nicht mehr nur an einzelne Steuergeräte angeschlossen werden, werden solche Sensordaten ebenfalls über das Bussystem 104 zu den einzelnen Steuergeräten übertragen. Beispiele von Sensoren im Kraftfahrzeug sind Raddrehzahlsensoren, Lenkwinkelsensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Reifendrucksensoren, Abstandssensoren usw. Die verschiedenen Sensoren mit dem das Fahrzeug ausgestattet ist, sind in der 7 mit der Bezugszahl 161, 162, 163 bezeichnet. 7 shows a typical structure of on-board electronics 100 of a modern motor vehicle 10, in which a device according to the invention for highly precise self-localization is also present. The reference number 151 designates an engine control unit. The reference number 152 corresponds to an ESP control unit and the reference number 153 designates a transmission control unit. Other control units such as airbag control units, etc. can be present in the motor vehicle. The networking of such control units typically takes place with the CAN bus system (Controller Area Network) 104, which is standardized as an ISO standard, ISO 11898. Since various sensors are installed in the motor vehicle and are no longer only connected to individual control units, such sensor data is also transmitted to the individual control units via the bus system 104. Examples of sensors in the motor vehicle are wheel speed sensors, steering angle sensors, acceleration sensors, yaw rate sensors, tire pressure sensors, distance sensors, etc. The various sensors with which the vehicle is equipped are listed in the 7 designated by the reference numbers 161, 162, 163.

Das moderne Kraftfahrzeug kann aber noch weitere Komponenten aufweisen wie Videokameras, z.B. als Rückfahrkamera oder als Fahrerüberwachungskamera oder auch als Frontkamera um das Verkehrsgeschehen zu beobachten.However, the modern motor vehicle can also have other components such as video cameras, e.g. as a rear view camera or as a driver monitoring camera or even as a front camera to observe traffic.

Seit einigen Jahren werden Fahrerassistenzsysteme angeboten, welche mit Radar-, Lidar- oder Videosensorik die Fahrumgebung erfassen, sich durch Interpretation dieser Sensordaten eine interne Repräsentation der Fahrsituation bilden und aufbauend auf diesem Wissen zunehmend anspruchsvolle Funktionen durch Information und Warnung des Fahrers bis hin zu gezielten Eingriffen in die Fahrzeugführung ausführen. So kann beispielsweise die Längsführung auf gut strukturierten Straßen, wie Autobahnen, durch ein mit Lidarsensorik und/oder Radarsensorik ausgestattetes ACC System (Adaptive Cruise Control) zu einem hohen Zeitanteil automatisch ausgeführt werden. Damit und mit weiteren Vorkehrungen können sogar vollautomatisch fahrende Fahrzeuge realisiert werden.For several years now, driver assistance systems have been available that use radar, lidar or video sensors to record the driving environment, create an internal representation of the driving situation by interpreting this sensor data and, based on this knowledge, carry out increasingly sophisticated functions by informing and warning the driver and even making targeted interventions in the vehicle's control. For example, longitudinal control on well-structured roads such as motorways can be carried out automatically for a large proportion of the time by an ACC system (Adaptive Cruise Control) equipped with lidar and/or radar sensors. With this and other precautions, even fully automated vehicles can be realized.

Im Kraftfahrzeug befinden sich dann auch noch weitere elektronische Vorrichtungen. Diese sind mehr im Bereich der Fahrgastzelle angeordnet und werden oft auch von dem Fahrer bedient. Beispiele sind eine Benutzerschnittstellenvorrichtung (nicht dargestellt) mit dem der Fahrer Fahrmodi anwählen kann, aber auch klassische Komponenten bedienen kann. Darunter fallen Gangwahl sowie auch Blinker-Steuerung, Scheibenwischersteuerung, Lichtsteuerung, usw.There are also other electronic devices in the vehicle. These are located more in the passenger compartment and are often operated by the driver. Examples include a user interface device (not shown) with which the driver can select driving modes, but also operate classic components. These include gear selection as well as indicator control, windshield wiper control, light control, etc.

Davon unterschieden wird oft ein Navigationssystem 120, welches ebenfalls im Bereich des Cockpits verbaut wird. Die Route, welche auf einer Karte angezeigt wird, kann auf einem Display im Cockpit dargestellt werden. Die Bezugszahl 110 bezeichnet noch eine On-Board Unit. Diese On-Bord Unit 110 entspricht einem Kommunikationsmodul über das das Fahrzeug 10 mobile Daten empfangen und senden kann. Wie beschrieben kann es sich hier um ein Mobilfunk-Kommunikationsmodul, z. B. nach dem 5G-Standard handeln.This is often distinguished from a navigation system 120, which is also installed in the cockpit area. The route, which is shown on a map, can be shown on a display in the cockpit. The reference number 110 also designates an on-board unit. This on-board unit 110 corresponds to a communication module via which the vehicle 10 can receive and send mobile data. As described, this can be a mobile communications module, e.g. according to the 5G standard.

Die Geräte des Fahrgastraumes sind ebenfalls untereinander vernetzt über ein Bussystem, das mit der Bezugszahl 102 bezeichnet wird. Es kann sich z. B. um das Highspeed CAN-Bussystem nach ISO 11898-2 Standard handeln, hier allerdings in der Variante für Datenübertragung mit höherer Datenrate zwischen Infotainment-Geräten. Alternativ wird auch Ethernet für die Vernetzung von Komponenten im Fahrzeug eingesetzt. Zu dem Zweck, das fahrzeugrelevante Sensordaten über das Kommunikationsmodul 110 zu einem anderen Fahrzeug oder zu einem anderen Zentralrechner übertragen werden sollen, ist das Gateway 140 vorgesehen. Dieses ist mit den verschiedenen Bussystemen 102, 104 verbunden. Das Gateway 140 ist dazu ausgelegt die Daten, die es über den CAN-Bus 104 empfängt, so umzusetzen, dass sie in das Übertragungsformat des Highspeed-CAN-Busses 102 umgesetzt werden, so dass sie in den dort spezifizierten Datenpaketen verteilt werden können. Für die Weiterleitung dieser Daten nach extern, ist das Kommunikationsmodul 110 mit dazu ausgerüstet, diese Datenpakete zu empfangen und wiederum in das Übertragungsformat des entsprechend eingesetzten Kommunikationsstandards umzusetzen. Für die Realisierung der hochgenauen Eigenlokalisierung sind in der Bordelektronik an den in 6 gezeigten Stellen die Transceiver 170 vorgesehen woran wiederum die Antennenelemente 176 mit kurzer Antennenleitung angeschlossen sind. Es sind im gezeigten Beispiel vier 5G-Antennenelemente 176 mit den zugehörigen Transceivern 170 vorgesehen. Die Transceiver 170 sind an den High-Speed CAN-Bus 102 angeschlossen.The devices in the passenger compartment are also networked with each other via a bus system, which is designated with the reference number 102. This can be, for example, the high-speed CAN bus system according to the ISO 11898-2 standard, but here in the variant for data transmission with a higher data rate between infotainment devices. Alternatively, Ethernet is also used for networking components in the vehicle. The gateway 140 is provided for the purpose of transmitting vehicle-relevant sensor data via the communication module 110 to another vehicle or to another central computer. This is connected to the various bus systems 102, 104. The gateway 140 is designed to convert the data it receives via the CAN bus 104 in such a way that it is converted into the transmission format of the high-speed CAN bus 102 so that it can be distributed in the data packets specified there. In order to forward this data externally, the communication module 110 is equipped to receive these data packets and convert them into the transmission format of the communication standard used. To implement the highly precise self-localization, the on-board electronics are equipped with 6 The transceivers 170 are provided at the locations shown, to which the antenna elements 176 are connected with a short antenna cable. In the example shown, four 5G antenna elements 176 with the associated transceivers 170 are provided. The transceivers 170 are connected to the high-speed CAN bus 102.

Während der Fahrt können die einzelnen Transceiver 170 über den CAN-Bus 102 Nachrichten mit dem Navigationssystem 120 und der On-Bord Unit 110 austauschen. Der Anwendungsfall, der als eines von vielen Ausführungsbeispielen hier betrachtet wird, entspricht der Realisierung eines hochgenauen Navigationssystems 120, das auch für die Navigation innerhalb von Gebäuden eingesetzt werden kann. In den Parkhäusern besteht oft das Problem, dass diese überfüllt sind und es für die Fahrer schwierig wird eine freien Parkplatz zu finden. Parkhäuser sind oft sehr verwinkelt und über mehrere Ebenen verteilt. Das kann dazu führen, dass einfahrende Fahrzeuge auf der Suche nach einem freien Parkplatz lange Strecken zurücklegen für die Parkplatzsuche. Dies ist eine Vergeudung von Ressourcen, führt zu mehr Abgasen in der Stadt und führt auch zum Unmut des Parkplatzsuchenden. Hier soll ein intelligentes Navigationssystem Abhilfe schaffen. Dieses kann die Information über die Orte freier Parkplätze im Parkhaus über die Internetanbindung von dem Server 50 des Parkhauses erhalten. Es kann auch die detaillierte Karte für die Routenführung im Parkhaus von dem Server 50 laden. Das Navigationssystem 120 kann dann das Fahrzeug 10 zum freien Parkplatz führen. Dafür ist aber die hochgenaue Eigenlokalisierung erforderlich.During the journey, the individual transceivers 170 can exchange messages with the navigation system 120 and the on-board unit 110 via the CAN bus 102. The application, which is considered here as one of many embodiments, corresponds to the implementation of a highly accurate navigation system 120 that can also be used for navigation within buildings. The problem in parking garages is that they are often overcrowded and it is difficult for drivers to find a free parking space. Parking garages are often very winding and spread over several levels. This can lead to vehicles driving in to cover long distances in search of a free parking space. This is a waste of resources, leads to more exhaust fumes in the city and also leads to dissatisfaction among those looking for a parking space. An intelligent navigation system is intended to remedy this. This can receive information about the locations of free parking spaces in the parking garage via the Internet connection from the parking garage server 50. It can also load the detailed map for route guidance in the parking garage from the server 50. The navigation system 120 can then guide the vehicle 10 to the free parking space. However, this requires highly precise self-localization.

Der Prozess der hochgenauen Eigenlokalisierung wird jetzt mit Hilfe der 8 und 9 erläutert. Dafür werden die Transceiver 170 von einer in der On-Bord Unit 110 integrierten Koordinierungseinheit 172 über den CAN-Bus 102 nacheinander zum Aussenden des zeitlich begrenzten Messimpulses mit ausgeprägter Flankensteilheit aufgefordert. Dieser Messimpuls wird mit der für den Nahbereichsfunk entwickelten Ultra-Wide Band Funktechnologie in dem jeweiligen Transceiver 170 generiert. Zur Zeit hat die Bundesnetzagentur einige Frequenzbereiche in dem hier interessierenden SHF-Bereich freigegeben. Das sind Bereiche zwischen 3,1 und 10,6 GHz. Interessant wäre auch der für 5G-Kommunikation neu zugelassene 26 GHz Bereich, der voraussichtlich zukünftig ebenfalls für UWB-Kommunikation freigegeben wird. Die Sendeleistung ist mit 0,5 mW / -41,3 dBm/MHz sehr gering. Da sich diese Sendeleistung auf eine Bandbreite von 500 MHz verteilt, kommt es praktisch nicht zu Störungen anderer Funksysteme. Die Reichweite beträgt bei diesen Eckdaten 10 - 50 m. Bei einem Abstand von 30 - 50 m zwischen den im Parkhaus verteilten 5G-Feststationen wäre es nötig die UWB-Kommunikation für 50 m Reichweite auszulegen, was durch Anpassung der Sendeleistung möglich ist.The process of highly accurate self-localization is now being carried out using 8 and 9 explained. For this purpose, the transceivers 170 are requested one after the other to send out the time-limited measuring pulse with a pronounced edge steepness via the CAN bus 102 by a coordination unit 172 integrated in the on-board unit 110. This measuring pulse is generated in the respective transceiver 170 using the ultra-wide band radio technology developed for short-range radio. The Federal Network Agency has currently approved some frequency ranges in the SHF range of interest here. These are ranges between 3.1 and 10.6 GHz. The 26 GHz range newly approved for 5G communication would also be interesting, and is expected to be approved for UWB communication in the future. The transmission power is very low at 0.5 mW / -41.3 dBm/MHz. Since this transmission power is distributed over a bandwidth of 500 MHz, there is practically no interference with other radio systems. The range with these key data is 10 - 50 m. With a distance of 30 - 50 m between the 5G fixed stations distributed in the parking garage, it would be necessary to design the UWB communication for a range of 50 m, which is possible by adjusting the transmission power.

Bevor die Aussendung der UWB-Messimpulse erfolgen kann, wird zunächst eine definierte, Ankündigungsnachricht über die 5G-Kommunikation an die Steuereinheiten der 5G-Feststationen mit Sichtkontakt zu den fahrzeugseitigen Antennenelementen 176 ausgesendet, mit der die jeweilige Feststation in einen Sonder-Betriebsmodus geschaltet wird, in dem sie auf das Eintreffen von UWB-Messimpulsen von einer Anzahl möglichst weit auseinanderliegender Antennenelemente wartet, um diese dann unmittelbar zu dem jeweiligen Antennenelement zurückzusenden. Im Anschluss daran wird dann zusätzlich noch die Kennung der jeweiligen Feststation über eine direkt im Anschluss gesendete UWB-Impulsfolge an das Fahrzeug gesendet, von dem Antennenelement 176 im Fahrzeug 10 aufgenommen, bei dem die Ausstrahlung des Messimpulses erfolgte, von dem zugehörigen Transceiver 170 ausgewertet und an die On-Bord Unit 110 zusammen mit dem Messwert für die gemessene Laufzeit weitergeleitet. Die einzelnen Bits der Kennung können mit der Impulsfolge im einfachsten Fall durch Senden eines Impulses oder Auslassen eines Impulses als Codierung für die Bitzustände übertragen werden. Alternativ besteht die Möglichkeit die Kennung im Anschluss zu der UWB-Messung über einen logischen Kanal des Mobilfunksystems zu übertragen. Hier bietet das Mobilfunksystem 5G wie auch LTE verschiedene logische Kanäle an. Als Beispiel wird der logische Kanal PHICH (Physical Hybrid Indicator Channel) des 5G-Mobilfunksystems genannt, auf dem Bestätigungen, die zuvor an die Basisstation gesendet wurden übertragen werden.Before the UWB measurement pulses can be transmitted, a defined announcement message is first sent via 5G communication to the control units of the 5G fixed stations with visual contact to the vehicle-side antenna elements 176, with which the respective fixed station is switched to a special operating mode in which it waits for the arrival of UWB measurement pulses from a number of antenna elements that are as far apart as possible in order to then send them back immediately to the respective antenna element. Following this, the identifier of the respective fixed station is then additionally sent to the vehicle via a UWB pulse sequence sent directly afterwards, picked up by the antenna element 176 in the vehicle 10 at which the measurement pulse was transmitted, from the associated transceiver 170 evaluated and forwarded to the on-board unit 110 together with the measured value for the measured runtime. In the simplest case, the individual bits of the identifier can be transmitted with the pulse sequence by sending a pulse or skipping a pulse as coding for the bit states. Alternatively, it is possible to transmit the identifier following the UWB measurement via a logical channel of the mobile radio system. Here, the 5G mobile radio system, like LTE, offers various logical channels. One example is the logical channel PHICH (Physical Hybrid Indicator Channel) of the 5G mobile radio system, on which confirmations that were previously sent to the base station are transmitted.

Der Transceiver 170 funktioniert dabei so, dass nachdem der Transceiver 170 über die angeschlossene fahrzeugseitige Antenne 176 den Messimpuls ausgesendet hat, der Transceiver 170 über einen vorgegebenen, begrenzten Zeitraum überprüft, inwieweit unmittelbar zurückgesendete Impulse eintreffen. Wenn ja, bestimmt es die Impuls-Laufzeit. Nach der Zuordnung zu den bei der Ausstrahlung des Antwortimpulses mitgesendeten Kennungen des ortsfesten Antennen-Arrays der Feststation 31 - 35 und der jeweiligen Verarbeitungszeit für das Senden des Antwortimpulses nach Empfang des Eingangsimpulses wird von der Differenz zwischen den Zeiten zur Aussendung des Messimpulses und dem Empfang des Antwortimpulses zunächst die Verarbeitungszeit subtrahiert und das Ergebnis durch zwei geteilt um die Laufzeit für die einfache Entfernung zu bestimmen. Danach erfolgt die Weiterleitung der Laufzeit-Messwerte und der zugehörigen Feststations-Kennungen an die On-Bord Unit 110 über den CAN-Bus 102. Im Fall eines fehlenden Sichtkontakts zwischen fahrzeugseitiger Antenne 176 und des Antennen-Arrays 310 einer Feststation 31 - 35, wird der On-Bord Unit 110 alternativ mitgeteilt, dass innerhalb des vorgegebenen, begrenzten Zeitraums keine Antwortimpulse eingetroffen sind. Der Fall eines innerhalb eines begrenzten Zeitraums nicht eingetroffenen Antwortimpulses tritt auf, wenn die fahrzeugseitige Antenne 176 außerhalb des Empfangsbereichs des Antennen-Arrays der Feststation 31 - 35 liegt und/oder das Antennen-Array 310 der Feststation 31 - 35 außerhalb des Empfangsbereichs der fahrzeugseitigen Antennenelementes 176 liegt.The transceiver 170 functions in such a way that after the transceiver 170 has sent out the measuring pulse via the connected vehicle-side antenna 176, the transceiver 170 checks over a predetermined, limited period of time to see whether immediately returned pulses are arriving. If so, it determines the pulse runtime. After the assignment to the identifiers of the fixed antenna array of the base station 31 - 35 that are sent along with the transmission of the response pulse and the respective processing time for sending the response pulse after receiving the input pulse, the processing time is first subtracted from the difference between the times for sending the measuring pulse and receiving the response pulse and the result is divided by two to determine the runtime for the simple distance. The transit time measurement values and the associated fixed station identifiers are then forwarded to the on-board unit 110 via the CAN bus 102. If there is no visual contact between the vehicle-side antenna 176 and the antenna array 310 of a fixed station 31 - 35, the on-board unit 110 is alternatively informed that no response pulses have arrived within the specified, limited period of time. The case of a response pulse not arriving within a limited period of time occurs when the vehicle-side antenna 176 is outside the reception range of the antenna array of the fixed station 31 - 35 and/or the antenna array 310 of the fixed station 31 - 35 is outside the reception range of the vehicle-side antenna element 176.

Nach Eintreffen der Informationen aller fahrzeugseitigen Antennen-Ansteuereinheiten 170 schätzt die fahrzeugseitige On-Bord Unit 110 aus den übermittelten Pulslaufzeiten zunächst die Entfernung zwischen den fahrzeugseitigen Antennen-Elementen 176 und den Antennen-Arrays 310 der Feststationen im Empfangsbereich bevor unter Berücksichtigung der bekannten Standorte der Antennen-Arrays 310 im Rahmen einer Plausibilisierung identifiziert wird, welche Entfernungswerte aus Mehrfachreflektionen resultieren. Nach Eliminierung dieser aus Mehrfachreflektionen resultierenden Entfernungswerte erfolgt im Anschluss daran auf Basis der übrig bleibenden Entfernungswerte aus Messungen über direkten Sichtkontakt die Berechnung der fahrzeugseitigen Antennenpositionen mittels Trilateration bzw. Multilateration. Anschließend wird aus den errechneten Antennenpositionen am Fahrzeug 10 die Fahrzeugposition und/oder -orientierung berechnet.After the information from all vehicle-side antenna control units 170 has arrived, the vehicle-side on-board unit 110 first estimates the distance between the vehicle-side antenna elements 176 and the antenna arrays 310 of the fixed stations in the reception area from the transmitted pulse transit times before identifying, taking into account the known locations of the antenna arrays 310, as part of a plausibility check, which distance values result from multiple reflections. After eliminating these distance values resulting from multiple reflections, the vehicle-side antenna positions are then calculated using trilateration or multilateration on the basis of the remaining distance values from measurements via direct visual contact. The vehicle position and/or orientation is then calculated from the calculated antenna positions on the vehicle 10.

Die 8 zeigt eine Ebene eines Parkhauses mit vielen Parkplätzen. Ausgefüllt sind einige gesperrte Flächen dargestellt, die durch Mauern, Säulen oder andere bauliche Gegebenheiten belegt sind. Auf der Parkebene verteilt sind einige 5G-Feststationen 31 - 35 mit ihren 5G-Antennen-Arrays. Durch die baulichen Gegebenheiten aber auch durch andere parkende Fahrzeuge können sich Abschattungen ergeben, so dass die UWB-Messsignale, die von den Antennenelementen 176 am Fahrzeug 10 abgestrahlt werden, keine direkte Sichtverbindung zu den Antennen-Arrays der Feststationen 31 - 35 haben. Dies ist durch gestrichelte Linien in 8 angedeutet. So haben bei einem entsprechend 8 positionierten Fahrzeug 10 das fahrzeugseitige Frontscheiben- und das rechtseitige Seitenscheibenantennenelement 176 Sichtkontakt zu dem Antennen-Array 310 der Feststation 31, hingegen hat das linksseitige Seitenscheibenantennenelement 176 keine Sichtverbindung zu dem Antennen-Array 310 der Feststationen 31. Auch besteht für alle Fahrzeug-Antennenelemente 176 keine direkte Sichtverbindung zu den 5G-Feststationen 32, 33, 34. Auch zu der Feststation 35 besteht keine Sichtverbindung. das wäre aber selbst dann der Fall, wenn keine gesperrte Fläche im Weg wäre, denn die Feststation 35 ist nicht mehr in Reichweite des abgestrahlten Impulses. Nur die Antennenelemente 176 an Frontscheibe und linker und rechter Seitenscheibe werden daher Pulslaufzeiten melden, während das Heckscheibenantennenelement keine zurückreflektierten Antwortimpulse empfangen kann.The 8 shows a level of a parking garage with many parking spaces. Some blocked areas are shown filled in, which are occupied by walls, pillars or other structural features. Some 5G fixed stations 31 - 35 with their 5G antenna arrays are distributed on the parking level. The structural features but also other parked vehicles can cause shadows, so that the UWB measurement signals emitted by the antenna elements 176 on the vehicle 10 do not have a direct line of sight to the antenna arrays of the fixed stations 31 - 35. This is shown by dashed lines in 8 Thus, with a corresponding 8 positioned vehicle 10, the vehicle-side windshield and the right-hand side window antenna element 176 have visual contact with the antenna array 310 of the fixed station 31, whereas the left-hand side window antenna element 176 has no visual connection to the antenna array 310 of the fixed stations 31. There is also no direct visual connection to the 5G fixed stations 32, 33, 34 for all vehicle antenna elements 176. There is also no visual connection to the fixed station 35. But that would be the case even if there were no blocked area in the way, because the fixed station 35 is no longer within range of the emitted pulse. Only the antenna elements 176 on the windshield and left and right side windows will therefore report pulse transit times, while the rear window antenna element cannot receive any reflected response pulses.

Das Antennenelement an der linken Seitenscheibe wird u. U. eine Pulslaufzeit melden, da sie zwar keine direkten, wohl aber einen indirekten Sichtkontakt hat. Das ist in der 8 durch die gestrichelte Linie angedeutet, die zunächst vom Fahrzeug 10 zur benachbarten gesperrten Fläche führt und von dort in Richtung des Antennen-Arrays der Feststation 31. Schon aus der 8 ist ersichtlich, dass die von dem Antennenelement 176 an linker Seitenscheibe gemeldete Laufzeitmessung einen zu hohen Wert liefern wird, weil der Signalpfad deutlich länger als bei den beiden anderen Antennenelementen 176 ist. Deshalb findet in der Koordinierungseinheit 172 der On-Bord Unit 110 eine Plausibilitätsprüfung statt. Die Plausibilitätsprüfung kann in einer Variante in Form eines Vergleichs der von linker und rechter Seitenscheibenantenne gemeldeten Pulslaufzeiten durchgeführt werden. Es wird dabei gegen einen Toleranzwert verglichen. Wenn ein Messwert um mehr als den festgelegten Toleranzwert von dem Messwert des Antennenelementes 176 der anderen Seitenscheibe abweicht, wird die Messung als fehlerbehaftet identifiziert und verworfen.The antenna element on the left side window may report a pulse runtime, as it has no direct, but indirect visual contact. This is in the 8 indicated by the dashed line, which first leads from the vehicle 10 to the adjacent closed area and from there in the direction of the antenna array of the fixed station 31. 8 It is clear that the transit time measurement reported by the antenna element 176 on the left side window will provide a value that is too high because the signal path is significantly longer than for the other two antenna elements 176. Therefore, a plausibility check takes place in the coordination unit 172 of the on-board unit 110. The plausibility check can be carried out in a variant in The test can be carried out by comparing the pulse transit times reported by the left and right side window antennas. The comparison is made against a tolerance value. If a measured value deviates from the measured value of the antenna element 176 of the other side window by more than the specified tolerance value, the measurement is identified as faulty and discarded.

Mit den verbleibenden beiden Antennenelementen wird dann nach der erfindungsgemaßen Messmethode die Position und/oder Orientierung des Fahrzeuges bestimmt.Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Messmethode wird das Antennenelement 176, für das kein direkter Sichtkontakt identifiziert wurde, weggelassen. Damit ist dann aber die mindestens erforderliche Anzahl von drei Antennenelementen 176 für die Trilateration unterschritten. Um Abhilfe zu schaffen, wird für diesen Fall die erfindungsgemäße Messmethode eingesetzt. Die Messung wird dann nach der erfindungsgemäßen Methode neu durchgeführt. Dabei wird das Antennen-Array 310 der Feststation anders eingesetzt. Von dem Antennen-Array 310 werden drei Antennenelemente ausgesucht, die einen möglichst großen Abstand voneinander haben. In 5 sind die Positionen der ausgewählten Antennenelemente markiert. Sie sind mit den Bezugszeichen 31A, 31B, 31C bezeichnet. Mit diesen drei Antennenelementen 31A, 31B, 31C werden nacheinander drei Laufzeitmessungen durchgeführt. Da sich die Positionen dieser drei Antennenelemente 31A, 31B, 31C unterscheiden, werden sich auch die Laufzeiten unterscheiden. Mit den Ergebnissen kann dann eine Trilaterationsrechnung durchgeführt werden, um die Positionen der Fahrzeug-Antennenelemente 176 zu berechnen. Daraus kann dann wieder die Position und/oder Orientierung des Fahrzeuges 10 bestimmt werden. Für die Durchführung der erfindungsgemäßen ist es erforderlich diesen Betriebsmodus einzuleiten. Dafür wieder eine Ankündigungsnachricht zu der Feststation gesendet, in der der erfindungsgemäße Bebtriebsmode angekündigt wird. Um bei der Positionsschätzung dieser beiden fahrzeugseitigen Antennen eine Verfälschung der Pulslaufzeiten zu vermeiden, ist es erforderlich, nach dem Aussenden des Impulses durch eine der beiden fahrzeugseitigen Antennen zunächst dessen Reflektion abzuwarten bevor das Aussenden des nächsten Impulses durch die andere der beiden Antennen erfolgt.The position and/or orientation of the vehicle is then determined using the remaining two antenna elements according to the measuring method according to the invention. When using the measuring method according to the invention, the antenna element 176 for which no direct visual contact was identified is omitted. However, this means that the minimum required number of three antenna elements 176 for the trilateration is not reached. To remedy this, the measuring method according to the invention is used for this case. The measurement is then carried out again according to the method according to the invention. The antenna array 310 of the fixed station is used differently. Three antenna elements are selected from the antenna array 310 that are as far apart from each other as possible. In 5 the positions of the selected antenna elements are marked. They are designated with the reference symbols 31A, 31B, 31C. Three transit time measurements are carried out one after the other with these three antenna elements 31A, 31B, 31C. Since the positions of these three antenna elements 31A, 31B, 31C differ, the transit times will also differ. A trilateration calculation can then be carried out with the results in order to calculate the positions of the vehicle antenna elements 176. From this, the position and/or orientation of the vehicle 10 can then be determined. In order to carry out the inventive method, it is necessary to initiate this operating mode. For this purpose, an announcement message is sent to the fixed station in which the inventive operating mode is announced. In order to avoid falsification of the pulse transit times when estimating the position of these two vehicle-side antennas, it is necessary to wait for the pulse to be reflected after it has been transmitted by one of the two vehicle-side antennas before the next pulse is transmitted by the other of the two antennas.

Die 9 zeigt die Sichtlinienverhältnisse für eine andere Position des Fahrzeuges 10 auf der dargestellten Parkebene. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen dieselben Komponenten wie in 8. Bei der in 9 dargestellten Position des Fahrzeuges 10 haben Frontscheiben- und linke Seitenscheibenantenne Sichtkontakt sowohl zum Antennen-Array der Feststation 31 als auch der Feststation 32. Darüber hinaus hat das Antennen-Array 310 der Feststation 35 sowohl seitlichen Sichtkontakt zum Heckscheibenantennenelement 176 als auch nahezu frontalen Sichtkontakt zum Antennenelement 176 der rechten Seitenscheibe. Somit besteht in diesem Fall Sichtverbindung zu drei verschiedenen Feststationen 31, 32, 35. Jeweils zwei Antennenelemente 176 des Fahrzeuges haben Sichtkontakt zu den Feststationen. Für jedes Antennenelement 176 kann dann die Position durch zwei verschiedene Trilaterationsrechnungen ermittelt werden. Zwischen diesen kann dann gemittelt werden. Durch die Mittelung ergibt sich eine Verbesserung der Genauigkeit der Positionsbestimmung. Aus den Einzelpositionen der Antennenelemente 176 am Fahrzeug 10 wird dann wieder die Position und/oder Orientierung des Fahrzeuges 10 bestimmt.The 9 shows the line of sight conditions for a different position of the vehicle 10 on the parking plane shown. The same reference numbers designate the same components as in 8 . In the 9 In the position of the vehicle 10 shown, the windshield and left side window antennas have visual contact with both the antenna array of the fixed station 31 and the fixed station 32. In addition, the antenna array 310 of the fixed station 35 has both lateral visual contact with the rear window antenna element 176 and almost frontal visual contact with the antenna element 176 of the right side window. In this case, there is therefore a visual connection to three different fixed stations 31, 32, 35. Two antenna elements 176 of the vehicle each have visual contact with the fixed stations. The position for each antenna element 176 can then be determined using two different trilateration calculations. An average can then be calculated between these. The averaging improves the accuracy of the position determination. The position and/or orientation of the vehicle 10 is then determined from the individual positions of the antenna elements 176 on the vehicle 10.

Für die Ermittlung der Fahrzeugposition und/oder -orientierung bestehen zusammenfassend zwei Möglichkeiten:

  • • Eerfindungsgemäße indirecte Schätzung der Fahrzeugposition und/oder -orientierung aus den vorher mittels Trilateration berechneten und ggfs. gemittelten fahrzeugseitigen Antennenelementpositionen auf Basis der Laufzeitmessungen zu je drei Einzelantennenelementen 31A, 31B, 31C eines einzigen Antennen-Arrays.
  • • Direkte Schätzung der Fahrzeugposition und/oder -orientierung mittels Trilateration auf Basis der reflektierten Pulslaufzeiten je eines ausgewählten Antennenelementes 31E aus drei unterschiedlichen im Raum verteilten Antennen-Arrays.
In summary, there are two options for determining the vehicle position and/or orientation:
  • • Indirect estimation of the vehicle position and/or orientation according to the invention from the vehicle-side antenna element positions previously calculated by means of trilateration and, if necessary, averaged on the basis of the runtime measurements for three individual antenna elements 31A, 31B, 31C of a single antenna array.
  • • Direct estimation of the vehicle position and/or orientation by means of trilateration based on the reflected pulse transit times of a selected antenna element 31E from three different antenna arrays distributed in space.

Bei Durchführung der beiden o.g. Verfahren und Mittelung der Ergebnisse kann sichergestellt werden, dass für alle Fahrzeugpositionen und/oder -orientierungen eine hohe Schätzgenauigkeit erzielt wird. Eine weitere Genauigkeitssteigerung kann durch Wichtung der Ergebnisse aus den o.g. Verfahren erzielt werden. Dabei können die Wichtungsfaktoren z.B. aus einer Plausibilitätsprüfung in Form eines Vergleichs der ermittelten fahrzeugseitigen Antennenpositionen (z.B. rechte/linke Seitenscheibe) und/oder aus einer Berücksichtigung der Einfallswinkel von reflektierten Pulsen der ortsfesten Antennenarrays resultieren.By carrying out the two above-mentioned methods and averaging the results, it can be ensured that a high level of estimation accuracy is achieved for all vehicle positions and/or orientations. A further increase in accuracy can be achieved by weighting the results from the above-mentioned methods. The weighting factors can result, for example, from a plausibility check in the form of a comparison of the determined vehicle-side antenna positions (e.g. right/left side window) and/or from taking into account the angle of incidence of reflected pulses from the stationary antenna arrays.

Es sollte verstanden werden, dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörigen Vorrichtungen in verschiedenen Formen von Hardware, Software, Firmware, Spezialprozessoren oder einer Kombination davon implementiert werden können. Spezialprozessoren können anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Reduced Instruction Set Computer (RISC) und / oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) umfassen. Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung als eine Kombination von Hardware und Software implementiert. Die Software wird vorzugsweise als ein Anwendungsprogramm auf einer Programmspeichervorrichtung installiert. Typischerweise handelt es sich um eine Maschine auf Basis einer Computerplattform die Hardware aufweist, wie beispielsweise eine oder mehrere Zentraleinheiten (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine oder mehrere Eingabe/Ausgabe (I/O) Schnittstelle(n). Auf der Computerplattform wird typischerweise außerdem ein Betriebssystem installiert. Die verschiedenen Prozesse und Funktionen, die hier beschrieben wurden, können Teil des Anwendungsprogramms sein, oder ein Teil der über das Betriebssystem ausgeführt wird.It should be understood that the proposed method and associated devices may be implemented in various forms of hardware, software, firmware, special purpose processors, or a combination thereof. Special purpose processors may include application specific integrated circuits (ASICs), Reduced Instruction Set Computers (RISCs), and/or Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Preferably, the proposed method and the Device is implemented as a combination of hardware and software. The software is preferably installed as an application program on a program storage device. Typically, it is a computer platform-based machine that includes hardware such as one or more central processing units (CPU), random access memory (RAM), and one or more input/output (I/O) interfaces. An operating system is also typically installed on the computer platform. The various processes and functions described herein may be part of the application program, or part of what is executed via the operating system.

Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Es gibt Raum für verschiedene Anpassungen und Modifikationen, die der Fachmann aufgrund seines Fachwissens als auch zu der Offenbarung zugehörend in Betracht ziehen würde. The disclosure is not limited to the embodiments described herein. There is room for various adaptations and modifications that one skilled in the art would consider to be part of the disclosure based on his or her technical knowledge.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

1010
Fahrzeugvehicle
30 - 3530 - 35
Feststationfixed station
31A - 31E31A - 31E
Antennenelement 5G Antenneantenna element 5G antenna
4040
Evolved Packet Core EPCEvolved Packet Core EPC
5050
Serverserver
100100
Blockdiagramm Fahrzeug-Elektronikblock diagram of vehicle electronics
102102
High Speed CAN-BusHigh Speed CAN bus
105105
Kameracamera
104104
CAN-BusCAN bus
110110
On-Board Uniton-board unit
120120
Navigationssystemnavigation system
140140
GatewayGateway
151151
Motor-Steuergerätengine control unit
152152
ESP-SteuergerätESP control unit
153153
Getriebe-Steuergerättransmission control unit
161161
Sensor 1Sensor 1
162162
Sensor 2Sensor 2
163163
Sensor 3Sensor 3
170170
Front-Endfront-end
172172
Koordinierungseinheitcoordination unit
176176
Fahrzeug-Antennenelementvehicle antenna element

Claims (12)

Verfahren zur hochgenauen Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges (10), das zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk ausgelegt ist, wobei von dem Fahrzeug (10) breitbandige Impulse kurzer Dauer an umliegende Feststationen (31 - 35) ausgesendet werden, die bei Empfang von den umliegenden Feststationen (31 - 35) in einer unmittelbaren Rücksendung eines Antwortimpulses beantwortet werden, wobei in dem Fahrzeug (10) eine Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Impulses der Rücksendung von wenigstens einer der umliegenden Feststationen (31 - 35) durchgeführt wird, wobei eine jeweilige Aussendung eines Impulses nacheinander durch eine Anzahl von an verschiedenen Positionen des Fahrzeuges (10) angebrachten Antennenelementen (176) mit jeweiligem Transrecevier erfolgt, wobei pro angebrachtem Antennenelement (176) ein Transceiver (170) in der Nähe einer Position des Antennenelements (176) lokalisiert und ein Kommunikationsmodul (110) mit den Transceivern (170) der an den verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelemente (176) verbunden ist, wobei das Kommunikationsmodul (110) dafür ausgelegt ist, die verschiedenen Transceiver (170) nacheinander zum Aussenden des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer aufzufordern oder ihnen jeweilige geplante Zeiten zuzuweisen für die nacheinander erfolgende Aussendung der breitbandigen Impulse, und die Zeit jeweils bis zum Eintreffen des jeweiligen Antwortimpulses bei den einzelnen Antennenelementen (176) mittels des jeweiligen Transreceivers (170) gemessen wird, wobei die Bestimmung der Positionen der Antennenelemente (176) des zu ortenden Fahrzeuges (10) jeweils basierend auf mindestens einer Schnittpunktberechnung mit den sich ergebenden wenigstens drei Laufzeiten und den bekannten Positionen der Antennen der Feststationen (31 - 35) erfolgt und die Position und/oder Orientierung des Fahrzeugs (10) aus den ermittelten Antennenelementpositionen (176) an dem Fahrzeug (10) bestimmt wird, wobei die Antennen jeder Feststationen (31 - 35) in Form von Antennen-Arrays (310) ausgelegt werden, die aus einer Anzahl von Antennenelementen (31A, 31B, 31C, 31E) bestehen, wobei für die Rücksendung jeweils ein einzelnes Antennenelement (31E) eingesetzt wird, um den Antwort impuls abzustrahlen wobei drei verschiedene Laufzeitmessungen mit drei verschiedenen einzelnen Antennenelementen (31A, 31B, 31C) des Antennen-Arrays (310) nacheinander durchgeführt werden, wobei die einzelnen Antennenelemente (31A, 31B, 31C) so ausgewählt werden, dass sie einen möglichst großen Abstand voneinander haben.Method for the highly accurate determination of the position and/or orientation of a vehicle (10) to be located, which is designed for communication in a wireless communication network, wherein broadband pulses of short duration are transmitted from the vehicle (10) to surrounding fixed stations (31 - 35), which are answered by the surrounding fixed stations (31 - 35) in an immediate return of a response pulse when received, wherein a measurement of the transit time of the emitted pulse until the arrival of the return pulse from at least one of the surrounding fixed stations (31 - 35) is carried out in the vehicle (10), wherein a respective transmission of a pulse takes place one after the other by a number of antenna elements (176) mounted at different positions of the vehicle (10) with a respective transceiver, wherein for each mounted antenna element (176) a transceiver (170) is located in the vicinity of a position of the antenna element (176) and a communication module (110) with the Transceivers (170) of the antenna elements (176) mounted at the various positions, wherein the communication module (110) is designed to request the various transceivers (170) one after the other to transmit the broadband pulse of short duration or to assign them respective planned times for the successive transmission of the broadband pulses, and the time until the respective response pulse arrives at the individual antenna elements (176) is measured by means of the respective transreceiver (170), wherein the determination of the positions of the antenna elements (176) of the vehicle (10) to be located is carried out based on at least one intersection calculation with the resulting at least three travel times and the known positions of the antennas of the fixed stations (31 - 35) and the position and/or orientation of the vehicle (10) is determined from the determined antenna element positions (176) on the vehicle (10), wherein the antennas each fixed station (31 - 35) is designed in the form of antenna arrays (310) consisting of a number of antenna elements (31A, 31B, 31C, 31E), wherein a single antenna element (31E) is used for the return signal in order to emit the response pulse, wherein three different transit time measurements are carried out one after the other with three different individual antenna elements (31A, 31B, 31C) of the antenna array (310), wherein the individual antenna elements (31A, 31B, 31C) are selected such that they are as far apart from one another as possible. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Position des fahrzeugseitigen Antennenelementes (176) durch Trilaterationsrechnung basierend auf den Laufzeitmessungen zu den drei Antennenelementen (31A, 31B, 31C) des Antennen-Arrays (310) der Feststation (31) errechnet wird.procedure according to claim 1 , wherein the position of the vehicle-side antenna element (176) is calculated by trilateration calculation based on the transit time measurements to the three antenna elements (31A, 31B, 31C) of the antenna array (310) of the base station (31). Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei Eintreffen der Antwortimpulse von zwei oder mehr verschiedenen umliegenden Feststationen (31 - 35) zu einem Antennenelement (176) des Fahrzeuges (10) eine Mittelung der Positionsbestimmungen des Antennenelementes (176) des zu ortenden Fahrzeuges (10) durchgeführt wird.procedure according to claim 1 , wherein when the response pulses from two or more different surrounding fixed stations (31 - 35) arrive at an antenna element (176) of the vehicle (10), an averaging of the position determinations of the antenna element (176) of the vehicle (10) to be located is carried out. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Laufzeitmessungen seitens der verschiedenen Antennenelemente (176) des Fahrzeuges (10) für den von einer Feststation (31 - 35) zurückgesendeten Impuls einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden, wobei eine Laufzeit, die bei der Plausibilitätsprüfung als fehlerhaft verworfen wurde, für die Schnittpunktberechnung nicht verwendet wird.procedure according to claim 1 or 2 , wherein the transit time measurements by the various antenna elements (176) of the vehicle (10) for the pulse sent back from a fixed station (31 - 35) are subjected to a plausibility check, wherein a transit time which was rejected as erroneous during the plausibility check is not used for the intersection point calculation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plausibilitätsprüfung auf einem Vergleich der gemessenen Laufzeiten unter Berücksichtigung der örtlichen Nähe der an dem Fahrzeug (10) angebrachten Antennenelemente (176) beruht und diejenigen Laufzeiten als fehlerhaft verworfen werden, deren Laufzeit nicht mit der örtlichen Nähe der Antennenelemente (176) korreliert.Method according to one of the preceding claims, wherein the plausibility check is based on a comparison of the measured propagation times taking into account the local proximity of the antenna elements (176) attached to the vehicle (10), and those propagation times are rejected as erroneous whose propagation time does not correlate with the local proximity of the antenna elements (176). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Schnittpunktberechnung eine Trilaterationsrechnung oder Multilaterationsrechnung auf Basis der Laufzeitmessungen eines an dem Fahrzeug (10) angebrachten Antennenelementes (176) für die von drei oder mehr verschiedenen Feststationen (31 - 35) zurückgesendeten Antwortimpulse durchgeführt wird.procedure according to claim 1 or 2 , wherein a trilateration calculation or multilateration calculation is carried out as the intersection calculation on the basis of the transit time measurements of an antenna element (176) attached to the vehicle (10) for the response pulses sent back from three or more different fixed stations (31 - 35). Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder Orientierung eines zu ortenden Fahrzeuges (10) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Kommunikationsmodul (110) zur Kommunikation in einem Drahtlos-Kommunikationsnetzwerk mit umliegenden Feststationen (31 - 35), gekennzeichnet durch eine Anzahl von an dem Fahrzeug (10) an verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelementen (176), mit jeweils einem Transceiver (170) pro angebrachtem Antennenelement (176), das in der Nähe zu der Position des Antennenelementes lokalisiert ist, wobei der Transceiver (170) zur Erzeugung eines breitbandigen Impulses von kurzer Dauer an die umliegenden Feststationen (31 - 35) ausgelegt ist, und zum Empfang eines von den umliegenden Feststationen (31 - 35) durch unmittelbare Rücksendung ausgesendeten Antwortimpulses, wobei der jeweilige Transceiver (170) zur Messung der Laufzeit des abgestrahlten Impulses bis zum Eintreffen des Antwortimpulses von einer der umliegenden Feststationen (31 - 35) ausgelegt ist, wobei die Aussendung des Impulses durch die Anzahl von Antennenelementen (176) nacheinander erfolgt und die Laufzeit jeweils von und zu den einzelnen Antennenelementen (176) am Fahrzeug (10) separat gemessen wird.Device for determining the position and/or orientation of a vehicle (10) to be located for carrying out a method according to one of the Claims 1 until 6 , with a communication module (110) for communication in a wireless communication network with surrounding fixed stations (31 - 35), characterized by a number of antenna elements (176) attached to the vehicle (10) at different positions, each with a transceiver (170) per attached antenna element (176), which is located near the position of the antenna element, wherein the transceiver (170) is designed to generate a broadband pulse of short duration to the surrounding fixed stations (31 - 35) and to receive a response pulse transmitted by the surrounding fixed stations (31 - 35) by direct return, wherein the respective transceiver (170) is designed to measure the transit time of the emitted pulse until the response pulse arrives from one of the surrounding fixed stations (31 - 35), wherein the transmission of the pulse takes place by the number of antenna elements (176) one after the other and the The propagation time from and to the individual antenna elements (176) on the vehicle (10) is measured separately. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Kommunikationsmodul (110) mit den Transceivern (170) der an den verschiedenen Positionen angebrachten Antennenelemente (176) verbunden ist und das Kommunikationsmodul (110) dafür ausgelegt ist die verschiedenen Transceiver (170) nacheinander zum Aussenden des breitbandigen Impulses von kurzer Dauer aufzufordern oder ihnen jeweilige geplante Zeiten zuzuweisen für eine nacheinander erfolgende Aussendung der breitbandigen Impulse.device according to claim 7 , wherein the communication module (110) is connected to the transceivers (170) of the antenna elements (176) mounted at the various positions and the communication module (110) is designed to request the various transceivers (170) one after the other to transmit the broadband pulse of short duration or to assign them respective scheduled times for a sequential transmission of the broadband pulses. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Kommunikationsmodul (110) ebenfalls für die Kommunikation in einem Mobilfunknetz ausgelegt ist und eingerichtet ist eine Ankündigungsnachricht für die Positions- und/oder Orientierungsbestimmungsmessphase an die umliegenden Feststationen (31 - 35) zu senden, mit der das Eintreffen des breitbandigen Impulses angekündigt wird und die Feststationen (31 - 35) aufgefordert werden den eintreffenden Impuls durch sofortige Rücksendung des Antwortimpulses zu beantworten.device according to claim 7 or 8 , wherein the communication module (110) is also designed for communication in a mobile radio network and is set up to send an announcement message for the position and/or orientation determination measurement phase to the surrounding fixed stations (31 - 35), with which the arrival of the broadband pulse is announced and the fixed stations (31 - 35) are requested to respond to the incoming pulse by immediately returning the response pulse. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Feststationen (31 - 35) mit der Ankündigungsnachricht aufgefordert werden im Anschluss an die Aussendung des Antwortimpulses ihre Kennung an das Fahrzeug (10) in einem weiteren Impuls oder einer weiteren Impulsfolge oder in einem logischen Kanal des Drahtloskommunikationsnetzwerkes zu senden.device according to claim 9 , wherein the fixed stations (31 - 35) are requested with the announcement message to send their identification to the vehicle (10) in a further pulse or a further pulse sequence or in a logical channel of the wireless communication network following the transmission of the response pulse. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Vorrichtung in einem Fahrzeug (10) angeordnet ist und an Front-, Heck- und Seitenscheiben des Fahrzeugs (10) jeweils mit mindestens einer 5G-Einzel-Element-Antenne (176) ausgestattet, wobei jede Einzel-Element-Antenne (176) mit einer Sende- und Empfangseinheit als Transceiver (170) in Antennennähe verbunden ist, die verschiedenen Transceiver untereinander und mit einer On-Board Unit (110) des Fahrzeugs (10) vernetzt sind.Device according to one of the Claims 7 until 10 , wherein the device is arranged in a vehicle (10) and is equipped with at least one 5G single-element antenna (176) on the front, rear and side windows of the vehicle (10), each single-element antenna (176) being connected to a transmitting and receiving unit as a transceiver (170) in the vicinity of the antenna, the various transceivers being networked with one another and with an on-board unit (110) of the vehicle (10). Feststation für ein Mobilfunkkommunikationssystem mit einem Antennen-Array (310), mit einer Sende- und Empfangseinheit (320) in einem Gebäude zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Vorrichtung in einem Fahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit (320) ausgelegt ist eine Ankündigungsnachricht für die Positions- und/oder Orientierungsbestimmungsmessphase eines zu ortenden Fahrzeuges (10) zu empfangen und in Reaktion auf den Empfang der Ankündigungsnachricht in einen Betriebsmodus zu wechseln, in dem auf das Eintreffen eines breitbandigen Impulses von kurzer Dauer gewartet wird und bei Empfang des Impulses einen Antwortimpuls unmittelbar zurückzusenden wobei die Sende- und Empfangseinheit (320) ausgelegt ist, eine andere Ankündigungsnachricht zu empfangen, mit der die Feststation (31 - 35) in einen anderen Betriebsmodus versetzt wird, in dem sie drei Antennenelemente (31A, 31B, 31C) des Antennen-Arrays (310) bestimmt, die für separate Laufzeitmessungen jeweils einen Antwortimpuls bei Eintreffen des breitbandigen Impulses an das Fahrzeug (10) zurücksenden.Base station for a mobile radio communication system with an antenna array (310), with a transmitting and receiving unit (320) in a building for carrying out a method according to one of the Claims 1 until 6 with a device in a vehicle according to one of the Claims 7 until 11 , characterized in that the transmitting and receiving unit (320) is designed to announce to receive a notification message for the position and/or orientation determination measurement phase of a vehicle (10) to be located and, in response to receipt of the notification message, to switch to an operating mode in which the arrival of a broadband pulse of short duration is waited for and, upon receipt of the pulse, to immediately send back a response pulse, wherein the transmitting and receiving unit (320) is designed to receive another notification message with which the base station (31 - 35) is placed in a different operating mode in which it determines three antenna elements (31A, 31B, 31C) of the antenna array (310), which each send a response pulse back to the vehicle (10) upon arrival of the broadband pulse for separate transit time measurements.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022107847A1 (en) 2022-04-01 2023-10-05 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Method, system and computer program product for determining the position of a moving object relative to another object

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040193372A1 (en) 2003-03-25 2004-09-30 Macneille Perry Robinson Relative positioning for vehicles using gps enhanced with bluetooth range finding
DE102012222083A1 (en) * 2011-12-02 2013-06-06 Lear Corporation Device for determining position of portable wireless-equipment with respect to vehicle, has base station with transceiver that is positioned in vicinity of vehicle, where transceiver is operated at operating frequency to send signal
US20130163448A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 QUALCOMM ATHEROS Incorporate System and method for probablistic wlan positioning
US20150269845A1 (en) 2014-03-21 2015-09-24 Thales Driving vehicles in convoy
DE102015122145A1 (en) 2015-12-17 2017-06-22 Deutsche Telekom Ag Method for improved position determination of a mobile station within a mobile radio network
US20170251449A1 (en) * 2016-02-28 2017-08-31 Qualcomm Incorporated Unicast and broadcast protocol for wireless local area network ranging and direction finding
US20190066504A1 (en) 2017-06-18 2019-02-28 George Zaloom System for automatically determining the position and velocity of objects
US20190221110A1 (en) * 2018-01-12 2019-07-18 Qualcomm Incorporated Vehicle ranging and positioning
WO2019143437A1 (en) 2018-01-21 2019-07-25 Qualcomm Incorporated Systems and methods for locating a user equipment using generic position methods for a 5g network
US20190361109A1 (en) 2015-06-15 2019-11-28 Humatics Corporation High precision time of flight measurement system for industrial automation

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI103248B (en) * 1996-10-29 1999-05-14 Nokia Telecommunications Oy Determination of the position of a terminal equipment in a radio system
DE19910715C2 (en) * 1999-03-10 2002-09-26 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Process for autonomous driving robotic vehicles in halls and radar station for carrying out the process
US6707424B1 (en) * 1999-10-12 2004-03-16 David M. Snyder Integrated positioning system and method
DE102006010380A1 (en) * 2006-03-03 2007-09-06 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Navigation system e.g. global satellite navigation system, for e.g. mobile telephone, has evaluating logic and motion detecting device to detect reflected signal changes relative to duration and change of Doppler shift as channel response
DE102008051822A1 (en) * 2008-10-15 2010-04-29 Siemens Aktiengesellschaft Method for pulse-based ultra-wideband communication between at least one transmitting node and at least one receiving node
JP2014059284A (en) * 2012-05-09 2014-04-03 Rcs:Kk Safe driving support device added with mutual distance measurement function
DE102012109101A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg level meter
CN103941226A (en) * 2014-05-09 2014-07-23 华中师范大学 RFID (Radio Frequency Identification) three-dimensional wireless positioning system and method with high precision
US10634764B2 (en) * 2015-04-09 2020-04-28 Corvus Technologies Corp Beacon and associated components for a ranging system
JP2018522233A (en) * 2015-06-15 2018-08-09 ヒューマティクス コーポレイション High precision time-of-flight measurement system
CN205451514U (en) * 2016-01-27 2016-08-10 王德龙 Car real -time road conditions over --horizon radar of navigation and network alarm system
CN106900056A (en) * 2016-12-30 2017-06-27 安徽酷哇机器人有限公司 Omni-directional radio frequency alignment system and method based on multiple antennas
CN109212471B (en) * 2018-07-04 2023-12-15 北京全迹科技有限公司 Positioning base station, system and method
CN109323696B (en) * 2018-11-07 2022-07-08 航天信息股份有限公司 Indoor positioning navigation system and method for unmanned forklift
CN109597027B (en) * 2018-12-06 2021-08-17 清华大学 A positioning system and method based on a single base station

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040193372A1 (en) 2003-03-25 2004-09-30 Macneille Perry Robinson Relative positioning for vehicles using gps enhanced with bluetooth range finding
DE102012222083A1 (en) * 2011-12-02 2013-06-06 Lear Corporation Device for determining position of portable wireless-equipment with respect to vehicle, has base station with transceiver that is positioned in vicinity of vehicle, where transceiver is operated at operating frequency to send signal
US20130163448A1 (en) * 2011-12-22 2013-06-27 QUALCOMM ATHEROS Incorporate System and method for probablistic wlan positioning
US20150269845A1 (en) 2014-03-21 2015-09-24 Thales Driving vehicles in convoy
US20190361109A1 (en) 2015-06-15 2019-11-28 Humatics Corporation High precision time of flight measurement system for industrial automation
DE102015122145A1 (en) 2015-12-17 2017-06-22 Deutsche Telekom Ag Method for improved position determination of a mobile station within a mobile radio network
US20170251449A1 (en) * 2016-02-28 2017-08-31 Qualcomm Incorporated Unicast and broadcast protocol for wireless local area network ranging and direction finding
US20190066504A1 (en) 2017-06-18 2019-02-28 George Zaloom System for automatically determining the position and velocity of objects
US20190221110A1 (en) * 2018-01-12 2019-07-18 Qualcomm Incorporated Vehicle ranging and positioning
WO2019143437A1 (en) 2018-01-21 2019-07-25 Qualcomm Incorporated Systems and methods for locating a user equipment using generic position methods for a 5g network

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