DE102013009035A1

DE102013009035A1 - Kontext- und kartenhilfe zum selbstlernen

Info

Publication number: DE102013009035A1
Application number: DE102013009035.0A
Authority: DE
Inventors: James Burgess Tidd; Murray Robert Jarvis
Original assignee: Cambridge Silicon Radio Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2014-03-13
Also published as: GB2508255A; GB201307922D0; US9194933B2; US20140073363A1; US20150057031A1; US8909258B2

Abstract

System und Verfahren zum Bestimmen von Orten mehrerer Hochfrequenz- bzw. HF-Signalquellen. Das Verfahren umfasst ein Empfangen von HF-Signalen aus den HF-Signalquellen und Bestimmen von Orten der HF-Signalquellen auf der Basis der empfangenen HF-Signale. Das Verfahren umfasst außerdem ein Bestimmen eines Ankers, der einen durch Kartendaten identifizierten absoluten Ort aufweist, und dann Justieren der bestimmten Orte der HF-Signalquellen auf der Basis des Ankers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Helfen bei der Ortsbestimmung von Zugangspunkten und Kollektorvorrichtungen mit unbekannten oder relativen Orten. Im Allgemeinen verwendet ein (z. B. auf einem zentralisierten Server implementierter) Lernalgorithmus auf Karten basierende Kontextinformationen, die von der Kollektorvorrichtung bestimmt werden. Orte der auf Karten basierenden Informationen werden dann vom Server in Kommunikation mit der Kollektorvorrichtung verwendet, um die Orte der Zugangspunkte zu bestimmen oder zu justieren. Diese justierten Zugangspunktorte können dann verwendet werden, um einen genaueren Ort der Kollektorvorrichtung und anderer Kollektorvorrichtungen zu bestimmen.
HINTERGRUND
Es ist wünschenswert, den physischen Ort von drahtlosen Sendern (d. h. Zugangspunkten) zu kennen, um Orte von mobilen Vorrichtungen zu bestimmen. Das Bestimmen von absoluten Orten bestimmter drahtloser Sender (insbesondere Innensender) kann jedoch schwierig sein. Diese Schwierigkeit kann Fehler in den geschätzten Ort der drahtlosen Sender und letztendlich in den geschätzten Ort der mobilen Vorrichtungen, die die drahtlosen Sender für Positionsbestimmungszwecke benutzen, einführen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
System und Verfahren zum Bestimmen von Orten einer Vielzahl von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalquellen. Das Verfahren umfasst ein Empfangen von HF-Signalen aus den HF-Signalquellen und Bestimmen von Orten der HF-Signalquellen auf der Basis der empfangenen HF-Signale. Das Verfahren umfasst außerdem das Bestimmen eines Ankers, der einen durch Kartendaten identifizierten absoluten Ort aufweist, und dann Justieren der bestimmten Orte der HF-Signalquellen auf der Basis des Ankers.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird am besten aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Elemente dieselben Bezugszahlen aufweisen. Dadurch wird betont, dass gemäß der üblichen Praxis die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Stattdessen sind die Abmessungen der verschiedenen Merkmale der Klarheit halber willkürlich vergrößert oder verkleinert. Die Zeichnungen umfassen die folgenden Figuren:
1A ist eine Blockdarstellung der Kommunikation zwischen einer Kollektorvorrichtung, Zugangspunkten und einem Server gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1B ist eine Blockdarstellung einer Kollektorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1C ist eine Blockdarstellung eines Prozessors in der Servervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine Architekturansicht eines Bürogebäudes, in dem sich die Kollektorvorrichtung und Zugangspunkte befinden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2B ist eine Architekturansicht des Bürogebäudes, in dem sich die Kollektorvorrichtung und Zugangspunkte, und zeigt Mustervergleich gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Kartenansicht einer Straße, auf der sich die Kollektorvorrichtung bewegt und in der Nähe derer sich die Zugangspunkte befinden, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1A zeigt ein Beispiel für ein Kommunikationsnetz, das eine Kollektorvorrichtung 100, Zugangspunkte 105 und 107 und einen zentralisierten Server 103 umfasst. Im Allgemeinen kommunizieren diese Vorrichtungen miteinander über Kommunikationspfade 109, 111, 113, 115, 117 bzw. 119. Obwohl nur eine Kollektorvorrichtung, ein Server und zwei Zugangspunkte gezeigt sind, wird in Betracht gezogen, dass das Kommunikationsnetz eine Vielzahl von Kollektorvorrichtungen, eine Vielzahl von Zugangspunkten und eine Vielzahl von Servern umfassen könnte.
Außerdem wird erwähnt, dass die Pfade 113, 115 und 117 bei Ausführungsformen, bei denen der Server 103 nicht benutzt wird, optional sein können. Ferner können die Pfade 109 und 111 bei Ausführungsformen, bei denen die Vorrichtung 100 Signale von den Zugangspunkten empfängt, aber keine Signale zu den Zugangspunkten sendet, auch unidirektional sein.
Im Allgemeinen bewegt sich die Kollektorvorrichtung 100 (z. B. ein Mobiltelefon) in der Nähe der Zugangspunkte 105 und 107 (z. B. in der Nähe von Wi-Fi-Zugangspunkten, die Zugang zu anderen Vorrichtungen, Computern oder Servern über lokale Netze und das Internet bereitstellen können). Die Kollektorvorrichtung 100 versucht, ihren Ort auf der Basis ihres zuvor bekannten Orts und von Signalen, die von den Zugangspunkten 105 und 107 empfangen werden, und von Signalen, die von internen Sensoren erzeugt werden, zu bestimmen.
In einem Beispiel kann die Kollektorvorrichtung 100 Empfangssignalstärken aus von den Zugangspunkten gesendeten HF-Signalen messen. Diese Messungen können dann zusammen mit anderen Messungen von anderen Zugangsvorrichtungen und von Bewegungs- und Umweltsensoren zum zentralisierten Server 103 gesendet werden, der die absoluten Positionen der Zugangspunkte bestimmt. Dieser Prozess des Bestimmens der absoluten Orte der Zugangspunkte ist als relatives Harvesting bekannt und wird in der gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung 13/533,349 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In einem Beispiel kann die Kollektorvorrichtung 100 HF-Signale überwachen, die von mehreren Zugangspunkten (z. B. Wi-Fi- und/oder andere HF-Sender) gesendet werden. Die Kollektorvorrichtung 100 kann dann jeden der Zugangspunkte identifizieren. Während sich die Kollektorvorrichtung 100 auf einem Pfad bewegt, kann ihr Ort unter Verwendung von PDR (Pedestrian Dead Reckoning – Fußgänger-Koppelnavigation) geschätzt werden. In einem Beispiel wird PDR durch Berechnung einer relativen Verschiebung von einem anfänglich bekannten Ort zu anderen geschätzten Orten auf dem Pfad implementiert. Verschiebung zwischen den Orten kann auf der Basis verschiedener Messungen der gesendeten Zugangspunkt-HF-Signale (z. B. der Empfangssignalstärkeindikation (RSSI), der Zeit- oder Phasenoffsets von Empfangssignalen und/oder Gesamtlaufzeit (RTT)) bestimmt werden.
Im Allgemeinen kann Datensammlung von der Kollektorvorrichtung 100 an verschiedenen Punkten auf dem Pfad durchgeführt und dann aus der Kollektorvorrichtung 100 zum Server 103 gesendet werden (d. h. Verschiebungsinformationen, Signalstärkeinformationen und Identifikationsinformationen können zum Server gesendet werden). Der Server 103 kann diese empfangenen Daten dann verarbeiten, um die absoluten Orte der Zugangspunkte auf dem Pfad zu bestimmen.
In einem Beispiel kann sich die Kollektorvorrichtung 100 auf einem Pfad in einem Gebäude bewegen. Im Gebäude können drahtlose Zugangspunkte HF-Signale senden. Die Kollektorvorrichtung 100 überwacht an verschiedenen Orten auf dem Pfad die aus den Zugangspunkten gesendeten empfangenen HF-Signale. Durch Verwendung der verschiedenen oben beschriebenen Messungen kann die Kollektorvorrichtung 100 eine Verschiebung zwischen den verschiedenen Orten auf dem Pfad auf der Basis eines anfänglich bekannten absoluten Orts (d. h. eines Ankers) berechnen. In einem Beispiel könnte der Anker die letzte berechnete absolute Position der Kollektorvorrichtung 100 (z. B. die letzte GPS-Fixierung vor dem Eintritt in das Gebäude) sein.
Die Kollektorvorrichtung 100 kann dann die gesammelten Daten (d. h. Verschiebungsinformationen, Signalstärkeinformationen und Identifikationsinformationen) zum Server 103 senden. Der Server 103 kann dann die absoluten Positionen der Zugangspunkte berechnen, um zu versuchen, das Gesamtpositionsbestimmungsnetz abzubilden. Diese absoluten Positionen der Zugangspunkte werden dann zur Kollektorvorrichtung 100 und anderen Kollektorvorrichtungen im Netz gesendet. Die Kollektorvorrichtung 100 kann dann die absoluten Orte der Zugangspunkte verwenden, um ihren aktuellen Ort genauer zu bestimmen (d. h. vom Zugangspunkt empfangene HF-Signalstärke sowie der vom Server berechnete absolute Zugangspunktort könnten verwendet werden, um den absoluten Ort der Kollektorvorrichtung zu bestimmen).
Auf der Basis der absoluten Positionsinformationen, die erhalten wurden, als sich die Kollektorvorrichtung 100 an der letzten GPS-Fixierung befand, der Signalkenngrößenmessungen an den Punkten auf dem Pfad und der Verschiebungsmessungen kann der Server 103 Orte für die Punkte auf dem Pfad schätzen. Unter Verwendung dieser Positionen kann der Server 103 dann die Positionen der Zugangspunkte durch Ausführen jeweiliger gewichteter Schwerpunktberechnungen unter Verwendung der Signalkenngrößenmessungen an den Punkten auf dem Pfad schätzen. Somit kann er eine Schätzung der relativen Positionen der Zugangspunkte erhalten. Es ist zu beachten, dass gemäß einer beispielhaften Ausführungsform diese Schwerpunktmessungen nicht als die Orte der Zugangspunkte verwendet werden, sondern lediglich Startpunkte für eine Berechnung sind, die die Position auf der Basis von Crowdsourcing-Informationen genauer bestimmt. Die berechneten Positionen der Punkte auf dem Pfad sowie die Schwerpunktpositionen von Zugangspunkten sind nur Schätzungen, weil zum Beispiel die Kollektorvorrichtung 100 möglicherweise nicht immer über einen klaren Signalpfad zu den Zugangspunkten verfügt, so dass die Signalkenngröße an einem oder mehreren der Punkte auf dem Pfad gedämpft sein kann. Falls zusätzlich RTT oder Ankunftszeit als Signalkenngröße verwendet werden, kann der von der Kollektorvorrichtung 100 berechnete Wert aufgrund von Mehrfachpfaden fehlerhaft sein. Ferner können die Sensordaten für eine bestimmte Vorrichtung nicht ordnungsgemäß kalibriert sein. Crowdsourcing wird wie oben beschrieben verwendet, um diese Schätzungen durch Kombinieren mehrerer Schätzungen aus mehreren Kollektorvorrichtungen 100, die zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten genommen werden, zu verfeinern.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das Schätzen des Zugangspunktorts als Kostenfunktionsminimierung (die auf Maximum Likelihood abgebildet werden kann) auf der Basis von zwei Termen formuliert. Der erste Term ist eine Summe über jede Wi-Fi-Beobachtung. Dadurch werden die Zugangspunkte in den Regionen lokalisiert, die Signalkenngrößen mit hohen Konfidenzniveaus aufweisen. Der zweite Term stellt sicher, dass die geschätzten wahren Orte, an denen die Scans erfolgten, nicht gegen die Nebenbedingungen verstoßen, die vom absoluten und relativen Harvesting auferlegt werden. Er ist eine Summe über alle vorliegenden Nebenbedingungen. Die Kostenfunktion ist in Gleichung (1) gezeigt: E = Σ_n(A _i[n] – U _j[n])²w²(RSSI_n) + Σ_c(U _k[c] – δ_c,R U _l[c] – Δ_c)^TΣ_c ^–1(U _k[c] – δ_c,R U _l[c] – Δ_c) (1)
Dabei ist U der geschätzte Ort (z. B. (x, y, z)-Vector), an dem eine Scan-Beobachtung erfolgte (d. h. ein geschätzter Ort einer Kollektorvorrichtung 104); A ist die geschätzte Position eines Zugangspunkts; n ist eine Summe über alle Beobachtungen von Zugangspunkten; c ist eine Summe über alle Nebenbedingungen (bei absoluten Orten weggelassen); δ_c,R wählt Anwesenheit oder Abwesenheit dieser Variable aus, abhängig davon, ob die Nebenbedingung relativ oder absolut ist (z. B. Kronecker-Delta); Δ_c ist für absolute Nebenbedingungen der gemessene Ort und für relative Nebenbedingungen das gemessene Delta; i[n], j[n], k[c], l[c] sind Abbildungen von den Beobachtungen und Nebenbedingungen auf die relevanten Orte der Zugangspunkte und Punkte, an denen die Kollektorvorrichtungen die Beobachtungen durchführten (d. h. As und Us); w²(RSSI_n) ist eine Gewichtung für eine Beobachtung, die zum Beispiel eine Funktion der Signalstärke (RSSI) des überwachten Zugangspunktsignals sein kann; Σ^–1 ist eine Gewichtung für eine Nebenbedingung (im Beispiel ist dies eine 3x3-Matrix für jede Nebenbedingung); und T ist die Transponierung des Vektors. Falls RTT oder ein bestimmtes anderes Maß für Signaltiminig als Kenngröße der Zugangspunkte verwendet wurde, kann ein zusätzlicher Term zur Kostenfunktion addiert werden, um die Variation des Signaltimings zu berücksichtigen.
Die obige beispielhafte Kostenfunktion enthält drei Variablen für drei unbekannte Zugangspunktorte und drei für jede unbekannte Kollektorvorrichtungsposition, an der ein Scan erhalten wurde. Typischerweise ist dies deshalb ein Minimierungsproblem mit hunderten oder tausenden Unbekannten. Es ist dessen ungeachtet angehbar, da die Kostenfunktion und der Gradient einfach zu berechnen sind.
Es ist wünschenswert, die Minimierung von einem guten Anfangspunkt aus zu starten. Dieser kann zum Beispiel unter Verwendung der gewichteten Schwerpunkte wie oben beschrieben erhalten werden, um anfängliche Schätzungen der Zugangspunktorte zu erhalten, und/oder durch iteratives Lösen von Sub-Teilen des obigen Problems. Zusätzliche Ausreißerzurückweisungsprüfungen können in dieser Phase auf der Basis der geschätzten Orte angewandt werden, die aus der Anfangs-Seed-Berechnung erhalten werden.
Die beispielhafte Kostenfunktion verwendet nicht die obige strikt quadratische (und folglich impliziert Gaußsche) Form, sondern kann ihre Form bei großen Fehlern mäßigen, indem sie von quadratisch zu linear und dann konstant wechselt, wenn der Fehler zunimmt. Dieser Prozess ist als fat-tailing und flat-tailing bekannt.
Unbestimmtheit (äquivalent Konfidenz/Kovarianz) in der Lösung wird aus der Krümmung der Kostenfunktion am Minimum erhalten. Die Hess'sche Matrix kann am Kostenfunktionsminimum ausgewertet werden und ihre Inverse ergibt die Kovarianzmatrix. Aufgrund der großen Anzahl der Dimensionen kann dies eine kostspielige Operation sein. Damit kann umgegangen werden, indem man die vorherrschend lokale Beschaffenheit der Beiträger (effektiv die Spärlichkeit der Matrix) ausnutzt, um es zu erlauben, das Problem in eine Reihe kleinerer rechnerisch billigerer Berechnungen aufzuteilen, die jeweils einen jeweiligen Teil der Matrix benutzen.
Fingerprinting ist ein Verfahren, das ein Modell des Ausbreitungsmusters jedes Zugangspunkts 105 und 107 verwendet, um den wahrscheinlichen Ort einer Kollektorvorrichtung 100 zu bestimmen. Falls der Fingerprint eines Zugangspunkts als seine Positionsbestimmungsdaten verwendet würde, kann das Modell mit geschätzten Positionspunkten im Gebiet und ihren entsprechenden Signalkenngrößenmessungen initialisiert werden. Die oben in Gleichung 1 beschriebene Kostenfunktion kann modifiziert werden, um Differenzen zwischen den Beobachtungen und dem Fingerprint-Modell zu minimieren.
Falls zusätzliche Anker (d. h. absolute Positionen außer der letzten bekannten GPS-Fixierung) im Gebäude von der Kollektorvorrichtung 100 bestimmt werden können, würde die Gesamtgenauigkeit des Harvesting zunehmen, da diese absoluten Positionen in die oben beschriebene Kostenfunktion aufgenommen werden könnten. Eine Weise, zusätzliche Anker im Gebäude zu bestimmen, ist die Benutzung von Karteninformationen. Im Allgemeinen können Informationen über das Architekturlayout des Gebäudes (das bereits bekannt ist) vom Server 103 benutzt werden, um den Ort der Kollektorvorrichtung 100 und die Orte der Zugangspunkte genauer zu bestimmen.
1B zeigt ein Beispiel für die Kollektorvorrichtung 100, die als eine mobile Vorrichtung (z. B. ein Mobiltelefon) realisiert werden kann. Die Kollektorvorrichtung 100 kann einen Prozessor 120 zum Steuern verschiedener anderer Hardware- oder Softwaremodule umfassen. In einem Beispiel kann die Kollektorvorrichtung 100 Eingabe- und Ausgabevorrichtungen (d. h. Tastenfeld und Display, nicht gezeigt), Speicher 126, eine HF-Sender-/-Empfängervorrichtung 124 (z. B. einen Wi-Fi-Sender/-Empfänger), einen Empfänger 128 eines globalen Navigationssatellitensystems (GNSS) und interne Sensoren 130 (z. B. eines Beschleunigungsmessers, Kreisels, Schrittmessers, Barometers, Magnetometers, Mikrofons und einer Kamera) umfassen.
In einem Beispiel kann der HF-Sender-/-Empfänger 124 in der Lage sein, in verschiedenen IEEE 802.11-Standards zu senden und zu empfangen. Der GNSS-Empfänger 128 kann auch in der Lage sein, Satellitensignale, zum Beispiel von GPS(Global Positioning System)-Satelliten zu empfangen. Der GNSS-Empfänger und der HF-Sender-/-Empfänger 124 können beide die Antenne 101 benutzen, bei der es sich um eine gemeinsame Antenne oder um separate eigene Antennen zum Senden und Empfangen in speziellen Frequenzbändern handeln kann.
Bei einer Ausführungsform kann die Kollektorvorrichtung 100 interne Sensoren benutzen, um umwelt- und benutzerdynamischen Kontext zu bestimmen (d. h. ob sich die Kollektorvorrichtung 100 innen/außen befindet, sich Treppen heraufbewegt, sich in einem Aufzug bewegt, läuft, sich in einem Fahrzeug bewegt usw.). Nachdem die umwelt- und benutzerdynamischen Kontextinformationen bestimmt wurden, kann die Kollektorvorrichtung 100 dann diese Informationen zum Server 103 senden. Der Server 103 kann dann die Orte der Zugangspunkte auf der Basis von Karteninformationen justieren (d. h. korrigieren). Zum Beispiel können die bekannten Orte (d. h. Breiten- und Längengrad) der Treppen, des Aufzugs usw. von der Servervorrichtung 103 als Anker bei der Bestimmung der Orte der Zugangspunkte verwendet werden.
Eine Ausführungsform des Servers 103 ist in 1C gezeigt, wobei Hardware- und/oder Softwaremodule implementiert werden können, um die Orte der Zugangspunkte zu bestimmen. Insbesondere kann der Prozessor 120 Module 102 zum Verarbeiten der von den internen Sensoren der Kollektorvorrichtung 100 empfangenen Messungen, ein Umweltkontextsystem 106 zum Bestimmen des Umweltkontexts der Vorrichtung (z. B. ob sich die Vorrichtung innen oder außen befindet), ein benutzerdynamisches Kontextsystem 108 zum Bestimmen von Bewegungsdynamik des Benutzers (z. B. ob sich der Benutzer die Treppe heraufbewegt, in einem Aufzug, in einem Fahrzeug usw.), ein Relativpositionsbestimmungssystem 110 zum Bestimmen der relativen Position an den Zugangspunkten aus den gesammelten Messungen und Kontextdaten, ein Absolutpositionsbestimmungssystem 112 zum Bestimmen der absoluten Position zum Beispiel auf der Basis der GPS-Signale, einen Harvesting-Manager 104, der die Orte der Zugangspunkte bestimmt, ein Lernalgorithmusmodul 114, das die Harvesting-Informationen mit den Karteninformationen aus dem Kartendatenmodul 116 kombiniert, um zu versuchen, die Orte der Zugangspunkte zu korrigieren, aufweisen. Obwohl die Servervorrichtung 103 als von der Kollektorvorrichtung 100 getrennt gezeigt ist, wird in Betracht gezogen, dass die Kollektorvorrichtung 100 alle Funktionen der Servervorrichtung 103 ausführen könnte.
In einem Beispiel kann der Harvesting-Manager 104 Orte für mehrere Zugangspunkte in einem Gebäude bestimmen. Um eine bessere Schätzung der Zugangspunktorte zu erhalten, korreliert der Lernalgorithmus die umwelt- und benutzerdynamischen Kontextinformationen, die im Gebäude bestimmt wurden, mit zugeordneten Kartendaten, die als Anker im Gebäude benutzt werden können.
Zum Beispiel kann das Messmodul 102 Beschleunigungsmesser-Messungen aus der Kollektorvorrichtung 100 empfangen, die angeben, dass die Kollektorvorrichtung 100 in einer vertikalen Richtung beschleunigt. Die Umwelt- und Benutzerdynamik-Kontextmodule 106 und 108 können dann bestimmen, dass der Benutzer in einem Aufzug im Gebäude fährt. Der Lernalgorithmus benutzt diese Umwelt- und Benutzerkontextinformationen dann zum Extrahieren spezieller Kartendaten (d. h. Breiten- und Längengrad) des Aufzugs, die aufgrund von Bauzeichnungen des Gebäudes bekannt sein können. Das Lernalgorithmusmodul 114 kann diese Karteninformationen dann benutzen, um die geschätzten Orte der Zugangspunkte relativ zur neu gefundenen absoluten Ankerposition im Gebäude zu justieren. Wenn mehrere Aufzüge vorliegen, kann der Lernalgorithmus den Aufzug benutzen, der der geschätzten Position am nächsten ist.
2A und 2B zeigen verschiedene Beispiele für die Kollektorvorrichtung 100, die sich durch ein Bürogebäude bewegt. Speziell kann sich die Kollektorvorrichtung 100 auf drei verschiedenen Pfaden 1, 2 und 3 bewegen.
Im Betrieb kann die Kollektorvorrichtung 100 ihre absolute Position (d. h. den Anfangsanker) unter Verwendung eines GPS-Signals an der Position 216 vor dem Eintritt in das Bürogebäude bestimmen. Nachdem die Kollektorvorrichtung 100 in das Gebäude eingetreten ist, werden möglicherweise aufgrund von Mehrfachwegen und Signalfading keine GPS-Signale mehr empfangen oder können ungenau sein. Die Position der Kollektorvorrichtung 100 kann dann auf der Basis einer Kombination von Koppelnavigationssensoren (z. B. Beschleunigungsmessern) und relativen Stärken der aus den Wi-Fi-Zugangspunkten A, B, C gesendeten Signale bestimmt werden, die sich in den Büros 202, 204 bzw. 208 befinden.
Im Allgemeinen versucht der Server 103, die Orte der Zugangspunkte auf der Basis von Informationen zu schätzen, die von der Kollektorvorrichtung empfangen werden. In einem Beispiel kann sich die Kollektorvorrichtung 100 auf dem Pfad 1 bewegen. Auf dem Pfad 1 kann die Kollektorvorrichtung 100 ihre Position an verschiedenen Punkten 218, 226 und 228 bestimmen, während sich der Benutzer durch den Gang 230 bewegt. An diesen Punkten kann die Kollektorvorrichtung 100 Signalkenngrößen der Zugangspunkt-HF-Signale und Positionsverschiebungen von vorherigen Positionen auf dem Pfad messen. Diese Messungen und Berechnungen werden dann zum Server 103 gesendet, indem die Orte der Zugangspunkte geschätzt und für Positionsbestimmungszwecke zur Kollektorvorrichtung 100 zurückgesendet werden.
Ein ähnlicher Prozess zum Schätzen der Position der Kollektorvorrichtung 100 und der Position von Zugangspunkten A, B und C kann auf den Pfaden 2 und 3 durch das Gebäude durchgeführt werden. Obwohl gezeigt ist, dass Messungen an den Punkten 218, 226, 228, 224, 220 und 222 genommen werden können, wird in Betracht gezogen, dass die Messungen häufiger durchgeführt werden können, um eine genauere Schätzung eines Pfads zu erhalten.
Wie oben beschrieben, besitzt die Kollektorvorrichtung 100 interne Sensoren, die benutzt werden, um zu versuchen, auf der Umwelt und dem Benutzer basierende Kontextinformationen im Gebäude zu bestimmen. Zum Beispiel kann auf Pfad 1 (an der Position 228) eine Kamera an der Kollektorvorrichtung 100 natürliches Licht detektieren, das durch ein Fenster 214 gelassen wird. Diese Informationen können dann von der Kollektorvorrichtung 100 benutzt werden, um zu bestimmen, dass sie sich in der Nähe des Fensters 214 (d. h. des Fensters, das der geschätzten Position des Kollektors 100 am nächsten ist) befindet. Da der Ort (z. B. Breiten- und Längengrad) des Fensters 214 aufgrund von Bauzeichnungen des Gebäudes bekannt sein kann, kann der Server 103 (auf den Empfang der Informationen von der Kollektorvorrichtung hin) die Position der Zugangspunkte um eine bestimmte korrigierende Distanz justieren. Nachdem die Position der Zugangspunkte korrigiert wurde, werden diese Informationen dann zur Kollektorvorrichtung gesendet, um es dadurch der Kollektorvorrichtung zu erlauben, ihren eigenen Ort besser zu schätzen.
Auf Pfad 3 kann der Beschleunigungsmesser in der Kollektorvorrichtung 100 detektieren, dass der Benutzer mit einem Aufzug 210 an der geschätzten Position 224 fährt. Da der Ort der Aufzüge auch auf der Basis von Bauzeichnungen des Gebäudes bekannt sein kann, kann die Position der Zugangspunkte A, B und C vom Server 103 justiert werden.
In einem anderen Beispiel (wenn sich die Kollektorvorrichtung 100 auf Pfad 2 bewegt) kann der Beschleunigungsmesser auch am Punkt 222 detektieren, dass der Benutzer eine Treppe hinaufläuft. Da der Ort der Treppe auch in der Bauzeichnung bekannt sein kann, kann die Treppe auch zu einem absoluten Positionsbestimmungsanker werden. Somit kann der Server 103 die Position der Zugangspunkte A, B und C justieren.
Wenn keine Innenanker benutzt werden, können Orte der Zugangspunkte versetzt sein und deshalb können die Orte 218, 220, 224, 226 und 228 des Kollektorvorrichtungspfads versetzt sein. Zum Beispiel kann die Position 228 fälschlicherweise im Büro 202 angezeigt werden, statt im Gang, in dem sie sich tatsächlich befindet. Zusätzliche Anker helfen beim Korrigieren dieses Versatzes. Somit können Orte der Zugangspunkte auf der Basis eines oder mehrerer der Anker justiert werden, so dass sie genauer mit der Treppe 222, dem Aufzug 210 bzw. dem Fenster 214 zusammenfallen. Dadurch kann die Kollektorvorrichtung dann die Positionsmessungen auf dem Pfad korrigieren. Im Allgemeinen können die Orte von Zugangspunkten genauer geschätzt werden, um dadurch zu einer genaueren Schätzung des Orts der Kollektorvorrichtung auf den Pfaden zu führen.
Das Korrigieren von Zugangspunktorten und Pfaden 1, 2 und 3 auf der Basis der Anker ist in 2B dargestellt. In 2B können die anfänglich von der Kollektorvorrichtung 100 berechneten Pfade als alternative Pfade 4, 5 und 6 dargestellt werden. Die Orte der Zugangspunkte können auch anfänglich als alternative Zugangspunktorte AA, BB und CC bestimmt werden. Somit schätzt die Kollektorvorrichtung 100, obwohl sich die Kollektorvorrichtung 100 auf den tatsächlichen Pfaden 1, 2 und 3 die jeweiligen Gänge hinunterbewegt, ihre Pfadtrajektorie inkorrekt. Dies ist auf die inkorrekte Schätzung der Zugangspunktorte zurückzuführen.
Falls jedoch Anker am Fenster 214, am Aufzug 210 und an der Treppe 222 von der Kollektorvorrichtung 100 bestimmt werden, können die geschätzten Positionen der Zugangspunkte vom Server 103 korrigiert werden (z. B. kann AA nach A justiert werden, BB kann nach B justiert werden und CC kann nach C justiert werden). Da die Zugangspunktorte korrigiert werden, können ähnlich die alternativen Trajektorien 4, 5 und 6 nach ihren korrekten Orten justiert werden (z. B. kann 228A nach 228, 224A nach 224 und 222A nach 222 justiert werden usw.).
Obwohl die einzelnen Orte der Anker 228, 224 und 222 benutzt werden, um die Zugangspunktorte und letztendlich die Trajektorie der Kollektorvorrichtung zu korrigieren, wird auch in Betracht gezogen, dass ein Mustervergleich auf der Basis des Gesamtlayouts des Gangs durchgeführt werden kann. Der Server 103 kann das Architekturlayout des Gebäudes, wie etwa den allgemeinen Fluss des Gangs, benutzen, um die Trajektorie der Kollektorvorrichtung 100 zu justieren.
Zum Beispiel kann in 2B das System anfänglich die Orte der Zugangspunkte und Trajektorien 4, 5 und 6 schätzen. Aus den Kartendaten ist jedoch offensichtlich, dass die Zugangspunkte an merkwürdigen Orten befindlich sind und sich die Trajektorien inkorrekt durch Bürowände ziehen, obwohl sie durch die Gänge 230 und 232 fließen sollten. Die Verwendung dieser Musterinformationen mit oder ohne Ankerinformationen kann somit benutzt werden, um die Gesamttrajektorien und die Zugangspunktorte so zu verschieben, dass sie an vernünftige Positionen fallen.
Dieser Mustervergleich kann durchgeführt werden, indem der Server 103 die Trajektorien über die Kartendaten legt. Die Trajektorien können dann mit anderen möglichen Trajektorien verglichen werden. Die bestmögliche Übereinstimmung kann dann als die Lösung bestimmt werden. Zum Beispiel können die Pfade 4, 5 und 6 mit anderen ausgewählten potentiellen Pfaden (d. h. Pfaden, die als relevant betrachtet werden) korreliert werden. Da die Pfade 4, 5 und 6 eine relative Gesamtform aufweisen, die den möglichen Pfaden 1, 2 und 3 ähnlich sind (d. h. hohe Korrelation), wird eine Übereinstimmung bestimmt (d. h. der Gesamtfluss der Pfade 4, 5 und 6 korreliert gut mit den potentiellen Pfaden 1, 2 und 3 durch die Gänge). Somit können sowohl Mustervergleich als auch absolute Anker im Gebäude auf der Basis von Karteninformationen (Mustern oder bekannten Orten im Gebäude) bestimmt werden.
In einem Beispiel können auch mehrere Pfade mehrerer Kollektorvorrichtungen bestimmt werden. Diese Pfade können dann auf statistische Weise kombiniert werden, um den Pfad vor der Verschiebung auf Basis der Karteninformationen (d. h. vor der Korrelation beim Mustervergleich) zu glätten. Glättung kann es erleichtern, eine Übereinstimmung zwischen dem Kollektorpfad und einem potentiellen Pfad im Gebäude zu bestimmen.
Obwohl 2A und 2B zweidimensionale Zeichnungen und zweidimensionale Trajektorien mit Bezug auf das Gebäude sind, wird in Betracht gezogen, dass dreidimensionale Bauzeichnungen sowie dreidimensionale Trajektorien bestimmt werden können. Dies erlaubt eine genaue Bestimmung einer dreidimensionalen Karte der drahtlosen Zugangspunkte im Gebäude.
Nachdem die Positionen der Zugangspunkte im Gebäude genau bestimmt wurden, können im Allgemeinen die Kollektorvorrichtung 100 und andere Kollektorvorrichtungen in der Lage sein, ihre Position, während sie durch das Gebäude navigieren, genau zu bestimmen.
Außerdem wird in Betracht gezogen, dass auch eine Vielzahl anderer Kollektorvorrichtungen benutzt werden kann, um Messungen mit Bezug auf die Zugangspunkte in einem ad-hoc-Verfahren ohne Benutzung eines zentralisierten Servers (d. h. die Kollektorvorrichtungen bestimmen die Orte der Zugangspunkte) durchzuführen und zu teilen. Die Vielzahl von Kollektorvorrichtungen kann dann auch an den berechneten Orten der Zugangspunkte und/oder Trajektorien mitteln oder eine bestimmte statistische Berechnung ausführen, um insgesamt genauere Orte zu bestimmen.
Obwohl 2A und 2B ein Innenszenario besprechen, wird auch in Betracht gezogen, dass ein ähnlicher Algorithmus in einem Außenszenario benutzt werden kann. Zum Beispiel kann wie in 3 gezeigt ein Fahrzeug 304 einen Benutzer umfassen, der eine Kollektorvorrichtung 100 trägt. Der Benutzer kann sich in einem Fahrzeug auf dem Pfad 306 eine Straße 304 herunter bewegen. Auf dem Pfad 306 kann die Kollektorvorrichtung 100 im Fahrzeug ihren Ort schätzen, wenn sich das Fahrzeug an den Positionen 308, 310 und 312 (alle auf dem Pfad 306) befindet. Dies kann durch absolute Positionsbestimmung über GPS-Satelliten 314 durchgeführt werden, oder wenn GPS nicht verfügbar/nicht genau genug ist, kann die Positionsbestimmung auf der Basis der Zugangspunkte 316, 318 und 320 auf ähnliche Weise wie bei den in 2A und 2B gezeigten bestimmt werden. Die Zugangspunkte 316, 318 und 320 können Wi-Fi- oder Wi-Max-Zugangspunkte in Unternehmen und Wohnungen, Zellularmasten oder andere Funkmasten sein, die sich in Übertragungsnähe der Straße befinden. Die absoluten Orte der Zugangspunkte 316, 318 und 320 können bekannt sein oder auch nicht.
Unter der Annahme, dass die Orte der Zugangspunkte 316, 318 und 320 unbekannt sind, kann die Kollektorvorrichtung 100 aus den Zugangspunkten gesendete HF-Signale messen und diese Messungen zum Server 103 senden, um zu versuchen, absolute Ankerpositionen entlang der Straße zu bestimmen. Da der Ort der Zugangspunkte nicht bekannt sein kann, kann der Ort der Positionen von 308, 310 und 312 falsch als 308A, 310A und 312A geschätzt werden. Falls der Server 103 in der Lage ist, andere absolute Anker auf der Straße zu benutzen, können die Positionen 308A, 310A und 312A jedoch korrigiert werden.
In einem Beispiel kann ein Anker an der Position 308 bestimmt werden, wenn die Kollektorvorrichtung 100 in der Lage ist, ein GPS-Signal zu empfangen und eine GPS-Positionsfixierung durchzuführen. Aus verschiedenen Gründen kann GPS jedoch nicht immer verfügbar oder genau sein. Zum Beispiel können sich in einer städtischen Umgebung Mehrfachwege auf die Genauigkeit einer GPS-Messung auswirken.
An der Position 310 kann die Kollektorvorrichtung 100 jedoch in ausreichende Nähe des Zugangspunkts 320 kommen, um die Zugangspunktidentifikation zu bestimmen. Die Identifikation des Zugangspunkts kann angeben, dass er ein Unternehmen ist, wie beispielsweise ein Schnellrestaurant. Diese Identifikationsinformationen sowie empfangene HF-Signalinformationen können zum Server 103 gesendet werden. Da der Ort des Schnellrestaurants auf einer Karte oder in einem Telefonbuch gefunden werden kann, kann der Server 103 den Ort des Zugangspunkts 320 als einen absoluten Anker setzen. Während sich das Fahrzeug weiter auf dem Pfad 306 bewegt, kann es sich der Straßengebühren-Erhebestation 350 an der Position 312 nähern. An der Position 312 kann eine Straßengebühren-Erhebestation einen Rüttelstreifen auf der Straße aufweisen, der von einem Beschleunigungsmesser in der Kollektorvorrichtung 100 detektiert würde. Die Kollektorvorrichtung 100 kann dann bestimmen, dass sie sich an der Straßengebühren-Erhebestation 350 befindet, die einen Ort auf der Karte aufweist, der dem Server 103 bekannt ist. Somit kann die Straßengebühren-Erhebestation 350 auch als absoluter Anker benutzt werden.
In diesem Beispiel kann die Kollektorvorrichtung 100 drei absolute Anker besitzen, die sie detektiert hat (Anker 308 basiert auf einer GPS-Fixierung, dem Zugangspunkt 320, der ein bekannter Ort eines Schnellrestaurants ist, und der Straßengebühren-Erhebestation 350, die einen bekannten Ort auf der Karte aufweist). Diese Anker erlauben es dem Server 103, die Position der Zugangspunkte 316 und 318 auch dann besser zu schätzen, falls die Zugangspunkte Wi-Fi-Übertragungen aus privaten Wohnungen mit unbekannten Kartenorten sind. Auf der Basis der genauen Schätzung der Zugangspunkte 316, 318 und 320 (die vom Server 103 gesendet werden), ist der Kollektor in der Lage, die Trajektorie 306A zu einer genaueren Trajektorie 306 zu korrigieren (308A wird zu 308 korrigiert, 310A wird zu 310 korrigiert und 312A wird zu 312 korrigiert).
Ähnlich wie bei dem Innenbeispiel kann der Server 103 auch außen einen Mustervergleich durchführen. Falls zum Beispiel 306A die geschätzte Trajektorie des Fahrzeugs ist, kann das System die Trajektorie 306A mit einer möglichen Trajektorie 306 auf die Straße korrelieren. Da der Server 103 weiß, dass sich die Kollektorvorrichtung 100 in einem Fahrzeug bewegt (d. h. Benutzerkontextdaten), schätzt er, dass die Trajektorie wahrscheinlich auf der Straße sein sollte. Da die Korrelation zwischen den Trajektorien 306A und 306 relativ hoch ist, wird eine Übereinstimmung bestimmt und die Trajektorie auf die richtige Straße verlegt.
Im Allgemeinen weisen die Kartendaten sowohl in den Innen- als auch in den Außenbeispielen (d. h. die Bauzeichnungen der Gebäude, die Straßenkarten usw.) verschiedene Orientierungspunkte mit bekannten Orten auf. Falls die Kollektorvorrichtung 100 in der Lage ist, diese verschiedenen Orientierungspunkte unter Verwendung interner Sensoren oder eines Senders/Empfängers zu identifizieren, ist der Server 103 in der Lage, einen absoluten Anker zu bilden. Der absolute Anker kann dann vom Server 103 benutzt werden, um die geschätzten Orte der Zugangspunkte zu korrigieren, die dann letztendlich verwendet werden, um den geschätzten Ort der Kollektorvorrichtung 100 zu korrigieren.
Obwohl hier die Erfindung mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wird, soll die Erfindung nicht auf die gezeigten Einzelheiten beschränkt werden. Stattdessen können verschiedene Modifikationen an den Einzelheiten innerhalb des Gebiets und Umfangs von Äquivalenten der Ansprüche vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11 [0029]

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Orten mehrerer Hochfrequenz- bzw. HF-Signalquellen, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen von HF-Signalen durch eine Kollektorvorrichtung aus den HF-Signalquellen; Bestimmen der Orte der HF-Signalquellen durch eine Servervorrichtung auf der Basis der empfangenen HF-Signale, die durch die Kollektorvorrichtung empfangen werden; Bestimmen eines Ankers durch die Servervorrichtung, der einen durch Kartendaten identifizierten absoluten Ort aufweist; und Justieren der bestimmten Orte der HF-Signalquellen durch die Servervorrichtung auf der Basis des Ankers.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die HF-Signalquellen die HF-Signale von Innenorten aus senden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die HF-Signalquellen die HF-Signale von Außenorten aus senden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kollektorvorrichtung den Anker auf der Basis von Umweltmessungen identifiziert, die von in der Kollektorvorrichtung enthaltenen Sensoren gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend Bestimmen von Umwelt-Kontextinformationen durch die Servervorrichtung, die angeben, dass sich die Kollektorvorrichtung innen oder außen befindet; und Bestimmen von Benutzerkontextinformationen durch die Servervorrichtung, die einen Bewegungsmodus der Kollektorvorrichtung angeben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Orte der HF-Signalquellen durch Berechnen von Maximum-Likelihood-Orten auf der Basis der Orte der HF-Signalquellen und des absoluten Orts des Ankers justiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kollektorvorrichtung einen Ort der Kollektorvorrichtung auf der Basis der justierten Orte der HF-Signalquellen, die vom Server empfangen werden, berechnet.
Kollektorvorrichtung zum Bestimmen von Orten mehrerer Hochfrequenz- bzw. HF-Signalquellen, wobei die Kollektorvorrichtung umfasst: einen HF-Empfänger zum Empfangen von HF-Signalen aus den HF-Signalquellen; einen HF-Sender zum Senden von Messungen der empfangenen HF-Signale zu einer Servervorrichtung; wobei die Kollektorvorrichtung justierte Orte der HF-Signalquellen aus der Servervorrichtung empfängt, der Server die Orte der HF-Signalquellen auf der Basis der empfangenen HF-Signale bestimmt, einen Anker, der einen durch Kartendaten identifizierten absoluten Ort aufweist, bestimmt und die justierten Orte der HF-Signalquellen auf der Basis des Ankers bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die HF-Signalquellen drahtlose Zugangspunkte sind, die sich in einem Gebäude befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die HF-Signalquellen HF-Sender sind, die sich außen befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, umfassend: Sensoren zum Detektieren des Ankers auf der Basis von Umweltmessungen, wobei die Sensoren wenigstens eine der Alternativen: Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Schrittmesser, Barometer, Magnetometer, Mikrofon und Kamera umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Kollektorvorrichtung Signale aus den Sensoren verwendet, um wenigstens eine der Alternativen: der Benutzer befindet sich in einem Aufzug, auf einer Treppe, in der Nähe eines Fensters eines Gebäudes und in einem auf einer Straße fahrenden Fahrzeug zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Servervorrichtung die Orte der HF-Signalquellen und des Ankers auf der Basis von Daten bestimmt, die von anderen Kollektorvorrichtungen gesammelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Kollektorvorrichtung auf der Basis der justierten Orte der HF-Signalquellen einen Ort der Kollektorvorrichtung berechnet.
Verfahren zum Bestimmen von Orten einer Kollektorvorrichtung auf der Basis mehrerer Hochfrequenz- bzw. HF-Signalquellen, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen von HF-Signalen durch eine Kollektorvorrichtung aus den HF-Signalquellen; Bestimmen der Orte der HF-Signalquellen auf der Basis der empfangenen HF-Signale; Bestimmen einer Trajektorie der Kollektorvorrichtung, die mehrere Orte der Kollektorvorrichtung umfasst, die über einen Zeitraum auf der Basis der bestimmten Orte der HF-Signalquellen bestimmt werden; Vergleichen der Trajektorie mit einer Trajektorie, die mit Kartendaten assoziiert ist; und Justieren der Orte der HF-Signalquellen auf der Basis der mit den Kartendaten assoziierten Trajektorie.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die mit den Kartendaten assoziierte Trajektorie auf der Basis einer Bauzeichnung des Inneren eines Gebäudes, worin sich die HF-Signalquellen und die Kollektorvorrichtung befinden, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die mit den Kartendaten assoziierte Trajektorie auf der Basis einer Karte wahrscheinlicher Straßen in der Nähe des Orts der Kollektorvorrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend: Mitteln der Trajektorie der Kollektorvorrichtung und anderer Trajektorien anderer Kollektorvorrichtungen; und Vergleichen der mittleren Trajektorie mit einer Trajektorie, die mit Kartendaten assoziiert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Trajektorie und die mit den Kartendaten assoziierte Trajektorie eine zweidimensionale Außentrajektorie und/oder eine dreidimensionale Innentrajektorie ist.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend Korrelieren der Trajektorie der Kollektorvorrichtung mit der mit den Kartendaten assoziierten Trajektorie, um eine Übereinstimmung zu bestimmen.