DE102016104547A1

DE102016104547A1 - Systeme und Verfahren zum Auflösen von Positionsmehrdeutigkeiten unter Verwenden von Zugriffspunktinformationen

Info

Publication number: DE102016104547A1
Application number: DE102016104547.0A
Authority: DE
Inventors: Shuqing Zeng; Fan Bai; Upali Priyantha Mudalige
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2036-03-12
Also published as: DE102016104547B4; CN105974454A; US9781569B2; US20160269867A1; CN105974454B

Abstract

Ein Positionsbestimmungsverfahren umfasst das Erhalten von Positionsdaten des Global Positioning Systems (GPS), welche mit einer mobilen Plattform assoziiert sind, von einer Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann. Es wird ein Satz von drahtlosen Abstandsmessungen, die mit der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind, erhalten. Das Verfahren umfasst ferner ein Empfangen von drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind, durch einen Server, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist. Eine korrigierte Position der mobilen Plattform wird basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten bestimmt.

Description

Technisches Gebiet
Das technische Gebiet betrifft im Allgemeinen mobile Plattformen. Das technische Gebiet betrifft insbesondere Systeme und Verfahren zum Korrigieren von Positionsdaten dieser mobilen Plattformen, wenn Mehrdeutigkeiten gegeben sind.
Hintergrund
In den letzten Jahren ist die Verwendung von mobilen Plattformen, welche sowohl drahtlose Netzwerkfunktionalitäten (z. B. WiFi) als auch Funktionalitäten des Global Positioning Systems (GPS) umfassen, angestiegen. Solche mobilen Plattformen umfassen beispielsweise mobile Computergeräte, wie etwa Laptop-Computer, Tablet-Computer, Smartphones usw. und Transportsysteme, wie etwa Kraftfahrzeuge, Busse, Motorräder, Züge, Schiffe, Luftfahrzeuge, Drehflügel-Flugzeuge und dergleichen.
Unter den meisten Bedingungen sind die aktuellen GPS-Systeme in der Lage, schnell sehr genaue Positionsbestimmungsdaten bereitzustellen. Unter suboptimalen Bedingungen könnte es jedoch sein, dass die GPS-Systeme mehrdeutige Daten bereitstellen, z. B. in dem Fall, dass sich die mobile Plattform in einer Position befindet, in der die optimale Anzahl von GPS-Satelliten für die mobile Plattform vielleicht nicht zu beobachten ist, wie etwa in einer Schlucht, einem Tunnel, einem Parkhaus usw.
Entsprechend ist es wünschenswert, robustere Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Position einer mobilen Plattform mit Bezug auf ihre Umgebung bereitzustellen, falls die GPS-Positionsbestimmungsdaten mehrdeutig sind. Zusätzliche wünschenswerte Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen hervorgehen, wenn sie in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet und dem Hintergrund gesehen werden.
Zusammenfassung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Positionsbestimmungsverfahren das Erhalten von GPS-Positionsdaten, welche mit einer mobilen Plattform assoziiert sind, von einer Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann. Es wird ein Satz von drahtlosen Abstandsmessungen, welche mit der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, die mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind, empfangen (z. B. anhand von Laufzeitmessungen). Die drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind, werden von einem Server empfangen, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist. Eine korrigierte Position der mobilen Plattform wird basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten bestimmt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Positionsbestimmungsmodul für eine mobile Plattform einen Prozessor und einen Speicher. Der Speicher ist derart konfiguriert, dass er Software-Anweisungen speichert, welche, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum: Erhalten eines Satzes von drahtlosen Abstandsmessungen, welche mit der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind; Empfangen von einem Server, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist, von drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind; und Bestimmen einer korrigierten Position der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Ausführungsbeispiele werden nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Zahlen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Positionsbestimmungssystems gemäß diversen Ausführungsbeispielen ist;
2 ein schematisches Blockdiagramm eines Positionsbestimmungsmoduls gemäß diversen Ausführungsbeispielen ist;
3 ein Ablaufschema, welches ein Positionsbestimmungsverfahren gemäß diversen Ausführungsbeispielen abbildet ist; und
4 ein Ablaufschema, welches ein Positionsvorhersageverfahren gemäß diversen Ausführungsbeispielen abbildet, ist.
Ausführliche Beschreibung
Der hier beschriebene Gegenstand betrifft im Allgemeinen Systeme und Verfahren zum Korrigieren oder anderweitigen Reduzieren der Mehrdeutigkeit von GPS-Positionsdaten (z. B. für den Fall, dass die GPS-Satellitenabdeckung suboptimal ist) unter Verwenden von Informationen, welche für die Position von Funknetzwerken, wie etwa WiFi-Zugriffspunkten, in der Nähe der mobilen Plattform verfügbar sind. Wie er hier verwendet wird, umfasst der Begriff ”mobile Plattform” mobile Computergeräte, wie etwa Laptop-Computer, Tablet-Computer, Smartphones usw., und Transportsysteme, wie etwa Kraftfahrzeuge, Busse, Motorräder, Züge, Schiffe, Luftfahrzeuge, Drehflügel-Flugzeuge und dergleichen. Die Daten über die Positionen von jeweiligen Zugriffspunkten werden auf einem Remote-Server (z. B. in der ”Cloud”) gespeichert und bei Bedarf von der mobilen Plattform abgefragt und empfangen. Diese Informationen über die Position(en) von bekannten Zugriffspunkten, AP, werden dann mit den GPS-Positionsdaten ”fusioniert”, um eine genauere Schätzung der Position zu erreichen.
Die nachstehende ausführliche Beschreibung ist rein beispielhafter Art und nicht dazu bestimmt, die Anwendung und Verwendungen einzuschränken. Ferner ist es nicht beabsichtigt, durch eine ausgedrückte oder bedingte Theorie gebunden zu sein, welche in dem vorstehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzdarstellung oder der nachstehenden ausführlichen Beschreibung vorgelegt wird. Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff ”Modul” auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (geteilt, dediziert oder als Gruppe) und/oder einen Speicher, welcher eines oder mehrere von Software- oder Firmware-Programmen ausführt, eine kombinatorische logische Schaltung und/oder andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktion bereitstellen.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können hier im Hinblick auf funktionelle und/oder logische Blockkomponenten und diverse Verarbeitungsschritte beschrieben werden. Es versteht sich, dass diese Blockkomponenten durch eine beliebige Anzahl von Hardware-, Software- und/oder Firmware-Komponenten ausgebildet sein können, welche derart konfiguriert sind, dass sie die vorgegebenen Funktionen ausführen. Beispielsweise kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung diverse integrierte Schaltungskomponenten verwenden, z. B. Speicherelemente, digitale Signalverarbeitungselemente, logische Elemente, Suchtabellen oder dergleichen, welche diverse Funktionen unter der Kontrolle eines oder mehrerer Mikroprozessoren oder anderer Steuergeräte ausführen können. Zusätzlich wird der Fachmann verstehen, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung zusammen mit einer beliebigen Anzahl von mobilen Plattformen in die Praxis umgesetzt werden können, und dass die hier beschriebene mobile Plattform nur ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist.
Der Kürze halber werden hier herkömmliche Techniken mit Bezug auf Signalverarbeitung, Datenübertragung, Signalisierung, Steuerung und andere Funktionsaspekte der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) eventuell nicht ausführlich beschrieben. Ferner sind die Verbindungslinien, welche in den diversen hier enthaltenen Figuren gezeigt werden, dazu gedacht, beispielhafte Funktionsbeziehungen und/oder physische Kopplungen zwischen den diversen Elementen darzustellen. Es sei zu beachten, dass viele alternative oder zusätzliche Funktionsbeziehungen oder physische Verbindungen bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung vorhanden sein können.
Mit Bezug auf 1 umfasst ein Positionsbestimmungssystem 100 im Allgemeinen eine mobile Plattform 160, welche mit (z. B. in Reichweite von) einem oder mehreren drahtlosen Zugriffspunkten (AP) 141 und 142 in Verbindung steht. Derartige mobile Plattformen 160 umfassen beispielsweise mobile Computergeräte, wie etwa Laptop-Computer, Tablet-Computer, Smartphones usw., und Transportsysteme, wie etwa Kraftfahrzeuge, Busse, Motorräder, Züge, Schiffe, Luftfahrzeuge, Drehflügel-Flugzeuge und dergleichen. Die punktierten Linien 151 und 152 bezeichnen jeweils die Distanz oder ”Abstand” von der mobilen Plattform 160 zu den AP 141 und 142. Die mobile Plattform 160 ist auch in der Lage, unter Verwenden eines oder mehrerer Positionsbestimmungssatelliten (z. B. GPS-Satelliten) 101, 102 und 103 mit der Umgebung 110 zu kommunizieren und seine diesbezügliche Position zu bestimmen. Die punktierten Linien 111, 112 und 113 bezeichnen die Distanzen (bzw. ”Abstände”) von der mobilen Plattform 160 jeweils zu den GPS-Satelliten 101, 102 und 103. Die mobile Plattform 160 ist ferner derart konfiguriert, dass sie mit einem Backend-Server (bzw. einfach ”Server”) 192 über ein Netzwerk 190 kommuniziert.
Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, umfasst der Server 192 eine Datenbank 194, welche derart konfiguriert ist, dass sie Positionsdaten 195 speichert, welche mit den AP 141 und 142 assoziiert sind. Diese Daten können verschiedene Formen annehmen, umfassen jedoch bei einem Ausführungsbeispiel eine Liste von AP (indiziert durch die einzigartige MAC-Adresse jedes AP) zusammen mit den geografischen Positionen dieser AP in einem geeigneten Koordinatenrahmen (z. B. einem ECEF-Koordinatenrahmen). D. h. der Server 192 kennt im Voraus und innerhalb eines gewissen annehmbaren Genauigkeitsbereichs die Positionen der AP 141 und 142 innerhalb der Umgebung 110. Unter Verwenden dieser Daten in Verbindung mit anderen verfügbaren Informationen ist ein Positionsbestimmungs-Fusionsmodul (bzw. einfach ”Modul”) 170 innerhalb der mobilen Plattform 160 derart konfiguriert, dass es eine ”korrigierte” Position der mobilen Plattform 170 bestimmt, wenn die Positionsdaten, welche von den Satelliten 101, 102 und 103 erhalten wurden, mehrdeutig sind (z. B. wenn die mobile Plattform 160 weniger als vier dieser Satelliten beobachten kann). Die Daten 195 können verschiedenartig eingepflegt werden. Beispielsweise können die Daten 195 adaptiv eingepflegt werden und basierend auf GPS-Daten, welche gleichzeitig mit Abstandsdaten von mehreren mobilen Plattformen 160 empfangen werden, während diese mobilen Plattformen die AP 141 und 142 passieren und mit ihnen interagieren, im Verlauf der Zeit verbessert werden. D. h. die Daten 195 können von mehreren mobilen Plattformen 160 durch ”crowdsourcing” erhalten werden.
Die drahtlosen Zugriffspunkte 141 und 142 können als eine beliebige Form von Netzwerkkomponente umgesetzt werden, welche derart konfiguriert ist, dass sie einen drahtlosen Zugriff auf ein Netzwerk ermöglicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die AP 141 und 142 als Zugriffspunkte umgesetzt, welche der Normenfamilie IEEE 802.11 entsprechen (z. B. WiFi). Bei einem Ausführungsbeispiel werden die drahtlosen Zugriffspunkte 141 und 142 als das umgesetzt, was man häufig als einen WiFi-AP der nächsten Generation (”next-gen”) bezeichnet, welcher die Fähigkeit umfasst, eine Abstandsmessung unter Verwenden von Laufzeittechniken, wie in der Norm IEEE 802.11v dargelegt, zu bestimmen. D. h. die mobile Plattform 160 ist derart konfiguriert, dass sie die Abstände 151 und 152 basierend auf der Zeit bestimmt, welche die Signale benötigen, um zwischen der mobilen Plattform 160 und den AP 141 und 142 als Echo hin und her zulaufen.
Im Allgemeinen strahlen die GPS-Satelliten 101 bis 103 Hochfrequenzsignale aus, welche es den GPS-Empfängern (z. B. der mobilen Plattform 160) auf oder nahe an der Erdoberfläche (in der Umgebung 110) erlauben, ihren Standort sowie einen synchronisierten Zeitwert zu bestimmen. Wie in der Technik bekannt, umfassen GPS-Signale im Allgemeinen Telemetriesignale, welche dazu verwendet werden, den Abstand (111 bis 113) zu den jeweiligen Satelliten (101 bis 103) zu messen, sowie diverse Navigationsnachrichten. Die Navigationsnachrichten umfassen beispielsweise Ephemeridendaten (welche verwendet werden, um die Position jedes einzelnen Satelliten 101 bis 103, welcher sich in einer Umlaufbahn befindet, zu berechnen) und Informationen über die Zeit und den Zustand der gesamten Satellitenkonstellation, d. h. den ”Almanach”. Im Allgemeinen werden diese Informationen hier insgesamt als ”GPS-Positionsdaten” bezeichnet. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die GPS-Positionsdaten mit Bezug auf ein erdzentriertes, erdgebundenes (ECEF) Koordinatenrahmen bereitgestellt, wie in der Technik bekannt ist.
Obwohl 1 drei Satelliten 101 bis 103 abbildet, versteht sich, dass die mobile Plattform 160 je nach Bedingungen eine größere oder kleinere Anzahl dieser Satelliten beobachten kann. Obwohl es im Allgemeinen wünschenswert ist, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens vier GPS-Satelliten zu beobachten sind (um angemessen genaue Positionsdaten bereitzustellen), ist es bei Umgebungen mit Straßenschluchten und dergleichen nicht ungewöhnlich, dass nur zwei oder drei Satelliten zu beobachten sind. Wie zuvor erwähnt, können unter solchen Bedingungen die Positionsdaten, welche von den Satelliten 101 bis 103 abgeleitet werden, mehrdeutig sein. In solchen Fällen kann es jedoch viele AP innerhalb einer Reichweite einer mobilen Plattform 160 geben (z. B. innerhalb eines Stadtviertels mit einer dichten Konzentration von Zugriffspunkten).
Nun wird mit Bezug auf 2 in Verbindung mit 1 ein ausführlicheres Blockdiagramm des Positionsbestimmungsmoduls 170 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Im Allgemeinen umfasst das Modul 170 einen Prozessor 202 (z. B. einen Mikroprozessor, einen Mikro-Controller usw.), eine Speicherkomponente 204 (z. B. RAM, ROM usw.) und eine Datenablagekomponente 206 (z. B. einen Festkörperlaufwerk (SSD), eine herkömmliche Festplatte oder dergleichen). Der Prozessor 202 ist derart konfiguriert, dass er Software-Anweisungen ausführt, welche in der Datenablagekomponente 204 abgelegt sind, um die hier beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Im Allgemeinen ist das Modul 170 generell derart konfiguriert, dass es basierend auf diversen Eingaben ”korrigierte” (z. B. genauere) Positionsdaten 215 bereitstellt.
Bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel empfängt das Modul 170 GPS-Positionsdaten 211, welche beispielsweise Pseudoabstandsdaten, Doppler-Daten, Trägerphaseninformationen und Ephemeridendaten entsprechen, welche von den Satelliten 101 bis 103 abgeleitet werden. Das Modul 170 empfängt die Daten 210, die diversen dynamischen Eigenschaften der mobilen Plattform 160 entsprechen (z. B. Geschwindigkeit, Gierrate usw.), welche von einer Trägheitsmesseinheit (IMU) (nicht gezeigt) oder dergleichen, welche in die mobile Plattform 160 integriert ist, bestimmt werden können. Die Daten 210 können auch Signale von diversen zusätzlichen Sensorgeräten umfassen, welche beispielsweise Video-, LIDAR-, Radar- und Ultraschallsignale bereitstellen, welche mit der mobilen Plattform 160 assoziiert sind.
Das Modul 170 empfängt ferner drahtlose Positionsdaten (z. B. Daten 195, welche auf dem Server 192 abgelegt sind), welche die Position der AP 141 und 142 innerhalb der Umgebung 110 kennzeichnen. Schließlich empfängt das Modul 170 Abstandsdaten (die beispielsweise anhand von Laufzeitechotechniken bestimmt werden), welche jeweils den Abstände 151 und 152 von der mobilen Plattform 160 zu den AP 141 und 142 entsprechen.
Somit wurde ein Überblick über ein Positionsbestimmungssystem 100 und ein Positionsbestimmungs-Fusionsmodul 170 Gemäß einem Ausführungsbeispiel gegeben. 3 ist ein Ablaufschema, welches ein Positionsbestimmungsverfahren 300 gemäß diversen Ausführungsbeispielen abbildet, und wird ohne Verlust an Allgemeingültigkeit in Verbindung mit dem in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zunächst erhält das Modul 170 bei 302 GPS-Positionsdaten (211), welche mit der mobilen Plattform 160 assoziiert sind, von den GPS-Satelliten (101 bis 103), welche die mobile Plattform 160 beobachten kann. Dies kann regelmäßig erfolgen, oder nur wenn die Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann, kleiner als eine vorbestimmte Anzahl (z. B. vier) von GPS-Satelliten ist.
Anschließend erhält das Modul 170 bei 304 (z. B. anhand von Laufzeitmessungen) einen Satz von drahtlosen Abstandsmessungen (213), welche mit der mobilen Plattform 160 und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten (z. B. 141, 142), welche mit der mobilen Plattform 160 in Verbindung stehen, assoziiert sind. In dieser Hinsicht steht die mobile Plattform 160 insofern ”in Verbindung mit” den AP 141, 142, dass die Verbindung (z. B. Empfang von Bakensignalen, Einleitung des Verknüpfungsprozesses) ausreicht, um die Messung der Abstände 151 und 152 zu erlauben. Die mobile Plattform 160 muss nicht unbedingt mit den AP 141, 142 assoziiert sein. Gemäß diversen Ausführungsbeispielen wird eine drahtlose Abstandsmessung (wie etwa die drahtlose Abstandsmessung 213) anhand von Laufzeitmessungen der hin und her Kommunikation zwischen zwei Knoten A und B (die beispielsweise jeweils der mobilen Plattform 160 und dem drahtlosen Zugriffspunkt 141 entsprechen könnten) wie folgt bestimmt: es sei t0 der Zeitpunkt, an dem der Knoten A ein Paket (d. h. ein Datenpaket, wie es in der Technik bekannt ist) an den Knoten B (am Knoten A gemessen) sendet, es sei t1 der Zeitpunkt, an dem der Knoten B dieses Paket von dem Knoten A (am Knoten B gemessen) empfängt, es sei t2 der Zeitpunkt, an dem der Knoten B das Paket an den Knoten A (am Knoten B gemessen) sendet, und es sei t3 der Zeitpunkt, an dem der Knoten A das Paket von dem Knoten B (am Knoten A gemessen) empfängt. Die Laufzeit wird dann als die Hälfte der Umlaufzeit des Pakets (t3 – t0) abzüglich des Intervalls zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Knoten B das Paket (t2 – t1) empfangen und gesendet hat, berechnet. D. h. Laufzeit = ((t3 – t0) – (t2 – t1))/2.
Dann empfängt die mobile Plattform 160 bei 306 von dem Server 192 die drahtlosen Positionsdaten 212, welche mit den drahtlosen Zugriffspunkten 141 und 142 assoziiert sind. Diese Daten können diverse Formen annehmen, umfassen jedoch bei einem Ausführungsbeispiel eine Liste von AP (indiziert durch die einzigartige MAC-Adresse jedes AP) zusammen mit geografischen Positionen derer AP, welche sich in einem geeigneten Koordinatenrahmen (z. B. einem ECEF-Koordinatenrahmen) befinden. Der Empfang der Daten 213 kann sich daraus ergeben, dass das Modul 170 den Server 192 nach den Koordinaten der AP 141 und 142 (einer Teilmenge der Daten 195) basierend auf den MAC-Adressen, welche von der mobilen Plattform 160 bestimmt werden, befragt. Die Daten 195 können als eine beliebige praktische Datenstruktur gespeichert werden und können diverse andere Informationen umfassen, wie etwa eine statistische Messung (z. B. Vertrauensintervall und Kovarianzmatrix), welche mit der werdenden AP-Position assoziiert sind. Eine beliebige geeignete Datenstruktur und/oder Datenbank kann bzw. können verwendet werden, um drahtlose Positionsdaten 212 zu speichern.
Die Daten 195 können unterschiedlich eingepflegt werden. Beispielsweise können die Daten 195 adaptiv eingepflegt und basierend auf den GPS-Daten, welche gleichzeitig mit den Abstandsdaten von mehreren mobilen Plattformen 160, wie etwa den mobilen Plattformen, welche an den AP 141 und 142 vorbeigehen und damit interagieren, empfangen werden, im Verlauf der Zeit verbessert werden. D. h. die Daten 195 können von mehreren mobilen Plattformen 160 ”schwarmausgelagert” werden. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt und ist auf ein beliebiges Positionsbestimmungssystem 100 anwendbar, welches drahtlose Positionsinformationen 212 verwendet, wie zuvor beschrieben, und zwar unabhängig davon, wie die Daten 195 erzeugt werden.
Als Nächstes bestimmt das Modul 170 bei 308 eine korrigierte Position 215 der mobilen Plattform 160 basierend auf den drahtlosen Positionsdaten 212, den drahtlosen Abstandsmessungen 213 und den GPS-Positionsdaten 211. Die Module 170 können auch dynamische Daten 210 verwenden, um die Korrektur weiter zu verfeinern und einen Kurs und/oder eine Geschwindigkeit der mobilen Plattform 160 zu bestimmen.
Das Bestimmen der korrigierten Position kann unterschiedlich erreicht werden, umfasst jedoch im Allgemeinen das ”Fusionieren” und Integrieren der Kenntnisse über die Position der mobilen Plattform 160 angesichts der (möglicherweise mehrdeutigen) Informationen von den Satelliten 101 bis 103 und den möglicherweise genaueren Daten von den AP 141 und 142. Beispielsweise können die Abstandsdaten 151 und 152 zusammen mit den Positionsinformationen 212 stärker gewichtet werden, wenn sie zusammen mit den GPS-Positionsdaten 211 gemittelt werden, um eine korrigierte Position 215 zu bestimmen.
Nachdem somit ein Überblick über ein Positionsbestimmungssystem und ein dazugehöriges Verfahren gegeben wurde, wird nun eine ausführliche Beschreibung eines beispielhaften Verfahrens, bei dem das Positionsfusionsmodul 170 die korrigierte Position bestimmen kann (den korrigierten Kurs und/oder die korrigierte Geschwindigkeit der mobilen Plattform 160), in Verbindung mit 4 und 1 dargelegt. Kurz gesagt legen die folgenden Gleichungen einen iterativen Algorithmus dar, welcher auf der Schätzungstheorie basiert.
Zunächst wird bei 402 die vorhergesagte Position der mobilen Plattform 160 als p ~ = (X ~, Y ~, Z ~) gegeben, was den X-, Y- und Z-Koordinaten (z. B. im ECEF-Koordinatenrahmen) innerhalb der Umgebung 110 entspricht. Die Gleichungen für die unbekannte Position p der mobilen Plattform 160, welche die GPS-Empfängeruhrabweichung T umfassen, sind dann folgendermaßen gegeben:
wobei X, Y und Z die Koordinaten der Position p; X(s_i), Y(s_i) sind, und Z(s_i) die Koordinaten der Position des Satelliten s_i (101, 102 usw.) sind; X(w_k), Y(w_k) und Z(w_k) die Koordinaten der Position des WiFi-AP w_k (z. B. 141, 142) sind; ρ(s_i) und ρ(w_k) die gemessenen Abstände (z. B. 151, 152) jeweils zwischen der mobilen Plattform 160 und dem Satelliten s_i und dem WiFi-AP w_k sind; und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist.
Für die Satelliten i = 1, 2, 3 (was beispielsweise 101 bis 103 entspricht) und die WiFi-AP 141 und 142k = a, b; v_i und v_k sind Weißrauschterme. Das Linearisieren der Messgleichungen (1) und (2) in der Nähe von p ~ ergibt:
Die Gleichung (1) kann folgendermaßen genähert werden:
und die Gleichung (2) kann folgendermaßen genähert werden:
Ferner können die Gleichungen (5) und (6) kombiniert werden und wie folgt als eine Gleichheit in Matrixform ausgedrückt werden:
Die Schreibweise der Gleichung (7) in Form von Matrixoperationen ergibt: Hp = o + Hp ~ + v (8) wobei v ein Weißrauschterm ist. Ohne Verlust an Allgemeingültigkeit kann man davon ausgehen, dass v mittelwertfrei mit einer Identitätskovarianzmatrix ist. Falls v eine mittelwertfreie Gaußsche Verteilung oder v ~ N(0, R) ist, kann man beide Seiten mit dem Cholesky-Faktor des Kehrwerts von R multiplizieren, um eine Messgleichung mit einer Identitätskovarianzmatrix abzuleiten.
Vorausgesetzt die vorhergesagte Position p ~ liegt in der Form einer Gaußschen Verteilung N(μ ~, Σ ~) oder eines Informations-Arrays vor: (vorherig) p ~ [R ~, z ~], wobei R ~^TR ~ = Σ ~^–1, R ~μ ~ = z ~, kann bei 406 die Matrix
erstellt werden und die QR-Zerlegung derart angewendet werden, dass die obere Dreiecksmatrix mit
geschrieben werden kann. Bei 408 kann die korrigierte Position p ^ = R ^^–1z ^ mit der nachfolgenden Verteilung p ~ [R ^, z ^] dann bereitgestellt werden (was 215 in 2 entspricht).
Vorausgesetzt die dynamische Gleichung p ~ = f(p ^, v) + w der mobilen Plattform, wobei p ^ die vorhergehende korrigierte Position zum Zeitpunkt t ist, ist v ein Geschwindigkeitsvektor der mobilen Plattform, w ist ein mittelwertfreier Gaußscher Rauschvektor mit Einheitskovarianz, und p ~ ist die vorhergesagte Position der mobilen Plattform zum Zeitpunkt t + Δt. Die obige nicht lineare dynamische Gleichung kann (bei 410) innerhalb der Nähe von p ^ als Fp ~ + Gp ^ = u + w linearisiert werden.
Durch das Erstellen bei 412 der Matrix
und das Anwenden der QR-Zerlegung kann man die obere Dreiecksmatrix
erzielen. Die vorhergesagte Position zum Zeitpunkt t + Δt ist dann p ~ = R ~^–1z ~ mit einer Verteilung von p ~ [R ~, z ~. Nun ist die vorhergesagte (vorige) Verteilung fertig zum Ableiten der nachfolgenden Verteilung bei der Ankunft von neuen Messungen (die beispielsweise 302 bis 304 aus 3 entsprechen).
Beispiele
Beispiel 1. Ein Positionsbestimmungsverfahren, umfassend folgende Schritte:
Erhalten von Positionsdaten des Global Positioning Systems (GPS), welche mit einer mobilen Plattform assoziiert sind, von einer Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann;
Erhalten eines Satzes von drahtlosen Abstandsmessungen, welche mit der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind;
Empfangen von einem Server, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist, von drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind; und
Bestimmen einer korrigierten Position der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Beispiel 2. Das Verfahren nach Beispiel 1, wobei das Erhalten der drahtlosen Abstandsmessungen das Bestimmen eines Abstands von der mobilen Plattform zu jedem von der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten unter Verwenden von WiFi-Laufzeitmessinformationen, welche von den drahtlosen Zugriffspunkten bereitgestellt werden, umfasst.
Beispiel 3. Das Verfahren nach Beispiel 1 oder 2, wobei die korrigierte Position bestimmt wird, wenn die Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann, kleiner als vier GPS-Satelliten ist.
Beispiel 4. Das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei die mobile Plattform ein Kraftfahrzeug ist.
Beispiel 5. Das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 4, umfassend das Bestimmen der korrigierten Position basierend auf einer Gierrate und einer Geschwindigkeit der mobilen Plattform.
Beispiel 6. Das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 5, ferner umfassend das Bestimmen eines korrigierten Kurses und einer Geschwindigkeit der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Beispiel 7. Das Verfahren nach einem der Beispiele 1 bis 6, wobei die korrigierte Position auf einer vorhergesagten Position und einer nachfolgenden Verteilung, welche mit der vorhergesagten Position assoziiert ist, basiert.
Beispiel 8. Ein Positionsbestimmungsmodul für eine mobile Plattform, wobei das Positionsbestimmungsmodul Folgendes umfasst:
einen Prozessor;
einen Speicher, welcher derart konfiguriert ist, dass er Software-Anweisungen speichert, welche, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum:
Erhalten eines Satzes von drahtlosen Abstandsmessungen, welche mit der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind;
Empfangen von einem Server, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist, von drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind; und
Bestimmen einer korrigierten Position der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Beispiel 9. Das Positionsbestimmungsmodul nach Beispiel 8, wobei ein Abstand von der mobilen Plattform zu jedem von der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten unter Verwenden von WiFi-Laufzeitmessinformationen, welche von den drahtlosen Zugriffspunkten bereitgestellt werden, bestimmt wird.
Beispiel 10. Das Positionsbestimmungsmodul nach Beispiel 8 oder 9, wobei die korrigierte Position basierend auf der Anzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann, bestimmt wird.
Beispiel 11. Das Positionsbestimmungsmodul nach einem der Beispiele 8 bis 10, wobei das Positionsbestimmungsmodul derart konfiguriert ist, dass es in einem Transportsystem integriert ist.
Beispiel 12. Das Positionsbestimmungsmodul nach einem der Beispiele 8 bis 11, wobei die Software-Anweisungen ferner den Prozessor dazu veranlassen, die korrigierte Position basierend auf einer Gierrate und einer Geschwindigkeit der mobilen Plattform zu bestimmen.
Beispiel 13. Das Positionsbestimmungsmodul nach einem der Beispiele 8 bis 12, wobei die Software-Anweisungen ferner den Prozessor dazu veranlassen, einen korrigierten Kurs und eine Geschwindigkeit der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten zu bestimmen.
Beispiel 14. Das Positionsbestimmungsmodul nach einem der Beispiele 8 bis 13, wobei die korrigierte Position auf einer vorhergesagten Position und einer damit assoziierten nachfolgenden Verteilung basiert.
Beispiel 15. Ein Fahrzeug, umfassend:
eine Netzwerkschnittstelle, die kommunikativ mit einem Server gekoppelt ist, welcher entfernt von dem Fahrzeug ist, wobei der Server derart konfiguriert ist, dass er drahtlose Positionsdaten bereitstellt, die mit einer Vielzahl von Zugriffspunkten, welche mit dem Fahrzeug in Verbindung stehen, assoziiert sind; und
ein Positionsbestimmungsmodul, welches konfiguriert ist zum:
Erhalten eines Satzes von drahtlosen Abstandsmessungen, welche mit dem Fahrzeug und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit dem Fahrzeug in Verbindung stehen, assoziiert sind;
Empfangen von dem Server der drahtlosen Positionsdaten; und
Bestimmen einer korrigierten Position des Fahrzeugs basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Beispiel 16. Das Fahrzeug nach Beispiel 15, wobei die drahtlosen Abstandsmessungen unter Verwenden von WiFi-Laufzeitmessinformationen, welche von den drahtlosen Zugriffspunkten bereitgestellt werden, bestimmt werden.
Beispiel 17. Das Fahrzeug nach Beispiel 15 oder 16, wobei die korrigierte Position bestimmt wird, wenn die Vielzahl von GPS-Satelliten, welche das Fahrzeug beobachten kann, kleiner als vier GPS-Satelliten ist.
Beispiel 18. Das Fahrzeug nach einem der Beispiele 15 bis 17, wobei die korrigierte Position auf einer Gierrate und einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs basiert.
Beispiel 19. Das Fahrzeug nach einem der Beispiele 15 bis 18, wobei das Positionsbestimmungsmodul derart konfiguriert ist, dass es einen korrigierten Kurs und eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten bestimmt.
Beispiel 20. Das Fahrzeug nach einem der Beispiele 15 bis 19, wobei die korrigierte Position auf einer vorhergesagten Position und einer damit assoziierten nachfolgenden Verteilung basiert.
Obwohl mindestens ein Ausführungsbeispiel in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung vorgelegt wurde, versteht es sich, dass zahlreiche Variationen existieren. Es versteht sich ebenfalls, dass das Ausführungsbeispiel oder die Ausführungsbeispiele rein erläuternd sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenbarung auf irgendeine Art und Weise einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende ausführliche Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung bereitstellen, um das Ausführungsbeispiel oder die Ausführungsbeispiele umzusetzen. Es versteht sich, dass diverse Änderungen an der Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Offenbarung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen und ihren rechtlichen Äquivalenten dargelegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11 [0018]
Norm IEEE 802.11v [0018]

Claims

Ein Positionsbestimmungsverfahren, umfassend folgende Schritte: – Erhalten von Global Positioning System (GPS) Positionsdaten, welche mit einer mobilen Plattform assoziiert sind, von einer Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann; – Erhalten eines Satzes von drahtlosen Abstandsmessungen, die der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind; – Empfangen von einem Server, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist, von drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind; und – Bestimmen einer korrigierten Position der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhalten der drahtlosen Abstandsmessungen ein Bestimmen eines Abstands von der mobilen Plattform zu jedem der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten unter Verwenden von WiFi-Laufzeitmessinformationen, welche von den drahtlosen Zugriffspunkten bereitgestellt werden, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die korrigierte Position bestimmt wird, wenn die Vielzahl von GPS-Satelliten, welche die mobile Plattform beobachten kann, weniger als vier GPS-Satelliten ist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mobile Plattform ein Kraftfahrzeug ist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein Bestimmen der korrigierten Position basierend auf einer Gierrate und einer Geschwindigkeit der mobilen Plattform.
Ein Positionsbestimmungsmodul für eine mobile Plattform, wobei das Positionsbestimmungsmodul Folgendes umfasst: – einen Prozessor; – einen Speicher, welcher derart konfiguriert ist, dass er Software-Anweisungen speichert, welche, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen zum: – Erhalten eines Satzes von drahtlosen Abstandsmessungen, welche mit der mobilen Plattform und einer Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten, welche mit der mobilen Plattform in Verbindung stehen, assoziiert sind; – Empfangen von drahtlosen Positionsdaten, welche mit der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten assoziiert sind, durch einen Server, welcher über ein Netzwerk kommunikativ mit der mobilen Plattform gekoppelt ist; und – Bestimmen einer korrigierten Position der mobilen Plattform basierend auf den drahtlosen Positionsdaten, den drahtlosen Abstandsmessungen und den GPS-Positionsdaten.
Das Positionsbestimmungsmodul nach Anspruch 6, wobei ein Abstand von der mobilen Plattform zu jedem der Vielzahl von drahtlosen Zugriffspunkten unter Verwenden von WiFi-Laufzeitmessinformationen, welche von den drahtlosen Zugriffspunkten bereitgestellt werden, bestimmt wird.
Das Positionsbestimmungsmodul nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Positionsbestimmungsmodul derart konfiguriert ist, dass es in einem Transportsystem integriert ist.
Das Positionsbestimmungsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Software-Anweisungen ferner den Prozessor dazu veranlassen, die korrigierte Position basierend auf einer Gierrate und einer Geschwindigkeit der mobilen Plattform zu bestimmen.
Das Positionsbestimmungsmodul nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die korrigierte Position auf einer vorhergesagten Position und einer damit assoziierten nachfolgenden Verteilung basiert.