WO2012139929A1 - Method for the computer-assisted learning of a reference map on the basis of measurements of features of a wireless network - Google Patents

Method for the computer-assisted learning of a reference map on the basis of measurements of features of a wireless network Download PDF

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WO2012139929A1
WO2012139929A1 PCT/EP2012/056041 EP2012056041W WO2012139929A1 WO 2012139929 A1 WO2012139929 A1 WO 2012139929A1 EP 2012056041 W EP2012056041 W EP 2012056041W WO 2012139929 A1 WO2012139929 A1 WO 2012139929A1
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WO
WIPO (PCT)
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positions
feature vectors
meas
estimated
radio network
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/056041
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German (de)
French (fr)
Inventor
Joachim Bamberger
Marian Grigoras
Andrei Szabo
Tobias WEIHERER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0252Radio frequency fingerprinting
    • G01S5/02521Radio frequency fingerprinting using a radio-map
    • G01S5/02524Creating or updating the radio-map
    • G01S5/02525Gathering the radio frequency fingerprints
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W16/00Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/22Traffic simulation tools or models
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/10Scheduling measurement reports ; Arrangements for measurement reports
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management

Definitions

  • the invention relates to a method for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network and a corresponding device. Furthermore, the invention relates to a method for the computer-aided localization of a mobile object and to a corresponding device. Moreover, the invention relates to a computer program product.
  • the invention relates to the technical field of localization of mobile objects using features of a radio network.
  • various An ⁇ sets are known as mobile objects can be located via the detection of characteristics of a radio network.
  • the radio network is formed by a multiplicity of base stations which can transmit and / or receive radio signals.
  • the base stations communicate with a transmitting and / or receiving unit in the mobile object to be located. From the characteristics of the exchanged radio signals, the position of the mobile object can be determined.
  • Known methods use for localization the absolute transit time or running time differences of radio signals between the respective base stations and the mobile object.
  • methods exist, given its. Round-Trip-Time USAGE ⁇ ie the propagation time of a radio signal from a mobile object toward the base station and back to the mobile object or from a base station to a mobile object and back to the base station.
  • the arrival angle of radio signals at the receiver and the transmission angle of radio signals are used in the transmission, thereby locating objects.
  • a localization of mobile objects takes place via the signal strength of radio signals.
  • Known localization methods are further distinguished as to whether the localization is based on a so-called finger printing or by the evaluation of geometric properties between the mobile object and the base stations. The evaluation of geometric properties is based on tri- or multilateration.
  • calibration data in the form of features of the radio network from various known reference positions are generally combined in one
  • Training phase collected to then based on a pattern matching (English, pattern matching) by means of a comparison of corresponding measured features of the radio network with the features at the reference positions to locate an object.
  • the individual reference positions form a so-called reference map, which is also referred to as a radio map.
  • the reference card is initially initialized and is learned online in the context of localization by newly added measurement data.
  • Such a method is described in the publication WO 2007/118518 AI.
  • finger printing methods have a higher accuracy.
  • they require time-consuming manual calibration phase in which a mobile object on ei ⁇ ner plurality of predetermined spatial locations to be located at these positions and the characteristics of the radio network to be measured.
  • the object of the invention is to provide a method for computer-aided learning of a reference card based on measurements of features of a radio network, which is easy to implement without complex calibration and provides good localization results. This object is achieved by the independent claims. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
  • the inventive method is used for computer-aided learning a reference card based on measurements of features of a radio network, wherein the radio network in a particularly preferred embodiment form a local radio network and in particular a wireless network.
  • the measurements used for learning are performed such that for a mobile object, which communicates via the radio network with a plurality of base stations of the radio network, ektpositionen at a plurality of non ⁇ knew whether the mobile object respective feature vectors of the radio network are measured, and thereby a Measurement series is obtained from a plurality of temporally successive feature vectors for respective object positions at respective measurement times.
  • the learning process can be carried out online after completion of the measurements or in parallel during the measurement.
  • the to-learn Refe rence ⁇ card includes a plurality of spatial reference ⁇ Posi tions, the respective feature vectors of the radio network to be learned at the respective reference positions of the reference map based on the series of measurements. That is to say that those feature vectors are suitably estimated, which result when the mobile object is arranged at a corresponding reference position.
  • the reference card is thus distinguished by corresponding feature vectors at the individual reference positions of the card.
  • the respective object positions at which the feature vectors of the radio network were measured are estimated in a step a) based on a pattern matching which compares the respective feature vectors of the measurement series with the feature vectors at the reference positions of the reference map. It is assumed that an appropriate initialization of the reference card is provided at the beginning of the process, which is initially used in the pattern matching.
  • encryption Driving for pattern matching are well known in the art and are commonly referred to as pattern matching. They are based on the fact that similarities or similarities between predetermined patterns, which according to the invention are present as feature vectors of a reference map , and measured feature vectors are identified and the object position is determined therefrom.
  • a step b) of the inventive method are determined based on optimization of a cost function optimized estimated Whether ektpositionen, wherein one or more boundary conditions are taken into account in the optimization, which are defined by a predetermined motion model for the mobile object, wherein the predetermined Be ⁇ wegungsmodell using the temporal order of the points of measurement of the measurement series sets of one or more Beschränkun ⁇ gene for the object motion.
  • updated feature vectors of the radio network are determined at the reference positions of the reference card by means of the optimized estimated object positions.
  • the inventive method is characterized in that in the context of learning the reference map and the zeitli ⁇ che order of the measurement time points is taken into account, and flows in a ge ⁇ suitable motion model.
  • the motion ⁇ model may take into account useful in the measurement series both restrictions with regard to the last movement of the mobile object and with regard to the future movement of the mobile object. Which improved from the optimization resulting estimated object positions then provide a good basis for Approximati ⁇ on the corresponding feature vectors at the reference positions of the reference card.
  • an initial calibration of the reference card can be dispensed with. Rather, a suitable initialization of the reference card is sufficient. and by repeating the learning steps several times, an increasingly accurate reference map can be learned.
  • the method according to the invention can be used for time-based measurements, in which the feature vectors of the radio network include entries as runtime-based variables, each of which depends on a runtime of one or more radio signals of the radio network.
  • the duration of the radio signal or signals can be the one-way transit time of a radio signal between a respective base station and the mobile object.
  • the term may be a two-way time (also referred to as round-trip time hereinafter) be a Funksig ⁇ Nals of the mobile object to a respective base station and from there back to the respective base station or the two-way travel time of a radio signal from a respective Ba ⁇ sisstation to the mobile object and from there back to the respective base station.
  • the runtime-based variables depend on a transit time in the form of a transit time difference.
  • the transit time difference is defined for respective pairs of base stations and represents the difference between a first and a second runtime, wherein the first runtime is the transit time of a radio signal between the mobile object and the one base station of the pair and the second runtime the transit time of a radio signal between represents the mobile object and the other base station of the pair.
  • the runtime-based variables in the entries of the feature vectors of the radio network are so-called channel impulse responses. These can be detected for the above-described transit times or transit time differences and represent the amplitude of the radio signal detected in dependence on the transit time or transit time difference in response to a transmit pulse.
  • the channel impulse response is in a respective entry of Feature vector the Kanalimpulsant ⁇ word for the duration difference for a respective pair of base stations. That is, over the corresponding amplitudes the radio signals detected at the base stations for different propagation time differences, the channel impulse response is detected.
  • the reference map is initialized at the beginning of the process such that for each ⁇ stays awhile reference position, the channel impulse response for a JE whis pair of base stations by a normal distribution whose mean value is a transit time difference based on estimated distances between the respective reference position and the base stations of the respective pair.
  • the normal distribution is preferably standardized in such a way that the integral over the normal distribution yields 1, so that the impulse responses can be understood as probabilities for the occurrence of certain transit time differences.
  • a number of feature vectors are determined at reference positions with the greatest agreement with the measured feature vector at a respective object position, based on the reference position (s) for the number of feature vectors, in particular by averaging the reference positions, the respective object position is estimated.
  • This method is based on the known search for the k nearest neighbors, where k corresponds to the number of feature vectors.
  • the feature vectors of the reference map are refreshes ⁇ al instrument within the pattern matching in parallel by the feature vectors of the reference map for reference positions in a predetermined environment can be corrected by an estimated using the pattern matching object position in each case with a correction term , wherein the correction term of the difference between the feature vector at the estimated via the pattern matching estimated ektposition and the respective feature vector of the reference map to be corrected.
  • a correction term the correction term of the difference between the feature vector at the estimated via the pattern matching estimated ektposition and the respective feature vector of the reference map to be corrected.
  • the size of the correction term decreases with increasing distance of the respective reference position in the predetermined environment from the object position estimated via the pattern matching.
  • the correction term preferably depends on a Gaussian function with center at the position estimated via the pattern matching.
  • guide the process is dimensionally performed iteratively for learning of the reference map, in which after a number of updates of the feature vectors of the reference map in step a) the steps b) and c) are carried out and then step a) ⁇ is returned, if a predetermined abort criterion, such as a predetermined number of iterations, is not yet met.
  • the predetermined movement model used in step b) is suitably adapted to the mobile object under consideration.
  • the motion model sets a maximum velocity for the movement of the mobile object as a constraint. This maximum speed can then be suitably taken into account within the measurement series for successive measurement times in such a way that two estimated object positions at consecutive measurement times must not be further apart than is possible according to the maximum velocity of the mobile object.
  • the cost function used in step b) is a sum of Gaussian functions, each of which is based on the difference in magnitude between the respective data item and the sample item. Equally estimated is the ect position and the optimized estimated ect position to be determined.
  • step c) the updated feature vectors of the radio network at the reference positions of the reference card are determined such that the optimized estimated object position having the smallest distance to a respective reference position of the reference card is determined, and the feature vector at the respective reference position is replaced by the measured feature vector at the optimized estimated object position with the smallest distance to the respective reference position of the reference map.
  • the updated feature vectors of the radio network at the reference positions of the reference card is determined such that, for a respective reference Posi ⁇ tion a weighted sum of measured feature vectors is determined on optimized estimated object positions, wherein the weighted sum represents the updated feature vector at the respective reference position and wherein the respective weights of the summands in the sum are the smaller the farther an estimated optimized object position is from the respective reference position.
  • the weights of the weighted sum are modeled by Gaussian functions, wherein a respective Gaussian function depends on the relative distance between a respective reference position and the respective optimized estimated object position.
  • step a) and / or step b) fixed points with fixed spatial positions are used.
  • NEN and feature vectors taken into account wherein, in the measurement ⁇ row one or more Whether ektpositionen are pre-assigned fixed points and / or be associated with the measured feature vectors of the series of measurements fixed points, eg by a feature vector whose accordance with a feature vector of a respective fixed point over-writing a predetermined threshold ⁇ tet, is equated with the respective fixed point.
  • the spatial positions of fixed points in step a) are treated as estimated object positions or treated as optimized estimated object positions in step b). That is, the spatial positions of the fixed points are considered given and not determined by means of an estimate in step a). Likewise, the fixed points in the optimization in step b) are not considered as free parameters.
  • the measured feature vectors of the series of measurements being an example of a sol ⁇ chen heuristic in the detailed description is set forth are assigned to fixed points on a heuristic.
  • the spatial positions of the fixed points correspond to the spatial positions of the base stations.
  • the invention further comprises a method for the computer-aided localization of a mobile object based on such a learned reference map.
  • a feature vector of the radio network at the site to Loka ⁇ l inconvenienceden object position is measured.
  • the object position is subsequently determined.
  • the invention further comprises a device for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network, wherein the measurements are made such that for a mobile object, which via the Radio network communicates with a plurality of base stations of the radio network, at a plurality of unknown ob ektpositionen of the mobile object respective feature vectors of the radio network are measured, and thereby a series of measurements from a plurality of temporally successive feature vectors for respective object positions is obtained at respective measurement times.
  • the reference card in this case comprises a plurality of spatial reference positions and the apparatus includes a processing unit, with the operation of the device based on the measurement series, the respective feature vectors of the radio network at the respective reference positions, the reference card are learned with the inventive method described above.
  • the invention further relates to a device for the computer-aided localization of a mobile object, based on a reference map, which is learned with the learning method described above.
  • the device comprises a measuring and processing device with which a feature vector of the radio network is measured at the object position to be located and with which based on a pattern matching, which compares the measured feature vector with the feature vectors at the reference positions of the learned reference map, the object position is determined ,
  • the invention further comprises a Computerprogrammpro ⁇ domestic product with a program stored on a machine-readable carrier, the program code for performing the method for learning a reference map or for the localization of a mobile object described above, according to the invention, when the program runs on a computer.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a physical environment, is explained with the aid of learning ⁇ Re ference card for reference positions in the spatial environment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating by way of example the course of the channel impulse response used in an embodiment of the invention as an entry of feature vectors;
  • Fig. 3 is a schematic representation showing the iterative
  • FIG. 4 is a diagram showing results of the invention shown SEN process with other processes.
  • Embodiments of the method according to the invention based on feature vectors of a radio network will now be described, which contain as entries so-called channel impulse responses for a transit time difference of radio signals between base stations of corresponding pairs of base stations of the radio network.
  • the radio network is a WLAN network in which the base stations represent corresponding access points.
  • a mobile Whether ⁇ ject to the corresponding standard of the radio network emits Funksig ⁇ dimensional whose channel impulse response as a function of the transit time difference for respective pairs of base stations is measured.
  • the expected feature vectors are then determined for a multiplicity of spatial reference positions of a reference map, wherein the reference map can subsequently be used, for example, to localize a mobile object by so-called pattern matching.
  • pattern matching the corresponding Merkmalsvek ⁇ tor for a mobile object at an unknown location is measured, followed by comparison of the measured feature vector with the respective feature vectors of the reference Positions is determined in a suitable manner the ektposition.
  • Fig. 1 illustrates generally the operation of the invention shown SEN method for learning a reference map.
  • a spatial surroundings R is shown in the shape of a right ⁇ square space in which a plurality of regularly spaced and known reference positions RP are included a reference map.
  • the corresponding feature vectors at these reference positions are to be determined in the course of learning the reference map.
  • the reference positions are indicated in FIG. 1 by corresponding crosses, with only two of the reference positions being denoted by reference symbol RP for reasons of clarity .
  • the feature vector present at these positions is denoted by C RM .
  • three base stations BS1, BS2 and BS3 of the radio network are indicated in FIG. 1, which communicate with a corresponding mobile object 0 at an object position OP, the feature vector C meas being measured for the object position OP.
  • the method according to the invention is based on measurements within a predetermined measurement period in which the object 0 moves in the spatial environment R and the feature vectors C meas at the corresponding object positions OP are detected at a plurality of measurement times. These object positions are not known, ie the measurement is not a calibration process in the actual sense in which corresponding feature vectors are detected at known positions.
  • a measured feature vector includes an entry for each possible pair of two Basissta ⁇ functions of the radio network, that is, in the scenario of FIG. 1, an entry for the pair of base stations BSl and BS2, for the pair of base stations BSl and BS3 and for the pair of Base stations BS2 and BS3.
  • FIG. 1 An entry for the pair of base stations BSl and BS2, for the pair of base stations BSl and BS3 and for the pair of Base stations BS2 and BS3.
  • FIG. 1 illustrates a corresponding measurement of a feature vector for the pair of base stations BS1 and BS2.
  • the measurement is based on the transit time difference LD of radio signals between a first transit time LI from the object 0 to the base station. on BS1 and a second transit time L2 from the object 0 to the base station BS2.
  • the sum of the respective amplitudes of the radio signals, which are detected by the respective Basissta ⁇ functions BS1 and BS2 is detected as a function of a distance and the corresponding propagation time difference between the base stations.
  • the resultant curve in this case represents the so-called.
  • Channel impulse response which is illustrated in ⁇ way of example in Fig. 2.
  • the distance d is indicated along the abscissa, the different (multiplied by the Signalgeschwin speed) propagation time differences of the radio signals for a pair of base stations reproduces.
  • the amplitude AP is plotted, which is composed of the amplitudes of the radio signals, which are to be received at each Ba sisstation of the pair for the respective distance.
  • the channel impulse response is represented as a solid curve K1.
  • the maximum value of the channel impulse response ent ⁇ usually speaks of the time difference for a clear line of sight connection between the base stations and the mobile object.
  • the other maxima of the curve are usually caused by Mehrwe ⁇ geausbreitonne due to reflections.
  • a further dashed curve K2 is also given ⁇ again. This curve is used as an initialization for the channel impulse responses at a reference position of the reference map, and their calculation will be described later.
  • the individual steps of an embodiment of the inventive method for learning a reference map based on channel impulse responses for time differences for pairs of base stations will be explained in detail.
  • the learning of the reference map is based on a measurement series from a plurality of feature vectors which have been measured for different measurement positions.
  • the individual entries of the feature vector C are the channel impulse responses in the time domain, which are approximated by a 5 inverse Fourier transform of a channel estimation in the frequency domain.
  • Each entry of the above vector containing the channel impulse response in the form of L Amp ⁇ lituden to corresponding propagation time differences 1-T, 2-T, LT, which in this sense represent support points of the continuous channel impulse response for corresponding propagation time differences and distances respectively
  • a corresponding entry is made for a pair of base stations BSm and BSn follows:
  • the discrete time interval T of the channel impulse response depends as ⁇ in from the measurement setup.
  • the amplitude values of several measurements can be averaged around the actual position before the learning described below.
  • the k-th reference position in the reference map is thus described by the following position vector: 'RM [RM' RM -
  • the individual positions are preferably the vertices of an equidistant grid.
  • To loading 5 are beginning for each of the K reference positions initialized feature vectors Cj ⁇ j of the reference map RM (RM of the method
  • N denotes the number of base stations.
  • This amplitude is reproduced by way of example for a channel impulse response as curve K2 in FIG. N designates the normal distribution with a suitable standard deviation ⁇ and a normalization factor a.
  • the normalization factor is chosen such that the integral over the Normalvertei ⁇ system is 1, and thus the individual amplitude values can be interpreted as true ⁇ probabilities for a certain distance difference between two base stations.
  • corresponding estimated object positions are now determined for all measured channel impulse responses with a pattern matching known per se (pattern matching).
  • the quadratic difference between a measured feature vector C ⁇ eas and all entries Cj ⁇ of the reference map is determined as follows: y Nl NL
  • a predetermined number of entries of the reference card with the shortest distances to the current measured feature vector is selected.
  • an iterative learning is used which so-called.
  • Dorgani ⁇ sierende cards engl. Seif Organizing Maps
  • SOM learning provides an adaptation is of the per se known Kohonen Seif Organizing Maps.
  • an optimization is used in Inventive ⁇ contemporary learning, which is a motion model of the mobile object in a suitable manner for taken into account the complete measurement series. This optimization is referred to below as "Complete Track Optimization" and abbreviated CTO.
  • the CTO-process represents a Wesent ⁇ Liche component of the inventive method, which is guide combined form as described herein from the additional SOM learning. Particularly good results are obtained by combining these two learning methods.
  • Fig. 3 shows an example of a flow chart, which represents the ith ⁇ rative learning based on a combination of the SOM learning and CTO-learning. It designates the rations Colour Ite ⁇ .
  • a complete update of the corresponding feature vectors of the reference card is first Runaway ⁇ performs, based on the SOM learning.
  • a check step A checks whether a predetermined number of iteration steps it_cto is reached. If this is not the case, the reference card is updated again based on the SOM learning (branch B2).
  • a CTO-learning step is Runaway ⁇ leads (branch Bl). Subsequently, the SOM learning is again performed for a predetermined number of iterations it_cto. The iteration is finally terminated upon reaching a predetermined total number n of iteration steps (branch 10 B3).
  • This position now functions as a center for an update process of the corresponding feature vectors of the reference map with reference positions in the vicinity of the corresponding pattern-matching determined object position.
  • the so-called neighborhood error is calculated as a difference between the currently measured characteristic vector C ⁇ EAS and the individual feature vectors
  • the updating described above can be iteratively repeated several times, wherein in each iteration, preferably in random order, all corresponding measuring times or measured feature vectors are considered. Each individual iteration always uses the newly calculated feature vectors of the reference card.
  • the sequenced ⁇ tielle chronological sequence of measurements which t from the above-described measurement time point vector is meas shows in suitable for formulating an optimization problem using a predetermined motion model for the mobile object.
  • the goal is to improve the individual ⁇ nen entries of the reference card in the context of the entire measurement series ⁇ and the associated tracks of the mobile object.
  • the starting point of the CTO optimization is again the position vector of the object positions estimated via the pattern matching, which reads as follows:
  • the motion model can be defined depending on the mobile object ge ⁇ suitable. In the embodiment described herein the motion model based on the assumption that the mobile object can move a maximum with a maximum Ge ⁇ speed v MM of, for example 2 m / s. Un ⁇ ter this assumption is a Kos ⁇ tenfunktion g used to optimize and set a (1-1) dimensional limitation radio ⁇ tion h. These functions depend on possible positions of the mobile object at the individual measurement times. These positions are defined by the following vector:
  • the aim of the optimization is to injure the effect minimizing the above cost function g (J *) without the constraints of the motion model that the above Beschränkungsfunkti on ⁇ z, (P) is zero becomes smaller.
  • the optimization problem just described can be solved with known from the prior art algorithms, such as the Active Set algorithm. By manually supplying gradients of both the cost function and the constraint function, the computation time for the optimization can be significantly reduced.
  • the above positions P are initialized by means of a per se known particle filter to thereby improve the results.
  • the just described Opti ⁇ optimization can be regarded as a kind of tracking algorithm in which the complete history and future of data ⁇ set of the series of measurements is taken into account.
  • the position vector P opt is obtained, which contains as entries the corresponding optimized estimated positions for the individual measurement times.
  • the closest opti mized ⁇ position from the vector P opt is determined as follows:
  • C ⁇ jy is therefore the updated feature vector for Refe ⁇ ence position k of the reference card.
  • the determination of an updated feature vector of Refe rence ⁇ map is not performed by replacing the feature vector with the closest measured feature vector but using a weighted sum, which is represented by the following equation:
  • a denotes a normalization factor.
  • the a posteriori probability in the above equation is directly available when using particle filters, but can also be modeled by Gaussian curves around the positions P opt as follows:
  • fixed points are so-called guide form in a preferred.
  • the fixed points can be manually set in advance in the context of measurements of the feature vectors thereby, that in this case, corresponding Mes ⁇ solutions predetermined spatial positions of fixed points are assigned. These spatial positions are then no longer changed in the subsequent optimizations.
  • corresponding fixed points can also be automatically determined from the Messda ⁇ th.
  • a suitable heuristic ⁇ tik used for automatic detection of these fixed points. An example of such a heuristic will be described below.
  • a corresponding measured feature vector is assigned to a fixed point during learning if the quadratic difference between the feature vector of the measurement and the predetermined measurement at the fixed point is below a predetermined threshold d fix , ie if: r (cL s , c ⁇ ) ⁇ x o
  • Measurements which are assigned to fixed points are not estimated in the context of the method described above, but are regarded as predetermined.
  • the pattern matching is performed. averaged positions replaced by the fixed point positions pj ', which in the context of SOM learning leads in most cases to a correct position of the center of the update ⁇ surfaces. This replacement is also done as part of CTO optimization. In this case, the corresponding fixed-point position is no longer a free parameter of the optimization, so that after the optimization, this fixed-point position is not changed and is equivalent to an estimated optimized position ektposition.
  • fixed points are determined based on a heuristic ge ⁇ Telss of such measured feature vectors are detected, which are close to a corresponding base station.
  • ge ⁇ is an appropriate measurement position, that is closest to the base station n ⁇ :
  • the runtime difference For each measurement (ie, for each measurement time i), it is determined how long the runtime difference is for each pair of base stations that the base station n contains. The transit time difference is then since ⁇ by derived from the channel impulse response that the maximum value of the channel impulse response is used as the transit time difference. The channel impulse responses are thus considered as probabilities for corresponding propagation time differences.
  • the runtime differences are summed for each base station pair containing the base station n. In this case, a sign is taken into account in a suitable manner as to whether in the corresponding base station pair the considered base station n is the first and the second base station. As a result, the closer the point of the corresponding measurement is to the base station n currently under consideration, the greater the sum becomes.
  • the measurement with the largest sum is selected.
  • the ent ⁇ speaking measurement position is then set equal to the position of the base station n.
  • Such measurements can be calculated in a computationally efficient way which are located at base stations. These measurements are considered as fixed points and equated with the spatial positio ⁇ nen of the base stations.
  • the inventive method has been tested by the inventors basie ⁇ rend on simulations. 4 shows a diagram which compares the results of the method according to the invention with methods known per se. In this case, a reference map learned with the method according to the invention was used for the localization of a mobile object and compared with localization methods known per se.
  • the abscissa of the diagram of Fig. 4 shows the localization error LE and along the ordinate the cumulative probability Pcum for the corresponding localization error. That is, the steeper the corresponding curves extend upwards, the better the corresponding localization.
  • the curve CU1 shows a localization carried out on the basis of the inventively learned reference card by means of pattern matching.
  • the curve CU2 shows a localization based on pattern matching with a manually calibrated reference map.
  • the curve CU3 shows a prior art location without a reference map, in which, for each possible position of the mobile object, the corresponding channel impulse responses of the individual pairs of
  • the curve CU4 shows a pattern matching, in which the reference card is not learned, but the reference card originally initialized via a Gaussian function is used.
  • the method according to the invention is according to the illustrated curve CU1 the best.
  • the method according to the invention leads to better localization results than the above-described method according to the prior art, which is represented by the curve CU3.
  • the worst localization results are achieved, as indicated by the flat curve CU4.
  • the embodiments of the method according to the invention described above have a number of advantages.
  • the reference map learned with the method improves runtime-based localization systems without the need for additional calibration phases or other measurement data.
  • the method does not involve the disadvantages of the manual calibration must be gemes ⁇ sen in which corresponding with a high effort at predetermined known spatial positions of feature vectors of the radio network.
  • predetermined fixed points can be incorporated within the scope of the learning, which can also be detected automatically, for example based on a heuristic.

Abstract

The invention relates to a method for the computer-assisted learning of a reference map based on measurements of features of a wireless network, wherein the measurements were carried out such that respective feature vectors (Cmeas) of the wireless network are measured for a mobile object (O), which communicates via the wireless network with a plurality of base stations (BS1, BS2, BS3) of the wireless network, in a plurality of unknown object positions (OP) of the mobile object (O), and thus a series of measurements is obtained from a plurality of chronologically consecutive feature vectors (Cmeas) for the respective object positions (OP) at the respective measurement times. The reference map contains a plurality of spatial reference positions, wherein the respective feature vectors (CRM) of the wireless network at the respective reference positions (RP) of the reference map are learned on the basis of the series of measurements. Within the scope of the learning process, estimated object positions are determined on the basis of pattern matching and are subsequently used to determine improved estimated object positions on the basis of an optimization of a cost function. A predetermined movement model, which defines limitations for the object movement using the chronological order of the measurement times of the series of measurements, is taken into consideration in this optimization. Updated feature vectors of the wireless network are then determined at the reference positions of the reference map by means of the object positions determined from the optimization. The method according to the invention has the advantage that an exact localization of mobile objects is made possible with the learned reference map without prior calibration.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes A method for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes sowie eine entsprechende Vorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur rechnergestützten Lokalisation eines mobilen Objekts sowie eine entsprechende Vorrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt. The invention relates to a method for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network and a corresponding device. Furthermore, the invention relates to a method for the computer-aided localization of a mobile object and to a corresponding device. Moreover, the invention relates to a computer program product.
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Lokalisation von mobilen Objekten unter Verwendung von Merkmalen eines Funknetzes. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene An¬ sätze bekannt, wie mobile Objekte über die Erfassung von Merkmalen eines Funknetzes geortet werden können. Dabei wird das Funknetz durch eine Vielzahl von Basisstationen gebildet, welche Funksignale aussenden und/oder empfangen können. Die Basisstationen kommunizieren mit einer Sende- und/oder Empfangseinheit in dem zu lokalisierenden mobilen Objekt. Aus den Merkmalen der ausgetauschten Funksignale kann die Position des mobilen Objekts ermittelt werden. The invention relates to the technical field of localization of mobile objects using features of a radio network. From the prior art, various An ¬ sets are known as mobile objects can be located via the detection of characteristics of a radio network. In this case, the radio network is formed by a multiplicity of base stations which can transmit and / or receive radio signals. The base stations communicate with a transmitting and / or receiving unit in the mobile object to be located. From the characteristics of the exchanged radio signals, the position of the mobile object can be determined.
Bekannte Verfahren nutzen zur Lokalisation die absolute Laufzeit bzw. LaufZeitdifferenzen von Funksignalen zwischen den jeweiligen Basisstationen und dem mobilen Objekt. Ebenso existieren Verfahren, welche die sog. Round-Trip-Time verwen¬ den, d.h. die Laufzeit eines Funksignals von einem mobilen Objekt hin zur Basisstation und wieder zurück zum mobilen Objekt bzw. von einer Basisstation zu einem mobilen Objekt und wieder zurück zur Basisstation. In einer weiteren Klasse von Verfahren wird der Ankunftswinkel von Funksignalen beim Empfänger bzw. der Sendewinkel von Funksignalen beim Aussenden verwendet, um hierdurch Objekte zu lokalisieren. Ferner existieren Verfahren, bei denen über die Signalstärke von Funksignalen eine Lokalisation von mobilen Objekten erfolgt. Bekannte Lokalisationsverfahren werden ferner dahingehend unterschieden, ob die Lokalisation basierend auf einem sog. Finger-Printing oder durch die Auswertung von geometrischen Eigenschaften zwischen dem mobilen Objekt und den Basisstationen erfolgt. Die Auswertung von geometrischen Eigenschaften beruht dabei basierend auf Tri- oder Multilateration . Bei der Lokalisation basierend auf Finger-Printing werden in der Regel Kalibrationsdaten in der Form von Merkmalen des Funknet- zes aus verschiedenen bekannten Referenzpositionen in einerKnown methods use for localization the absolute transit time or running time differences of radio signals between the respective base stations and the mobile object. Similarly, methods exist, given its. Round-Trip-Time USAGE ¬, ie the propagation time of a radio signal from a mobile object toward the base station and back to the mobile object or from a base station to a mobile object and back to the base station. In another class of methods, the arrival angle of radio signals at the receiver and the transmission angle of radio signals are used in the transmission, thereby locating objects. Furthermore, there are methods in which a localization of mobile objects takes place via the signal strength of radio signals. Known localization methods are further distinguished as to whether the localization is based on a so-called finger printing or by the evaluation of geometric properties between the mobile object and the base stations. The evaluation of geometric properties is based on tri- or multilateration. In localization based on finger printing, calibration data in the form of features of the radio network from various known reference positions are generally combined in one
Trainingsphase gesammelt, um anschließend basierend auf einem Musterabgleich (engl, pattern matching) mittels eines Vergleichs entsprechend gemessener Merkmale des Funknetzes mit den Merkmalen an den Referenzpositionen ein Objekt zu lokali- sieren. Die einzelnen Referenzpositionen bilden eine sog. Referenzkarte, welche auch als Radio-Map bezeichnet wird. An¬ statt diese Referenzkarte vorab im Rahmen einer Kalibration zu bestimmen, gibt es im Stand der Technik ferner Ansätze, bei denen die Referenzkarte anfänglich initialisiert wird und online im Rahmen der Lokalisation durch neu hinzukommende Messdaten gelernt wird. Ein solches Verfahren ist in der Druckschrift WO 2007/118518 AI beschrieben. Im Unterschied zu Verfahren, bei denen die Lokalisation über geometrische Eigenschaften erfolgt, weisen Finger-Printing-Verfahren eine höhere Genauigkeit auf. Jedoch erfordern sie eine aufwändige manuelle Kalibrationsphase, in der ein mobiles Objekt an ei¬ ner Vielzahl von vorbestimmten räumlichen Positionen anzuordnen ist und an diesen Positionen die Merkmale des Funknetzes zu messen sind. Training phase collected to then based on a pattern matching (English, pattern matching) by means of a comparison of corresponding measured features of the radio network with the features at the reference positions to locate an object. The individual reference positions form a so-called reference map, which is also referred to as a radio map. At ¬ instead of determining this reference card in advance as part of a calibration, there are in the prior art further approaches in which the reference card is initially initialized and is learned online in the context of localization by newly added measurement data. Such a method is described in the publication WO 2007/118518 AI. In contrast to methods in which the localization takes place via geometric properties, finger printing methods have a higher accuracy. However, they require time-consuming manual calibration phase in which a mobile object on ei ¬ ner plurality of predetermined spatial locations to be located at these positions and the characteristics of the radio network to be measured.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes zu schaffen, welches einfach ohne aufwändige Kalibrierung umzusetzen ist und gute Lokali- sationsergebnisse liefert. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche löst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängige Ansprüchen definiert. The object of the invention is to provide a method for computer-aided learning of a reference card based on measurements of features of a radio network, which is easy to implement without complex calibration and provides good localization results. This object is achieved by the independent claims. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes, wobei das Funknetz in einer besonders bevorzugten Aus führungs form ein lokales Funknetz und insbesondere ein WLAN-Netz ist. Die zum Lernen verwendeten Messungen sind dabei derart erfolgt, dass für ein mobiles Objekt, welches über das Funknetz mit einer Mehrzahl von Basisstationen des Funknetzes kommuniziert, an einer Vielzahl von unbe¬ kannten Ob ektpositionen des mobilen Objekts jeweilige Merkmalsvektoren des Funknetzes gemessen werden und hierdurch eine Messreihe aus einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Merkmalsvektoren für jeweilige Objektpositionen zu jeweiligen Messzeitpunkten erhalten wird. Das Lernverfahren kann nach Abschluss der Messungen bzw. auch parallel während der Messung online durchgeführt werden. Die zu lernende Refe¬ renzkarte enthält eine Vielzahl von räumlichen Referenzposi¬ tionen, wobei basierend auf der Messreihe die jeweiligen Merkmalsvektoren des Funknetzes an den jeweiligen Referenzpositionen der Referenzkarte gelernt werden. D.h., es werden diejenigen Merkmalsvektoren geeignet abgeschätzt, welche sich dann ergeben, wenn das mobile Objekt an einer entsprechenden Referenzposition angeordnet ist. Die Referenzkarte zeichnet sich somit durch entsprechende Merkmalsvektoren an den einzelnen Referenzpositionen der Karte aus. The inventive method is used for computer-aided learning a reference card based on measurements of features of a radio network, wherein the radio network in a particularly preferred embodiment form a local radio network and in particular a wireless network. The measurements used for learning are performed such that for a mobile object, which communicates via the radio network with a plurality of base stations of the radio network, ektpositionen at a plurality of non ¬ knew whether the mobile object respective feature vectors of the radio network are measured, and thereby a Measurement series is obtained from a plurality of temporally successive feature vectors for respective object positions at respective measurement times. The learning process can be carried out online after completion of the measurements or in parallel during the measurement. The to-learn Refe rence ¬ card includes a plurality of spatial reference ¬ Posi tions, the respective feature vectors of the radio network to be learned at the respective reference positions of the reference map based on the series of measurements. That is to say that those feature vectors are suitably estimated, which result when the mobile object is arranged at a corresponding reference position. The reference card is thus distinguished by corresponding feature vectors at the individual reference positions of the card.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einem Schritt a) basierend auf einem Musterabgleich, welcher die jeweiligen Merkmalsvektoren der Messreihe mit den Merkmalsvektoren an den Referenzpositionen der Referenzkarte vergleicht, die jeweiligen Objektpositionen, an denen die Merkmalsvektoren des Funknetzes gemessen wurden, geschätzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass zu Beginn des Verfahrens eine geeignete Initialisierung der Referenzkarte vorgesehen ist, welche anfänglich bei dem Musterabgleich verwendet wird. Ver- fahren zum Musterabgleich sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt und werden üblicherweise auch als Pattern Matching bezeichnet. Sie beruhen darauf, dass Ähnlichkeiten bzw. Übereinstimmungen zwischen vorbestimmten Mustern, welche erfindungsgemäß als Merkmalsvektoren einer Referenzkarte vor¬ liegen, und gemessenen Merkmalsvektoren identifiziert werden und hierüber die Ob ektposition bestimmt wird. Within the scope of the inventive method, the respective object positions at which the feature vectors of the radio network were measured are estimated in a step a) based on a pattern matching which compares the respective feature vectors of the measurement series with the feature vectors at the reference positions of the reference map. It is assumed that an appropriate initialization of the reference card is provided at the beginning of the process, which is initially used in the pattern matching. encryption Driving for pattern matching are well known in the art and are commonly referred to as pattern matching. They are based on the fact that similarities or similarities between predetermined patterns, which according to the invention are present as feature vectors of a reference map , and measured feature vectors are identified and the object position is determined therefrom.
In einem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden basierend auf einer Optimierung einer Kostenfunktion optimierte geschätzte Ob ektpositionen ermittelt, wobei in der Optimierung eine oder mehrere Randbedingungen berücksichtigt werden, welche durch ein vorbestimmtes Bewegungsmodell für das mobile Objekt vorgegeben sind, wobei das vorbestimmte Be¬ wegungsmodell unter Verwendung der zeitlichen Reihenfolge der Messzeitpunkte der Messreihe eine oder mehrerer Beschränkun¬ gen für die Objektbewegung festlegt. Schließlich werden in einem Schritt c) mittels der optimierten geschätzten Objektpositionen aktualisierte Merkmalsvektoren des Funknetzes an den Referenzpositionen der Referenzkarte ermittelt. In a step b) of the inventive method are determined based on optimization of a cost function optimized estimated Whether ektpositionen, wherein one or more boundary conditions are taken into account in the optimization, which are defined by a predetermined motion model for the mobile object, wherein the predetermined Be ¬ wegungsmodell using the temporal order of the points of measurement of the measurement series sets of one or more Beschränkun ¬ gene for the object motion. Finally, in a step c), updated feature vectors of the radio network are determined at the reference positions of the reference card by means of the optimized estimated object positions.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Rahmen des Lernens der Referenzkarte auch die zeitli¬ che Reihenfolge der Messzeitpunkte einfließt und in einem ge¬ eigneten Bewegungsmodell berücksichtigt wird. Das Bewegungs¬ modell kann dabei im Rahmen der Messreihe sowohl Beschränkungen im Hinblick auf die vergangene Bewegung des mobilen Objekts als auch im Hinblick auf die zukünftige Bewegung des mobilen Objekts geeignet berücksichtigen. Die sich aus der Optimierung ergebenden verbesserten geschätzten Objektpositionen bilden anschließend eine gute Grundlage zur Approximati¬ on der entsprechenden Merkmalsvektoren an den Referenzpositionen der Referenzkarte. The inventive method is characterized in that in the context of learning the reference map and the zeitli ¬ che order of the measurement time points is taken into account, and flows in a ge ¬ suitable motion model. The motion ¬ model may take into account useful in the measurement series both restrictions with regard to the last movement of the mobile object and with regard to the future movement of the mobile object. Which improved from the optimization resulting estimated object positions then provide a good basis for Approximati ¬ on the corresponding feature vectors at the reference positions of the reference card.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf eine anfängliche Kalibrierung der Referenzkarte verzichtet werden. Vielmehr ist eine geeignete Initialisierung der Referenzkarte ausrei- chend, und durch mehrmaliges Wiederholen der Lernschritte kann eine immer genauere Referenzkarte gelernt werden. In the method according to the invention, an initial calibration of the reference card can be dispensed with. Rather, a suitable initialization of the reference card is sufficient. and by repeating the learning steps several times, an increasingly accurate reference map can be learned.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für laufzeitbasierte Mes- sungen eingesetzt werden, bei denen die Merkmalsvektoren des Funknetzes als Einträge laufzeitbasierte Größen umfassen, welche jeweils von einer Laufzeit von einem oder mehreren Funksignalen des Funknetzes abhängen. Die Laufzeit des oder der Funksignale kann dabei die Ein-Wege-Laufzeit eines Funk- signals zwischen einer jeweiligen Basisstation und dem mobilen Objekt sein. Ebenso kann die Laufzeit eine Zwei-Wege- Laufzeit (auch als Round-Trip-Time bezeichnet) eines Funksig¬ nals von dem mobilen Objekt zu einer jeweiligen Basisstation und von dort zurück zur jeweiligen Basisstation sein bzw. die Zwei-Wege-Laufzeit eines Funksignals von einer jeweiligen Ba¬ sisstation zu dem mobilen Objekt und von dort zurück zur jeweiligen Basisstation. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hängen die laufzeitbasierten Größen jedoch von einer Laufzeit in der Form einer Laufzeitdifferenz ab. Die Laufzeitdifferenz ist dabei für jeweilige Paare von Basisstationen definiert und stellt den Unterschied zwischen einer ersten und einer zweiten Laufzeit dar, wobei die erste Laufzeit die Laufzeit eines Funksignals zwischen dem mobilen Objekt und der einen Basisstation des Paars und die zweite Laufzeit die Laufzeit eines Funksignals zwischen dem mobilen Objekt und der anderen Basisstation des Paars darstellt. The method according to the invention can be used for time-based measurements, in which the feature vectors of the radio network include entries as runtime-based variables, each of which depends on a runtime of one or more radio signals of the radio network. The duration of the radio signal or signals can be the one-way transit time of a radio signal between a respective base station and the mobile object. Also, the term may be a two-way time (also referred to as round-trip time hereinafter) be a Funksig ¬ Nals of the mobile object to a respective base station and from there back to the respective base station or the two-way travel time of a radio signal from a respective Ba ¬ sisstation to the mobile object and from there back to the respective base station. In a particularly preferred embodiment of the invention, however, the runtime-based variables depend on a transit time in the form of a transit time difference. The transit time difference is defined for respective pairs of base stations and represents the difference between a first and a second runtime, wherein the first runtime is the transit time of a radio signal between the mobile object and the one base station of the pair and the second runtime the transit time of a radio signal between represents the mobile object and the other base station of the pair.
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form sind die laufzeitbasierten Größen in den Einträgen der Merkmalsvektoren des Funknetzes sog. Kanalimpulsantworten. Diese können für die oben beschriebenen Laufzeiten bzw. Laufzeitdifferenzen erfasst werden und stellen die in Abhängigkeit der Laufzeit bzw. Laufzeitdifferenz detektierte Amplitude des Funksignals in Antwort auf einen Sendeimpuls dar. In einer besonders be- vorzugten Aus führungs form ist die Kanalimpulsantwort in einem jeweiligen Eintrag eines Merkmalsvektors die Kanalimpulsant¬ wort für die Laufzeitdifferenz für ein jeweiliges Paar von Basisstationen. Das heißt, über die entsprechenden Amplituden der an den Basisstationen erfassten Funksignale für unterschiedliche LaufZeitdifferenzen wird die Kanalimpulsantwort detektiert . In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, bei der die laufzeitbasierten Größen die Kanalimpulsantworten für jeweilige Paare von Basisstationen sind, wird die Referenzkarte zu Beginn des Verfahrens derart initialisiert, dass für eine je¬ weilige Referenzposition die Kanalimpulsantwort für ein je- weiliges Paar von Basisstationen durch eine Normalverteilung repräsentiert wird, deren Mittelwert einer Laufzeitdifferenz basierend auf geschätzten Abständen zwischen der jeweiligen Referenzposition und den Basisstationen des jeweiligen Paars ist. Die Normalverteilung wird vorzugsweise derart normiert, dass das Integral über die Normalverteilung 1 ergibt, so dass die Impulsantworten als Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten bestimmter Laufzeitdifferenzen aufgefasst werden können. In a particularly preferred embodiment, the runtime-based variables in the entries of the feature vectors of the radio network are so-called channel impulse responses. These can be detected for the above-described transit times or transit time differences and represent the amplitude of the radio signal detected in dependence on the transit time or transit time difference in response to a transmit pulse. In a particularly preferred embodiment, the channel impulse response is in a respective entry of Feature vector the Kanalimpulsant ¬ word for the duration difference for a respective pair of base stations. That is, over the corresponding amplitudes the radio signals detected at the base stations for different propagation time differences, the channel impulse response is detected. In a particularly preferred embodiment in which the run-time-based variables are the channel impulse responses for respective pairs of base stations, the reference map is initialized at the beginning of the process such that for each ¬ stays awhile reference position, the channel impulse response for a JE weiliges pair of base stations by a normal distribution whose mean value is a transit time difference based on estimated distances between the respective reference position and the base stations of the respective pair. The normal distribution is preferably standardized in such a way that the integral over the normal distribution yields 1, so that the impulse responses can be understood as probabilities for the occurrence of certain transit time differences.
In einer weiteren Aus führungs form des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird im Rahmen des Musterabgleichs in Schritt a) eine Anzahl von Merkmalsvektoren an Referenzpositionen mit der größten Übereinstimmung mit dem gemessenen Merkmalsvektor an einer jeweiligen Objektposition ermittelt, wobei basierend auf der oder den Referenzpositionen für die Anzahl von Merk- malsvektoren, insbesondere durch Mittelung der Referenzpositionen, die jeweilige Objektposition geschätzt wird. Dieses Verfahren beruht auf der an sich bekannten Suche nach den k nächsten Nachbarn, wobei k der Anzahl von Merkmalsvektoren entspricht . In a further embodiment of the method according to the invention, in the pattern matching in step a), a number of feature vectors are determined at reference positions with the greatest agreement with the measured feature vector at a respective object position, based on the reference position (s) for the number of feature vectors, in particular by averaging the reference positions, the respective object position is estimated. This method is based on the known search for the k nearest neighbors, where k corresponds to the number of feature vectors.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Rahmen des Musterabgleichs parallel die Merkmalsvektoren der Referenzkarte aktu¬ alisiert, indem die Merkmalsvektoren der Referenzkarte für Referenzpositionen in einer vorbestimmten Umgebung um eine über den Musterabgleich geschätzten Objektposition jeweils mit einem Korrekturterm korrigiert werden, wobei der Korrek- turterm von der Differenz zwischen dem Merkmalsvektor an der über den Musterabgleich geschätzten Ob ektposition und dem jeweils zu korrigierenden Merkmalsvektor der Referenzkarte abhängt. Vorzugsweise wird dabei das in dem Dokument WO In a further, particularly preferred disclosed embodiment of the method according to the invention, the feature vectors of the reference map are refreshes ¬ alisiert within the pattern matching in parallel by the feature vectors of the reference map for reference positions in a predetermined environment can be corrected by an estimated using the pattern matching object position in each case with a correction term , wherein the correction term of the difference between the feature vector at the estimated via the pattern matching estimated ektposition and the respective feature vector of the reference map to be corrected. Preferably, in the document WO
2007/118518 AI beschriebene Verfahren eingesetzt. 2007/118518 AI described method used.
In einer besonders bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Aus führungs form nimmt die Größe des Korrekturterms mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Referenzposition in der vorbestimmten Umgebung von der über den Musterabgleich ge- schätzten Objektposition ab. Vorzugsweise hängt der Korrek- turterm dabei von einer Gaußfunktion mit Zentrum an der über den Musterabgleich geschätzten Position ab. In a particularly preferred variant of the embodiment just described, the size of the correction term decreases with increasing distance of the respective reference position in the predetermined environment from the object position estimated via the pattern matching. In this case, the correction term preferably depends on a Gaussian function with center at the position estimated via the pattern matching.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Aus führungs form wird das Verfahren zum Lernen der Referenzkarte iterativ durchgeführt, wobei nach einer Anzahl von Aktualisierungen der Merkmalsvektoren der Referenzkarte in Schritt a) die Schritte b) und c) durchgeführt werden und anschließend zu Schritt a) zu¬ rückgegangen wird, sofern ein vorbestimmtes Abbruchkriterium, wie z.B. eine vorbestimmte Anzahl an Iterationen, noch nicht erfüllt ist. In a further, particularly preferred embodiment, guide the process is dimensionally performed iteratively for learning of the reference map, in which after a number of updates of the feature vectors of the reference map in step a) the steps b) and c) are carried out and then step a) ¬ is returned, if a predetermined abort criterion, such as a predetermined number of iterations, is not yet met.
Das in Schritt b) verwendete vorbestimmte Bewegungsmodell ist in geeigneter Weise an das betrachtete mobile Objekt ange- passt. In einer bevorzugten Aus führungs form legt das Bewegungsmodell eine Maximalgeschwindigkeit für die Bewegung des mobilen Objekts als Beschränkung fest. Diese Maximalgeschwindigkeit kann dann in geeigneter Weise innerhalb der Messreihe für aufeinander folgende Messzeitpunkte derart berücksichtigt werden, dass zwei geschätzte Objektpositionen an aufeinander folgenden Messzeitpunkten nicht weiter auseinander liegen dürfen, als dies gemäß der Maximalgeschwindigkeit des mobilen Objekts möglich ist. In einer weiteren Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die in Schritt b) verwendete Kostenfunktion eine Summe von Gaußfunktionen, welche jeweils von der betragsmäßi¬ gen Differenz zwischen der jeweiligen, über den Musterab- gleich geschätzten Ob ektposition und der zu ermittelnden optimierten geschätzten Ob ektposition abhängen. The predetermined movement model used in step b) is suitably adapted to the mobile object under consideration. In a preferred embodiment, the motion model sets a maximum velocity for the movement of the mobile object as a constraint. This maximum speed can then be suitably taken into account within the measurement series for successive measurement times in such a way that two estimated object positions at consecutive measurement times must not be further apart than is possible according to the maximum velocity of the mobile object. In a further embodiment of the method according to the invention, the cost function used in step b) is a sum of Gaussian functions, each of which is based on the difference in magnitude between the respective data item and the sample item. Equally estimated is the ect position and the optimized estimated ect position to be determined.
In einer weiteren Aus führungs form des erfindungsgemäßen Ver- fahrens werden in Schritt c) die aktualisierten Merkmalsvektoren des Funknetzes an den Referenzpositionen der Referenzkarte derart ermittelt, dass diejenige optimierte geschätzte Objektposition, welche den geringsten Abstand zu einer jeweiligen Referenzposition der Referenzkarte aufweist, bestimmt wird und der Merkmalsvektor an der jeweiligen Referenzposition durch den gemessenen Merkmalsvektor an der optimierten geschätzten Objektposition mit dem geringsten Abstand zu der jeweiligen Referenzposition der Referenzkarte ersetzt wird. Hierdurch wird eine besonders einfache Aktualisierung der Merkmalsvektoren in der Referenzkarte erreicht. In a further embodiment of the method according to the invention, in step c) the updated feature vectors of the radio network at the reference positions of the reference card are determined such that the optimized estimated object position having the smallest distance to a respective reference position of the reference card is determined, and the feature vector at the respective reference position is replaced by the measured feature vector at the optimized estimated object position with the smallest distance to the respective reference position of the reference map. As a result, a particularly simple update of the feature vectors in the reference map is achieved.
In einer weiteren Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in Schritt c) die aktualisierten Merkmalsvektoren des Funknetzes an den Referenzpositionen der Referenz- karte derart ermittelt, dass für eine jeweilige Referenzposi¬ tion eine gewichtete Summe aus gemessenen Merkmalsvektoren an optimierten geschätzten Objektpositionen ermittelt wird, wobei die gewichtete Summe den aktualisierten Merkmalsvektor an der jeweiligen Referenzposition darstellt und wobei die je- weiligen Gewichte der Summanden in der Summe um so kleiner sind, je weiter eine geschätzte optimierte Objektposition von der jeweiligen Referenzposition entfernt ist. Vorzugsweise werden die Gewichte der gewichteten Summe durch Gaußfunktio- nen modelliert, wobei eine jeweilige Gaußfunktion vom be- tragsmäßigen Abstand zwischen einer jeweiligen Referenzposition und der jeweiligen optimierten geschätzten Objektposition abhängt . In a further disclosed embodiment of the inventive method in step c) the updated feature vectors of the radio network at the reference positions of the reference card is determined such that, for a respective reference Posi ¬ tion a weighted sum of measured feature vectors is determined on optimized estimated object positions, wherein the weighted sum represents the updated feature vector at the respective reference position and wherein the respective weights of the summands in the sum are the smaller the farther an estimated optimized object position is from the respective reference position. Preferably, the weights of the weighted sum are modeled by Gaussian functions, wherein a respective Gaussian function depends on the relative distance between a respective reference position and the respective optimized estimated object position.
Um das erfindungsgemäße Lernen zu stabilisieren und somit ei- ne Rotation bzw. Verschiebung der Referenzkarte an bestimmten Referenzpositionen zu vermeiden, werden in einer bevorzugten Aus führungs form im Rahmen der Durchführung von Schritt a) und/oder Schritt b) Fixpunkte mit festen räumlichen Positio- nen und Merkmalsvektoren berücksichtigt, wobei in der Mess¬ reihe eine oder mehrere Ob ektpositionen vorab Fixpunkten zugeordnet sind und/oder gemessenen Merkmalsvektoren der Messreihe Fixpunkte zugeordnet werden, z.B. indem ein Merkmals- vektor, dessen Übereinstimmung mit einem Merkmalsvektor eines jeweiligen Fixpunkts eine vorbestimmte Schwelle überschrei¬ tet, mit dem jeweiligen Fixpunkt gleichgesetzt wird. Dabei werden die räumlichen Positionen von Fixpunkten in Schritt a) als geschätzte Objektpositionen behandelt bzw. in Schritt b) als optimierte geschätzte Objektpositionen behandelt. Das heißt, die räumlichen Positionen der Fixpunkte werden als gegeben betrachtet und nicht mittels einer Schätzung in Schritt a) bestimmt. Ebenso werden die Fixpunkte bei der Optimierung in Schritt b) nicht als freie Parameter berücksichtigt. In order to stabilize the learning according to the invention and thus to avoid rotation or displacement of the reference card at certain reference positions, in a preferred embodiment, in the context of performing step a) and / or step b) fixed points with fixed spatial positions are used. NEN and feature vectors taken into account, wherein, in the measurement ¬ row one or more Whether ektpositionen are pre-assigned fixed points and / or be associated with the measured feature vectors of the series of measurements fixed points, eg by a feature vector whose accordance with a feature vector of a respective fixed point over-writing a predetermined threshold ¬ tet, is equated with the respective fixed point. The spatial positions of fixed points in step a) are treated as estimated object positions or treated as optimized estimated object positions in step b). That is, the spatial positions of the fixed points are considered given and not determined by means of an estimate in step a). Likewise, the fixed points in the optimization in step b) are not considered as free parameters.
In einer besonders bevorzugten Aus führungs form der Erfindung werden gemessenen Merkmalsvektoren der Messreihe Fixpunkte über eine Heuristik zugeordnet, wobei ein Beispiel einer sol¬ chen Heuristik in der detaillierten Beschreibung dargelegt wird. In einer weiteren Aus führungs form entsprechen die räumlichen Positionen der Fixpunkte den räumlichen Positionen der Basisstationen . In a particularly preferred disclosed embodiment of the invention the measured feature vectors of the series of measurements being an example of a sol ¬ chen heuristic in the detailed description is set forth are assigned to fixed points on a heuristic. In a further embodiment, the spatial positions of the fixed points correspond to the spatial positions of the base stations.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur rechnergestützten Lokalisation eines mobilen Objekts basierend auf einer solchen gelernten Referenzkarte. Dabei wird ein Merkmalsvektor des Funknetzes an der zu loka¬ lisierenden Objektposition gemessen. Basierend auf einem Mus- terabgleich, welcher den gemessenen Merkmalsvektor mit Merkmalsvektoren an den Referenzpositionen der gelernten Referenzkarte vergleicht, wird anschließend die Objektposition bestimmt . Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes, wobei die Messungen derart erfolgt sind, dass für ein mobiles Objekt, welches über das Funknetz mit einer Mehrzahl von Basisstationen des Funknetzes kommuniziert, an einer Vielzahl von unbekannten Ob ektpositionen des mobilen Objekts jeweilige Merkmalsvektoren des Funknetzes gemessen werden und hierdurch eine Messreihe aus einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Merkmalsvektoren für jeweilige Objektpositionen zu jeweiligen Messzeitpunkten erhalten wird. Die Referenzkarte umfasst dabei eine Vielzahl von räumlichen Referenzpositionen und die Vorrichtung enthält eine Verarbeitungseinheit, mit der im Betrieb der Vorrichtung basierend auf der Messreihe die jeweiligen Merkmalsvektoren des Funknetzes an den jeweiligen Referenzpositionen die Referenzkarte mit dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens gelernt werden. In addition to the above-described method for computer-aided learning of a reference map, the invention further comprises a method for the computer-aided localization of a mobile object based on such a learned reference map. Here, a feature vector of the radio network at the site to Loka ¬ lisierenden object position is measured. Based on a pattern matching which compares the measured feature vector with feature vectors at the reference positions of the learned reference card, the object position is subsequently determined. The invention further comprises a device for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network, wherein the measurements are made such that for a mobile object, which via the Radio network communicates with a plurality of base stations of the radio network, at a plurality of unknown ob ektpositionen of the mobile object respective feature vectors of the radio network are measured, and thereby a series of measurements from a plurality of temporally successive feature vectors for respective object positions is obtained at respective measurement times. The reference card in this case comprises a plurality of spatial reference positions and the apparatus includes a processing unit, with the operation of the device based on the measurement series, the respective feature vectors of the radio network at the respective reference positions, the reference card are learned with the inventive method described above.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur rechnergestützten Lokalisation eines mobilen Objekts, basierend auf einer Referenzkarte, welche mit dem oben beschriebenen Lernverfahren gelernt ist. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Mess- und Verarbeitungseinrichtung, mit der ein Merkmalsvektor des Funknetzes an der zu lokalisierenden Objektposition gemessen wird und mit der basierend auf einem Musterabgleich, welcher den gemessenen Merkmalsvektor mit den Merkmalsvektoren an den Referenzpositionen der gelernten Referenzkarte vergleicht, die Objektposition bestimmt wird. The invention further relates to a device for the computer-aided localization of a mobile object, based on a reference map, which is learned with the learning method described above. In this case, the device comprises a measuring and processing device with which a feature vector of the radio network is measured at the object position to be located and with which based on a pattern matching, which compares the measured feature vector with the feature vectors at the reference positions of the learned reference map, the object position is determined ,
Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein Computerprogrammpro¬ dukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zum Lernen einer Referenzkarte bzw. zur Lokalisation eines mobilen Objekts, wenn das Programm auf einem Rechner läuft. The invention further comprises a Computerprogrammpro ¬ domestic product with a program stored on a machine-readable carrier, the program code for performing the method for learning a reference map or for the localization of a mobile object described above, according to the invention, when the program runs on a computer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer räumlichen Umgebung, anhand der das erfindungsgemäße Lernen der Re¬ ferenzkarte für Referenzpositionen in dieser räumlichen Umgebung erläutert wird; Show it: Fig. 1 is a schematic representation of a physical environment, is explained with the aid of learning ¬ Re ference card for reference positions in the spatial environment of the present invention;
Fig. 2 ein Diagramm, welches beispielhaft den Verlauf der in einer Aus führungs form der Erfindung verwendeten Kanalimpulsantwort als Eintrag von Merkmalsvektoren verdeutlicht ; FIG. 2 is a diagram illustrating by way of example the course of the channel impulse response used in an embodiment of the invention as an entry of feature vectors; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung, welche den iterativen Fig. 3 is a schematic representation showing the iterative
Ablauf einer Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt; und  Sequence of an embodiment of the method according to the invention; and
Fig. 4 ein Diagramm, welches Ergebnisse des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens mit anderen Verfahren vergleicht. Comparing Fig. 4 is a diagram showing results of the invention shown SEN process with other processes.
Nachfolgend werden Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf Merkmalsvektoren eines Funknetzes beschrieben, welche als Einträge sog. Kanalimpulsantworten für eine Laufzeitdifferenz von Funksignalen zwischen Basisstationen von entsprechenden Paaren von Basisstationen des Funknetzes enthalten. In einer bevorzugten Variante ist das Funknetz ein WLAN-Netz, in dem die Basisstationen entsprechende Access-Points darstellen. Dabei sendet ein mobiles Ob¬ jekt über den entsprechenden Standard des Funknetzes Funksig¬ nale aus, deren Kanalimpulsantwort in Abhängigkeit von der Laufzeitdifferenz für jeweilige Paare von Basisstationen gemessen wird. Basierend darauf werden dann die zu erwartenden Merkmalsvektoren für eine Vielzahl von räumlichen Referenzpositionen einer Referenzkarte bestimmt, wobei die Referenzkar¬ te anschließend z.B. zur Lokalisation eines mobilen Objekts über sog. Pattern-Matching genutzt werden kann. Im Rahmen dieses Pattern-Matchings wird der entsprechende Merkmalsvek¬ tor für ein mobiles Objekt an einer unbekannten Position gemessen, woraufhin durch Vergleich des gemessenen Merkmalsvektors mit den entsprechenden Merkmalsvektoren an den Referenz- Positionen in geeigneter Weise die Ob ektposition bestimmt wird . Embodiments of the method according to the invention based on feature vectors of a radio network will now be described, which contain as entries so-called channel impulse responses for a transit time difference of radio signals between base stations of corresponding pairs of base stations of the radio network. In a preferred variant, the radio network is a WLAN network in which the base stations represent corresponding access points. In this case, a mobile Whether ¬ ject to the corresponding standard of the radio network emits Funksig ¬ dimensional whose channel impulse response as a function of the transit time difference for respective pairs of base stations is measured. Based on this, the expected feature vectors are then determined for a multiplicity of spatial reference positions of a reference map, wherein the reference map can subsequently be used, for example, to localize a mobile object by so-called pattern matching. As part of this pattern matching, the corresponding Merkmalsvek ¬ tor for a mobile object at an unknown location is measured, followed by comparison of the measured feature vector with the respective feature vectors of the reference Positions is determined in a suitable manner the ektposition.
Fig. 1 verdeutlicht allgemein den Ablauf des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zum Lernen einer Referenzkarte. Dabei ist bei¬ spielhaft eine räumliche Umgebung R in der Form eines recht¬ eckigen Raums gezeigt, in dem eine Vielzahl von regelmäßig beabstandeten und bekannten Referenzpositionen RP einer Referenzkarte enthalten sind. Die entsprechenden Merkmalsvektoren an diesen Referenzpositionen sind im Rahmen des Lernens der Referenzkarte zu bestimmen. Die Referenzpositionen sind in Fig. 1 durch entsprechende Kreuze angedeutet, wobei aus Über¬ sichtlichkeitsgründen nur zwei der Referenzpositionen mit Bezugszeichen RP bezeichnet sind. Der an diesen Positionen vorliegende Merkmalsvektor ist mit CRM bezeichnet. Beispielhaft sind in Fig. 1 drei Basisstationen BSl, BS2 und BS3 des Funknetzes angedeutet, welche mit einem entsprechenden mobilen Objekt 0 an einer Objektposition OP kommunizieren, wobei für die Objektposition OP der Merkmalsvektor Cmeas gemessen wird. Fig. 1 illustrates generally the operation of the invention shown SEN method for learning a reference map. In this case, at ¬ way of example, a spatial surroundings R is shown in the shape of a right ¬ square space in which a plurality of regularly spaced and known reference positions RP are included a reference map. The corresponding feature vectors at these reference positions are to be determined in the course of learning the reference map. The reference positions are indicated in FIG. 1 by corresponding crosses, with only two of the reference positions being denoted by reference symbol RP for reasons of clarity . The feature vector present at these positions is denoted by C RM . By way of example, three base stations BS1, BS2 and BS3 of the radio network are indicated in FIG. 1, which communicate with a corresponding mobile object 0 at an object position OP, the feature vector C meas being measured for the object position OP.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf Messungen innerhalb eines vorbestimmten Messzeitraums, in dem sich das Objekt 0 in der räumlichen Umgebung R bewegt und dabei zu einer Vielzahl von Messzeitpunkten die Merkmalsvektoren Cmeas an den entsprechenden Objektpositionen OP erfasst werden. Diese Objektpositionen sind nicht bekannt, d.h. es handelt sich bei der Messung nicht um einen Kalibriervorgang im eigentlichen Sinne, bei dem entsprechende Merkmalsvektoren an bekannten Positionen erfasst werden. Ein gemessener Merkmalsvektor enthält einen Eintrag für jedes mögliche Paar von zwei Basissta¬ tionen des Funknetzes, d.h. in dem Szenario der Fig. 1 einen Eintrag für das Paar aus Basisstationen BSl und BS2, für das Paar aus Basisstationen BSl und BS3 und für das Paar aus Basisstationen BS2 und BS3. Beispielhaft ist in Fig. 1 eine entsprechende Messung eines Merkmalsvektors für das Paar aus Basisstationen BSl und BS2 verdeutlicht. Die Messung beruht dabei auf der Laufzeitdifferenz LD von Funksignalen zwischen einer ersten Laufzeit LI von dem Objekt 0 hin zur Basisstati- on BS1 und einer zweiten Laufzeit L2 vom Objekt 0 hin zur Ba sisstation BS2. Dabei wird die Summe der entsprechenden Amplituden der Funksignale, welche von den jeweiligen Basissta¬ tionen BS1 und BS2 erfasst werden, in Abhängigkeit von einer Distanz bzw. der entsprechenden Laufzeitdifferenz zwischen den Basisstationen erfasst. Die sich hieraus ergebende Kurve stellt dabei die sog. Kanalimpulsantwort dar, welche bei¬ spielhaft in Fig. 2 verdeutlicht ist. The method according to the invention is based on measurements within a predetermined measurement period in which the object 0 moves in the spatial environment R and the feature vectors C meas at the corresponding object positions OP are detected at a plurality of measurement times. These object positions are not known, ie the measurement is not a calibration process in the actual sense in which corresponding feature vectors are detected at known positions. A measured feature vector includes an entry for each possible pair of two Basissta ¬ functions of the radio network, that is, in the scenario of FIG. 1, an entry for the pair of base stations BSl and BS2, for the pair of base stations BSl and BS3 and for the pair of Base stations BS2 and BS3. By way of example, FIG. 1 illustrates a corresponding measurement of a feature vector for the pair of base stations BS1 and BS2. The measurement is based on the transit time difference LD of radio signals between a first transit time LI from the object 0 to the base station. on BS1 and a second transit time L2 from the object 0 to the base station BS2. Here, the sum of the respective amplitudes of the radio signals, which are detected by the respective Basissta ¬ functions BS1 and BS2 is detected as a function of a distance and the corresponding propagation time difference between the base stations. The resultant curve in this case represents the so-called. Channel impulse response, which is illustrated in ¬ way of example in Fig. 2.
In dem Diagramm der Fig. 2 ist entlang der Abszisse der Abstand d angedeutet, der verschiedene (mit der Signalgeschwin digkeit multiplizierte) Laufzeitdifferenzen der Funksignale für ein Paar von Basisstationen wiedergibt. Entlang der Ordi nate ist die Amplitude AP aufgetragen, welche sich aus den Amplituden der Funksignale zusammensetzt, welche an jeder Ba sisstation des Paars für den jeweiligen Abstand zu empfangen sind. Die Kanalimpulsantwort ist als durchgezogene Kurve Kl wiedergegeben. Der maximale Wert der Kanalimpulsantwort ent¬ spricht in der Regel der Laufzeitdifferenz für eine Sichtver bindung zwischen den Basisstationen und dem mobilen Objekt. Die anderen Maxima der Kurve sind in der Regel durch Mehrwe¬ geausbreitungen aufgrund von Reflexionen hervorgerufen. In Fig. 2 ist ferner eine weitere gestrichelte Kurve K2 wieder¬ gegeben. Diese Kurve wird als eine Initialisierung für die Kanalimpulsantworten an einer Referenzposition der Referenzkarte verwendet und deren Berechnung wird weiter unten näher erläutert . In the diagram of Fig. 2, the distance d is indicated along the abscissa, the different (multiplied by the Signalgeschwin speed) propagation time differences of the radio signals for a pair of base stations reproduces. Along the Ordi nate the amplitude AP is plotted, which is composed of the amplitudes of the radio signals, which are to be received at each Ba sisstation of the pair for the respective distance. The channel impulse response is represented as a solid curve K1. The maximum value of the channel impulse response ent ¬ usually speaks of the time difference for a clear line of sight connection between the base stations and the mobile object. The other maxima of the curve are usually caused by Mehrwe ¬ geausbreitungen due to reflections. In Fig. 2, a further dashed curve K2 is also given ¬ again. This curve is used as an initialization for the channel impulse responses at a reference position of the reference map, and their calculation will be described later.
Im Folgenden werden detailliert die einzelnen Schritte einer Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Lernen einer Referenzkarte basierend auf Kanalimpulsantworten für Laufzeitdifferenzen für Paare von Basisstationen erläutert. Wie bereits erwähnt, basiert das Lernen der Referenzkarte au einer Messreihe aus einer Vielzahl von Merkmalsvektoren, wel che für unterschiedliche Messpositionen gemessen wurden. Für eine jeweilige Messposition bzw. einem entsprechenden Messzeitpunkt i ergibt sich folgender Merkmalsvektor: ^ meas l> meas;fiSl,2> · · ·> ^ sas BSl,N ' *- meas;BS2,3> · · ·> msas BS2,N> · · ·> msas BSQi -X ,N J In the following, the individual steps of an embodiment of the inventive method for learning a reference map based on channel impulse responses for time differences for pairs of base stations will be explained in detail. As already mentioned, the learning of the reference map is based on a measurement series from a plurality of feature vectors which have been measured for different measurement positions. For a respective measurement position or a corresponding measurement time i, the following feature vector results: ^ meas l>meas; fiSl, 2 > · · · > ^ sas BSl, N '* - meas; BS2,3 > · · · > msas BS2, N > · · · > msas BSQi - X, NJ
Die einzelnen Einträge des Merkmalsvektors C(^eils sind dabei die Kanalimpulsantworten in der Zeitdomäne, welche durch eine 5 inverse Fourier-Transformation einer Kanalschätzung in der Frequenzdomäne approximiert sind. Jeder Eintrag des obigen Vektors enthält die Kanalimpulsantwort in der Form von L Amp¬ litudenwerten zu entsprechenden LaufZeitdifferenzen 1-T, 2-T, L-T, welche in diesem Sinne Stützstellen der in Fig. 2 ge- 10 zeigten kontinuierlichen Kanalimpulsantwort für entsprechende LaufZeitdifferenzen bzw. Distanzen darstellen. Mathematisch wird ein entsprechender Eintrag für ein Paar aus Basisstationen BSm und BSn wie folgt beschrieben: The individual entries of the feature vector C (^ Eils are the channel impulse responses in the time domain, which are approximated by a 5 inverse Fourier transform of a channel estimation in the frequency domain. Each entry of the above vector containing the channel impulse response in the form of L Amp ¬ litudenwerten to corresponding propagation time differences 1-T, 2-T, LT, which in this sense represent support points of the continuous channel impulse response for corresponding propagation time differences and distances respectively Mathematically, a corresponding entry is made for a pair of base stations BSm and BSn follows:
1 ^5 c *-( m,)eas ; =\ Lα"mωeas;BS>«,n;l-r ' - - - ' α "mωeas;BS«,n;i-r V J 1 ^ 5 c * - ( m ,) eas; = \ Lα "m ω eas; BS>", n; lr ' - - - ' α "m ω eas; BS", n; ir VJ
Das diskrete Zeitintervall T der Kanalimpulsantwort hängt da¬ bei vom Messaufbau ab. Um den Einfluss von unregelmäßigen Messwerten (sog. Outliers) zu reduzieren, können die Amplitu- 20 denwerte von mehreren Messungen um die tatsächliche Position vor dem nachfolgend beschriebenen Lernen gemittelt werden. The discrete time interval T of the channel impulse response depends as ¬ in from the measurement setup. In order to reduce the influence of irregular measured values (so-called outliers), the amplitude values of several measurements can be averaged around the actual position before the learning described below.
Um das Lernen der Referenzkarte zu beginnen, ist es erforderlich, dass zunächst eine geeignete Initialisierung der Refe- 25 renzkarte vorliegt, d.h. dass ein aussagekräftiger Satz von K Referenzpositionen mit entsprechenden initialisierten Merkmalsvektoren vorgegeben wird. Zu Beginn des Verfahrens existiert ein Positionsvektor PRM = [pj^ , ... , pj^ ]r mit entsprechenden k Referenzpositionen der Referenzkarte. Im vorliegenden Fall 30 werden zweidimensionale räumliche Positionen betrachtet, wel¬ che den Ort des Objekts mit x- und y-Koordinate innerhalb ei¬ nes Raums ohne Berücksichtigung seiner Höhe beschreibt. Gege¬ benenfalls ist auch möglich, das Verfahren auf drei Dimensio¬ nen zu erweitern. In order to start the learning of the reference card, it is necessary for a suitable initialization of the reference card to be present, ie a meaningful set of K reference positions with corresponding initialized feature vectors is given. At the beginning of the method, there exists a position vector P RM = [pj ^, ..., pj ^] r with corresponding k reference positions of the reference card. In the present case 30, two-dimensional spatial positions are considered wel ¬ che describes the location of the object with x and y coordinate within ei ¬ nes space without regard to its height. Gege ¬ appropriate, is also possible to extend the method to three Dimensio ¬ nen.
Die k-te Referenzposition in der Referenzkarte wird somit durch folgenden Positionsvektor beschrieben: ' RM [ RM ' RM - The k-th reference position in the reference map is thus described by the following position vector: 'RM [RM' RM -
Wie in Fig. 1 angedeutet, sind die einzelnen Positionen vorzugsweise die Eckpunkte eines äquidistanten Gitters. Zu Be- 5 ginn des Verfahrens liegen für jede der K Referenzpositionen initialisierte Merkmalsvektoren Cj^j der Referenzkarte RM (RMAs indicated in FIG. 1, the individual positions are preferably the vertices of an equidistant grid. To loading 5 are beginning for each of the K reference positions initialized feature vectors Cj ^ j of the reference map RM (RM of the method
= Radio Map) vor, so dass die Referenzkarte durch folgende Matrix aus initialisierten Merkmalsvektoren beschrieben wird:
Figure imgf000017_0001
= Radio Map), so that the reference map is described by the following matrix of initialized feature vectors:
Figure imgf000017_0001
In der hier beschriebenen Aus führungs form wird eine spezielle Initialisierung der einzelnen Merkmalsvektoren basierend auf einer Gaußschen Schätzung verwendet. Alternativ ist es auchIn the embodiment described here, a special initialization of the individual feature vectors based on a Gaussian estimation is used. Alternatively it is
15 möglich, dass zur Initialisierung eine bestimmte Anzahl von Kalibrationsmessungen verwendet wird, wobei Merkmalsvektoren für räumliche Positionen zwischen Kalibrationsmessungen durch lineare Interpolation ermittelt werden. Die in der hier beschriebenen Aus führungs form verwendete Gaußsche Schätzung be-It is possible for a certain number of calibration measurements to be used for initialization, wherein feature vectors for spatial positions between calibration measurements are determined by linear interpolation. The Gaussian estimate used in the embodiment described herein
20 ruht auf der geometrischen Anordnung der jeweiligen Referenzpositionen in Bezug auf die einzelnen Basisstationen. Dabei sind die Koordinaten aller Basisstationen bekannt. Diese werden durch folgenden Positionsvektor PBS mit entsprechenden zweidimensionalen Positionen ρ 'BΒS8 beschrieben: 20 rests on the geometric arrangement of the respective reference positions with respect to the individual base stations. The coordinates of all base stations are known. These are described by the following position vector P BS with corresponding two-dimensional positions ρ 'B Β S 8 :
25  25
P A BS = LFBS ' - ' - ' I'B(AS° JP A BS = LFBS '-' - 'I'B (A S ° J
Figure imgf000017_0002
Figure imgf000017_0002
N bezeichnet dabei die Anzahl an Basisstationen. Es wird der 30 tatsächliche Distanzunterschied d für ein Paar von Basissta¬ tionen n, m und einer entsprechenden Referenzposition k basierend auf folgender Formel berechnet: d = ^(X S ~ RM ) + 0 s' ~~ yiu ~ ^(X S ~ RM ) + ( BS ~~ ^RM ) N denotes the number of base stations. The 30 actual distance difference d for a pair of Basissta ¬ functions n, m and a corresponding reference position is calculated k based on the following formula: d = ^ (X S ~ RM) + 0 s' ~~ Yiu ~ ^ (X S ~ RM) + (BS ~~ ^ RM)
35  35
Basierend auf der Annahme, dass die Basisstationen und die jeweilige Referenzposition in Sichtlinie zueinander liegen, sowie unter der Annahme von Gaußschen Messfehlern und einer Propagationsgeschwindigkeit v (üblicherweise die Lichtge¬ schwindigkeit) werden die Amplituden der entsprechenden Kanalimpulsantworten für LaufZeitdifferenzen v-l-T durch folgende Formel approximiert: a^-Bsm,n-i-T =a-N(y-l-T;d,a) Based on the assumption that the base stations and the respective reference position are in line of sight, and assuming Gaussian measurement errors, and a propagation v (usually the Lichtge ¬ speed) can be approximated the amplitudes of the respective channel impulse responses for propagation time differences VLT by the formula: a ^ -BS m, NIT = aN (YLT; d, a)
Diese Amplitude ist beispielhaft für eine Kanalimpulsantwort als Kurve K2 in Fig. 2 wiedergegeben. N bezeichnet dabei die Normalverteilung mit einer geeigneten Standardabweichung σ und einem Normalisierungsfaktor a . Der Normalisierungsfaktor ist derart gewählt, dass das Integral über die Normalvertei¬ lung 1 ist und somit die einzelnen Amplitudenwerte als Wahr¬ scheinlichkeiten für eine bestimmte Distanzdifferenz zwischen zwei Basisstationen interpretiert werden können. This amplitude is reproduced by way of example for a channel impulse response as curve K2 in FIG. N designates the normal distribution with a suitable standard deviation σ and a normalization factor a. The normalization factor is chosen such that the integral over the Normalvertei ¬ system is 1, and thus the individual amplitude values can be interpreted as true ¬ probabilities for a certain distance difference between two base stations.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Lernens der Referenzkarte werden nunmehr für alle gemessenen Kanalimpulsantworten entsprechende geschätzte Ob ektpositionen mit einem an sich bekannten Musterabgleich (engl. Pattern-Matching) bestimmt. Dabei wird die quadratische Differenz zwischen einem gemessenen Merkmalsvektor C^eas und allen Einträgen Cj^ der Referenzkarte wie folgt ermittelt: y N-l N LAs part of learning the reference card according to the invention, corresponding estimated object positions are now determined for all measured channel impulse responses with a pattern matching known per se (pattern matching). The quadratic difference between a measured feature vector C ^ eas and all entries Cj ^ of the reference map is determined as follows: y Nl NL
c ) C(k) ) = y y ( ( (*) γ c) C (k) ) = yy ( ((*) γ
\umensBSm,nl-T RM;BSm,n;l-T ) \ u mensBSm, nl-T RM; BSm, n; lT)
m-l n-m+l l-l  m-1 n-m + 1-l
Im Rahmen eines an sich bekannten "k nearest neighbours" Algorithmus wird dann eine vorbestimmte Anzahl von Einträgen der Referenzkarte mit den geringsten Abständen zu dem aktuellen gemessenen Merkmalsvektor ausgewählt. Die endgültige ge¬ schätzte Position P = [ PM ^PM] fur die Messung i, wird durch die Mittelung der entsprechenden Referenzpositionen gemäß der vorbestimmten Anzahl an Einträgen der Referenzkarte bestimmt. As part of a known "k nearest neighbors" algorithm then a predetermined number of entries of the reference card with the shortest distances to the current measured feature vector is selected. The final estimated position P ge ¬ = [^ PM PM] for the measurement i is determined by averaging the respective reference positions in accordance with the predetermined number of entries of the reference map.
Basierend auf der initialisierten Referenzkarte und unter Verwendung der geschätzten Ob ektpositionen erfolgt schließ- lieh das Lernen der Referenzkarte durch iterative Aktualisie¬ rung ihrer Einträge, wobei eine Messreihe von Merkmalsvekto¬ ren an I Messzeitpunkten bzw. Messpositionen berücksichtigt wird, welche durch folgende Matrix beschrieben wird: meas L*-^ meas ' " " " ' meas ' " " " ' meas J Based on the initialized reference map and using the estimated ob ect positions, borrowed the learning of the reference card by iterative Aktualisie ¬ tion of its entries, where a series of measurements of Merkmalsvekto ¬ ren at I time points or measuring positions is taken into account, which is described by the following matrix: meas L * - ^ meas'"""'meas'"""'meas J
Jeder einzelnen Messung ist dabei ein entsprechender Zeitstempel mit dem Messzeitpunkt zugeordnet, was durch folgenden Vektor beschrieben werden kann: t meas = r Lt m(1e)as ' " " " ' t me)as ' " " " ' t m(Ie)as l J Each individual measurement is assigned a corresponding time stamp with the measurement time, which can be described by the following vector: t meas = r Lt m (1 e ) as '''''t me ) as''''' tm (I e ) as l J
In der hier beschriebenen Aus führungs form der Erfindung wird ein iteratives Lernen eingesetzt, welches sog. selbstorgani¬ sierende Karten (engl. Seif Organizing Maps) verwendet. Die¬ ses Lernen wird nachfolgend auch als SOM-Lernen bezeichnet und stellt eine Adaption von den an sich bekannten Kohonen Seif Organizing Maps dar. Darüber hinaus wird im erfindungs¬ gemäßen Lernen eine Optimierung eingesetzt, welche ein Bewegungsmodell für das mobile Objekt in geeigneter Weise für die komplette Messreihe berücksichtigt. Diese Optimierung wird im Folgenden auch als "Complete Track Optimization" bezeichnet und mit CTO abgekürzt. Das CTO-Verfahren stellt eine wesent¬ liche Komponente des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, welche in der hier beschriebenen Aus führungs form mit dem zusätzlichen SOM-Lernen kombiniert wird. Besonders gute Ergebnisse werden durch die Kombination dieser beiden Lernverfahren erhalten . In the embodiment described here disclosed embodiment of the invention, an iterative learning is used which so-called. Selbstorgani ¬ sierende cards (engl. Seif Organizing Maps) is used. The ¬ ses learning is referred to hereinafter as SOM learning and provides an adaptation is of the per se known Kohonen Seif Organizing Maps. In addition, an optimization is used in Inventive ¬ contemporary learning, which is a motion model of the mobile object in a suitable manner for taken into account the complete measurement series. This optimization is referred to below as "Complete Track Optimization" and abbreviated CTO. The CTO-process represents a Wesent ¬ Liche component of the inventive method, which is guide combined form as described herein from the additional SOM learning. Particularly good results are obtained by combining these two learning methods.
Fig. 3 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm, welche das ite¬ rative Lernen basierend auf einer Kombination des SOM-Lernens und des CTO-Lernens wiedergibt. It bezeichnet dabei den Ite¬ rationsschritt. Zu Beginn des Verfahrens (it=0) wird zunächst eine komplette Aktualisierung der entsprechenden Merkmalsvektoren der Referenzkarte basierend auf dem SOM-Lernen durchge¬ führt. Nach jedem Iterationsschritt (it=it+l) wird in einem Überprüfungsschritt A überprüft, ob eine vorbestimmte Anzahl von Iterationsschritten it_cto erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, wird eine nochmalige Aktualisierung der Referenzkarte basierend auf dem SOM-Lernen durchgeführt (Zweig B2) . Ergibt die Überprüfung A, dass die vorbestimmte Anzahl an 5 Iterationen erreicht ist, wird ein CTO-Lernschritt durchge¬ führt (Zweig Bl) . Anschließend erfolgt wiederum das SOM- Lernen für eine vorbestimmte Anzahl an Iterationsschritten it_cto. Die Iteration wird schließlich bei Erreichen einer vorbestimmten Gesamtanzahl n von Iterationsschritten (Zweig 10 B3) beendet. Fig. 3 shows an example of a flow chart, which represents the ith ¬ rative learning based on a combination of the SOM learning and CTO-learning. It designates the rationsschritt Ite ¬. At the beginning of the process (it = 0) a complete update of the corresponding feature vectors of the reference card is first Runaway ¬ performs, based on the SOM learning. After each iteration step (it = it + l), a check step A checks whether a predetermined number of iteration steps it_cto is reached. If this is not the case, the reference card is updated again based on the SOM learning (branch B2). If the check A, where the predetermined number is reached to 5 iterations, a CTO-learning step is Runaway ¬ leads (branch Bl). Subsequently, the SOM learning is again performed for a predetermined number of iterations it_cto. The iteration is finally terminated upon reaching a predetermined total number n of iteration steps (branch 10 B3).
Im Folgenden wird zunächst das SOM-Lernen beschrieben. Wie bereits erwähnt, ist die Lernregel von sog. Kohonen Seif Or- ganizing Maps adaptiert. Eine Variante des SOM-Lernens wurde 15 bereits in der Druckschrift WO 2007/118518 AI beschrieben und wird nunmehr im Rahmen der Erfindung in geeigneter Weise an laufzeitbasierte Merkmalsvektoren angepasst. The following section first describes SOM learning. As already mentioned, the learning rule is adapted from so-called Kohonen Seif Organizational Maps. A variant of the SOM learning has already been described in document WO 2007/118518 A1 and will now be suitably adapted within the scope of the invention to term-based feature vectors.
Wie oben erläutert, wurde durch Pattern-Matching für jeden 20 gemessenen Merkmalsvektor C(^AS eine geschätzte Ob ektpositionAs explained above, by pattern matching, for every 20 measured feature vector C ( ^ AS, an estimated octet position
PPIJJ ermittelt. Diese Position fungiert nunmehr als Zentrum für ein Akualisierungsverfahren der entsprechenden Merkmalsvektoren der Referenzkarte mit Referenzpositionen in der Umgebung um die entsprechende, über Pattern-Matching ermittelte 25 Objektposition. Dabei wird der sog. Nachbarschaftsfehler als eine Differenz zwischen dem aktuell betrachteten gemessenen Merkmalsvektor C^EAS und den einzelnen Merkmalsvektoren derP PI J J determined. This position now functions as a center for an update process of the corresponding feature vectors of the reference map with reference positions in the vicinity of the corresponding pattern-matching determined object position. In this case, the so-called neighborhood error is calculated as a difference between the currently measured characteristic vector C ^ EAS and the individual feature vectors
Referenzkarte wie folgt definiert: η ΛΡ^' _ /""(') _ f(k) Reference card defined as follows: η ΛΡ ^ '_ / "" ( ' ) _ f (k)
J U ~~ ^meas ^RM JU ~~ ^ meas ^ RM
Basierend auf der Distanz r(k) = ^(x^ - - M)2 + ( PM ~ ^RM)2 zwischen der vorbestimmten Position , welche für die entsprechende Messung durch Pattern-Matching ermittelt wurde, und den vor- 35 bekannten Referenzpositionen, wird der Einfluss des oben berechneten Fehlers AC(k) in geeigneter Weise in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Objektposition und Referenzposition adaptiert. Dies geschieht dadurch, dass eine Gewichtungsfunk¬ tion f verwendet wird, welche durch eine Gaußsche Fläche in Kombination mit einem zusätzlichen Lernraten-Parameter κ beschrieben wird, wobei diese Funktion f in der hier beschriebenen Aus führungs form wie folgt definiert ist:
Figure imgf000021_0001
Based on the distance r (k) = ^ (x ^ - - M ) 2 + ( PM ~ ^ RM ) 2 between the predetermined position, which was determined for the corresponding measurement by pattern matching, and the previously known reference positions , the influence of the above-calculated error AC (k) becomes appropriate depending on the distance between object position and reference position adapted. This is done by applying a weighting radio ¬ tion f is used, which is described by a Gaussian κ surface in combination with an additional learning rate parameter, wherein said function f is as described herein from guide defined form as follows:
Figure imgf000021_0001
Basierend auf dieser Funktion werden alle Einträge der Refe renzkarte über die sog. Kohonen Aktualisierungsregel wie folgt aktualisiert: Based on this function, all entries of the reference map are updated via the so-called Kohonen update rule as follows:
C& = C& + /(r«) . AC<» Man erkennt, dass somit die entsprechende Korrektur des Merk¬ malsvektors der Referenzkarte umso kleiner ist, je weiter entfernt die Referenzposition von der geschätzten Objektposition ist. In einer besonders bevorzugten Aus führungs form wird zur recheneffizienten Umsetzung des Verfahrens die tatsächli- che Aktualisierung nur innerhalb eines Bereichs von 3σ um die geschätzte Objektposition betrachtet, denn die Gaußglocke kann praktisch als Null angesehen werden, wenn sie weiter als das Dreifache der Standardabweichung von ihrem Zentrum entfernt ist. C & = C & + / (r «). AC <"It is apparent that thus the corresponding correction of the watch ¬ times vector is the smaller of the reference card, the further away is the reference position of the estimated object position. In a particularly preferred embodiment, for the computationally efficient implementation of the method, the actual update is only considered within a range of 3σ around the estimated object position, because the Gaussian bell can be considered virtually zero if it exceeds three times the standard deviation of its Center is removed.
Die oben beschriebene Aktualisierung kann iterativ mehrmals wiederholt werden, wobei bei jeder Iteration vorzugsweise in zufälliger Reihenfolge alle entsprechenden Messzeitpunkte bzw. gemessenen Merkmalsvektoren betrachtet werden. Jede ein- zelne Iteration verwendet dabei immer die neu berechneten Merkmalsvektoren der Referenzkarte. The updating described above can be iteratively repeated several times, wherein in each iteration, preferably in random order, all corresponding measuring times or measured feature vectors are considered. Each individual iteration always uses the newly calculated feature vectors of the reference card.
Wie bereits oben erwähnt, wird nach einer vorbestimmten Anzahl von Iterationsschritten das CTO-Verfahren durchgeführt, welches nachfolgend dargelegt wird. Dabei wird die sequen¬ tielle zeitliche Reihenfolge der Messungen, welche sich aus dem oben beschriebenen Messzeitpunktvektor tmeas ergibt, in geeigneter Weise zur Formulierung eines Optimierungsproblems unter Verwendung eines vorbestimmten Bewegungsmodells für das mobile Objekt berücksichtigt. Ziel ist es dabei, die einzel¬ nen Einträge der Referenzkarte im Kontext der gesamten Mess¬ reihe und des damit verbundenen Tracks des mobilen Objekts zu verbessern . As already mentioned above, after a predetermined number of iteration steps, the CTO method is performed, which will be explained below. The sequenced ¬ tielle chronological sequence of measurements which t from the above-described measurement time point vector is meas shows in suitable for formulating an optimization problem using a predetermined motion model for the mobile object. The goal is to improve the individual ¬ nen entries of the reference card in the context of the entire measurement series ¬ and the associated tracks of the mobile object.
Ausgangspunkt der CTO-Optimierung ist dabei wiederum der Positionsvektor der über das Pattern-Matching geschätzten Objektpositionen, der wie folgt lautet:
Figure imgf000022_0001
The starting point of the CTO optimization is again the position vector of the object positions estimated via the pattern matching, which reads as follows:
Figure imgf000022_0001
Im Rahmen der Optimierung werden diese Positionen approximiert, wodurch verbesserte geschätzte Objektpositionen erhal¬ ten werden, wobei bei der Approximation berücksichtigt wird, dass vorbestimmte Bewegungsbeschränkungen des mobilen Objekts nicht verletzt werden. Diese Bewegungsbeschränkungen sind innerhalb eines vorbestimmten Bewegungsmodells festgelegt. Das Bewegungsmodell kann je nach verwendetem mobilen Objekt ge¬ eignet festgelegt sein. In der hier beschriebenen Ausführungsform beruht das Bewegungsmodell auf der Annahme, dass sich das mobile Objekt höchstens mit einer maximalen Ge¬ schwindigkeit vMM von beispielsweise 2 m/s bewegen kann. Un¬ ter dieser Annahme wird eine zur Optimierung verwendete Kos¬ tenfunktion g und eine (1-1) dimensionale Beschränkungsfunk¬ tion h festgelegt. Diese Funktionen hängen von möglichen Positionen des mobilen Objekts an den einzelnen Messzeitpunkten ab. Diese Positionen sind durch folgenden Vektor definiert: As part of the optimization of these positions can be approximated, thus resulting in improved estimated object positions preserver ¬ th are being considered in the approximation that predetermined movement of the mobile object constraints are not violated. These movement restrictions are defined within a predetermined movement model. The motion model can be defined depending on the mobile object ge ¬ suitable. In the embodiment described herein the motion model based on the assumption that the mobile object can move a maximum with a maximum Ge ¬ speed v MM of, for example 2 m / s. Un ¬ ter this assumption is a Kos ¬ tenfunktion g used to optimize and set a (1-1) dimensional limitation radio ¬ tion h. These functions depend on possible positions of the mobile object at the individual measurement times. These positions are defined by the following vector:
P = [p >(1), .., Ρ(0, .., Ρ(/)ίP = [p> (1) , .., Ρ (0 , .., Ρ (/) ί
Figure imgf000022_0002
Figure imgf000022_0002
Die Kostenfunktion g für diesen zu optimierenden Positionsvektor P mit den entsprechenden Beschränkungsfunktionen hi für aufeinanderfolgende Messzeitpunkten i lautet dabei wie folgt: ;=ι 2πσ The cost function g for this position vector P to be optimized with the corresponding restriction functions hi for successive measurement times i is as follows: = ι 2πσ
h(P) = [^(P), ... ^ (P), . . . , Äi_1(P)]
Figure imgf000023_0001
h (P) = [^ (P), ... ^ (P),. , , , Ä i _ 1 (P)]
Figure imgf000023_0001
Ziel der Optimierung ist die Minimierung der obigen Kosten- funktion g(J*) ohne die Beschränkungen des Bewegungsmodells dahingehend zu verletzen, dass die obige Beschränkungsfunkti¬ on z, (P) kleiner null wird. Auf diese Weise wird berücksich¬ tigt, dass sich ein mobiles Objekt zwischen zwei aufeinander folgenden Messzeitpunkten nicht schneller als mit der obigen Maximalgeschwindigkeit vMM bewegen kann. The aim of the optimization is to injure the effect minimizing the above cost function g (J *) without the constraints of the motion model that the above Beschränkungsfunkti on ¬ z, (P) is zero becomes smaller. In this way into account ¬ Untitled that a mobile object between two successive measurement time points can not move faster than the above maximum speed v MM.
Das soeben beschriebene Optimierungsproblem kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Algorithmen, wie z.B. dem Active- Set-Algorithmus , gelöst werden. Durch das manuelle Zuführen von Gradienten sowohl der Kostenfunktion als auch der Beschränkungsfunktion kann die Rechenzeit für die Optimierung signifikant reduziert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die obigen Positionen P mit Hilfe eines an sich bekannten Partikel-Filters initialisiert, um hierdurch die Ergebnisse zu verbessern. Die soeben beschriebene Opti¬ mierung kann als eine Art von Tracking-Algorithmus angesehen werden, in dem die komplette Historie und Zukunft des Daten¬ satzes der Messreihe berücksichtigt wird. Nach der Durchführung der obigen Optimierung wird als Ergebnis der Positionsvektor Popt erhalten, der als Einträge die entsprechenden optimierten geschätzten Positionen für die einzelnen Messzeitpunkte enthält. Mit Hilfe dieses Vektors wird in einer bevorzugten Variante der Erfindung für jede Re- ferenzposition in der Referenzkarte die nächstliegende opti¬ mierte Position aus dem Vektor Popt wie folgt bestimmt: The optimization problem just described can be solved with known from the prior art algorithms, such as the Active Set algorithm. By manually supplying gradients of both the cost function and the constraint function, the computation time for the optimization can be significantly reduced. In a preferred embodiment, the above positions P are initialized by means of a per se known particle filter to thereby improve the results. The just described Opti ¬ optimization can be regarded as a kind of tracking algorithm in which the complete history and future of data ¬ set of the series of measurements is taken into account. After performing the above optimization, as a result, the position vector P opt is obtained, which contains as entries the corresponding optimized estimated positions for the individual measurement times. Using this vector in a preferred variant of the invention, for each re ference will be position in the reference map the closest opti mized ¬ position from the vector P opt is determined as follows:
(i) (I)
kfüi = arg min ^(χ^ - x®)2 + (x^ - x{ opt / Schließlich wird der entsprechende Merkmalsvektor der Referenzkarte durch die erhaltene nächstliegende Messung wie folgt ersetzt: k fu i = arg min ^ (χ ^ - x®) 2 + (x ^ - x {opt / Finally, the corresponding feature vector of the reference card is replaced by the obtained closest measurement as follows:
Cjy^ ist somit der aktualisierte Merkmalsvektor für die Refe¬ renzposition k der Referenzkarte. In einer Abwandlung erfolgt die Bestimmung eines aktualisierten Merkmalsvektors der Refe¬ renzkarte nicht durch das Ersetzen des Merkmalsvektors mit dem nächstliegenden gemessenen Merkmalsvektors, sondern unter Verwendung einer gewichteten Summe, welche durch folgende Gleichung repräsentiert wird:
Figure imgf000024_0001
C ^ jy is therefore the updated feature vector for Refe ¬ ence position k of the reference card. In a variant, the determination of an updated feature vector of Refe rence ¬ map is not performed by replacing the feature vector with the closest measured feature vector but using a weighted sum, which is represented by the following equation:
Figure imgf000024_0001
Dabei bezeichnet a einen Normalisierungsfaktor. Die A- Posteriori-Wahrscheinlichkeit in obiger Gleichung ist bei der Verwendung von Partikel-Filtern direkt verfügbar, kann jedoch auch durch Gaußsche Kurven um die Positionen Popt wie folgt modelliert werden:
Figure imgf000024_0002
Where a denotes a normalization factor. The a posteriori probability in the above equation is directly available when using particle filters, but can also be modeled by Gaussian curves around the positions P opt as follows:
Figure imgf000024_0002
Von den Erfindern durchgeführte Simulationen haben gezeigt, dass die Aktualisierung der Referenzkarte mit dem Merkmals¬ vektor gemäß der nächstliegenden Ob ektposition etwas bessere Ergebnisse liefert als die gerade beschriebene Aktualisie¬ rung . Studies conducted by the inventors simulations have shown that updating the reference card with the feature vector ¬ ektposition according to the nearest Whether slightly better results than the just described Aktualisie ¬ tion.
Um die Stabilität des oben beschriebenen Lernverfahrens zu verbessern, werden in einer bevorzugten Aus führungs form sog. Fixpunkte berücksichtigt, welche räumliche Positionen im Be¬ reich der Referenzkarte darstellen und vorbestimmte Zuordnun- gen zwischen gemessenen Merkmalsvektoren und ihren tatsächlichen Positionen beschreiben. Die Fixpunkte können dabei manuell vorab im Rahmen der Messungen der Merkmalsvektoren festgelegt werden, d.h. in diesem Fall werden entsprechende Mes¬ sungen vorbestimmten räumlichen Positionen von Fixpunkten zugewiesen. Diese räumlichen Positionen werden dann bei den nachfolgenden Optimierungen nicht mehr verändert. Ebenso können entsprechende Fixpunkte auch automatisch aus den Messda¬ ten ermittelt werden. Hierzu kann z.B. eine geeignete Heuris¬ tik zur automatischen Detektion dieser Fixpunkte verwendet werden. Ein Beispiel einer solchen Heuristik wird weiter unter beschrieben. In order to improve the stability of the learning process described above, fixed points are so-called guide form in a preferred. Taken into account, which represent spatial positions in the reference map Be ¬ rich and predetermined their assignments describe between measured feature vectors and their actual positions. The fixed points can be manually set in advance in the context of measurements of the feature vectors thereby, that in this case, corresponding Mes ¬ solutions predetermined spatial positions of fixed points are assigned. These spatial positions are then no longer changed in the subsequent optimizations. Likewise corresponding fixed points can also be automatically determined from the Messda ¬ th. For this purpose, for example, a suitable heuristic ¬ tik used for automatic detection of these fixed points. An example of such a heuristic will be described below.
Sowohl bei der manuellen Festlegung als auch bei der automatischen Ermittlung von Fixpunkten werden diese Fixpunkte durch einen räumlichen Positionsvektor PFIX mit F Einträgen für die jeweiligen räumlichen Positionen der einzelnen Fixpunkte sowie den zugeordneten Merkmalsvektoren in der Form der Matrix CFLX beschrieben. Es gilt somit: Both in the manual definition and in the automatic determination of fixed points, these fixed points are described by a spatial position vector P FIX with F entries for the respective spatial positions of the individual fixed points and the associated feature vectors in the form of the matrix C FLX . It thus applies:
P =TD(1) D(/) D( ) P = TD (1) D (/) D ()
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Im Rahmen einer automatischen Erkennung von Fixpunkten wird während des Lernens ein entsprechender gemessener Merkmalsvektor einem Fixpunkt dann zugewiesen, wenn die quadratische Differenz zwischen dem Merkmalsvektor der Messung und der vorgegebenen Messung am Fixpunkt unterhalb einer vorbestimmten Schwelle dfix liegt, d.h. wenn gilt: r(cLs,c^ ) < ^x oIn the context of automatic detection of fixed points, a corresponding measured feature vector is assigned to a fixed point during learning if the quadratic difference between the feature vector of the measurement and the predetermined measurement at the fixed point is below a predetermined threshold d fix , ie if: r (cL s , c ^) <^ x o
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Messungen, welche Fixpunkten zugeordnet werden, werden im Rahmen des oben beschriebenen Verfahrens nicht geschätzt, sondern als vorgegeben betrachtet. Insbesondere werden in dem oben beschriebenen SOM-Lernen die über Pattern-Matching er- mittelten Positionen durch die Fixpunkt-Positionen pj ' ersetzt, was im Rahmen des SOM-Lernens in den meisten Fällen zu einer korrekten Position des Zentrums der Aktualisierungs¬ flächen führt. Diese Ersetzung wird auch im Rahmen der CTO- Optimierung vorgenommen. Dabei ist die entsprechende Fixpunkt-Position kein freier Parameter der Optimierung mehr, so dass nach der Optimierung diese Fixpunkt-Position nicht verändert ist und gleichzusetzen mit einer geschätzten optimierten Ob ektposition ist. Measurements which are assigned to fixed points are not estimated in the context of the method described above, but are regarded as predetermined. In particular, in the SOM learning described above, the pattern matching is performed. averaged positions replaced by the fixed point positions pj ', which in the context of SOM learning leads in most cases to a correct position of the center of the update ¬ surfaces. This replacement is also done as part of CTO optimization. In this case, the corresponding fixed-point position is no longer a free parameter of the optimization, so that after the optimization, this fixed-point position is not changed and is equivalent to an estimated optimized position ektposition.
In einer weiteren Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Fixpunkte basierend auf einer Heuristik bestimmt, ge¬ mäß der solche gemessenen Merkmalsvektoren detektiert werden, welche nahe an einer entsprechenden Basisstation liegen. Im Rahmen dieser Heuristik wird für eine Basisstation n eine entsprechende Messposition, welche am nächsten zu der Basis¬ station n liegt, wie folgt ermittelt: In a further modification of the process according to the invention fixed points are determined based on a heuristic ge ¬ Mäss of such measured feature vectors are detected, which are close to a corresponding base station. In the context of this heuristic, is determined as follows for a base station n is an appropriate measurement position, that is closest to the base station n ¬:
Für jede Messung (d.h. für jeden Messzeitpunkt i) wird be- stimmt, wie groß die Laufzeitdifferenz für jedes Paar von Basisstationen ist, welches die Basisstation n enthält. Die Laufzeitdifferenz wird dabei aus der Kanalimpulsantwort da¬ durch abgeleitet, dass der Maximalwert der Kanalimpulsantwort als Laufzeitdifferenz verwendet wird. Die Kanalimpulsantwor- ten werden somit als Wahrscheinlichkeiten für entsprechende Laufzeitdifferenzen betrachtet. Für jede Messung werden die Laufzeitdifferenzen für jedes Basisstationspaar, welches die Basisstation n enthält, summiert. Dabei wird in geeigneter Weise ein Vorzeichen dahingehend berücksichtigt, ob in dem entsprechenden Basisstationspaar die betrachtete Basisstation n die erste und die zweite Basisstation ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Summe umso größer wird, je näher sich der Punkt der entsprechenden Messung an der gerade betrachteten Basisstation n befindet. Aus diesen summierten Werten wird diejenige Messung mit der größten Summe ausgewählt. Die ent¬ sprechende Messposition wird dann mit der Position der Basisstation n gleichgesetzt. Basierend auf dieser Heuristik können auf recheneffiziente Weise solche Messungen ermittelt werden, welche an Basisstationen liegen. Diese Messungen werden als Fixpunkte betrachtet und mit den räumlichen Positio¬ nen der Basisstationen gleichgesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde von den Erfindern basie¬ rend auf Simulationen getestet. Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens mit an sich bekannten Methoden vergleicht. Es wurde dabei eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelernte Referenzkarte zur Lokalisation eines mobilen Objektes verwendet und mit an sich bekannten Lokalisationsverfahren verglichen. Entlang der Abszisse des Diagramms der Fig. 4 ist der Lokalisationsfehler LE und entlang der Ordinate die kumulative Wahrscheinlichkeit Pcum für den entsprechenden Lokalisationsfehler gezeigt. Das heißt, je steiler die entsprechenden Kurven sich nach oben erstrecken, desto besser ist die entsprechende Lokalisation. For each measurement (ie, for each measurement time i), it is determined how long the runtime difference is for each pair of base stations that the base station n contains. The transit time difference is then since ¬ by derived from the channel impulse response that the maximum value of the channel impulse response is used as the transit time difference. The channel impulse responses are thus considered as probabilities for corresponding propagation time differences. For each measurement, the runtime differences are summed for each base station pair containing the base station n. In this case, a sign is taken into account in a suitable manner as to whether in the corresponding base station pair the considered base station n is the first and the second base station. As a result, the closer the point of the corresponding measurement is to the base station n currently under consideration, the greater the sum becomes. From these summed values, the measurement with the largest sum is selected. The ent ¬ speaking measurement position is then set equal to the position of the base station n. Based on this heuristic, such measurements can be calculated in a computationally efficient way which are located at base stations. These measurements are considered as fixed points and equated with the spatial positio ¬ nen of the base stations. The inventive method has been tested by the inventors basie ¬ rend on simulations. 4 shows a diagram which compares the results of the method according to the invention with methods known per se. In this case, a reference map learned with the method according to the invention was used for the localization of a mobile object and compared with localization methods known per se. The abscissa of the diagram of Fig. 4 shows the localization error LE and along the ordinate the cumulative probability Pcum for the corresponding localization error. That is, the steeper the corresponding curves extend upwards, the better the corresponding localization.
Die Kurve CU1 zeigt eine basierend auf der erfindungsgemäß gelernten Referenzkarte durchgeführte Lokalisation mittels Pattern-Matching . Demgegenüber zeigt die Kurve CU2 eine Lokalisation basierend auf Pattern-Matching mit einer manuell kalibrierten Referenzkarte. Die Kurve CU3 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lokalisation ohne Referenzkarte, bei der für jede mögliche Position des mobilen Objekts die entsprechenden Kanalimpulsantworten der einzelnen Paare vonThe curve CU1 shows a localization carried out on the basis of the inventively learned reference card by means of pattern matching. In contrast, the curve CU2 shows a localization based on pattern matching with a manually calibrated reference map. The curve CU3 shows a prior art location without a reference map, in which, for each possible position of the mobile object, the corresponding channel impulse responses of the individual pairs of
Basisstationen multipliziert werden und der Ort mit dem Maxi¬ malwert des Produkts als Position des mobilen Objekts identi¬ fiziert wird. Demgegenüber zeigt die Kurve CU4 ein Pattern- Matching, bei dem die Referenzkarte nicht gelernt wird, son- dern die ursprünglich über eine Gaußfunktion initialisierte Referenzkarte verwendet wird. Base stations are multiplied and the location with the maximum ¬ value of the product as the position of the mobile object identi ¬ ficated. In contrast, the curve CU4 shows a pattern matching, in which the reference card is not learned, but the reference card originally initialized via a Gaussian function is used.
Wie sich aus dem Diagramm der Fig. 4 ergibt, werden durch eine manuelle Kalibration der Referenzkarte natürlich die besten Ergebnisse erreicht. Diese Lokalisation ist jedoch mit hohem Kalibrationsaufwand verbunden. Im Vergleich zu Verfahren, welche keine Kalibration verwenden, ist jedoch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der dargestellten Kurve CU1 das beste. Insbesondere führt das erfindungsgemäße Verfahren zu besseren Lokalisationsergebnissen als das oben beschriebene Verfahren gemäß dem Stand der Technik, welches durch die Kurve CU3 repräsentiert wird. Wie nicht anders zu erwarten, werden ohne Lernen einer Referenzkarte die schlechtesten Lo- kalisationsergebnisse erreicht, wie sich durch die flache Kurve CU4 ergibt. As is apparent from the diagram of Fig. 4, of course, the best results are achieved by manual calibration of the reference map. However, this localization is associated with high calibration effort. However, in comparison to methods which do not use calibration, the method according to the invention is according to the illustrated curve CU1 the best. In particular, the method according to the invention leads to better localization results than the above-described method according to the prior art, which is represented by the curve CU3. As might be expected, without learning a reference map, the worst localization results are achieved, as indicated by the flat curve CU4.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere verbessert die mit dem Verfahren gelernte Referenzkarte laufzeitbasierte Lokalisationssysteme, ohne dass zusätzliche Kalibrierungsphasen oder weitere Messdaten benötigt werden. Darüber hinaus beinhaltet das Verfahren nicht die Nachteile der manuellen Kalibrierung, bei der mit einem hohen Aufwand an vorbestimmten bekannten räumlichen Positionen entsprechende Merkmalsvektoren des Funknetzes gemes¬ sen werden müssen. In einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens können im Rahmen des Lernens vorbestimmte Fixpunkte einfließen, welche auch automatisch detektiert werden können, beispielsweise basierend auf einer Heuristik. The embodiments of the method according to the invention described above have a number of advantages. In particular, the reference map learned with the method improves runtime-based localization systems without the need for additional calibration phases or other measurement data. Moreover, the method does not involve the disadvantages of the manual calibration must be gemes ¬ sen in which corresponding with a high effort at predetermined known spatial positions of feature vectors of the radio network. In a preferred form of the method according to the invention, predetermined fixed points can be incorporated within the scope of the learning, which can also be detected automatically, for example based on a heuristic.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes, wobei die Messungen derart erfolgt sind, dass für ein mobiles Ob¬ jekt (0), welches über das Funknetz mit einer Mehrzahl von Basisstationen (BS1, BS2, BS3) des Funknetzes kommuniziert, an einer Vielzahl von unbekannten Ob ektpositionen (OP) des mobilen Objekts (0) jeweilige Merkmalsvektoren (Cmeas) des Funknetzes gemessen werden und hierdurch eine Messreihe aus einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Merkmalsvektoren (CMEAS) für jeweilige Objektpositionen (OP) zu jewei¬ ligen Messzeitpunkten erhalten wird, wobei die Referenzkarte eine Vielzahl von räumlichen Referenzpositionen (RP) enthält, wobei basierend auf der Messreihe die jeweiligen Merkmalsvek¬ toren (CRM) des Funknetzes an den jeweiligen Referenzpositio¬ nen (RP) der Referenzkarte gelernt werden, wobei: 1. A method for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network, wherein the measurements are made such that for a mobile Ob ¬ jekt (0), which via the radio network with a plurality of base stations (BS1, BS2, BS3) the radio network communicates, respective feature vectors (C meas ) of the radio network are measured at a plurality of unknown ob ektpositionen (OP) of the mobile object (0) and thereby a measurement series of a plurality of temporally successive feature vectors (C MEAS ) for respective object positions ( OP) is obtained to jewei ¬ time measuring times, wherein the reference card has a plurality of spatial reference positions (RP), wherein based on the series of measurements the respective Merkmalsvek ¬ factors (C RM) of the radio network at the respective Referenzpositio ¬ NEN (RP) of the reference map be learned, where:
a) basierend auf einem Musterabgleich, welcher die jeweiligen Merkmalsvektoren (CMEAS) der Messreihe mit den Merk¬ malsvektoren (CRM) an den Referenzpositionen (RP) der Re¬ ferenzkarte vergleicht, die jeweiligen Objektpositionen (OP) , an denen die Merkmalsvektoren (CMEAS) des Funknetzes gemessen wurden, geschätzt werden; a) based on a pattern matching which compares the respective feature vectors (C MEAS) of the measurement series with the shopping ¬ times vectors (C RM) (at the reference positions RP) of Re ¬ conference map, the respective object position (OP) in which the feature vectors ( C MEAS ) of the radio network are estimated;
b) basierend auf einer Optimierung einer Kostenfunktion optimierte geschätzte Objektpositionen (OP) ermittelt wer¬ den, wobei in der Optimierung eine oder mehrere Randbedingungen berücksichtigt werden, welche durch ein vorbe¬ stimmtes Bewegungsmodell für das mobile Objekt (0) vorge¬ geben sind, wobei das vorbestimmte Bewegungsmodell unter Verwendung der zeitlichen Reihenfolge der Messzeitpunkte der Messreihe eine oder mehrere Beschränkungen für die Objektbewegung festlegt; b) based on optimization of a cost function optimized estimated object position (OP) determined who ¬, wherein one or more boundary conditions are taken into account in the optimization, which are provided by a vorbe ¬-determined motion model for the mobile object (0) ¬ type, wherein the predetermined motion model determines one or more object movement constraints using the temporal order of the measurement times of the measurement series;
c) mittels der optimierten geschätzten Objektpositionen (OP) aktualisierte Merkmalsvektoren (CRM) des Funknetzes an den Referenzpositionen (RP) der Referenzkarte ermittelt werden . c) using the optimized estimated object positions (OP) updated feature vectors (C RM ) of the radio network at the reference positions (RP) of the reference card are determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Merkmalsvektoren (CMEAS, CRM) des Funknetzes als Einträge laufzeitbasierte Grö¬ ßen umfassen, welche jeweils von einer Laufzeit von einem oder mehreren Funksignalen im Funknetz abhängen. 2. The method of claim 1, wherein the feature vectors (C MEAS , C RM ) of the radio network as entries runtime-based Grö ¬ Shen comprise, each of which depends on a duration of one or more radio signals in the radio network.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Laufzeit des oder der Funksignale die Ein-Wege-Laufzeit eines Funksignals zwi¬ schen einer jeweiligen Basisstation (BS1, BS2, BS3) und dem mobilen Objekt (0) und/oder die Zwei-Wege-Laufzeit eines Funksignals von dem mobilen Objekt (0) zu einer jeweiligen3. The method of claim 2, wherein the duration of the radio signals or the one-way runtime of a radio signal between ¬ rule a respective base station (BS1, BS2, BS3) and the mobile object (0) and / or the two-way Run time of a radio signal from the mobile object (0) to a respective one
Basisstation (BS1, BS2, BS3) und von dort zurück zur jeweiligen Basisstation (BS1, BS2, BS3) und/oder die Zwei-Wege- Laufzeit eines Funksignals von einer jeweiligen Basisstation (BS1, BS2, BS3) zu dem mobilen Objekt (0) und von dort zurück zur jeweiligen Basisstation (BS1, BS2, BS3) umfassen. Base station (BS1, BS2, BS3) and from there back to the respective base station (BS1, BS2, BS3) and / or the two-way transit time of a radio signal from a respective base station (BS1, BS2, BS3) to the mobile object (0 ) and from there back to the respective base station (BS1, BS2, BS3).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Laufzeit des oder der Funksignale die Laufzeitdifferenz (LD) für ein jeweiliges Paar aus Basisstationen (BS1, BS2, BS3) umfasst, wo- bei die Laufzeitdifferenz (LD) den Unterschied zwischen einer ersten und einer zweiten Laufzeit (LI, L2) darstellt, wobei die erste Laufzeit die Laufzeit eines Funksignals zwischen dem mobilen Objekt (0) und der einen Basisstation (BS1, BS2, BS3) des Paars und die zweite Laufzeit die Laufzeit eines Funksignals zwischen dem mobilen Objekt (0) und der anderen Basisstation (BS1, BS2, BS3) des Paars darstellt. 4. The method according to claim 2, wherein the propagation time of the radio signal or signals comprises the transit time difference for a respective pair of base stations, wherein the transit time difference is the difference between a first and a second delay and a second transit time (LI, L2), wherein the first transit time is the transit time of a radio signal between the mobile object (0) and the one base station (BS1, BS2, BS3) of the pair and the second transit time the transit time of a radio signal between the mobile Represents object (0) and the other base station (BS1, BS2, BS3) of the pair.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die laufzeitbasierten Größen in den Einträgen der Merkmalsvekto- ren (CMEAS/ CRM) des Funknetzes Kanalimpulsantworten sind, wo¬ bei eine Kanalimpulsantwort in einem jeweiligen Eintrag eines Merkmalsvektors (CMEAS/ CRM) insbesondere die Kanalimpulsant¬ wort für die Laufzeitdifferenz für ein jeweiliges Paar von Basisstationen (BS1, BS2, BS3) ist. 5. Method according to one of claims 2 to 4, in which the time-based variables in the entries of the feature vectors (C MEAS / C RM ) of the radio network are channel impulse responses, where ¬ a channel impulse response in a respective entry of a feature vector (C MEAS / C RM) is in particular the Kanalimpulsant ¬ word for the propagation time difference for each pair of base stations (BS1, BS2, BS3).
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zu Beginn des Verfahren die Referenzkarte derart initialisiert wird, dass für eine jeweilige Referenzposition (RP) die Kanalimpulsantwort für die Laufzeitdifferenz für ein jeweiliges Paar von Basisstationen (BS1, BS2, BS3) durch eine Normalverteilung repräsentiert wird, deren Mittelwert eine Laufzeitdifferenz (LD) ba¬ sierend auf geschätzten Abständen zwischen jeweiligen Refe- renzpositionen (RP) und den Basisstationen (BS1, BS2, BS3) des jeweiligen Paars ist. 6. The method of claim 5, wherein at the beginning of the method, the reference card is initialized such that for a respective reference position (RP), the channel impulse response for the propagation time difference is represented on a respective pair of base stations (BS1, BS2, BS3) by a normal distribution whose average ence positions, a time difference (LD) ba ¬ sierend on estimated distances between each refer- (RP) and the base stations (BS1, BS2, BS3) of the respective pair.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Rahmen des Musterabgleichs in Schritt a) eine Anzahl von Merkmalsvektoren (CRM) an Referenzpositionen (RP) mit der größten Übereinstimmung mit dem gemessenen Merkmalsvektor (Cmeas) an einer jeweiligen Objektposition (OP) ermittelt wird und basierend auf der oder den Referenzpositionen (RP) für die Anzahl von Merkmalsvektoren (CRM) , insbesondere durch Mittelung der Referenzpositionen (RP) , die jeweilige Objekt¬ position (OP) geschätzt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the pattern matching in step a) a number of feature vectors (C RM ) at reference positions (RP) with the greatest agreement with the measured feature vector (C meas ) at a respective object position (OP ) is determined and based on the reference position or positions (RP) for the number of feature vectors (C RM ), in particular by averaging the reference positions (RP), the respective object ¬ position (OP) is estimated.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Rahmen des Musterabgleichs n Schritt a) parallel die Merkmalsvektoren (CRM) der Referenzkarte aktualisiert werden, indem die Merkmalsvektoren (CRM) der Referenzkarte für Refe¬ renzpositionen (RP) in einer vorbestimmten Umgebung um eine über den Musterabgleich geschätzten Objektposition (OP) jeweils mit einem Korrekturterm korrigiert werden, wobei der Korrekturterm von der Differenz zwischen dem Merkmalsvektor (CRM) an der über den Musterabgleich geschätzten Objektposi¬ tion (OP) und dem jeweils zu korrigierenden Merkmalsvektor (CRM) der Referenzkarte abhängt. 8. The method according to any one of the preceding claims, are updated in the n step a) in parallel, the feature vectors (in the context of pattern matching C RM) of the reference map, by the feature vectors (C RM) of the reference map for Refe ¬ ence positions (RP) in a predetermined environment are corrected by an estimated using the pattern matching object position (OP), each having a correction term, the correction term of the difference between the feature vector (C RM) at the estimated via the pattern matching object Posi ¬ tion (OP) and the (respectively to be corrected feature vector C RM ) depends on the reference card.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Größe des Korrek- turterms mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Referenzposi¬ tion (RP) in der vorbestimmten Umgebung von der über den Musterabgleich geschätzten Objektposition (OP) abnimmt. 9. The method of claim 8, wherein the size of the correction turterms with increasing distance of the respective reference Posi tion ¬ (RP) in said predetermined around the estimated via the pattern matching object position (OP) decreases.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Korrekturterm von einer Gaußfunktion mit Zentrum an der über den Musterabgleich geschätzten Objektposition (OP) abhängt. 10. The method of claim 9, wherein the correction term depends on a center Gaussian function on the object position (OP) estimated over the pattern matching.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem das Verfahren iterativ durchgeführt wird, wobei nach einer Anzahl von Aktualisierungen der Merkmalsvektoren (CRM) der Referenzkarte in Schritt a) die Schritte b) und c) durchgeführt wer- den und anschließend zu Schritt a) zurückgegangen wird. 11. Method according to one of claims 8 to 10, in which the method is carried out iteratively, wherein after a number of updates of the feature vectors (C RM ) of the reference card in step a) the steps b) and c) are carried out and subsequently is returned to step a).
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das in Schritt b) verwendete vorbestimmte Bewegungsmodell eine Maximalgeschwindigkeit für die Bewegung des mobilen Ob- jekts (0) als Beschränkung festlegt. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the predetermined movement model used in step b) sets a maximum speed for the movement of the mobile object (0) as a restriction.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in Schritt b) verwendete Kostenfunktion eine Summe von Gaußfunktionen ist, welche jeweils von der betragsmäßigen Differenz zwischen der jeweiligen, über den Musterabgleich geschätzten Objektposition (OP) und der zu ermittelnden optimierten geschätzten Objektposition (OP) abhängen. 13. The method as claimed in one of the preceding claims, in which the cost function used in step b) is a sum of Gaussian functions, each of which is based on the absolute difference between the respective object position (OP) estimated via the pattern matching and the optimized estimated object position ( OP).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt c) die aktualisierten Merkmalsvektoren (CRM) des Funknetzes an den Referenzpositionen (RP) der Referenzkarte derart ermittelt werden, dass diejenige optimierte ge¬ schätzte Objektposition (OP) , welche den geringsten Abstand zu einer jeweiligen Referenzposition (RP) der Referenzkarte aufweist, bestimmt wird und der Merkmalsvektor (CRM) an der jeweiligen Referenzposition (RP) durch den gemessenen Merkmalsvektor (CMEAS) an der optimierten geschätzten Objektposi¬ tion (OP) mit dem geringsten Abstand zu der jeweiligen Referenzposition (RP) der Referenzkarte ersetzt wird. 14. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step c) the updated feature vectors (C RM ) of the radio network at the reference positions (RP) of the reference card are determined such that the optimized ge ¬ estimated object position (OP), which has the lowest Distance to a respective reference position (RP) of the reference card has, is determined and the feature vector (C RM ) at the respective reference position (RP) by the measured feature vector (C MEAS ) at the optimized estimated Objektposi ¬ tion (OP) tion with the smallest distance is replaced to the respective reference position (RP) of the reference card.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt c) die aktualisierten Merkmalsvektoren (CRM) des Funknetzes an den Referenzpositionen (RP) der Referenzkarte derart ermittelt werden, dass für eine jeweilige Refe- renzposition (RP) eine gewichtete Summe aus gemessenen Merk¬ malsvektoren (CMEAS) an optimierten geschätzten Objektpositio¬ nen (OP) ermittelt wird, wobei die gewichtete Summe den aktu¬ alisierten Merkmalsvektor (CRM) an der jeweiligen Referenzpo- sition (RP) darstellt und wobei die jeweiligen Gewichte der Summanden in der Summe umso kleiner sind, je weiter eine geschätzte optimierte Objektposition (OP) von der jeweiligen Referenzposition (RP) entfernt ist. 15. The method according to any one of the preceding claims, wherein in step c) the updated feature vectors (C RM ) of the radio network at the reference positions (RP) of the reference card are determined such that for a respective reference position (RP) a weighted sum of Watch measured times ¬ vectors (C MEAS) is determined on optimized estimated Objektpositio ¬ NEN (OP), wherein the weighted sum of the refreshes ¬ alisierten feature vector (C RM) at the respective Referenzpo- sition (RP) and in which the respective weights of the summands in the sum are smaller, the further an estimated optimized object position (OP) is away from the respective reference position (RP).
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Gewichte der gewichteten Summe durch Gaußfunktionen modelliert werden, wobei eine jeweilige Gaußfunktion vom betragsmäßigen Abstand zwischen einer jeweiligen Referenzposition (RP) und der der je- weiligen optimierten geschätzten Objektposition (OP) abhängt. 16. Method according to claim 15, in which the weights of the weighted sum are modeled by Gaussian functions, wherein a respective Gaussian function depends on the absolute distance between a respective reference position (RP) and that of the respective optimized estimated object position (OP).
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Rahmen der Durchführung von Schritt a) und/oder 17. The method according to any one of the preceding claims, wherein in the implementation of step a) and / or
Schritt b) Fixpunkte mit festen räumlichen Positionen und Merkmalsvektoren berücksichtigt werden, wobei in der Messreihe eine oder mehrere Objektpositionen (OP) vorab Fixpunkten zugeordnet sind und/oder gemessenen Merkmalsvektoren (Cmeas) der Messreihe Fixpunkte zugeordnet werden, wobei die räumli¬ chen Positionen von Fixpunkten in Schritt a) als geschätzte Objektpositionen (OP) behandelt werden und/oder in Schritt b) als optimierte geschätzte Objektpositionen (OP) behandelt werden . Step b) fixed points with fixed spatial positions and feature vectors are considered, where one or more object positions (OP) are associated with pre-fixed points in the series of measurements and / or measured feature vectors (C meas) of the measurement series are assigned fixed points, wherein the räumli ¬ chen positions of Fixed points in step a) are treated as estimated object positions (OP) and / or treated in step b) as optimized estimated object positions (OP).
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem gemessenen Merkmals- vektoren (Cmeas) der Messreihe Fixpunkte über eine Heuristik zugeordnet . 18. Method according to claim 17, in which measured feature vectors (C meas ) of the measurement series are assigned fixed points via a heuristic.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die räumlichen Positionen der Fixpunkte den räumlichen Positionen der Basisstationen (BS1, BS2, BS3) entsprechen. 19. The method of claim 17 or 18, wherein the spatial positions of the fixed points correspond to the spatial positions of the base stations (BS1, BS2, BS3).
20. Verfahren zur rechnergestützten Lokalisation eines mobilen Objekts (0) basierend auf einer Referenzkarte, welche mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ge- lernt ist, wobei ein Merkmalsvektor (Cmeas) des Funknetzes an der zu lokalisierenden Objektposition (OP) gemessen wird und basierend auf einem Musterabgleich, welcher den gemessenen Merkmalsvektor (CMEAS) mit Merkmalsvektoren (CRM) an den Refe- renzpositionen (RP) der gelernten Referenzkarte vergleicht, die Ob ektposition (OP) bestimmt wird. 20. A method for the computer-assisted localization of a mobile object (0) based on a reference map, which is learned with a method according to one of the preceding claims, wherein a feature vector (C meas ) of the radio network is measured at the object position (OP) to be located and based on a pattern matching, which the measured feature vector (C MEAS ) with feature vectors (C RM ) at the reference position (RP) of the learned reference map, the Ob ektposition (OP) is determined.
21. Vorrichtung zum rechnergestützten Lernen einer Referenzkarte basierend auf Messungen von Merkmalen eines Funknetzes, wobei die Messungen derart erfolgt sind, dass für ein mobiles Objekts (0), welches über das Funknetz mit einer Mehrzahl von Basisstationen (BS1, BS2, BS3) des Funknetzes kommuniziert, an einer Vielzahl von unbekannten Objektpositionen (OP) des mobilen Objekts (0) jeweilige Merkmalsvektoren (Cmeas) des Funknetzes gemessen werden und hierdurch eine Messreihe aus einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Merkmalsvektoren (CMEAS) für jeweilige Objektpositionen (OP) zu jewei¬ ligen Messzeitpunkten erhalten wird, wobei die Referenzkarte eine Vielzahl von räumlichen Referenzpositionen (RP) enthält, wobei die Vorrichtung eine Verarbeitungseinheit umfasst, mit der im Betrieb der Vorrichtung basierend auf der Messreihe die jeweiligen Merkmalsvektoren (CRM) des Funknetzes an den jeweiligen Referenzpositionen (RP) der Referenzkarte mit ei¬ nem Verfahren gelernt werden, bei dem: 21. A device for computer-aided learning of a reference map based on measurements of features of a radio network, wherein the measurements are made such that for a mobile object (0), which via the radio network with a plurality of base stations (BS1, BS2, BS3) of the radio network communicates, respective feature vectors (C meas ) of the radio network are measured at a plurality of unknown object positions (OP) of the mobile object (0) and thereby a measurement series of a multiplicity of temporally successive feature vectors (C MEAS ) for respective object positions (OP) jewei ¬ time measurement points is obtained, wherein the reference card has a plurality of spatial reference positions (RP), wherein the device comprises a processing unit with which based on the series of measurements, the respective feature vectors in the operation of the apparatus (C RM) of the radio network at the respective reference positions (RP) of the reference card with a method g be harvested, in which:
a) basierend auf einem Musterabgleich, welcher die jeweiligen Merkmalsvektoren (CMEAS) der Messreihe mit den Merk¬ malsvektoren (CRM) an den Referenzpositionen (RP) der Re¬ ferenzkarte vergleicht, die jeweiligen Objektpositionen (OP) , an denen die Merkmalsvektoren (CMEAS) des Funknetzes gemessen wurden, geschätzt werden; a) based on a pattern matching which compares the respective feature vectors (C MEAS) of the measurement series with the shopping ¬ times vectors (C RM) (at the reference positions RP) of Re ¬ conference map, the respective object position (OP) in which the feature vectors ( C MEAS ) of the radio network are estimated;
b) basierend auf einer Optimierung einer Kostenfunktion optimierte geschätzte Objektpositionen (OP) ermittelt wer¬ den, wobei in der Optimierung eine oder mehrere Randbedingungen berücksichtigt werden, welche durch ein vorbe¬ stimmtes Bewegungsmodell für das mobile Objekt (0) vorge¬ geben sind, wobei das vorbestimmte Bewegungsmodell unter Verwendung der zeitlichen Reihenfolge der Messzeitpunkte der Messreihe eine oder mehrere Beschränkungen für die Objektbewegung festlegt; b) based on optimization of a cost function optimized estimated object position (OP) determined who ¬, wherein one or more boundary conditions are taken into account in the optimization, which are provided by a vorbe ¬-determined motion model for the mobile object (0) ¬ type, wherein the predetermined motion model determines one or more object movement constraints using the temporal order of the measurement times of the measurement series;
c) mittels der optimierten geschätzten Objektpositionen (OP) aktualisierte Merkmalsvektoren (CRM) des Funknetzes an den Referenzpositionen (RP) der Referenzkarte ermittelt werden . c) by means of the optimized estimated object positions (OP) updated feature vectors (C RM ) of the radio network the reference positions (RP) of the reference card.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, welche derart ausgestaltet ist, dass mit der Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19 durchführbar ist. 22. The apparatus of claim 21, which is configured such that with the device, a method according to any one of claims 2 to 19 is feasible.
23. Vorrichtung zur rechnergestützten Lokalisation eines mobilen Objekts (0) basierend auf einer Referenzkarte, welche mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 gelernt ist, wobei die Vorrichtung eine Mess- und Verarbeitungseinrichtung umfasst, mit der ein Merkmalsvektor (Cmeas) des Funk¬ netzes an der zu lokalisierenden Ob ektposition (OP) gemessen wird und mit der basierend auf einem Musterabgleich, welcher den gemessenen Merkmalsvektor (Cmeas) mit den Merkmalsvektoren (CRM) an den Referenzpositionen (RP) der gelernten Referenz¬ karte vergleicht, die Objektposition (OP) bestimmt wird. 23. Device for computer-assisted localization of a mobile object (0) based on a reference map, which is learned by a method according to one of claims 1 to 19, wherein the device comprises a measuring and processing device, with a feature vector (C meas ) of the radio ¬ network is on the measured locating Whether ektposition (OP), and compares with based on a pattern matching which is the measured feature vector (C MEAS) to the feature vectors (C RM) at the reference positions (RP) of the learned reference ¬ card, the object position (OP) is determined.
24. Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenles¬ baren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wenn das Programm auf einem Rechner läuft. 24. Computer program product with a program code stored on a machine-readable carrier for carrying out a method according to one of claims 1 to 20, when the program runs on a computer.
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