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ETH Zürich Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Optische Systeme Fazit & Ausblick Optische Systeme Fazit & Ausblick Rainer Mautz ETH Zürich Institut für Geodäsie und Photogrammetrie Innovative Techniken in der Innovative Techniken in der Innenraumpositionierung Innenraumpositionierung INTERGEO 22.-24. September 2009, Emerging Technologies – Positionierung

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Rainer Mautz

ETH Zürich

Institut für Geodäsie und Photogrammetrie

Innovative Techniken in der Innovative Techniken in der InnenraumpositionierungInnenraumpositionierung

INTERGEO 22.-24. September 2009, Emerging Technologies – Positionierung

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Inhalt

Übersicht Positionierungssysteme

GNSS in Gebäuden

Innovative Systeme: - Pseudoliten- iGPS- Ultraschall- Optische Systeme

Zusammenfassung & Ausblick

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Klassifizierung von Positionierungssystemen

Messprinzip (Trilateration, Triangulation, Signalstärke)

Trägerwelle (Radiofrequenz, Lichtwelle, Ultraschall, Terahertz)

Anwendung (Industrie, Messtechnik, Navigation)

Marktreife (Entwurf, Entwicklung, Testphase, Produktion)

Kosten

Benötigte Infrastruktur

Reichweite

Genauigkeit

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Geodätisches GNSS:Messprinzip: Trägerphasenmessung, differentiell, Trilateration

Aussenraum: global verfügbar (ausser Schluchten…etc)volle Marktreifemm – cm Genauigkeit (statisch)

Innenraum: nicht verfügbarAbschattungAbschwächungReflektionBeugungStreuung

Mehrwegausbreitung (Multipath)

IonosphärenmodellTroposphärenmodell

?

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Material Δ [dBW] Faktor

Glass 1 - 4 0.8 – 0.4

Holz 2 - 9 0.6 – 0.1

Dachziegel, Backstein 5 - 31 0.3 – 0.001

Beton 12 - 43 0.06 – 0.00005

Stahlbeton 29 - 43 0.001 – 0.00005

Signalabschwächung GNSS (L1 = 1575 MHz)

Stone (1997)

Signalstärke in Dezibel Watt von GNSS Satelliten Umgebung [dBW]

Satellit (27 Watt) +14 Signalstärke am Satellit

Aussenraum -160 Grenze für konventionelle Empfänger

Innenraum -180 Grenze für hoch-sensitive Empfänger

Untertage -190 Grenze für ultra-sensitive Empfänger

1000 mal schwächer100 mal schwächer

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Hochsensitive GNSS Empfänger

Anwendung: Überwachung, Notruf-Positionierung, LBS

Marktreife: kommerziell erhältlichSiRFStar III (> 200.000 Korrelatoren)Global Locate A-GPS Chip (Assisted-GPS)

Stärken:keine zusätzliche Infrastruktur in GebäudenLösung für Umgebung von Abschattungen, PKW, Indoorbereich

Schwächen:Lange AkquisitionszeitTTFF: 60 s (mit Assistenz 12 s)Hohe RechenanforderungGenauigkeit: 14 m (Evaluierung Thales)

6 m (Laubwald)

Wie könnte das Problem behoben werden? Phasenlösung cm Höhere Signalstärke am Satellit Parallelisierung Rechenprozess Ultra Wideband GNSS Signale

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Alternative Positionierungssysteme - Pseudoliten

Picture from Jonas BERTSCH: On-the-fly Ambiguity Resolution for the Locata Positioning System, Master Thesis, ETH Zurich, February 2009.

Unterstützung von GNSS in „schwieriger“ Umgebung

Terrestrische Pseudo-Satelliten Empfänger: Corporation mit UNSW in Australien, Canberra Navindoor (Finnland) Terralite XPS

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Picture from J. Barnes, C. Rizos, M. Kanli, A. Pahwa „A Positioning Technology for Classically Difficult GNSS Environments from Locata“, IEEE Conference, San Diego California, 26 April 2006

Pseudoliten: LocataAnwendung: Tagebau, Maschinenführung, Monitoring, Indoor-Positionierung

2.4 GHz ISM Band, 1 Hz Messfrequenz, Marktreife: in Entwicklung

Stärken:Statisch: 2 mm, RTK: 1 – 2 cm bei 2.4 m/sSignalstärke grösser als bei GNSSGNSS unabhängig: (Indoor dm) Probleme:MehrwegausbreitungFrequenz-FreigabeSynchronisation < 30 psLösung MehrdeutigkeitenVDOP

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iGPS (Metris)

Funktionsprinzip:

Transmitter senden rotierende Laserebenen Zeitreferenz: Infrarotsignal TDOA Winkel Rückwertsschnitt

Quelle: Metris

Anwendung: Luftfahrt, Industrievermessung, Robotersteuerung Arbeitsbereich: 2 – 50 m Genauigkeit: 0.1 mmMarktreife: Testphase

Quelle: Metris

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iGPS

iGPS Transmitter und Sensor während eines Tests im Tunnel

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iGPS

Szenario beim Einsatz im Tunnel. Masterarbeit, ETH Zürich DAVID ULRICH (2008): Innovative Positionierungssysteme im Untertagebau

Stärken:

Hohe 3D Genauigkeit (0.1 mm)Echtzeit, Messrate 40 Hz

Probleme:

MultipathEinfluss störender LichtquellenAufwand bei InstallationKosten

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Ultraschallsysteme – Crickets (Active Bat, Dolphin) Funktionsprinzip:

TOA, TDOA (Ultraschall & RF) Multilateration

Anwendung: Indoornavigation, Computerspiele Arbeitsbereich: bis 10 m Genauigkeit: 1 - 2 cmMarktreife: kommerziell erhältlichKosten: niedrig

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Probleme:

Temperaturabhängigkeit Reichweite (< 6 m) Installation der Referenz-Sender Multipath Verlässlichkeit Interferenzen mit Geräuschquellen

Ultraschallsysteme – Crickets

Ceiling

Floor

Beacon Listener

Projekt: Roboter Positionierung

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Optische Systeme: Sky-Trax System

Picture from: http://www.sky-trax.com/

Prinzip: Positionscodes an Decken installiert, mobile Kamera erkennt Codes

Anwendung: Lagerhallen, Navigation, LogistikArbeitsbereich: Hallen, RaumweiteGenauigkeit: 2 - 30 cm („inch“ bis „foot“)Marktreife: kommerziell erhältlich

Nachteil: Abhängigkeit von Installation, geringe Flexibilität

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Optische Systeme: ProCam System (AICON)

Pictures from: http://www.aicon.de

Prinzip: Mobiler Messtaster mit infrarot CCD Kamera, Blick auf Messpunktfeld

Anwendung: Crashvermessung, IndustrievermessungArbeitsbereich: raumweitGenauigkeit: 0.1 mm + 0.1 mm/mMarktreife: kommerziell erhältlichNachteile: Abhängigkeit von aktivem Messpunktfeld, Kabel

Kosten

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Optische Systeme: CLIPS (Camera & Laser Innenraum PositionierungsSystem)

“Laserigel”

Funktionsprinzip: Ortsfeste Laserstrahlen, relative Orientierung einer Kamera

Anwendung: IndustrievermessungArbeitsbereich: raumweitGenauigkeit: 1 mm Reichweite: 15 mDatenrate: 30 HzMarktreife: EntwicklungKosten: gering

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CLIPS

Messprinzip:

P5

P4

P1

P2

Laserigel

(fest) Basisvektor

P3

Kamera(mobil)

Objekt

Taster(optional)

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FazitAussenraum: GNSS dominant

Innenraum: keine generelle Lösung, Systemwahl je nach Anforderung

Benutzer muss hinnehmen: geringe Genauigkeit geringe Zuverlässigkeit aufwendige lokale Installationen geringe Reichweite unangemessene Kosten

Ausblick Signale durchdringen Wände (ultra-sensitives GNSS) Optische und hybride Verfahren Für sub-dm Genauigkeit bleiben Installationen lokale unvermeidbar

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