Indoor Positionierung mit GPS und alternative · PDF fileIndoor Positionierung mit GPS Indoor Positionierung mit GPS und alternative Verfahren Torben Schüler Institut für Erdmessung

Indoor Indoor PositionierungPositionierungmit GPSmit GPS

IndoorIndoor Positionierung mit GPS Positionierung mit GPS

und alternative Verfahrenund alternative Verfahren

Torben SchülerTorben Schüler

Institut für Erdmessung und NavigationInstitut für Erdmessung und Navigation

Universität der Bundeswehr MünchenUniversität der Bundeswehr München

Ringvorlesung »NEXUS«Ringvorlesung »NEXUS«

Universität StuttgartUniversität Stuttgart

26. Juni 200726. Juni 2007


Gliederung des VortragsGliederung des Vortrags

-- Motivation: Warum Motivation: Warum IndoorIndoor--Positionierung?Positionierung?

-- Herausforderungen an die GPSHerausforderungen an die GPS--EmpfängerEmpfänger

-- Welche weiteren Verbesserungen sind denkbar?Welche weiteren Verbesserungen sind denkbar?

-- Testbeispiele zum SIRFTestbeispiele zum SIRF--II und III GPSII und III GPS--ChipChip

-- Welche Alternativen existieren?Welche Alternativen existieren?

-- SchlussbemerkungenSchlussbemerkungen


22


Motivation: Notruf mit OrtungMotivation: Notruf mit Ortung

Entscheidung der Federal Communications Commission (FCC) 1999 in den USA in Bezug auf Notruf E-911:

• Jeder Notruf muss automatisch mit einem Ortsstempel

versehen sein, um den Ablauf des Rettungseinsatzes zu optimieren

• Genauigkeitsanforderungen 2005

• Anstoß zu vielen Innovationen im Bereich GPS-Handys

• Entwicklung in Europa?

Netzwerk-basiert Geräte-basiert

100 m 50 m67 %

300 m 150 m95 %

Ansatz

Konfidenzbereich

33


Einsatz BOS (z. B. Feuerwehr)Einsatz BOS (z. B. Feuerwehr)

Komm.-

verbindung

EINSATZ-

LEITSTELLE

GNSS

RFID

WLAN

INS

RFID

Tag

RFID

Tag

WLAN

APWLAN

AP

WLAN

AP

BOS

ausgestattet

mit integrierten

Sensoren für die

nahtlose

Indoor-/Outdoor-

Positionierung

und Navi-

gation

44


Weitere AnwendungsfelderWeitere Anwendungsfelder

•• WarenverfolgungWarenverfolgung

•• Logistik / LagerhaltungLogistik / Lagerhaltung

•• MonitoringMonitoring mobiler Gerätemobiler Geräte

in Krankenhäusernin Krankenhäusern

•• Ortung bei NotrufaussendungOrtung bei Notrufaussendung

•• SeniorenbetreuungSeniorenbetreuung

•• Kommerziell / ortsabhängige WerbungKommerziell / ortsabhängige Werbung

•• Freizeit / „Freizeit / „FriendFriend--findingfinding““

[ daneben auch militärische Anwendungsgebiete ]

55

1. Inhalt der Vortrags üüüü

2. Warum Indoor-Positionier ... üüüü

3. Herausforderungen an GPS

4. denkbare Verbesserungen

5. Testbeispiele SIRF-II/III-Chip

6. Welche Alternativen existieren?

7. Schlussbemerkungen


Signaldämpfung in GebäudenSignaldämpfung in Gebäuden

Faktor 10 = 10 dB

Faktor 100 = 20 dB

Faktor 1000 = 30 dB

Faktor 1 = 0 dBSperrholz

Glas

Bauholz

getöntes Glas

Eisenmatte

Beton

Stahlbeton

Ziegelstein

Wohnhäuser:5 - 15 dB

Historische Gebäude:25 - 35 dB

Bürogebäude:30 dB

Tiefgaragen:> 30 dB

GPS L1

~1500 MHz

66


Ansätze für Ansätze für IndoorIndoor GPSGPS

Anforderungen:

Prozessierung bei geringem C/N0

Schnelle TTFF

Verminderung von Multipath

Effiziente Algorithmen

Existierende Ansätze:

AGNSS (Akquisition)

– Ephemeriden, Almanach

– Näherungsposition, Referenzzeit, Doppler

– DGPS-Korrekturen

HSGNSS (Tracking)

– Längere kohärente Integrationszeit

– Neue Verfahren

GNSS/IMU (Tracking)

– Loose/tight/ultra-tight coupling

GNSS/Sensors (Positionierung)

– GNSS + TOA by LAN

– Mobilfunknetze

Unterstützung der Positionierung

– Höhenstützung

77


SignalintegrationSignalintegration

HF Front-End

A/D

Korrelator

Korrelator

[ ]

[ ]

i

qDZF ω∆+ω

( )tCXODZF ω∆+ω∆+ωsin

( )tCXODZF ω∆+ω∆+ωcos

Analogteil Digitalteil

∫

∫

∫

Kohärente

Integration

Nicht-kohärente

Integration

S/N ZF

S/N koh

S/Nn-koh

2

2

88


Warum nichtWarum nicht--kohärente kohärente Integration?Integration?

Integrationszeit wegen Navigationsdatenbit auf 20

ms begrenzt

Limit

Anschluss einer nicht-kohärenten IntegrationAbhilfe

Erzieltes S/N reicht i. d. R. noch immer nicht ausProblem

S/N lässt sich erhöhen durch verlängerte kohärente

Integrationszeit

Idee

Signal-zu-Rauschverhältnis (S/N) ist kritische Größe!!!

99


S/N S/N –– Bilanz: Bilanz: OutdoorOutdoor vs.vs. IndoorIndoor

5,4S/N (nicht-kohärent)

0,55Quadrierverlust SL

50Nicht-kohärente Samples m

1,45,1S/N (kohärent)

0,80,8Implementierungsverlust imploss

204601023Kohärente Samples n

0,02 s0,001 sIntegrationszeit

0,010,14S/N (Zwischenfrequenz)

2,4 MHz2,4 MHzBandbreite (Zwischenfrequenz)

5,12·10-21 J5,12·10-21 JN0 = kB·Tsys; Tsys=371°K, kB=1,38·10-23J/K

10-18 W10-15,6 WEmpfangsleistung (Träger) C

IndoorOutdoorParameter

ZFZF BN

C

N

S

0

=

ZFkoh N

Snimploss

N

S2

.

=

Lkohkohn

SN

Sm

N

S

..

=−

1010


Zeitbedarf kohärente bzw. Zeitbedarf kohärente bzw. nichtnicht--kohärente Integrationkohärente Integration

1111


FrequenzFrequenz--CodeCode--SuchraumSuchraum

50nicht-kohärente

Integrationsschritte

erforderlich

è

Integrationszeit

1 Sekunde

Ergebnis

Frequenz-Unsicherheit

∆f

Code-Unsicherheit ∆t

PRNj

1212


Größenordnung des Größenordnung des SuchproblemsSuchproblems

140Anzahl Frequenzzellen

Zahl der Samples

I & Q-Faktor

Nyquist-Faktor

Satelliten (PRN Codes)

Bandbreite Frequenzzelle

∆f

∆T

Bedingung

16.368654.720

22

22

44

250 Hz250 Hz

250 Hz (A-GPS)10.000 Hz (± 5 kHz)

1023 C/A Chips1023 C/A Chips

IndoorOutdoor

1313


AkquisitionszeitenAkquisitionszeiten

3636Anzahl KorrelatorenStandardempfänger

Akquisitionszeit

Anzahl Korrelatoren High-Sensitivity-Empfänger

Akquisitionszeit

Verweilzeit pro Zelle

(kohärent + nicht-kohärent)

Zahl der Samples

Bedingung

0,08 s0,003 s

200.000200.000

455 s18,2 s

1,0 s0,001 s

16.368654.720

IndoorOutdoor

1414


Lösungsansätze im ÜberblickLösungsansätze im Überblick

Indoor GNSS

A-GNSS-fähiges

Mobiltelefon

Location

Server

GNSS-Satellit Dwell

Corr

S

Acq TN

NT =

TAcq: Akquisitionszeit

NS: Anzahl der Datenpunkte

NCorr: Anzahl der Korrelatoren

TDwell: Verweildauer pro Zelle

Ansatz:

Massive Erhöhung der

parallelen Korrelatoren

zur Verkürzung der

Akquisitionszeit

Näherungsposition

Begrenzung

Suchraum

Basisstation

BlockkorrelationAssistenz

1515

1. Inhalt des Vortrags üüüü


3. Herausforderungen an GPS üüüü

4. denkbare Verbesserungen





GPS GPS Indoor Indoor OptionenOptionen

• Effizienzsteigerung bei der Korrelation

• Verringerung der Kreuzkorrelationen der PRN Codes

• Generell optimierte Codes für Indoor-Empfang

• Sichere Detektion des Navigationsdatenbits zur

Verlängerung der kohärenten Integrationszeit

• Verbesserte Algorithmen für die nicht-kohärente

Korrelation

• Verbesserte Tracking Loops

• Sichere Schätzung des C/N0

• Modellierung der Signalausbreitung

1616


Effizientere KorrelationEffizientere Korrelation

Zustandsraum

Frequenzraum

Nutzung der FFT für die

kohärente Integration

Verringerung der Anzahl der

Rechenoperationen

Nicht-kohärente Integration muss

nachgeschaltet werden

Massiv-parallele Ausführung (Korrelationsberechnungen)

2001: Global Locate-Chip (16.000 parallele Korrelatoren)

2004: SiRF III-Chip (200.000 parallele Korrelatoren)

1717


Optimierung der CodesOptimierung der Codes

Band / Signal

Trägerfrequenz Abgestrahlte Bandbreite

Minimale Empfangsleistung

Typisches S/N0

Modulation Chiprate Datenrate

E5a 1176,45 MHz 24 MHz -155 dBW 50 dBHz 10,23 Mcps 50 sps

E5b 1207,14 MHz 24 MHz -155 dBW 50 dBHz AltBOC(15,10)

10,23 Mcps 250 sps

E6 1278,75 MHz 40 MHz -152 dBW 50 dBHz BOCcos(10,5) 5,115 Mcps 1000 sps

L1 1575,42 MHz 32,736 MHz -152 dBW 45 dBHz BOC(1,1) 1,023 Mcps 250 sps

jetzt: E1 neuer Stand: MBOC(6,1,1/11)

1818


Verbesserte Verbesserte Tracking Tracking SchleifenSchleifen

• Verlängerte kohärente Integrationszeit durch Synchro-

nisation mit dem Datenbit oder Stützung durch IMU

• Nutzung von Vector Delay/Frequency Lock Loop (FLL)

• FLL ist 10-mal robuster als Phase Lock Loop (PLL)

• Verringerung der Bandbreite der FLL

Independent channelsIndependent Independent channelschannels Vector modeVector modeVector mode

IndoorTests mitS/W Rx

IndoorTests mitS/W Rx

1919




4. denkbare Verbesserungen üüüü





EinschätzungEinschätzung IndoorIndoor GNSSGNSS

• Tracking eines Signales in einer Indoor-Umgebung ist

theoretisch möglich (lange Integrationszeiten, parallele

Rechenoperationen)

• Qualität der Navigationsinformation ist möglicherweise

sehr schlecht

Welchen Nutzen hat eine Information, wenn sie mit

einem Fehler im Bereich von Zehner Metern behaftet ist?

• In Indoor-Umgebungen können u. U. nur wenige

Dezimeter darüber entscheiden, in welchem Raum sich

ein Nutzer befindet, d.h. der Genauigkeitsanspruch

steigt im Allgemeinen gegenüber Outdoor-Umgebungen!2020


C/NC/N00 und Azimut/Elevationund Azimut/Elevation

Erreichtes C/N0 in Abhängigkeit von Azimut und Elevation

37,5

45

32,5

27,5

25

20

15

35

40

42,5

30

22,5

17,5

No data

C/N0 [dB-Hz]

Azimut

Ele

vatio

n

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Fenster-

frontPositionsgenauigkeit ~ 20 m

2121


HighHigh--Sensitivity Sensitivity GPS ChipsGPS Chips(Test am Simulator)(Test am Simulator)

Tracking

Akquisition Warmstart

Akquisition Factory Reset

SiRFstar II

15

21

31

SiRFstar III

11

14

27

[dBHz]

4

7

4

Test VerbesserungMin. C/N0 [dB-Hz]

TTFF 3D Navigationsfehler

2222


Histogramm Histogramm der 3Dder 3D--FehlerFehler

Testumgebung

2323

1. Warnung an den Zuhörer üüüü




5. Testbeispiele SIRF-II/III-Chip üüüü




KlassifizierungsbeispieleKlassifizierungsbeispiele

Positionierung

physikalisch / physikalisch /

symbolischsymbolisch

Technik zur

Positionierung

Reichweite,

Kapazität

Anonymität

des NutzersInfrastruktur

selfself--containedcontained //

smartsmart

Prozessierung

lokal / zentrallokal / zentral

Positionierung

absolut / relativabsolut / relativ Indoor

Positioning

2424


LokalisierungstechnologienLokalisierungstechnologien

Triangu-

lation

Finger-

print

Koppel-

ortung

Proximity

Lateration

Angulation

Signal-stärke

Zeit

DirekteMessung

Scanning

Cell-

ID/COO

TouchingVerfahren

zur

Lokalisierung

und

Positionierung

MultipathDelay

Bildver-arbeitung

Signal-stärke

Umwelt-daten

KlassischesStrapdown

Schritt-erkennung

2525


Genauigkeit und ReichweiteGenauigkeit und Reichweite

Reichweite [m]

Genauigkeit [m]

∞10-2 100 102 106104

10-1

101

103 Loran CGSM /UMTS

100

102

ActiveRFID

PassiveRFID

WLAN

UWB

Ultrasonic

Infrared

HS-GNSS?

2626


Idee »Idee »Ubiquitous PositioningUbiquitous Positioning««

Nutzung verfügbarer (Kommunikations-)Standards

Vorteile:

• Infrastruktur meist verfügbar

• Geringe Kosten trotz „smart environment“

Nachteile:

• Optimiert für Kommunikation

• Penetration wichtiger als Präzision

• Multipath erschwert Laufzeitmessung

2727


Einschätzung »WLAN«Einschätzung »WLAN«

• Laufzeitmessung schwierig aufgrund der ungenauenZeitstempel im WLAN-Standard

• Signalstärkemessungen ermöglichen bessere räumlicheAuflösung

• Allerdings starke Multipath-Effekte und Signalrauschenz.B. durch die Bewegung von Menschen

• Daher werden überwiegend Fingerprint-Verfahren, die eineKalibirierung der Umgebung voraussetzen, eingesetzt

• Bekanntestes kommerzielles Produkt:

Ekahau Positioning Engine

2828


Kalibrierung (Access Kalibrierung (Access PointsPoints))

Bekannte PositionenDATENBANK

Unbekannte PositionenNUTZER

Signa lstärke

Access Points

?

2929


UmgebungsabhängigkeitUmgebungsabhängigkeit

19 m

AccessPoint

Kalibrierpfad

und -ort

~ 1 m~ 1 mMittlere

Positionierungsgenauigkeit

~ 20 m

~ 20 m

> 4 m> 4 m

Umgebung 1: Büro Umgebung 2: Hangar

Gleiche Fläche, gleiche AP-Dichte

3030


Einschätzung »UWB«Einschätzung »UWB«

• Hohe Bandbreite wird erzielt durch im Zeitbereich sehrkurze Pulse

• Erhöhung der theoretischen Genauigkeit durch hoheBandbreite (b im Nenner)

• Multipath-Signale können wegen der kurzen Pulse i.d.R.

eindeutig vom direkten Signal getrennt werden• Positionierungsalgorithmen, die auf Signalstärke basieren,nutzen dagegen die Eigenschaften von UWB nicht aus

• Daher werden überwiegend TOA-Verfahren oder kombinierte TOA/AOA-Verfahren eingesetzt

• Probleme, wenn nur NLOS-Signale empfangen werden

3131


Einschätzung »MEMS«Einschätzung »MEMS«

• Nutzung von Inertialsensoren, aber: kein klassischerStrapdown-Algorithmus

• Prediction nur bei Schritterkennung

• Ziel: kein extremes Weglaufen der Positionslösung• Preiswerte Sensoren• Prinzip „Step, stride, heading“, also Schritterkennung, Schrittlängenschätzung und Richtungsbestimmung

• Berücksichtigung von Sonderfällen wie Stehen, Drehen aufder Stelle, Treppen steigen/absteigen

• Anfangsposition sowie regelmäßige Updates müssendurch ein anderes Positionierungssystem vorliegen

3232


Schritterkennung mit Schritterkennung mit inertialer Sensorik inertialer Sensorik (Beispiel)(Beispiel)

• Extremasuche nach Signalglättung (Tiefpass, Wavelets)

• Statistische Untersuchung der IMU-Signale:

• Fourier-Analyse

• Varianzanalyse

• Mustererkennung mit Constraints

• Schrittfrequenz

• Amplituden

• Bewegungsmuster

• …

• Extremasuche nach Signalglättung (Tiefpass, Wavelets)

• Statistische Untersuchung der IMU-Signale:

• Fourier-Analyse

• Varianzanalyse

• Mustererkennung mit Constraints

• Schrittfrequenz

• Amplituden

• Bewegungsmuster

• …3333


Konzept des FusionsfiltersKonzept des Fusionsfilters

Position

Sensoren,Messdaten

PNSPNS

Proc.Proc.

Proc.Proc.

Proc.Proc.

Navigations-rechnung

Fusions

-

Filter

INS

WLAN

Kompass

UWB

HSGPS

3434





5. Testbeispiele SIRF-II/III-Chip üüüü

6. Welche Alternativen existi ... üüüü



SchlussbemerkungenSchlussbemerkungen

• Messbare GPS-Signale sind innerhalb von Gebäuden grund-sätzlich vorhanden.

• Auswertung der Signal erfordert einen qualitativ relativ

hochwertigen GPS-Empfänger.• Genauigkeit der Positionslösung ist nicht für alle Nutzer-gruppen befriedigend.

• Optimiertes Signal für Indoor-Positionierung in zukünftigenSatellitennavigationssystemen denkbar.

• Trotz möglicher Verbesserungen ist die Sensor Fusion, d.h.die Integration mit anderen – für die konkrete Anwendunggeeigneten – Sensoren sinnvoll und zumeist notwendig.

3535

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