Nahtlose Out-/Indoornavigation NAVKA-Konzepte und Interoperabilitätsfragen -
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- Benedict Hofmeister
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1 Nahtlos Out-/Indoornavigation NAVKA-Konzpt und Introprailitätsfragn - Prof. Dr.-Ing. Rinr Jägr Hochschul Karlsruh Tchnik und Wirtschaft (HSKA) - Univrsity of Applid Scincs Faculty of Information Managmnt and Mdia (IMM) Institut of Applid Rsarch (IAF) Laoratory GNSS & Navigation NSS_und_Navigation.htm Rlatd Godtic RaD Honorary Profssor of th Siirian Stat Acadmy of Godsy (SSGA) rinr.jagr@hs-karlsruh.d 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
2 Badn-Württmrg Joint RaD Projct GNSS-supportd LowCost-Multisnsorsystms for moil Platformnavigation and Ojctgorfrncing Institut of Applid Rsarch (IAF) HS Karlsruh Rsarch and Dvlopmnt Cntr Algorithms-Dvlopmnt Moility &SatNav 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
3 Modling of Distriutd Snsors and Platforms NAVKA Multi-Snsor- Multiplatform Concpt Mathmatical Modls Algorithms and Softwar Smartphon as on of th multimodal Multisnsor Navigation Platforms 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
4 GNSS-supportd LowCost-Multisnsor-Algorithms and Systms Navigation of Vhicls and Aircrafts IAF/HSKA ZIM-Projkt: Entwicklung ins mhrfach rdundantn konfigurationsoptimirtn Multisnsorsystms zur Ermittlung ds Navigationsstatus und ins daran anknüp-fn-dn slsttätign sowi intraktivn Sturungssystms (wiss. Mitaritr MSc. Jan Zwinr) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
5 GNSS - Gloal Navigation Satllit Sytms GPS ~ 50 (2013) 105! (2016) GALILEO 2016 Spac Sgmnt GLONASS COMPASS Usr Sgmnt Control Sgmnt GNSS - Systms Spatial Rfrnc: ITRF-rlatd via ECIF/ECEF-modl 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
6 . and Low-Cost GNSS-PositioningTrnds 1.) LowCost- High-Prcis Softwar-Rcivr Low Cost High Prcis GNSS 2.) Onlin Prcis Point Positioning (OPPP) Asolut GNSS 3.) RTKLIB Opn Sourc. NAVKA-GNSS-Algorithms ( => GNSS + MEMS: Multisnsor Platforms (NAVKA) Smartphon RTK 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
7 Gorfrnzirungfragn und Introprailitätsgrundlag Einhtlichr Raumzug (ITRFzz.yyyymm. ETRF89 (Inspir) Alt Landssystm, Physikalisch Höhn) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
8 Inrtial Fram (i)-fram 600 Quasars ( α, δ) R i i T ( t) ( R (t)) R R R R r i r (t) P R x i E (t) (t) r cos cos cos sin sin i R (t) N i Pr (t) x i (t) x i (t) g i ( x) a i (Snsor, t) g i ( x) R i (t) a (Snsor, t) Ω R i i (Snsor) (t) R i (t) Ω i (t) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
9 Navigationfram - Navigation-Fram odr n-fram n R (B,L) cosbsin L sin L cosl cosb sin L sin B cosl sin L cosb cosb 0 sin L n-fram x n,i R n (B,L) ( x,i x(b,l,h) ) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
10 Rgional Prcis GNSS-Positioning Srvics Worldwid Fram in Europ: ETRF89 ( Frozn Plat ). sam as EUREF-IP Srvic TRIMBLE VRSNOW 4 4 RTCM Srvics: 1-3 cm Horizontal and Hight Godtic Infrastructurs for GNSS-Srvics (GIPS): SRPOS Siria 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
11 Gloal G(loal )NSS Prcis Positioning Srvics - Worldwid 1 Providd Gloal Fram Basically ITRFzz.yyyy.mm(t) SSR-asd: As. Prc. OPPP Starfir GPS-Corrctions Starfir Rcivr (lft) Gloal Accuracy: dm As. GNSS = Non-DGNSS No Rfrnc-Stations But: NAVCOM Rovrclints! 2 RTX OSR (= Osrvation-)rlatd: Ntworkd, scala ( dm cm ) DGNSS RTCM Corrction (VRS-Concpt) RTCM-Standard =>Opn for any Rovr- and Softwar-Typ 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
12 Gloal G(loal )NSS Prcis Positioning Srvics - Worldwid Intrnational GNSS-Srvic (IGS) - Onlin SSR Modls, sinc April RTS : Moil Intrnt for rciving data for Onlin GNSS-asd navigation solutions,.g. - NTRIP Clint for OSR corrcttion and SSR products - TCP/IP Clint for RTCM mssags Providd Gloal Fram ITRFzz.yyyy.mm (t) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
13 Godynamics-Transformationn 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
14 ITRFzz.yyyy.mm (ITRF ) and Frozn Plats (.g ETR89) 2.7cm/y => 70 cm (ETRF89 ITRF) x(t1 ) (1 m) R( x, y, z) x(t1) ITRF zz,t1 ITRFyy,t 1 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014 t ( R m) x(t ) t R x(t ) (t t ) x( t ) ITRFzz.t x(t1) ITRFzz.t 1 ITRFzz.t P(j) 1 ITRFzz.t App-Dvlopmnt for Gloal moil GNSS-Positioning
15 Transformation in Nutzrsystm 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
16 Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
![GIPS-2: Höhnzugsflächn-Trafo H = h N Spannwit von N [+/- 70 m] N(( x, y, z) GNSS ) ( W U) hn P www.dfhf.](/docs-images/24/3074689/images/17-0.jpg "d www-moldpos.u 3.")
17 GIPS-2: Höhnzugsflächn-Trafo H = h N Spannwit von N [+/- 70 m] N(( x, y, z) GNSS ) ( W U) hn P www-moldpos.u 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
18 GIPS-1: Horizontal Datum-Trafo from (B,L) GNSS,ITRF to Classical Datum (B,L) Classical - Karlsruh Approach (COPAG) and Trafo-Dataas Computation Brazil Transformation Projct GIS ITRF / SIRGAS - Datum Strict and Gnral TRAFO GNSS-practic Old Classical Systms 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
19 1.) Trafo-Dataass or Grids (NTV2) on Moil Dvic (GNSS-controllr, Smartphon) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
20 2.) RTCM-Transformation Mssags as a GNSS-Positioning Srvic HS Karlsruh BMBF-Projct : 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
21 GIPS-1: Horizontal Datum-Trafo from (B,L) GNSS,ITRF to Classical Datum (B,L) Classical - COPAG-Approach and COPAG/DFLBF-Dataas Computation GIPS-1-Trafo-2: Horizontal Datum Transition from (B,L) GNSS,ITRF to (B,L) Classical DFLBF-Dataass. Us in GNSS-Srvics on controllrs and via RTCM GIPS-1-Trafo-1: Horizontal Datum Transition from (B,L) Classical to (B,L) GNSS,ITRF CoPaG-Dataass for GIS Trafo-Dataass (Grmany, tc.): 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
22 NAVKA-Konzpt und Smartphon Talt Anwndungn 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
23 Nw Way (NAVKA): Algorithms for Multiplatform-, Multisnsor- and Lvrarm-Dsign x x y z v x v y v z r p y x y z, x, y, z T Paradigmnwchsl Multisnsor - Multiplatform - Concpt => Svral Platforms (p(i)) with svral Snsors (s(j)) navigat on Body () 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
24 NAVKA - MEMS-asd Orintation / Attitud Algorithms 1.) Smartphons - NAVKA-Algorithmn with Smartphon Rawdata AHRS Algorithm (Attitud Dtrmination) 2.) Any othr hardwar - NAVKA-Algorithmn.g. with XENS Rawdata x x y z AHRS Algorithm (Attitud Dtrmination) v T x vy vz r p y x y z, x, y, z 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
25 NAVKA - GNSS-Positioning Algorithms Smartphon und Talts Anwndungn Smartphon RTK (1-3 cm) x x y z T Mting of B.W. Joint RaD, Brnot IT <= Only Position no full Navigationsolution 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
26 NAVKA - GNSS Positioning Algorithms Smart-Phon-RTK Smartphon and Talts Application (App) Smartphon RTK (1-3 cm) - Blutooth-communication with smart local GNSS-Rcivr - TCP/IP communication with commrcial or fr GNSS-Srvic for OSR/SSR-Data x x y z T Only Position no full Navigation-Solution 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
27 NAVKA - GNSS/MEMS-asd Positioning and Attitud Algorithms Smartphon and Talts Application KALEO-Gorfrncr /imags/fils/txx mo_kalo.pdf x x y z Full navigation solution ncssary v T x vy vz r p y x y z, x, y, z 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
28 NAVKA-Konzpt Nahtlos Indoornavigation 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
29 Infrastructur-Snsor asd Indoornavigation (Psudolits,WLAN, tc.) Landmarks 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
30 NAVKA-Konzpt Indoornavigations-Snsorn 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
31 Nw Way SatNav&MIT B.W. Joint RaD Projct (NAVKA): Autonomous MEMS-Snsors + Nw Algorithms Dp-Coupling 6.2) Autonomous MEMS-Snsors 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
32 NAVKA - Infrastruct-asd Indoor-Navigation for Smartphons/Talts Componnts Imagprocssing for Markrs Collinarity Osrvation Equations Android-App (C++ asd) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
33 Nw Way SatNav&MIT B.W. Joint RaD Projct (NAVKA): Autonomous MEMS-Snsors + Nw Algorithms Dp-Coupling 1.) MEMS-Gyro 2.) MEMS-Acclormtrs Osrvation l: p ω ip Osrvation l: a p p p p ω n np ω ip Rn( r,p, y) ω in x i i i p ( t) g ( x) R (t) a p Rfrncs: Inrtial Spac (i) and Gravity Fild ITRF-rlatd via ECIF/ECEF-modl 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
34 Nw Way SatNav&MIT B.W. Joint RaD Projct (NAVKA): Autonomous MEMS-Snsors + Nw Algorithms Dp-Coupling 4.) Magntic Snsors Autonomous Auxiliary Snsor Rfrnc: Earthmagntic Fild M ITRF-rlatd Rfrnc: Earth Atmosphr 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
35 Stting up of th Stat Equations NAVKA-Concpt 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
36 Nw Way (NAVKA) Multisnsor Stat Equations (hr; -fram) x x y z x y z r p y x y z, x, y, z s T 1.) Stat Transition-Equations for th ody () in th -fram Spac Curv of th ody ( ) in th -fram x(t) I x (t) 0 x(t) 0 (t) R Δt I 0 Orintation / Attitud R 1 Δt 2 Δt I (t t) [I Ω 2 x(t - Δt) x (t - Δt) x(t - Δt) x( t 1 2! ( Ω ) 2 t 0 0 Ω 2,t) Rotation Rats of th Body ( ) with rspct to th -fram Ω (t) Ω (t t)...] with Ω Modifcation of th Stat Paramtrs and Equations y Considring Spcial Conditions Dtctd in Multithrading Computing Ωi Snsor ) ( Ω i 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
37 Nw Way (NAVKA) Multisnsor Stat Equations (hr; -fram) x x y z v x v y v z r p y, x, y, z T 2.) Multisnsor-Multiplatform Lvrarm Concpt x y z Snsor- Position and Orintation j [ t i, j s, rs (, )] Platform Position and Orintation p [ t i p, R ] i 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
38 Nw Way (NAVKA): Algorithms for Multiplatform-, Multisnsor- and Lvrarm-Dsign Snsorosrvation j (Rawdata, dp Coupling) on i-th Platform (p) on-dimnsional! a s i,j r p s i i,j a p s i i,j a pi p, i s R R i j ( r, p, y) a, si, j a s i, j r p s i ij R p,i R (r,p, y) [ x(t) g ( x) 2Ω Osrvation-Equation for Snsor j on Platform i i x (t) Ω i Ω i x(t) ] s i, j p [ t i p, R ] [ t i, j s, rs (, )] i j pi r si,j i,j cos cos cos sin sin Orintation j-th Snsor (s) on i-th Platform (p) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
39 Nw Way (NAVKA): Algorithms for Multiplatform-, Multisnsor- and Lvrarm-Dsign (1) x a s i, j l(i,j) x y r z p s i ij x R y p,i z r R p y x (r,p, y) [ x(t) y z g, x ( x), y Osrvation-Equation for Snsor j on Platform i 2Ω, z i s T x (t) Ω i Ω i x(t) ] s i, j Rfrncing : Platform p(i) on Body () and Snsor s(i,j) on Platform (i) Lvrarms (2) x s i, j x R (r,p, y) [ t,p i R p i t p p i i,si,j (3) Osrvation Equations for Body () y Stat-Paramtrs x(t)? : Introducing (2) and 1st and 2nd Drivativ of (2) into (1) ] l(i,j) = l(x(t)); + Transition-Equations x(t) = x(t-1) + f(x(t-1),δt,δt 2 ) ; C l C y M-Estimation-asd (Roust) Kalman-Filtring 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
40 Autark Indoornavigation S.A.R. 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
41 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation Multi-Thrading-Algorithms with spzific Statdtction Zro-Vlocity in Indoor-Navigation 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
42 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation Multi-Thrading-Algorithms Zro Vlocity spzific Statdtction on Indoor-Navigation Waral Computing x x y z x y z r p y x y z, x, y, z s T x x y z r p y s T 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
43 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation 1.) Possil without ITRF / ETRF89 (Inspir) Go-rfrncing of uilding: Gt-in-Gt-Out with rlativ orintation within uilding (S.A.R), s right 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
44 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation 2D Googl (Umriss) 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
45 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation S.A.R Scurity Polic Firmn 2D Gorfrnzirung zgl. Umriss und vtl. mit Grundrissn dr Räum 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
46 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation 3D Katastr LOD 4 Gäudgorfrnzirung,.g. 3D Cadastr in Russia 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
47 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation 3D-Katastr GIS-LOD4 (Lvl of Dtail 4), City-GML Brlin, Bayrn, Badn-Württmrg (IKT2020), Russland IN GmH Sphinx Opn CLIENT 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
48 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
49 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
50 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
51 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
52 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation CLIENT 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
53 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation Modling of full navigation stat vctor y(t) with Dp-Coupld Snsor- Data Fusion ((Magntomtr), Gyro, Acclromtr, Baromtr) Hight [m] Hight [m] CLIENT Tim [sc] 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
54 NAVKA - MEMS-asd Autonomous Indoor-Navigation CLIENT 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
55 Fazit zur Infrastrukturlosn Indoornavigation für S.A.R 1.) NAVKA Out-/Indoornavigation, indoor für Gäud/Tunnl/Stolln/. Ohn Gorfrnzirung => Infrastrukturloss Rinkommn - Durchlaufn - Widr Rauskommn (Immr!) 2.) NAVKA Out-/Indoornavigation Mit 2D-Gorfrnzirung (Googl, OSM, Onlin Katastrinformation) => Infrastrukturlos vrssrt Orintirung zgl. Gäud-Umriss 3.) NAVKA Out-/Indoornavigation mit 3D-Katastr, GIS-LOD4 (Lvl of Dtail 4) City-GML Brlin, Bayrn, Badn-Württmrg (IKT2020), Russland => Infrastrukturlos (.. ohn Strom, Nacht, Rauch tc.) 3D-Navigation durch all Stockwrk und Räum 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
56 Furthr Dvlopmnt of Smlss Out-/Indoornavigation Basd on LOD 4 (Lvl of Dtail 4) Gäudmodll + Smartphons (NAVKA-Snsor-Fusion) LOD 4: Innnraummodll, 3D-Modll ds Gäuds mit Etagn, Innnräumn, tc. und Txturn LOD4-Standards - City Gography Markup Languag (CityGML) - Sphinx Opn Onlin (SktchUp, u.a.) Prsonn mit Ghhilf mit Rollstuhl Fahrzug 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
57 x Nw Way (NAVKA) Multisnsor + Stat Equations x y z v x v y v z r p y x y z, x, y, z T 1.) Roust Estimation for Stat and Snsorosrvations 2. Paralll Procssing Algorithms F( x) 0 Roll Zro-Updats ( ZUPT ) 4.) Unquations Automotiv Mod u F( x) o Vlocity Indoor-Map-Matching APP-Dvlopmnt asd on - NAVKA camra only - NAVKA snsor-fusion 5.) Snsorintgration 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
58 3. Aritskrissitzung Indoor Navigation Innovationszntrum für Moilität und gsllschaftlichn Wandl Brlin 6. März 2014
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