GNSS- und WSN-basierte Ortungsverfahren als Basis verkehrstelematischer Forschungs- bzw. Anwendungsplattformen

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1 Fakultät Verkehrswissenschaften Friedrich List Institut für Verkehrstelematik Vortrag zum 12. Sächsischen GIS-Forum GDI Sachsen e.v. Technischer Workshop Smart Cities - aktuelle Trends GNSS- und WSN-basierte Ortungsverfahren als Basis verkehrstelematischer Forschungs- bzw. Anwendungsplattformen , DGUV Tagungszentrum Dresden Prof. Dr.-Ing. Oliver Michler Professur Informationstechnik für Verkehrssysteme WIR BEWEGEN DIE WELT

2 Agenda Agenda Forschungsprofil Professur ITVS/TUD und OIK/FhG-IVI Fahrerassistenzsysteme für urbane Räume (Smart Cities) Ortungsaspekte am Projektbeispiel: EFA 2014 (GNSS) Ortungsaspekte am Projektbeispiel: CECC (WSN) Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator (Forschungs- und Anwendungsplattform) Ausblick Seite 22

4 1 Forschungsprofil ITVS/TUD und OIK/FhG-IVI Profil: Die Professur beschäftigt sich in Lehre und Forschung mit der Theorie und Technik von Informationssystemen innerhalb der Verkehrstelematik (Fahr)-Betrieb / Verkehrsteilnehmer Verkehrstelematik Fahrweg / Straße, Schiene, Wasser, Luft Fahrzeug / Automobil, Zug, Schiff, Flugzeug Basis: präzise und zuverlässige Bereitstellung von (verorteten!) Informationen Seite 44

5 Forschungsgruppe der TU Dresden am Fraunhofer-IVI Abteilung Ortung, Information und Kommunikation Prof. Dr. Oliver Michler Telefon Genauigkeit von Lokalisierungsverfahren Energieeffizienz von Sensoren bandbreitenoptimale Datenübertragung Verkehrzustandsschätzung (ÖPNV) Ziel: Zusammenarbeit stärken + Synergien nutzen Fraunhofer

6 Forschungsprofil Spezielle Telematiktestfelder - Technikum FhG-IVI (ca. 35 x 5 x 8m Halle) - Testoval FhG-IVI (ca. 100x50m) für Elektro-/Hybridfahrzeuge - Urbane 5km EFA-Teststrecke (Prohlis bis Südvorstadt); LSAs - Live-Cam-Teststrecken Autobahn A4/A17/A72 - Testoval für vernetzte Modellfahrzeuge Spezielle Versuchsträger - Elektro-BMW I3 (FhG, TUD) - TUD-Messstraßenbahn - 2x Autotram a 15m/30m (FhG) - Elektro-/Hybridbus (FhG, TUD) - Fahrsimulatoren (FhG, TUD) - VUFO-Car2Car (TUD) - Modellfahrzeuge-Car2X (TUD) Seite 66

8 Fahrerassistenzsysteme (Smart Cities) Qualität Fahrzeuganwendungen Durchlassfähigkeit Infrastruktur Verkehrstelematik Hier: 2 FA-MIV- Projekte Seite 88

9 Fahrerassistenzsysteme (Smart Cities) Randbedingungen (Fahrer)assistenzsysteme - Vernetzung von Sensorsignalen/Assistenzfunktionen - Einbindung intelligenter Verkehrsinfrastrukturen - Steigerung Energieeffizienz mit HMI-Unterstützung des Fahrers Fahrzeugumfelderfassung Fahrzeugkomm. (C2I) Kartendaten Mensch-Maschine-Schnittstelle Energieeffiziente Fahrzeugführung Seite 99

10 Fahrerassistenzsysteme (Smart Cities) Energieeffizienz und spurselektive Fahrzeugortung Seite 10 10

11 Agenda Agenda Forschungsprofil Professur ITVS/TUD und OIK/FhG-IVI Fahrerassistenzsysteme für urbane Räume (Smart Cities) Ortungsaspekte am Projektbeispiel: EFA 2014 (GNSS) Ortungsaspekte am Projektbeispiel: CECC (WSN) Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator (Forschungs- und Anwendungsplattform) Ausblick Seite 11 11

12 Ortungsaspekte - EFA 2014 Strukturelle verschiedene Projektansätze Zentral Diensteanbieter Dezentral Projekt EFA 2014/2 Projekt CECC I/II Seite 12 12

13 Ortungsaspekte - EFA 2014 Ein Kooperationsprojekt mit dem Bundesministerium für Bildung und Forschung Seite 13 13

14 Ortungsaspekte - EFA 2014 Verkehrsrechner Managementzentrale Internetserviceprovider BMW Service Provider Internetserviceprovider GSM/UMTS Forschungsaspekte Kommunikation Zentraler Ansatz Übertragungskette Datenrate/Kapazität/Latenz Ortung Fahrspurselektive Ortung Digitale Karte TPEG TSI XFCD Seite 14 14

15 Ortungsaspekte - EFA 2014 best case worst case Mehrwegeausbreitung Messfahrt-Video Satellitengeometrie Seite 15 15

16 Ortungsaspekte - EFA 2014 Die vom GNSS-Empfänger gelieferten Pseudorange-, Trägerphasen- und Deltarange-Messung sind mit Fehlern behaftet: Seite 16 16

17 Ortungsaspekte - EFA 2014 Abschattung und Reflektion an Gebäuden (Signalüberlagerung) Positions- und Zeitfehler des Satelliten (Nav-Daten) Wegverlängerung durch Brechung Ionosphäre und Plasmaspäre km Höhe Foto: Baer Jamming und Interferenzen durch andere Funksysteme Empfänger HW & SW Troposphäre 0 70 km Höhe Seite 17 17

18 Ortungsaspekte - EFA 2014 Quelle: DLR GNSS Augmentierung Multisensorik Digitale Karte Erfüllung der Ortungsanforderungen Seite 18 18

19 Ortungsaspekte - EFA 2014 EFA-Lösung (nächste F.) Seite 19 19

20 Ortungsaspekte - EFA 2014 Seite 20 20

22 Ortungsaspekte - CECC Strukturelle verschiedene Projektansätze Zentral Diensteanbieter Dezentral Projekt EFA 2014/2 Projekt CECC I/II Seite 22 22

23 BMBF-Spitzencluster Cool Silicon Cool Energy Car Communication (CECC) CECC I / II 10/ /2014 Ziel: Einsparung elektrischer Energie bei Steuerung/ Betrieb von Kraftfahrzeugen durch Einsatz energieeffizienter Fahrzeugelektronik zur Informations- und Datenübertragung sowie zur energieeffizienten Ansteuerung elektrischer und elektronischer Verbraucher Förderung aus EFRE- und Mitteln des Freistaates Sachsen Seite 23 23

24 Ortungsaspekte - CECC LSA-Modul Wireless Sensor Network (WSN) FZG-Modul Forschungsaspekte Kommunikation Dezentraler Ansatz Übertragungskette Datenrate/Kapazität/Latenz Ortung Fahrspurselektive Ortung Digitale Karte Seite 24 24

25 Sächsisches Projektbeispiel: CECC Energieeffizienz und spurselektive Fahrzeugortung Sensorknoten Ankerknoten mobiler Sensorknoten messbare Distanz Seite 25 25

26 Ortungsaspekte - CECC Prinzip: Gesamtenergieverbrauch auf Basis CECC-Komm.-modul, d.h. quasi energieverbrauchsneutral Sensorknoten Ankerknoten mobiler Sensorknoten messbare Distanz C2X-Strategie (Stand der Technik) CECC- Strategie/WSN Voraussetzung: Mindestanzahl von Ankersensorknoten (n = 4) Ortungsgenauigkeit ist u.a. abhängig von Messumgebung, geometrischer Konstellation sowie der Art und Besetzung des zu lösenden Gleichungssystems Mikrocontroller Sensor bzw. Aktor Kommunikationseinheit Energiequelle CECC-Lösung (LSA) Seite 26 26

27 CECC-Lösung (Abbiegen) Seite 27 27

28 Ortungsaspekte - CECC Quelle: Quelle: Quelle: GNSS-Verfügbarkeit oder Ortungsgenauigkeit ist dafür nicht erfüllt? Ranging/Lokalisierung in funk- Lösung basierten Sensornetzen (WSN) Signallaufzeit Signalstärke Winkel Cell-ID Phasenlage ToA RSSI AoA CoO PoA Seite 28 28

30 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Ansätze, Stufenkonzept Telematikplattform(HF, NF, SW, SS, HMI) a) Funkkanal- Simulation/ Büroumgebung b) Signalumfeldgenerierung/ Laborumgebung c) Mobile Feldtestmessung/ Live-Outdoor Seite 30 30

31 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Simulation / Funkplanung (Ansatz) Festlegung der Ausleuchtung (Coverage) Auswahl Antennenpolarisation Einsatz Empfangsantennendiversity Abschätzungen zur Pegel- und Ortungsgenauigkeit Elektrisch parametriertes 3D-Modell der Hochschulstraße 3D-Laserscanner [DA Weichelt] MODELLBILDUNG Erstellung Umgebungsmodell und Parametrierung SIMULATION SIMULATIONSAUSWERTUNG [SA Junkert] Seite 31 31

32 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Simulation / Funkplanung (Ergebnisse) [DA Weichelt, SA Junkert] ] Ray-Tracing-Simulation Modellierte LSA-Masten mit Antennenstandorten 4 Sektorantennen jeweils an den Kreuzungsarmen Verschiedene Antennenpolarisationen (Differenzplot) Seite 32 32

33 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Ansätze, Stufenkonzept Telematikplattform(HF, NF, SW, SS, HMI ) a) Funkkanal- Simulation/ Büroumgebung b) Signalumfeldgenerierung/ Laborumgebung c) Mobile Feldtestmessung/ Live-Outdoor Seite 33 33

34 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Ansätze, Stufenkonzept Telematikplattform(HF, NF, SW, SS, HMI ) a) Funkkanal- Simulation/ Büroumgebung b) Signalumfeldgenerierung/ Laborumgebung c) Mobile Feldtestmessung/ Live-Outdoor UKW-TMC TMC GPS Seite 34 34

35 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Seite 35 35

36 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Ansätze, Stufenkonzept Telematikplattform(HF, NF, SW, SS, HMI ) a) Funkkanal- Simulation/ Büroumgebung b) Signalumfeldgenerierung/ Laborumgebung c) Mobile Feldtestmessung/ Live-Outdoor Seite 36 36

37 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Inertial-System Komm.-System (GPRS, WAN, C2X) Seite 37 37

38 HF- Recorder (z.b. GNSS) Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator 3 x variable HF-Kanäle für GNSS Messg. (BW=150 MHz, Dynamikbereich um 80dB, <1ns Synchronisation/Latenz) z.b. L1 GPS+SBAS, L2 GPS, L1 GLONASS [Averna.11] Seite 38 38

39 Laborgestützter Fahrzeugumfeldsimulator Laborauswertungen am Bsp. c) Worst-case Szenario / kinematisch [ION2013/Nashville, WCRR2013/Sydney, ITS2013/Tokyo] zero line = values originally recorded by receiver coloured lines = offset in playback runs satellite data (sat 31) Maximum offset in raw data measurement of playback runs (satellite 31) offset in longitude / latitude 35 m offset in pseudoranges 190 m original sat. 2 additional sat. 5 SNR 12 db Seite 39 39

41 Ausblick (Halb-)Automatisiertes Fahren (Basistechnologien für kooperatives Fahren) Fahrzeugkommunikation (IEEE p,.15.4) Multi-GNSS-Ortung (GALILEO) 4/5G Mobilfunk (LTE-A, ) Umfelderfassung durch Radar Vision technischer Entwicklungsstand Umfelderfassung durch T-Kamera Digitale Broadcastsysteme(TPEG) Multisensorielle Datenfusion Präzise Georeferenzierung Seite 41 41

42 Fakultät Verkehrswissenschaften Friedrich List Institut für Verkehrstelematik Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, Professur Informationstechnik WIR BEWEGEN für Verkehrssysteme DIE WELT. Prof. Dr.-Ing. O. Michler Seite 42 42