From a Distance Ortungs- und Navigations-Technologien heute

Transkript

1 From a Distance Ortungs- und Navigations-Technologien heute Prof. Dr. Stefan Brunthaler TH Wildau / Telematik Historie Ortungsverfahren GNSS: GPS, Galileo Handy-Ortung...

2 Was ist Ortung? Wo heißt (bisher noch): Im näheren Umfeld unseres Planeten Erde. Die Fragen können lauten: Wo befinde ich mich gerade? Wo befindet sich jemand anderer oder ein beliebiges Objekt gerade? Die Antwort kann in Koordinaten oder (besser zu gebrauchen) als Ortsname ausgedrückt werden.

3 Warum Ortung? Seefahrer wollen wissen, wo sie sind (damit sie navigieren können) Ein Transportunternehmen will wissen, wo seine Fahrzeuge gerade herumfahren (oder stehen?) Die Hafen-Verwaltung will wissen, wo welcher Container steht (bei Stück...) Jemand möchte wissen, wo sein(e) Frau/Mann/Hund/Katze/Maus/Auto/Boot gerade steckt (und vielleicht, wo er/sie/es heute überall war?)

4 Ein paar Begriffe... Position: Geografischer oder topografischer Ort Lokation: Topologischer Ort in einer Umgebung Routenfindung und Zielführung Navigation Kurs (engl. Trajectory ): Polygon aus Positionen Route: Detaillierte Liste von Manövern, die ein Fahrzeug zum Erreichen eines Ziels ausführen muss Segment oder engl. Leg : Teilabschnitt einer Route Wegpunkt: Punkt auf der Route, wo typischerweise ein Richtungswechsel erforderlich ist (engl. Waypoint )

5 Absolut oder relativ? Eine absolute Positionsbestimmung (engl. Position fix ) ermittelt den aktuellen Ort, ohne die bisherigen Bewegungen kennen zu müssen. Eine relative Positionsbestimmung, auch als Koppelnavigation (engl. Dead reckoning) bezeichnet, ermittelt den aktuellen Ort aus den bisher vergangenen Manövern, d.h. aus Richtung, Geschwindigkeit und weiteren Messdaten.

6 Wie funktioniert absolute Ortung? Man bestimmt die Position mit Hilfe der Position bereits bekannter Orte durch... Messung von Entfernungen und/oder Messung von Winkeln sowie Anwendung z.b. trigonometrischer Funktionen darauf. Man misst Entfernungen direkt (z.b. Maßband) oder indirekt (z.b. Laufzeit eines Signals, Ping ) Winkel werden durch Peilung gemessen, z.b. durch Ausrichten von Zeigern oder durch die Blickrichtung

7 Überblick Ortungsverfahren (1) Ortung durch Beobachtung: Die Südsee-Fahrer merkten sich Inseln, Strömungen und Sterne Ortung durch Anpeilen von Gestirnen: Jakobsstab Sextant Funkortungs-Verfahren Terrestrisch (Peilung, Entfernung über Laufzeit) Satelliten-Ortung (Global Navigation Satellite Systems) Handy-Ortung

8 Überblick Ortungsverfahren (2) Positionsbestimmung durch Annäherung (engl. Proximity positioning ): Abart der Entfernungsmessung Detektion der Nähe eines bekannten Objektes Beispiel RFID-Ortung Cell ID Ortung: Variante davon, z.b.: Mobilfunk-Ortung ( serving cell ID ) WLAN Ortung (WLAN SSID)

9 Jakobsstab

10 Position nachschlagen

11 Terrestrische Funkortung Kreuzpeilung: Zwei Sender mit bekannter Position (Beacons) anpeilen, Winkel messen und den Schnittpunkt der Lines of position berechnen (triangulieren) In der Luftfahrt werden Funkfeuer zur Positions- Ermittlung über Kreuzpeilung verwendet Loran-C und verwandte Verfahren: Berechnung der Entfernung zu mindestens zwei bekannte Senderpaare über Laufzeit-Bestimmung ( Hyperbel-Standlinien )

12 Hyperbelverfahren (Loran-C) Zwei Sender senden zu bestimmten Zeiten ein Signal Den Empfänger erreichen diese Signal mit Zeitversatz Δt, da er von den Sendern verschieden weit weg ist Alle Punkte mit gleichem Δt liegen auf einer Hyperbel: Empfängt man 2 Senderpaare, kann man den Schnittpunkt zweier Hyperbeln ermittleln. Bildquelle: Wikipedia

13 A Hyperbel- Standlinien- Navigation C L B

14 Charakteristik Loran-C Stationszahl Reichweite pro Sender Funktion Genauigkeit Ausbreitung Signalabschattung Anwendung Frequenz Kette aus 3 bis 6 Sendern circa 1000 Seemeilen Laufzeitmessung (TDOA); synchrone differenzierbare Signale; Hyperbel-Standlinien; mindestens 2 Stationen erforderlich (theoretisch) Meter Gute Signalausbreitung auch im Gebirge u. in Häuserschluchten kaum Oft in Kombination mit GPS im Eurofix-System (DGPS-Variante) Langwelle 100 Khz wird nicht durch Atmosphäre reflektiert

15 Proximity-Ortung mit RFID Transponder Reichweite pro Sender Funktion Lesestation Ausbreitung System Anwendung Frequenz Bauformen siehe Abbildung; in der Regel mobil bis zu 100m mit aktivem Transponder Annäherung an Transponder, dessen Position bekannt ist, gibt dem Probanden die eigene Position: Proximity Positioning fest und mobil Kurze Reichweite ( cm) Kopplung der Lesestation mit Rechner PC-System zur Eventsteuerung Containeridentifikation Diverse Signalstärke Daraus Ableitung für genauere Ortung

16 Satelliten-Navigation (GNSS) Bekannte Systeme sind: GLONASS (Sowjet-Union/Russland) Global Positioning System (GPS, USA) GALILEO (Europa ab ca. 2016???) Ermittlung der Entfernung zu mehreren Satelliten über die Laufzeit-Messung eines Funksignals (s = v * t mit v = c) Wesentlicher Unterschied: Galileo ist das europäische System ohne militärischen Ursprung!

17 Raumsegment des GPS Satellitenzahl Satellitentyp Lebensdauer Flughöhe Bahnzahl Sichtbarkeit Inklination Erdumlaufdauer Signale Energieversorgung Zeitmessung 24 Satelliten Block II Satelliten (5 m 860 kg) Im Mittel 5 Jahre ca km 6 Bahnen (4 Satelliten pro Bahn) mind. 4 Satelliten (bis zu 6-8 Satell.) 55 bezogen auf Äquator ca. 12 h 50 mal/sec Position, Ident., Zeitsignale Solarenergie mit Akkupufferung Rubidium- und Caesium-Atomuhren

18 Prinzipieller Aufbau Galileo

19 Wie funktioniert ein GNSS? Die Satelliten umkreisen die Erde und befinden sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an genau bekannten Punkten im Raum. Sie besitzen Atom-Uhren, die genau gleich gehen. Jeder Satellit sendet ein unterscheidbares Signal zu einem genau definierten Zeitpunkt ab. Der Ortungs-Empfänger auf der Erdoberfläche empfängt diese Signale und kann erkennen, welches Signal von welchem Satelliten stammt.

20 Das Zeitproblem Die Soll-Absendezeit für jedes Signal ist dem Empfänger bekannt, ebenso der Ort des Satelliten zum Sendezeitpunkt. Aber der Empfänger hat KEINE Atom-Uhr, also weicht seine lokale Zeit möglicherweise von der für alle Satelliten synchronen echten Zeit ab! Die Größe dieses Uhrenfehlers ist leider auch nicht bekannt, aber sehr bedeutsam...

21 Der Uhrenfehler Die Entfernung liegt bei über Km Das Funksignal legt Km/s zurück Also braucht es für Km nur Sekundenbruchteile wie genau geht Ihre Uhr? Wenn die Zeit im Empfänger um 0,1 s von der Zeit im Satelliten abweicht, hat man also einen Messfehler von Km.

22 Die Lösung Die Satelliten-Zeit wird von den Satelliten mit den Funksignalen übertragen. Der Empfänger stellt seine Uhr danach, aber er weiß nicht, wie lange das Signal unterwegs war! Für eine dreidimensionale Positionsermittlung (x,y,z) benötigt man eigentlich nur 3 Satelliten (3 Gleichungen, 3 Unbekannte). Die vierte Unbekannte ist der Uhrenfehler, und man eliminiert ihn durch einen 4. Satelliten!

23 Berechnungsgrundlagen GNSS Bildquelle: Kompendium der Verkehrstelematik 1999 Messung der Zeitverschiebung der zeitsynchronen Signale in Satellit und Empfänger dient der Laufzeit-Diff.-Messung: R=t (Ankunftszeit Signal) t(erzeugungszeitpunkt). Multilateration, Time Diff. Of Arrival (TDOA).

24 GNSS Charakteristik Bis zu 30 Satelliten im All Bodenstationen zur Kontrolle und Steuerung Empfänger muss Sichtkontakt haben (!) Etwa 1 Messung pro Sekunde möglich Genauigkeit regulär nur um die 10 Meter Integrität des Signals nicht einfach prüfbar Galileo bietet gegen Entgelt Zusatz-Leistungen

25 Fehlerquellen für GNSS Mehrwege-Empfang in Tälern und Innenstädten Dämpfung / Abschattung der Signale (siehe Bild) Brechung der Signale an Atmospären-Schichten bewirkt Laufzeit-Verfälschungen Zu wenige Satelliten sichtbar Sichtbare Satelliten stehen in einer Linie / Ebene: Gleitende Schnitte

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27 Beispiel GNSS-Anwendung: Autobahn-Maut für LKW Das LKW-Maut-System in Deutschland beruht auf GNSS, wenn eine On-Board-Unit benutzt wird: Ortung per GPS, später durch Galileo (Planung) Bessere Genauigkeit durch D-GPS Errechnen der Position und Zuordnen, ob es sich um eine mautpflichtige Strecke handelt Senden der Buchungs-Daten an die Zentrale per SMS, GPRS u.ä. Kontrolle über die Mautbrücken oder Personal

28 Vergleich: Handy-Ortung Genauigkeit m Standort der Basisstation (Serving Cell) Kein Sichtkontakt (Innenräume möglich) Standort des Mobiltelefons Ortungsfläche Bessere Genauigkeit nur durch Zusatz-Hardware, z.b. für TDOA Messung Erlaubnis des Nutzers technisch nicht notwendig (Persönlichkeitsrechte?) 500m

29 Navigation Grundfragen: Wo bin ich jetzt (Ortung)? Wie komme ich zum Ziel? Anwendungen: Privat-Fahrzeuge (Autos, Boote, Flugzeuge) Nutzfahrzeuge (Flottensteuerung, ÖPNV) Fussgänger (Führungen, Sehenswürdigkeiten) Technik: Hauptsächlich Funkortung + Rechner

30 Relative Positionsbestimmung Englischer Begriff: Dead reckoning Auf der Karte wird von einer bekannten Startposition ausgegangen Die Fahrtrichtung (Kurs) wird aufgrund der Himmelsrichtungen ermittelt Geschwindigkeit und Zeit werden gemessen Der vermutliche Kurs wird auf der Karte aufgezeichnet

31 Ein Rätsel Ein Jäger verlässt seine Hütte und marschiert nach Süden. Nach 3 Kilometern biegt er nach Westen ab. Nach weiteren 3 Kilometern erlegt er einen Bären. Der Rückweg zu seiner Hütte ist wieder genau 3 Kilometer lang. Welche Farbe hat der Bär? (Tip: Nicht rot.)

32 Übungsaufgaben (freiwillig) Recherchieren Sie die folgenden Begriffe und die Anwendung der Verfahren, die sie bezeichnen: Time Difference Of Arrival Triangulation vs. Trilateration DECCA Kalman-Filter VOR (Begriff aus der Flugnavigation)