Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden

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1 Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden Vortragsblock «Die Erde und wo bin ich?» OGT2012 Dr. Rainer Mautz 9. Mai 2012

2 Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden Inhalt Anwendungen & Anforderungen Überblick Technologien Mobilfunkortung Inertialmesstechnik Hoch Sensitives GNSS. Zusammenfassung 1

3 Anwendungen & Anforderungen Entwickler: Welche möglichen Anwendungen hat mein System? Anwender: Welche Technologie eignet sich für meine Anwendung? 2

4 Anwendungen & Anforderungen 3

5 Anforderungen Genauigkeit Datensicherheit Genehmigung Aufdringlichkeit Anzahl Benutzer Skalierbarkeit Abdeckung Kosten Infrastruktur Marktreife Ausgabegrößen Verfügbarkeit Robustheit Integrität Aktualisierungsrate Schnittstelle 4

6 Technologien zur Positionierung Überblick Mautz, R. (2012) Indoor Positioning Technologies, Habilitationsschrift, ETH Zürich 5

7 Mobilfunkortung 6

8 Mobilfunkortung Messprinzip Cell ID, AoA, TDoA, RSSI Genauigkeit Abdeckung Benötigte Infrastruktur Anwendung 20 m 1000 m > km skalierbar Basisstationen Navigation, LBS Basisstation 6 km Mobiltelefon Stärken Standardgeräte, Abdeckung Schwächen geringe Genauigkeit Gustafsson and Gunnarsson (2005) 7

9 Inertiale Messsysteme 8

10 Inertiale Messsysteme Messprinzip Koppelnavigation Genauigkeit 0.1 % 10 % der Distanz Abdeckung Benötigte Infrastruktur Anwendung Gebäude keine anfängliche Position & Updates Fußgängernavigation Panahandeh et al. (2010) Stärken keine Installationen Schwächen Drift, Positionsupdates Skog et al. (2010) 9

11 Hochsensitives / Assistiertes GNSS 10

12 Hochsensitives / Assistiertes GNSS Material [db] Faktor [-] Glass Farbiges Glass Holz Dachziegel / Ziegelsteinwände Betonwand Stahlbetonwand Stone (1997) Signalstärken in Dezibel Watt von GNSS Satelliten Ort [dbw] Satellit +14 Signalstärke vom Satellit Outdoor -155 Dekodierung für nicht-assistierte Empfänger Indoor -176 Dekodierung für hochsensitive Empfänger Untergrund -191 Dekodierung für assistierte, ultrasensitive Empfänger 11

13 Hoch Sensitives / Assistiertes GNSS Messprinzip Lateration, Korrelatoren Genauigkeit 10 m 70 m Abdeckung global Benötigte Infrastruktur keine Anwendung Übergangslose Positionierung Stärken Schwächen Globale Position ohne Infrastruktur Geringe Genauigkeit & Zuverlässigkeit, Mehrwegsignale, Rechenzeit Niedermeier and al. (2010) 12

14 Radiowellen 13

15 Radiowellen Messprinzip Fingerprinting, Lateration, TDoA, AoA Genauigkeit 2 m 20 m Abdeckung 1000 m 2 skalierbar Benötigte Infrastruktur Lokale Transmitter Laitinen (2004) Anwendung Mobilgeräte, LBS Stärken Verwendung Standardgeräte Schwächen Geringe Zuverlässigkeit, Systemkalibrierung USC Robotics Research Lab 14

16 Radio Frequency IDentification (RFID) 15

17 Radio Frequency IDentification (RFID) Messprinzip Genauigkeit Zellbasiert, RSSI, Fingerprinting 10 cm 2 m Abdeckung 1 m 10 m, skalierbar Benötigte Infrastruktur Installierte RFID Chips Anwendung Fußgängernavigation, Smart Paving Stones Aktives RFID Tag und Reader, Seco and al. (2010) Stärken Durchdingung, unaufdringlich Schwächen Reichweite, Installation der Chips Passives RFID Tag, Bates (2007) 16

18 Ultrabreitband (UWB) 17

19 Ultrabreitband (UWB) Messprinzip Lateration: ToA, TWR, TDoA, Signal Reflektion Signalstärke GPS GSM PCS WLAN b/g, Bluetooth WLAN a Genauigkeit 5 cm 1m Abdeckung Benötigte Infrastruktur Anwendung Stärken 10 m 100 m Synchronisierte Sender & Empfänger Tracking, AAL, Automatisierung Materialdurchdringung, Resistenz Mehrwegsignale Emitter Frequenzspektrum UWB Frequency (GHz) Moving Person Reflected Waves Receiver Antennas ECC FCC Direct Waves 41 dbm/mhz 10.6 Emitter Schwächen Reichweite, Rechenzeit Passive Lokalisierung 18

20 Bodensensoren 19

21 Bodensensoren Messprinzip Genauigkeit Kapazitiv, Druck 10 cm 30 cm Abdeckung Benötigte Infrastruktur Anwendung Raum, skalierbar Flächendeckende Installation AAL, Fußgängernavigation Steinhage et al. (2012): SensFloor Ein AAL Sensorsystem für Sicherheit, Homecare und Komfort Stärken Schwächen Unaufdringlich, keine Tags Aufwändige Installation, ungeeignet für Multi User 20

22 Pseudoliten 21

23 Pseudoliten Messprinzip Code / Trägerphasenmessung Multilateration Genauigkeit 0.5 cm 1 m Abdeckung 100 m 10 km Benötigte Infrastruktur Feste Terrestrische Stationen European Commission, Joint Research Centre (JRC) Anwendung Tagebau, Vermessung Stärken Schwächen Gebiete mit schwacher GNSS Abdeckung Synchronisierung, Multipath, Near Far Problem, Genemigung Wirelessdictionary.com (2011) 22

24 Schallwellen 23

25 Schallwellen Messprinzip Genauigkeit Lateration, TDoA 1 cm 5 cm Abdeckung 5 m skalierbar Ultraschall basierter Knoten (Cricket System, MIT) Benötigte Infrastruktur Verteilte Sender / Empfänger Anwendung Tracking Personen / Roboter Stärken Schwächen Preisgünstig, geringer Synchronisierungsaufwand Temperaturabhängigkeit, Multipath, Dopplerverschiebung Installation an der Decke 24

26 Magnetische Systeme 25

27 Magnetische Systeme Messprinzip Genauigkeit Magnetische Flussdichte Spulen & Permanentmagnete 1 mm 1 m Abdeckung Benötigte Infrastruktur Anwendung Stärken Schwächen 1 m 20 m Spulen, Magnete oder Transmitter Untergrundvermessung, Robotersteuerung, Endoskopie Durchdringung Baumaterial Störungen, Komplexität des Magnetfeldes Magnetfeldlinien (Blankenbach and Norrdine, 2010) Infra Survey (2011) 26

28 Kameras 27

29 Kameras Messprinzip Kameras, CCD + Optik P2 P1 P3 P4 Genauigkeit 0.01 mm 30 cm Abdeckung Benötigte Infrastruktur Anwendung Stärken Schwächen 0.1 m 10 m Kamera, Kodes, Projektoren Mapping, Computervision, Automatisierung Hohe Genauigkeit, berührungsloses Tracking Maßstab, Sichtverbindung CLIPS System (Tilch & Mautz, 2011) sky trax.com

30 Taktile und Kombinierte Polare Systeme 29

31 Taktile und Kombinierte Polare Systeme Messprinzip Genauigkeit Mechanisch, taktil, polar 1 µm 1 cm Abdeckung 0.1 m 100 m Benötigte Infrastruktur Instrument, Messspitze, Reflektor Anwendung Vermessung, Messtechnik Laser Tracker, leicageosystems.com Measuring Arm, Faro, jalax.ee Stärken Hohe Genauigkeit, Schwächen Hohe Kosten, Manuelle Bedienung Totalstation (benchmarkarizona.com, 2011)

32 Fazit viele technologische Ansätze variierende Terminologie kein einheitliches Bewertungssystem verschiedene Anforderungen Massenmarkt erfordert: 1 m Genauigkeit (horizontal), Stockwerksdetektion, minimale lokale Infrastruktur, > 99% Verfügbarkeit und globale Abdeckung Lösung für globales Indoor System in Ferne 31

33 Hinweise Habilitationsschrift & IPIN Konferenz 32