(Indoor)-Lokalisation Mathias Pelka http://www.cosa.fh-luebeck.de 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 1
Global Positioning System (NAVSTAR GPS) Ermöglicht die Positionsbestimmung Zwei Frequenzen (L1, L2) im GHz-Bereich Genauigkeit: Standard Position Service (SPS): 15 m in 95 % der Messungen Precise Position Service (PPS): 6 m in 95 % der Messungen Verbesserung: DGPS und SBAS 24 Satelliten in 20200 km Höhe 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 2
Das Problem ist doch längst gelöst, oder? Wie kann ein Flugzeug (MH370) ohne Spur verschwinden aber das US Militär Personen in der Wüste bis auf 100m genau Orten können? 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 3
Übersicht Arten der Positionsbestimmung Einführung GPS Funktionsweise Fehler bei GPS Indoor-Lokalisation Anwendungen Probleme bei der Indoor-Lokalisation Vorstellung der Forschungsprojekte m:flo LUMEN 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 4
Wie können Positionen bestimmt werden? Winkelmessung Streckenmessung 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 5
Zusammenhang Zeitmessung - Strecken Funksignale breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus Zeit die das Funksignal unterwegs ist, lässt Rückschlüsse auf die Signallaufzeit zu s= vt = ct 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 6
Zeitmessungen bei Satelliten (I) Bidirektionale Kommunikation zwischen Satellit und Empfänger nicht möglich Position der Satelliten nur ungefähr bekannt und verändern sich auch noch 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 7
Zeitmessungen bei Satelliten (II) Satellit führt eine genaue (Atom)-Uhr mit Satellit verschickt genaue Bahndaten (Ephemeriden) mit der Nachricht Mit der genauen Zeit, kann die Entfernung zum Satelliten genau bestimmt werden 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 8
Positionsbestimmung bei GPS Da eine Ortsbestimmung in 3D vorgenommen werden soll und gleichzeitig die Zeit ebenfalls synchronisiert werden muss, müssen mindestens vier Signale empfangen werden 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 9
Probleme bei GPS Fehlerhafte Satellitenposition Fehlerhafte Satellitenzeit Atmosphärenfehler (5m) Mehrwegeausbreitung / Abschattungen Ungünstige Geometrie GPS funktioniert nicht bei Häuserschluchten und nicht innerhalb von (massiven) Gebäuden 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 10
Wie lassen sich noch Strecken bestimmen? Signalstärkemessungen Mobiltelefone können über Funkzelle geortet werden Ultra-Breitband Systeme (UWB) Optische Verfahren (Kinect) Und weitere (Ultraschall, LASER ) 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 11
Warum Indoor-Lokalisation? Logistik Diebstahlschutz Optimierung von Wegen Verfolgung von Warenströmen Industrie Verfolgung eines Produktes innerhalb des Werkes Betriebsoptimierung Weitere Anwendungen Medizin, Endkunden usw. 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 12
Indoor-Lokalisation Ähnliche Probleme wie bei GPS Genaue Uhren werden benötigt Für Zeitmessungen müssen die Teilnehmer genau synchronisiert werden Beispiel: GPS benutzt Atomuhren (Genauigkeit 10 12 ) Fehler t = 86400 s Tag 10 12 = 0.0000000864 s ~10 7 Streckenfehler s = t v = t c = 25,9 m Quarzuhren haben Genauigkeiten von 10 6 Fehler t = 86400 s Tag 10 6 = 0,0864 s Tag Streckenfehler: t v = t c = 25902 km s Tag 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 13
m:flo Multiple Frequenz Lokalisation Verwendet verschiedene Frequenzen um eine Lokalisierung /Zeitsynchronisierung zu erreichen Je nach verwendeter Frequenz kann die Genauigkeit angepasst werden Verwendung von adaptiven Filtern um Signal-Rausch- Abstände zu verbessern Nutzung der bestehenden TriSOS Sensor-Plattform 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 14
m:flo Multiple Frequenz Lokalisation Beispiel zur Distanzmessung mittels Radiowellen Signal wird hochgemischt, übertragen, demoduliert und dann gemessen Pfadinformation im Signal codiert (Zeitstempel zum Beispiel) 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 15
LUMEN - Lübeck Medical Engineering Blutdruck ist vitaler Parameter bei Operationen Bestimmung des Herzreferenzpunktes zur Korrektur des gemessenen Blutdruckes Einflüsse von Bewegungen des Patienten auf den gemessenen Blutdruck sollen korrigiert werden 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 16
LUMEN - Lübeck Medical Engineering Manuelle Korrektur kann zu Fehlern führen. Ziel ist eine automatisierte Korrektur Nutzung von Ultra Breitband Systemen und der Microsoft Kinect zur Bestimmung des Referenzpunktes Microsoft Kinect Sensor Reference Point Quelle: http://users.dickinson.edu 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 17
Zusammenfassung Um die Position zu bestimmen können Strecken oder Winkelmessungen benutzt werden GPS benutzt mindestens vier Satelliten, um die drei Raumdimensionen und die Zeit bestimmen zu können GPS funktioniert nicht innerhalb von Gebäuden Indoor-Lokalisation hat Anwendungen im Bereich der Medizin und der Logistik 19.05.2014 2014 Forschung erforschen 18