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Mobile, drahtlose und situationsbezogene Dienste – ein Überblick über das Projekt Heywow

… und ein Ausblick auf Galileo

Uwe-Carsten Fiebig

24. Oktober 2004

Institut für Kommunikation und Navigation

Acknowledgement: Für die Bereitstellung einiger Folien zu Galileo: Patrick Robertson, Christoph Günther, Arno Schroth, Evelin Engler

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Inhalte des Vortrags

Mobile, drahtlose und situationsbezogene Dienste: Wasverstehen wir unter der Situation eines Mobilfunkteilnehmers ?

Projekt Heywow

Wie funktioniert Satellitennavigation ?

Einführung zu Galileo

Woran beteiligt sich das DLR beim Aufbau von Galileo ?

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Die genaue Ortung –Der Schlüssel zukünftiger situationsbewusster Dienste

Ortsabhängige Dienste (Location-based services) werden in Zukunft eine wichtige Rolle spielen (für Autofahrer, Fußgänger, etc.)Jedoch werden viele LBS nicht immer den Nutzeranforderungen perfekt entsprechenBeispiele:

Wo ist das nächste Restaurant?“500m geradeaus, 1. Straße links nach 50m auf der rechten Seite”Der Dienst schlägt ein italienisches Restaurant vor, doch der Nutzer mag keine italienische Küche

Wo ist die nächste Apotheke?„300m geradeaus rechts neben dem gelben Haus“Aber um 3 Uhr morgens ist die Apotheke geschlossen

Auch die Situation des Nutzers muss beachtet werden !Aus ortsabhängigen Diensten werden situationsabhängige Dienste

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Wie ist die Situation des Nutzers charakterisiert?

Availablenetworks

Type ofhandsetLocation

Time

Emotions

Physicalenvironment

Personalpreferences

Used service

Past / history

Calendar

Activity

Situation

Indoor/outdoor

weather

time of day

season

street/garden city/country

moving

mobile radio

SatNav

short range

DxB

location

networks

Forecast /intentions

own

other people

screen size multimediacapabilities

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Was kann heute realisiert werden ?

Availablenetworks

Type ofhandsetLocation

Time

Emotions

Physicalenvironment

Personalpreferences

Used service

Past / history

Calendar

Activity

Situation

Indoor/outdoor

weather

time of day

season

street/garden city/country

moving

mobile radio

SatNav

short range

DxB

location

networks

Forecast /intentions

own

other people

Ohne Interaktion mitdem Nutzer möglich

Schwierig zurealisieren

Nur mit Interaktion des Nutzers

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Heywow: Dienste für die mobile Welt

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Heywow: Dienste für die mobile Welt

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Heywow: Dienste für die mobile Welt

Vision: Smart Bulb(intelligente Glühbirne)

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Heywow: Dienste für die mobile Welt

Neue Dienste basierend auf

Mobilfunk (GSM, GPRS, UMTS)Kurzreichweiten-kommunikation(Bluetooth, WLAN)Satellitennavigation (GPS, Galileo)

Installation von 11 Local Service Points(LSPs) in Landsberg/Lech

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Heywow: Was zeigen wir in Landsberg ?

Elektronischer Stadtführer

• Sehenswürdigkeiten• Stadt-Touren• Karten• Bilder, Audios, Videos• Hinweise• Öffnungszeiten

Ortsabhängige Dienste

• Lokale Webseiten (Gebäude, Geschäft, Museums)

• Ortung mit Hilfe von Bluetooth

• Navigation• People-Finder• Information Space

(Geograffitis, Fotos)

Surfen imInternet

• Nachrichten• mCommerce

• Versand von emails, Bildern etc

Bluetooth (Ortung, schnellere und Preisgünstiger Netzzugang)

Java-MIDP Handy / GPRS …. High-End Java Handy

Heywow Infrastruktur

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Heywow: Dienste für die mobile Welt

Ausblick:

Weiterentwicklung situationsbewusster DiensteIntegration von GPS / Galileo

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Grundprinzip der Satellitennavigation

Bestimmung der 3 Orts-Unbekannten

XR, YR, ZR

erfordert den Empfang der Navigationssignale von 3 Satelliten

Bestimmung der 3 Orts-Unbekannten

XR, YR, ZR

erfordert den Empfang der Navigationssignale von 3 Satelliten

Durchführung von Laufzeitmessungen der Satellitennavigationssignale auf ihrem Weg vom Satelliten zum Empfänger δt1, δt2, δt3

Aus der Laufzeit wird die Entfernung zwischen Satellit und Empf. bestimmt ρ1, ρ2, ρ3

ρ1

ρ2

ρ3

ρi = c δti

XR, YR, ZR

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Grundprinzip der Satellitennavigation

Bestimmung der 3 Orts-Unbekannten

XR, YR, ZR

durch Lösung der Navigationsgleichung

Bestimmung der 3 Orts-Unbekannten

XR, YR, ZR

durch Lösung der Navigationsgleichung

ρ1ρ2

ρ3

XR, YR, ZR

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

2 2 21 1 1 1

2 2 22 2 2 2

2 2 23 3 3

1

3

2

3

SAT SAT SAT

SAT SAT SAT

SAT SAT SA

R R R

R R R

R R RT

c X Y Z

c X Y Z

c X Y Z

X Y Z

X Y Z

X

t

t Z

t

Y

δ

δ

δ

ρ

ρ

ρ

− − −

− − −

− − −

⋅ = = − + − + −

⋅ = = − + − + −

⋅ = = − + − + −

Navigationsgleichung

Problem:Sämtliche Satelliten und der Empfänger müssen aufeinander synchronisiert sein, was aus Aufwandsgründen scheitertIn 10 ns legt das Signal 3 m zurück (in 1 µs 300 m) Nur die Satellitenuhren sind untereinander synchronisiert, Empfängeruhr hat Ablage gegenüber Systemzeit

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Grundprinzip der Satellitennavigation

Empfänger misst δti , woraus sich nicht ρi = c δti , sondern ρi = c δti - δTR ergibtEmpfang von 4 Satellitennavigationssignalen δt1, δt2, δt3, δt4

Aus der Laufzeit werden 4 „pseudo ranges“ bestimmt ρ1, ρ2, ρ3, ρ4

Bestimmung der 3 Orts-Unbekannten und der Zeit-Unbekannten

XR, YR, ZR, δTR

Bestimmung der 3 Orts-Unbekannten und der Zeit-Unbekannten

XR, YR, ZR, δTRρ1

ρ2 ρ4ρ3

Navigationsgleichung

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

1

2

3

4

2 2 21 1 1 1

2 2 22 2 2 2

2 2 23 3 3 3

2 2 24 4 4 4

SAT SAT SAT

SAT SA

R R

T SAT

SAT SAT SAT

SAT S

R R

R R R R

R R R R

R RAT S RAT R

c X Y Z c

c X Y Z c

c X Y Z c

X Y Z T

X Y Z T

X Y Z T

c X Y Z c

t

t

t X Y Z T

t

ρ δ

ρ δ

ρ δ

ρ

δ

δ

δ

δ δ

− − −

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⋅ = = − + − + − +

⋅ = = − + − + − +

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⋅ = = − + − + − +

⋅

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Grundprinzip der Satellitennavigation: Herausforderungen

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Grundprinzip der Satellitennavigation: Fehlerbudget GPS

Segment source Error source 1σ error [m]

Satellite clock stability 3.0Predictability of satellite perturbations 1.0Selective availability --Other (thermal radiation, etc.) 0.5Ephemeris prediction error 4.2Other (thruster performance, etc.) 0.9Ionospheric delay 5.0Tropospheric delay 1.5Receiver noise and resolution 1.5Multipath 2.5Other (interchannel bias, etc.) 0.5

System UERE Total (rms) 8.0

User

Control

Space Galileo-Anspruch

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Grundprinzip der Satellitennavigation: Anordnung der Satelliten

Günstiges Szenario

Unsicherheit durch Fehler

Schlechtes Szenario

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Europa entwickelt Galileo

Die zunehmende Abhängigkeit der Wirtschaft vom Infrastrukturelement „Globale Satellitennavigation“ wird wahrgenommenGPS ist ein technologischer und ökonomischer Faktor gewordenGPS ist jedoch ein militärisches System unter der Hoheit des DoDEuropa muss die Kontrolle über ein entsprechendes System und über dessen Entwicklung erlangen

Europa entscheidet sich dafür, mit Galileo ein unabhängiges, kompatibles und komplementäres System aufzubauenZiele von Galileo:

Galileo bietet Integrität(sinformation) und ServicegarantienGleichzeitige Nutzung mehrerer Frequenzbänder reduziert Ionosphärenfehler und verbessert GeanuigkeitHöhere Sendeleistung erlaubt besseren EmpfangHybride Empfänger (GSP+Galileo) können doppelte Satellitenzahl nutzen

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Europa entwickelt Galileo

Erste SchritteDez. 1999: ESA und EU beschließen Galileo 26. Mai 2003: Endgültige Regelung der Finanzierung

Public Private Partnership

Kandidaten für die Konzession

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

GJU: Entwicklung und IOV

Konzessionär: Aufbau + FOC Betrieb1.1 Mrd €

2.1 Mrd €

iNavsatEADS, Inmarsat, Thales

EurelyAlcatel, Finmeccanica,…

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Aufbau von Galileo: Konstellation und Satelliten

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Constellation:• 30 identical satellites (27 active / 3 reserve)• 3 MEO orbit planes• Axis 29 993.707 km• Inclination 56°• One revolution 14 h 22 min• Ground track repeats in 10 days

Satellite data [tbd]:• Weight 680 kg• Power 1.6 kW• Navigation payload 115 kg/750 W• Mass SAR transponder: 20 kg• Life span 15 a

Launched by:Ariane (8 Sats), Sojus (2 Sats),Proton (6Sats), tbd

1,1 m

2,7 m

1,2 m

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Aufbau von Galileo: Bodenstationsnetz

Vermessen der Satellitenbahnen, verfolgen der UhrenKorrekturen an die Benutzer mitteilenSatellitensteuerung und Unterhalt (Bahnen, Uhren, Sonnenkollektoren, Antennen,…)

Navigations-Signal

Daten,Kontrolle

Master Control StationMonitorBodenstation

Monitor

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Aufbau von Galileo: Bodenstationsnetz

Port Moresby

Noumea

Note.: Utilization of the locations is matter of ongoing assessment

Yellowknife

VancouverSt. Pierre

Santiago

Kourou

Rio

Galapagos

Santiago

Libreville

Toulouse

Kiruna Magadan

Papeete

KerguelenNew Norcia

Djibouti

Krasnoyarsk

Hartebees.Reunion

Trivand.

Fidji

Masuda

CanberraRio Grande

East-Isl.

Dichtes Netz, um eine enge Verfolgung der Satelliten zu ermöglichen

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Aktivitäten des DLR-Instiuts für Kommunikation und Navigation für Galileo

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ESA

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Entwicklung von GalileoSatellitenuhren (Cs, Rb) und globale SynchronisationBeobachtung und Modellierung der Ionosphäre (abhängig von der Sonnenaktivität) und Troposphäre (abhängig vom Wetter)Erfassung der Mehrwegeausbreitung: Messung und Modellierung

Validierung von System und SignalenNavSim-SimulatorHardware-SignalgeneratorAntennenmessplatz

Empfängerentwicklung2nd GJU-Call: Mass Market Receiver, Safety of Live Receiver

AnwendungenSafety of Life (Luftfahrt, Schiene etc.), VerkehrKombination von Galileo/GPS mit weiterer Sensorik

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DLR-Aktivitäten Galileo: Messkampagne Mehrwegeausbreitung

Messfahrzeug

Bandbreite: 100 MHzFrequenzbereich 1460-1560 MHzLeistung: 10W EIRP

„Satellit“

atio

ns

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DLR-Aktivitäten Galileo: Verifikationsnetzwerk GATE

GSTB-V2 Satellit.

Galileo Satelliten

Galileo SIS

GATE SIS

Mission Planning MCS

Operational 

DatabaseGSTF ARCSPRF

GATE Control Centre

GATE Abdeckungs-bereich

Mon.

Rb

Tx

Berchtesgaden

atio

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Dienste-Strukturen für Galileo

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Open Service (OS)Unverschlüsseltes Signal, gemeinsame Frequenz mit GPS (L1), ein weiteres Frequenzband mit 24 oder 48 MHz

Safety of Life Service (SoL)Zusätzliche Integritätsinformation, gleiche Frequenzbänder wie OS

Commercial Service (CS)Drei Frequenzbänder, davon zwei überlappendCS wird der Konzessionär definieren müssen

Public Regulated Service (PRS)Zwei separate Frequenzbänder für Zivilschutz und nationale Sicherheit

Search-and-Rescue Service (SAR)Notruf mit Rückkanaleventuell Satelliten-Messaging Dienst

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Galileo

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