Vortragsblock «Die Erde und wo bin ich?»OGT2012

Dr. Rainer Mautz9. Mai 2012

Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmungin Gebäuden

• Anwendungen & Anforderungen • Überblick Technologien

– Mobilfunkortung– Inertialmesstechnik– Hoch Sensitives GNSS– ….

• Zusammenfassung

Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmungin Gebäuden

Inhalt

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Anwendungen & Anforderungen

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Entwickler:Welche möglichen Anwendungen hat mein System?

Anwender:Welche Technologie eignet sich für meine Anwendung?

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Anwendungen & Anforderungen

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GenauigkeitAbdeckung

Integrität

Kosten

Infrastruktur

Marktreife

Ausgabegrößen

Datensicherheit

Aktualisierungsrate

Schnittstelle

Genehmigung

Aufdringlichkeit

Anzahl Benutzer

Skalierbarkeit

Verfügbarkeit

Robustheit

Anforderungen

Technologien zur PositionierungÜberblick

6Mautz, R. (2012) “Indoor Positioning Technologies”, Habilitationsschrift, ETH Zürich

Mobilfunkortung

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Mobilfunkortung

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Messprinzip Cell ID, AoA, TDoA, RSSI

Genauigkeit 20 m – 1000 m

Abdeckung > km - skalierbar

Benötigte Infrastruktur Basisstationen

Anwendung Navigation, LBS

Stärken Standardgeräte, Abdeckung

Schwächen geringe Genauigkeit

Gustafsson and Gunnarsson (2005)

6 km

Mobiltelefon

Basisstation

Inertiale Messsysteme

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Inertiale Messsysteme

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Messprinzip Koppelnavigation

Genauigkeit 0.1 % - 10 % der Distanz

Abdeckung Gebäude

Benötigte Infrastruktur

keine – anfängliche Position & Updates

Anwendung Fußgängernavigation

Stärken keine Installationen

Schwächen Drift, Positionsupdates

Skog et al. (2010)

Panahandeh et al. (2010)

Hochsensitives / Assistiertes GNSS

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Hochsensitives / Assistiertes GNSS

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Material [dB] Faktor [-]

Glass 1 - 4 0.8 – 0.4

Farbiges Glass 10 0.1

Holz 2 - 9 0.6 – 0.1

Dachziegel / Ziegelsteinwände 5 - 31 0.3 – 0.001

Betonwand 12 - 43 0.06 – 0.005

Stahlbetonwand 29 - 33 0.001 – 0.0005 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

Hoch Sensitives / Assistiertes GNSS

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Messprinzip Lateration, Korrelatoren

Genauigkeit 10 m – 70 m

Abdeckung global

Benötigte Infrastruktur keine

Anwendung Übergangslose Positionierung

Stärken Globale Position ohne Infrastruktur

SchwächenGeringe Genauigkeit & Zuverlässigkeit, Mehrweg-signale, Rechenzeit

Niedermeier and al. (2010)

Radiowellen

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Radiowellen

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Messprinzip Fingerprinting, Lateration, TDoA, AoA

Genauigkeit 2 m – 20 m

Abdeckung 1000 m2 - skalierbar

Benötigte Infrastruktur Lokale Transmitter

Anwendung Mobilgeräte, LBS

Stärken Verwendung Standardgeräte

Schwächen Geringe Zuverlässigkeit, Systemkalibrierung

USC Robotics Research Lab

Laitinen (2004)

Radio Frequency IDentification (RFID)

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Radio Frequency IDentification (RFID)

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Messprinzip Zellbasiert, RSSI, Fingerprinting

Genauigkeit 10 cm – 2 m

Abdeckung 1 m – 10 m, skalierbar

Benötigte Infrastruktur Installierte RFID Chips

Anwendung Fußgängernavigation,Smart Paving Stones

Stärken Durchdingung, unaufdringlich

Schwächen Reichweite, Installation der Chips

Passives RFID Tag, Bates (2007)

Aktives RFID Tag und Reader, Seco and al. (2010)

-

Ultrabreitband (UWB)

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Ultrabreitband (UWB)

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Messprinzip Lateration: ToA, TWR, TDoA, Signal Reflektion

Genauigkeit 5 cm – 1m

Abdeckung 10 m – 100 m

Benötigte Infrastruktur

SynchronisierteSender & Empfänger

Anwendung Tracking, AAL, Automatisierung

Stärken Materialdurchdringung, Resistenz Mehrwegsignale

Schwächen Reichweite, Rechenzeit Passive Lokalisierung

Frequenzspektrum

Moving Person

EmitterEmitter

ReflectedWaves

Receiver Antennas

Direct Waves

- 41 dBm/MHz

1.6 1.9 2.4

WLAN 802.11b/g,Bluetooth

5

WLAN 802.11a

UWB

Frequency (GHz)

Signal-stärke

10.63.1

GPSGSM PCS

ECC

6 8.5

FCC

Bodensensoren

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Bodensensoren

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Messprinzip Kapazitiv, Druck

Genauigkeit 10 cm – 30 cm

Abdeckung Raum, skalierbar

Benötigte Infrastruktur Flächendeckende Installation

Anwendung AAL, Fußgängernavigation

Stärken Unaufdringlich, keine Tags

Schwächen Aufwändige Installation, ungeeignet für Multi-User

Steinhage et al. (2012): SensFloor® Ein AAL Sensorsystem für Sicherheit, Homecare und Komfort

-

Pseudoliten

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Pseudoliten

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Messprinzip Code / Trägerphasenmessung Multilateration

Genauigkeit 0.5 cm – 1 m

Abdeckung 100 m – 10 km

Benötigte Infrastruktur Feste Terrestrische Stationen

Anwendung Tagebau, Vermessung

Stärken Gebiete mit schwacher GNSS Abdeckung

SchwächenSynchronisierung, Multipath, Near-Far Problem, Genemigung Wirelessdictionary.com (2011)

European Commission, Joint Research Centre (JRC)

Schallwellen

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Schallwellen

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Messprinzip Lateration, TDoA

Genauigkeit 1 cm – 5 cm

Abdeckung 5 m – skalierbar

Benötigte Infrastruktur Verteilte Sender / Empfänger

Anwendung Tracking Personen / Roboter

Stärken Preisgünstig, geringer Synchronisierungsaufwand

SchwächenTemperaturabhängigkeit, Multipath, Dopplerverschiebung

Ultraschall basierter Knoten (Cricket System, MIT)

-

Installation an der Decke

Magnetische Systeme

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Magnetische Systeme

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Messprinzip Magnetische Flussdichte Spulen & Permanentmagnete

Genauigkeit 1 mm – 1 m

Abdeckung 1 m – 20 m

Benötigte Infrastruktur

Spulen, Magnete oder Transmitter

Anwendung Untergrundvermessung, Robotersteuerung, Endoskopie

Stärken Durchdringung Baumaterial

Schwächen Störungen, Komplexität des Magnetfeldes

Magnetfeldlinien (Blankenbach and Norrdine, 2010)

-

Infra Survey (2011)

Kameras

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Kameras

Messprinzip Kameras, CCD + Optik

Genauigkeit 0.01 mm – 30 cm

Abdeckung 0.1 m – 10 m

Benötigte Infrastruktur Kamera, Kodes, Projektoren

Anwendung Mapping, Computervision, Automatisierung

Stärken Hohe Genauigkeit, berührungsloses Tracking

Schwächen Maßstab, Sichtverbindung

CLIPS System (Tilch & Mautz, 2011)

-

sky-trax.com

P2P1 P4P3

Taktile und Kombinierte Polare Systeme

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Taktile und Kombinierte Polare Systeme

Messprinzip Mechanisch, taktil, polar

Genauigkeit 1 µm – 1 cm

Abdeckung 0.1 m – 100 m

Benötigte Infrastruktur

Instrument, Messspitze, Reflektor

Anwendung Vermessung, Messtechnik

Stärken Hohe Genauigkeit, 10-5 - 10-6

Schwächen Hohe Kosten, Manuelle Bedienung

Laser Tracker, leica-geosystems.com

-

Measuring Arm, Faro, jalax.ee

Totalstation (benchmarkarizona.com, 2011)

Fazit

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• 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

Hinweise

Habilitationsschrift & IPIN Konferenz

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