GIS Seminar WS 2001 / 02 Inhalt 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4....

GIS Seminar WS 2001 / 02GIS Seminar WS 2001 / 02

Inhalt1.Einleitung

2. Basis- technologie

3. GSM Positionierung

4. Zusammen- fassung & Ausblick

Von Lucas Schult unter Betreuung von Dipl.- Ing. H.-J. Fuhlbrügge am 21.1.2002Von Lucas Schult unter Betreuung von Dipl.- Ing. H.-J. Fuhlbrügge am 21.1.2002

Navigation

GPS & Mobilfunk

GIS Seminar WS 2001 / 02GIS Seminar WS 2001 / 02

Inhalt1.Einleitung




„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“

• Sensornavigation (Thomas Telega)

• GPS und Inertialsysteme (Peter Heinrich)

• GPS und Mobilfunk (Lucas Schult)

• Routenplanung (Christian Nitsche)

Inhalt1.Einleitung





GPS und Mobilfunk

„Und“ oder „oder“ ?

KonkretisierungKonkretisierung

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GPS und Mobilfunk

Positionsbestimmung durch

GSM - Positionierungsverfahren

KonkretisierungKonkretisierung

GSM - Global Standard for Mobile Communications

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Informationsangebote

Meine Kinder sind zu spät, wo bleiben sie nur… Persönliche Sicherheit

Wie lange werde ich wohl brauchen nach... Verkehrsinformationen

AngebotAngebot

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AngebotAngebot

Hilfe im Notfall

Ich hatte einen Autounfall und brauche Hilfe… 112 Notrufortung

Ich möchte im Lawinengefährdeten Gebiet skifahren… Ortung von Verschütteten

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AngebotAngebot

M-Commerce Services

Wo ist das nächste italienische Restaurant… M-commerce / Restaurant Führer

Ich möchte Karten für „Herr der Ringe“ bestellen… Kinokartenbestellung

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SignalausbreitungSignalausbreitung

Drahtlose Signale breiten sich im Vakuum gleichmäßig in alle Richtung des Raums aus.

Die Signalstärke nimmt quadratisch zur Entfernung ab.

Drei Bereiche der Signalstärke:

• Übertragungsbereich

• Erkennungsbereich

• Interferenzbereich

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SignalausbreitungSignalausbreitung Abschattung: Große Objekte (Gebäude, Bäume) dämpfen Signal, dass hinter ihnen kein Empfang möglich ist.Je höher die Frequenz, desto stärker die Dämpfung.

Reflexion: Nach Reflexion des Signals an z.B. Gebäuden nimmt durch Absorption die Signalstärke ab.

Streuung: Ein Signal wird in mehrere schwächere aufgespalten, die in unterschiedliche Richtungen verlaufen.

Beugung: Signale werden an Kanten von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt (Empfänger hinter Bergen erreichbar).

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StörungenStörungen Besonders problematisch sind:

• Mehrwegeffekte (bekannt von GPS)

• In Verbindung damit: Delay Spread

• Destruktive Interferenzen

• In Verbindung damit: Fast Fading

• Doppler Effekt

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FrequenzspektrumFrequenzspektrum

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FrequenzspektrumFrequenzspektrum

Welche Frequenzen nutzt der Mobilfunk ?

Analoge C-Netz: 450 MHz

GSM900: 900 MHz

GSM1800: 1,8 GHz

Zum Vergleich: Sichtbares Licht (Glasfaser-übertragungen) liegt im Frequenz-bereich 300 - 900 THz)

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Zellen- und Zellstrukturen Zellen- und Zellstrukturen

Pico- Zelle: 1 m - 100 mMikro- Zelle: 100 m - 2 kmMakro- Zelle: 2 km - 40 km

Vorstadt-bereich

Stadt-bereich

Mega- Zelle: 40 km - 200 kmGiga- Zelle: 200 km - 2000 km

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GSM-Positionierung GSM-Positionierung

M u ltip a th m u s te rM u lt ip a th F in g erp rin t

S ig n a lab sch w ä ch u n gR ece ived S ig n a l S tren g th

D ow n lin kverfah renE n h aced O b served T im e D iffe ren ce

E -O TD

U p lin kverfah renTim e D iffe ren ce o f A rriva l

TD O A

L au fze itm essu n g

D is tan zb es tim m u n g M essu n g d es A n ku n ftsw in ke lsA n g e l o f A rriva l

B es tim m u n g H erku n ftsze lleC e ll o f O rig in

G S M Pos itionsbes tim m ung

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Cell of origin (COO) Cell of origin (COO) 1. Zuordnung zur nächstgelegenen Antenne

2. Nutzung des TA Effekts

3. Sektorbestimmung

Positionsbestimmung

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Angle of Arrival (AOA) Angle of Arrival (AOA)

Aufteilung der Antennein ein Antennenarray

Sog. Smart-Antenne wird benutzt

Antenne erkennt Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen beim Empfänger

Ermittlung von zwei StandlinienGeradenschnitt

Angle of Arrival (AOA) Angle of Arrival (AOA)

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Aufteilung der Antennein ein Antennenarray

Probleme:

Verzerrung der Wellenfront durch Multipath-Effekte

Lange Integrationszeit notwendig: Ortungsdauer etwa 10 s

Hyperbelschnittverfahren Hyperbelschnittverfahren

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Es gilt:

Sämtliche Punkte, deren Distanzdifferenz zu zwei anderen Punkten konstant ist, liegen auf einer Hyperbel.

Bei drei Antennen ergeben sich zwei Hyperbeln, derenSchnittpunkt die gesuchte Position ergibt.

Bleibt die Frage:

Wie wird die Distanz-bestimmung realisiert ?

Received Signal Strength Received Signal Strength

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Distanzmessung durch Messung der Signalstärke

Zur Erinnerung: Die Signalstärke nimmt quadratisch mit wachsender Entfernung ab.

),(4 2

0

CE

DZPr

eff

FT

Signallaufzeitmessung Signallaufzeitmessung

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D ow n lin kverfah renE n h an ced O b served T im e D iffe ren ce

E -O TD


TD O A

D ista nzla ufzeitm esssung

Vorraussetzungen:

• Koordinaten der Basisstationen müssen bekannt sein

• die ausgesendeten Signale müssen synchronisiert sein

Signallaufzeitmessung Signallaufzeitmessung

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D ow n lin kverfah renE n h an ced O b served T im e D iffe ren ce

E -O TD


TD O A

D ista nzla ufzeitm esssung

Vorraussetzungen:

Mit sog. Bursts erfolgt Distanzmessung (analog zur Codemessung bei GPS).Burst Aussendung sowohl von Basis als auch von Handy

Downlinkverfahren Downlinkverfahren

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Mobiltelefon berechnet den Standort

Wird auch als „Enhanced Observed Time Difference“ - E-OTD bezeichnet

Sowohl während Gesprächen als auch im „Stand by modus“muß Ortung möglich sein

Vorraussetzung:Leistungsstarke Softwareim Mobiltelefon

Burst wird von Basis ausgesendet

Uplinkverfahren Uplinkverfahren

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Funkbasen berechnet den Standort

Wird auch als „Time Difference of Arrival“ - TDOA bezeichnet

Ortung wird per SMS an Handy übermittelt

Burst wird von Mobiltelefon ausgesendet

FingerprintverfahrenFingerprintverfahren

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Multipath-Muster jedes Ortist gespeichert.

Abgleich über Mustererken-nung

Muster muß gleich bleiben

FingerprintverfahrenFingerprintverfahren

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Besonders für dicht bebautes Gebiet geeignet

Nur eine Antenne notwendig

Hersteller sagt System sei genauerals AOA- oder TDOA-Techniken

Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren

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M u ltip a th m u s te rM u ltip a th F in g erp rin t

S ig n a lab sch w ä ch u n gR ece ived S ig n a l S tren g th

D ow n lin kverfah renE n h aced O b served T im e D iffe ren ce

E -O TD


TD O A

L au fze itm essu n g

D is tan zb es tim m u n g M essu n g d es A n ku n ftsw in ke lsA n g e l o f A rriva l

B es tim m u n g H erku n ftsze lleC e ll o f O rig in

G S M Pos itionsbes tim m ung


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COO (Cell of Origin):

• keine Modifikationen nötig

Vorteile:

• alles bereits vorhanden

• keine Investitionen nötig

Nachteile:

• sehr schlechte Genauigkeit

• langsam in der

Positionsberechnung

• Messung nur während

Gespräch möglich

• eventl. Spracheinbußen


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AOA (Angle of Arrival):

• Spezieller Antennentyp erforderlich

Vorteile:

• Standardunabhängig

• keine Synchronisation notwendig

Nachteile:

• Anttenarray oder Smart

Antenne erforderlich


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RSS (Received Signal Strength):

• An Basisstation Modifikationen nötig

Vorteile:

• Unempfindlichkeit gegenüber Multipath-Effekten

Nachteile:

• sehr schlechte Genauigkeit

• Messungen aufwendig


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TDOA sowie E-OTD (Time Difference of Arrival sowie Enhanced Observes Time Differences):

• An Basisstation und an Handy Modifikationen nötig

Vorteile:

• genaueste Methode

• keine Beeinträchtigung der Sprachqualität

• Messung immer möglich, wenn Handy eingeschaltet

Nachteile:

• braucht mind. 3 Antennen

• sehr genaue Zeitreferenz notwendig

• Empfindlich auf Multipath

• periodische Kalibrierung des Systems nötig


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Multipath Fingerprint:

• Datenbankabfrage nötig

Vorteile:

• genaueste Methode nach Herstellerangaben

Nachteile:

• aufwendiges Template-Matching-Verfahren

• setzt stationäres Verhalten der Multipath-Muster voraus

• erfordert Datenbank


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System Technologie Genauigkeit

Cellocate TDOA 250 m

CellTrax TDOA < 200 m

Cursor E-OTD 98 mmit UMTS < 20 m

Geometrix TDOA & AOA 125 m (US Norm)

Mobile Positioning System TDOA 300 – 1000 m

RadioCamera Fingerprint < 125 m (US Norm)

RoadTrack TDOA 1000 m

Sigma-5000 TDOA & AOA 100 m

TeleSentinel AOA < 125 m (US Norm)

TruePosition TDOA < 125 m (US Norm)

GPS & Mobilfunk GPS & Mobilfunk

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2 Möglichkeiten Mobilfunk & GPS einzusetzen:

• Reine Mobilfunk Navigation

• Mobilfunk Navigation mit GPS Unterstützung

Genauigkeiten von GPS werden nicht erreicht, jedoch ist in manchen Gebieten keine GPS Nutzung möglich, z.B.

• Waldgebieten

• Bei hoher Bebauung

• Innerhalb von Gebäuden

http://www.faultlinesinc.com/sigma-1/livedemo_flash.htm

GPS & Mobilfunk GPS & Mobilfunk

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