Genauigkeit - Rainer Mautz Homepage

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INTERGEO
22.-24. Pseudoliten
September 2009,
Emerging
Technologies
– Positionierung
Innovative Techniken in der
Innenraumpositionierung
p
g
Rainer Mautz
ETH Zürich
Institut für Geodäsie und Photogrammetrie
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand
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I h lt
Inhalt
Übersicht Positionierungssysteme
g y
GNSS in Gebäuden
Innovative Systeme:
- Pseudoliten
- iGPS
- Ultraschall
- Optische Systeme
Zusammenfassung & Ausblick
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand
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Klassifizierung
f
von Positionierungssystemen
¾ Messprinzip (Trilateration,
(Trilateration Triangulation
Triangulation, Signalstärke)
¾Trägerwelle (Radiofrequenz, Lichtwelle, Ultraschall, Terahertz)
¾ Anwendung (Industrie, Messtechnik, Navigation)
¾ Marktreife (Entwurf, Entwicklung, Testphase, Produktion)
¾ Kosten
¾ Benötigte Infrastruktur
¾ Reichweite
¾ Genauigkeit
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G
Geodätisches
ä
GNSS:
G SS
Messprinzip:
Trägerphasenmessung, differentiell, Trilateration
Aussenraum:
global verfügbar (ausser Schluchten…etc)
volle Marktreife
mm – cm Genauigkeit (statisch)
Innenraum:
nicht verfügbar
Abschattung
Abschwächung
Reflektion
Beugung
Streuung
Ionosphärenmodell
Troposphärenmodell
?
Mehrwegausbreitung (Multipath)
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Signalabschwächung GNSS (L1 = 1575 MHz)
Material
Δ [dBW]
Faktor
Gl
Glass
1-4
0 8 – 0.4
0.8
04
Holz
2-9
0.6 – 0.1
Dachziegel Backstein
Dachziegel,
5 - 31
0 3 – 0.001
0.3
0 001
Beton
12 - 43
0.06 – 0.00005
Stahlbeton
29 - 43
0.001 – 0.00005
Stone (1997)
Signalstärke in Dezibel Watt von GNSS Satelliten
Umgebung
Satellit (27 Watt)
[dBW]
+14 Signalstärke am Satellit
Aussenraum
-160
160 Grenze für konventionelle Empfänger
Innenraum
-180 Grenze für hoch-sensitive Empfänger
Untertage
g
-190 Grenze für ultra-sensitive Empfänger
p g
100 mal schwächer
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1000 mal schwächer
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Hochsensitive GNSS Empfänger
Anwendung:
g Überwachung,
g Notruf-Positionierung,
g LBS
Marktreife: kommerziell erhältlich
SiRFStar III ((> 200.000 Korrelatoren)
Global Locate A-GPS Chip (Assisted-GPS)
Stärken:
keine zusätzliche Infrastruktur in Gebäuden
Lösung für Umgebung von Abschattungen, PKW, Indoorbereich
Schwächen:
Lange Akquisitionszeit
TTFF: 60 s (mit Assistenz 12 s)
Hohe Rechenanforderung
Genauigkeit: 14 m (Evaluierung Thales)
6 m (Laubwald)
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Wie könnte das Problem behoben
werden?
¾ Phasenlösung Æ cm
¾ Höhere Signalstärke am Satellit
¾ Parallelisierung
P ll li i
R
Rechenprozess
h
¾ Ultra Wideband GNSS Signale
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Alternative Positionierungssysteme - Pseudoliten
Terrestrische Pseudo-Satelliten Empfänger:
Corporation mit UNSW in A
Australien,
stralien Canberra
Navindoor (Finnland)
Terralite XPS
Unterstützung
von GNSS in
„schwieriger“
Umgebung
g
g
Picture from Jonas BERTSCH: On-the-fly Ambiguity Resolution for the Locata Positioning System,
Master Thesis, ETH Zurich, February 2009.
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P
Pseudoliten:
d lit
L
Locata
t
Anwendung: Tagebau, Maschinenführung, Monitoring, Indoor-Positionierung
2.4 GHz ISM Band, 1 Hz Messfrequenz, Marktreife: in Entwicklung
Stärken:
Statisch: 2 mm, RTK: 1 – 2 cm bei 2.4 m/s
Signalstärke grösser als bei GNSS
GNSS unabhängig: (Indoor dm)
Probleme:
Mehrwegausbreitung
Frequenz-Freigabe
Synchronisation < 30 ps
Lösung Mehrdeutigkeiten
VDOP
Picture from J. Barnes, C. Rizos, M. Kanli, A. Pahwa „A Positioning Technology for Classically
Difficult GNSS Environments from Locata“, IEEE Conference, San Diego California, 26 April 2006
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iGPS (Metris)
Funktionsprinzip:
¾ Transmitter senden rotierende Laserebenen
¾ Zeitreferenz: Infrarotsignal
g
¾ TDOA Æ Winkel
¾ Rückwertsschnitt
Quelle: Metris
Anwendung: Luftfahrt, Industrievermessung, Robotersteuerung
Arbeitsbereich: 2 – 50 m
Genauigkeit: 0.1 mm
Marktreife: Testphase
Quelle: Metris
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iGPS
iGPS Transmitter und Sensor während eines Tests im Tunnel
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iGPS
Stärken:
Hohe 3D Genauigkeit (0.1 mm)
Echtzeit, Messrate 40 Hz
Probleme:
Multipath
Einfluss störender Lichtquellen
Aufwand bei Installation
K t
Kosten
Szenario beim Einsatz im Tunnel.
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Masterarbeit, ETH Zürich DAVID ULRICH (2008):
Innovative Positionierungssysteme im Untertagebau
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Ultraschallsysteme – Crickets (Active Bat
Bat, Dolphin)
Funktionsprinzip:
¾ TOA, TDOA (Ultraschall & RF)
¾ Multilateration
Anwendung:
Arbeitsbereich:
Genauigkeit:
Marktreife:
Kosten:
Indoornavigation, Computerspiele
bis 10 m
1 - 2 cm
kommerziell erhältlich
niedrig
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Ultraschallsysteme – Crickets
Projekt: Roboter Positionierung
Ceiling
Probleme:
¾ Temperaturabhängigkeit
¾ Reichweite (< 6 m)
¾ Installation der Referenz-Sender
Referenz Sender
¾ Multipath
¾ Verlässlichkeit
¾ Interferenzen mit Geräuschquellen
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Beacon
Listener
Floor
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O ti h S
Optische
Systeme:
t
Sky-Trax
Sk T
System
S t
Prinzip: Positionscodes an Decken installiert, mobile Kamera erkennt Codes
Anwendung:
Arbeitsbereich:
Genauigkeit:
Marktreife:
Lagerhallen, Navigation, Logistik
Hallen, Raumweite
2 - 30 cm („inch
(„inch“ bis „foot
„foot“))
kommerziell erhältlich
Nachteil:
Abhängigkeit von
Installation,
geringe Flexibilität
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Picture from: http://www.sky-trax.com/
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O ti h S
Optische
Systeme:
t
ProCam
P C
System
S t
(AICON)
Prinzip: Mobiler Messtaster mit infrarot CCD Kamera, Blick auf Messpunktfeld
Anwendung:
Arbeitsbereich:
Genauigkeit:
Marktreife:
Nachteile:
Crashvermessung, Industrievermessung
raumweit
0.1 mm + 0.1 mm/m
kommerziell erhältlich
Abhängigkeit von aktivem Messpunktfeld, Kabel
Kosten
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Pictures from: http://www.aicon.de
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O ti h Systeme:
Optische
S t
CLIPS (Camera & Laser Innenraum PositionierungsSystem)
Funktionsprinzip: Ortsfeste Laserstrahlen, relative Orientierung einer Kamera
Anwendung:
Arbeitsbereich:
Genauigkeit:
Reichweite:
Datenrate:
Marktreife:
Kosten:
Industrievermessung
raumweit
1 mm
15 m
30 Hz
g
Entwicklung
gering
“Laserigel”
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CLIPS
P3
Messprinzip:
P2
P5
P1
P4
Laserigel
(fest)
Basisvektor
Kamera
(mobil)
Taster
(optional)
Objekt
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CLIPS
Probleme bei der Erkenndung der Laserpunkte
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Fazit
A
Aussenraum:
GNSS d
dominant
i
t
Innenraum:
keine generelle Lösung, Systemwahl je nach Anforderung
Benutzer muss hinnehmen:
Æ geringe Genauigkeit
Æ geringe Zuverlässigkeit
Æ aufwendige lokale Installationen
Æ geringe Reichweite
Æ unangemessene Kosten
Ausblick
Æ Signale durchdringen Wände (ultra-sensitives GNSS)
Æ Optische und hybride Verfahren
Æ Für sub
sub-dm
dm Genauigkeit bleiben Installationen lokale unvermeidbar
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