Navigation GPS & Mobilfunk

Präsentation zum Thema: "Navigation GPS & Mobilfunk"—  Präsentation transkript:

1 Navigation GPS & Mobilfunk
Inhalt GIS Seminar WS 2001 / 02 Navigation GPS & Mobilfunk 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Thema: Navigation mit den Navigiergeräten GPS & Mobilfunk Inhaltsübersicht: in Punkt 1 Thema konkretisieren ebenso eine Marktübersicht geben eine kurze Einführung über Basistechnologie des Mobilfunks Verweis an Vortrag von Karl Güldenring dann Konkret zu den einzelnen Ortungsverfahren Vergleich der Systeme und Brücke zu GPS Von Lucas Schult unter Betreuung von Dipl.- Ing. H.-J. Fuhlbrügge am

2 GIS Seminar WS 2001 / 02 „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Sensornavigation (Thomas Telega) GPS und Inertialsysteme (Peter Heinrich) GPS und Mobilfunk (Lucas Schult) Routenplanung (Christian Nitsche) 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Einbettung des Themenbreichs in den Bereich GIS im ersten Vortrag jetzt Erklärung der reinen Technik, so daß GIS Nutzung möglich wird „GPS und Mobilfunk“

3 Konkretisierung GPS und Mobilfunk „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
„Und“ oder „oder“ ? 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Themenvorschlag. GPS UND Mobilfunk Frage: UND oder ODER Zwei autarke Ortungssysteme daher auch getrennt zu beurteilen Man muß eigentlch sagen: GPS oder Mobilfunk „GPS und Mobilfunk“

4 Konkretisierung GPS und Mobilfunk „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Positionsbestimmung durch GSM - Positionierungsverfahren Beschränke mich hier auf Mobilfunkortung GPS Technologie bereits hinlänglich aus anderen Vorlesungen bekannt Positionierungsverfahren durch GSM Ortung GSM: Global Standard for Mobile Communications GSM - Global Standard for Mobile Communications „GPS und Mobilfunk“

5 Informationsangebote
Inhalt Angebot 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Informationsangebote Meine Kinder sind zu spät, wo bleiben sie nur… Persönliche Sicherheit Wie lange werde ich wohl brauchen nach... Verkehrsinformationen In welchem Rahmen können solche Systeme eingesetzt werden Was wird dem Benutzer an Möglichkeiten geboten ? Informationsangebote, die auch kommerziell und unkommerziell sein können Beispiele „GPS und Mobilfunk“

6 Angebot Hilfe im Notfall „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Hilfe im Notfall Ich hatte einen Autounfall und brauche Hilfe… 112 Notrufortung Ich möchte im Lawinengefährdeten Gebiet skifahren… Ortung von Verschütteten Hilfe bei Notfällen vollkommen unkommerziell Gesetzte der Vereinigten Staaten (FCC E 911) Hier muß Ortung auf 125 m bei Notruf erfolgen In Europa in Vorbereitung (ETSI) Beispiele „GPS und Mobilfunk“

7 Angebot M-Commerce Services „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Wo ist das nächste italienische Restaurant… M-commerce / Restaurant Führer Ich möchte Karten für „Herr der Ringe“ bestellen… Kinokartenbestellung 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick vollkommen kommerzielles Angebot Wachstumsbranche M-Commerce: M wie Mobile Vergleichbar zu E-Commerce Beispiele „GPS und Mobilfunk“

8 Signalausbreitung „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Drahtlose Signale breiten sich im Vakuum gleichmäßig in alle Richtung des Raums aus. Die Signalstärke nimmt quadratisch zur Entfernung ab. 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Drei Bereiche der Signalstärke: Interferenzbereich Erkennungsbereich Übertragungsbereich Nach dem Überblick über die Angebote nun die graue Technik Signalstärke nimmt mit der Entfernung quadratisch ab Übertragungsbereich: Signale werden korrekt übertragen Erkennungsbereich: Empfänger erkennt noch Quelle der Signale, Signale werden nicht mehr korrekt interpretiert Intererenzbereich: Empfänger kann Signale gar nicht mehr zuordnen, Signal aber noch in der Lage, andere Signale durch Interferenzen zu stören „GPS und Mobilfunk“

9 Signalausbreitung „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Abschattung: Große Objekte (Gebäude, Bäume) dämpfen Signal, dass hinter ihnen kein Empfang möglich ist. Je höher die Frequenz, desto stärker die Dämpfung. 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick 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. Selbsterklärend Beugung: Signale werden an Kanten von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt (Empfänger hinter Bergen erreichbar). „GPS und Mobilfunk“

10 Störungen „GPS und Mobilfunk“ Inhalt Besonders problematisch sind:
Mehrwegeffekte (bekannt von GPS) In Verbindung damit: Delay Spread Destruktive Interferenzen In Verbindung damit: Fast Fading Doppler Effekt 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick gleiche Probleme wie bei GPS Mehrwegeffekte bei Laufzeitmessungen besonders problematisch Delay Spread: Gleiche Signale des Senders kommen Zeitversetzt beim Empfänger an, Zeitdispersion Destruktive Interferenz: Überlagerung von Wellen, die um 180° Phasenverschoben sind Fast Fading: schnelle Signalstärkeänderung, z.B. beim Autoradion beim langsamen vorwärts rollen Doppler Effekt: Frequenz Änderungen: kein Mobilfunk in schnell fahrenden Zügen „GPS und Mobilfunk“

11 Frequenzspektrum „GPS und Mobilfunk“ Inhalt 1.Einleitung
2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Informationsübertragung nur bei hohen Frequenzen möglich wie z.B. Fernsehübertragungen bei MHz. „GPS und Mobilfunk“

12 Frequenzspektrum „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
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 THz) 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Analoge C-Netz früher noch 450 MHz Jetzt zwei Standards, GSM 900, GSM1800 „GPS und Mobilfunk“

13 Zellen- und Zellstrukturen
Inhalt Zellen- und Zellstrukturen Pico- Zelle: 1 m m Mikro- Zelle: 100 m - 2 km Makro- Zelle: 2 km - 40 km Mega- Zelle: 40 km km Giga- Zelle: 200 km km 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Vorstadt- bereich Stadt- nochmals Verweis auf Vortrag von Karl Güldenring kurz erwähnen, da später nochmal verwendet größe der Zellen bei einem späteren Verfahren wichtig „GPS und Mobilfunk“

14 GSM-Positionierung „GPS und Mobilfunk“ Inhalt 1.Einleitung
2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Von der Art her sind grundsätzlich 4 Verfahren zu unterscheiden Für die Laufzeitmessungen sind nocheinmal 4 Verfahren zu unterscheiden nicht alle finden in der Praxis Anwendung, dazu später beim vergleich der Verfahren „GPS und Mobilfunk“

15 Cell of origin (COO) „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
1. Zuordnung zur nächstgelegenen Antenne 2. Nutzung des TA Effekts 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick 3. Sektorbestimmung Positionsbestimmung Zuordnung der Antenne über Frequenz (Zellanordnung) TA - Timeing Advanceed Effekt Zeitfenster, in dem Kennung vom Mobiltelefon Basis erreicht nur wenige Millisekunden groß Informationen müssen etwas früher vom Handy gesendet werden Auflösung der Zeit bei verwendetem 6 Bit Sytem auf 3,7 µs Macht Laufzeit von ca. 1 km „GPS und Mobilfunk“

16 Angle of Arrival (AOA) „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Sog. Smart-Antenne wird benutzt Antenne erkennt Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen beim Empfänger 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Ermittlung von zwei Standlinien Geradenschnitt Aufteilung der Antenne in ein Antennenarray Segment Antennen werden verwendet Zwischen zwei Segmenten kann Laufzeitdifferenz gemessen werden Daher erhält man relativ zur Antenne das Antennensegment, in dem sich Empfänger befindet Standlinie erzeugt Bei zweitem Sender gleiches Verfahren Zwei Standlinien werden zum Schnitt gebracht Standpunktkoordinaten müssen bekannt sein Antennensignale müssen synchronisiert sein „GPS und Mobilfunk“

17 Angle of Arrival (AOA) „GPS und Mobilfunk“ Inhalt Probleme:
Verzerrung der Wellenfront durch Multipath-Effekte Lange Integrationszeit notwendig: Ortungsdauer etwa 10 s 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Aufteilung der Antenne in ein Antennenarray Bei Multipath Effekten können die Laufzeitdifferenzen nicht korrekt erfasst werden Lange Integrationszeiten notwendig Messdauer ca. 10 s „GPS und Mobilfunk“

18 Hyperbelschnittverfahren
Inhalt Hyperbelschnittverfahren Es gilt: Sämtliche Punkte, deren Distanzdifferenz zu zwei anderen Punkten konstant ist, liegen auf einer Hyperbel. Bei drei Antennen ergeben sich zwei Hyperbeln, deren Schnittpunkt die gesuchte Position ergibt. 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Bleibt die Frage: Wie wird die Distanz- bestimmung realisiert ? vom Prinzip einfach Technische Realisierung der Streckenmessung zu klären „GPS und Mobilfunk“

19 Received Signal Strength
Inhalt Received Signal Strength Distanzmessung durch Messung der Signalstärke 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Zur Erinnerung: Die Signalstärke nimmt quadratisch mit wachsender Entfernung ab. Hier kurz aufgeführt, nur der Vollständigkeit wegen, die Signalstärke hier aufgelöst nach Entfernung Man siegt Wurzelterm: Zur Erinnerung: Signalstärke nimmt quadratisch zur Entfernung ab über Signalstärke wird Entfernung nach obiger Formel angenommen Verschiedene Störeffekte, oben angesprochen, verschlechtern die Genauigkeit „GPS und Mobilfunk“

20 Signallaufzeitmessung
Inhalt Signallaufzeitmessung 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Vorraussetzungen: Koordinaten der Basisstationen müssen bekannt sein die ausgesendeten Signale müssen synchronisiert sein „GPS und Mobilfunk“

21 Signallaufzeitmessung
Inhalt Signallaufzeitmessung 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Vorraussetzungen: Mit sog. Bursts erfolgt Distanzmessung (analog zur Codemessung bei GPS). Burst Aussendung sowohl von Basis als auch von Handy Bursts sind Signale, die ausgesendet werden, wie der Code bei der GPS Messung Der Zeitpunkt der Ausstrahlung dieses Burst von Basis bzw. Handy ist durch Synchronisation bekannt In der Differenz der Ankunft werden Streckenlängen bestimmt. Jetzt wird Prinzip des Hyperbelschnitts angewendet „GPS und Mobilfunk“

22 Downlinkverfahren „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Wird auch als „Enhanced Observed Time Difference“ - E-OTD bezeichnet 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Mobiltelefon berechnet den Standort Burst wird von Basis ausgesendet Sowohl während Gesprächen als auch im „Stand by modus“ muß Ortung möglich sein Hier wird Burst von der Basisstation ausgesendet Prinzip des Vorwärtsschnittes Vorraussetzung: Leistungsstarke Software im Mobiltelefon „GPS und Mobilfunk“

23 Uplinkverfahren „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
Wird auch als „Time Difference of Arrival“ - TDOA bezeichnet 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Funkbasen berechnet den Standort Burst wird von Mobiltelefon ausgesendet Ortung wird per SMS an Handy übermittelt Burst wird von Mobiltelefon ausgesendet Basis errechnet Standort Prinzip des Rückwärtsschnittes „GPS und Mobilfunk“

24 Fingerprintverfahren
Inhalt Fingerprintverfahren Multipath-Muster jedes Ort ist gespeichert. Abgleich über Mustererken- nung Muster muß gleich bleiben 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Vor allen in dicht Bebauten Gebieten sinnvoll anzuwenden Störende Mehrwegeffekte werden ausgenutzt Interferenzmuster eines Standortes kann vom Empfänger eindeutig bestimmt werden über Mustererkennung ein Abgleich eine große Datenbank erforderlich „GPS und Mobilfunk“

25 Fingerprintverfahren
Inhalt Fingerprintverfahren Besonders für dicht bebautes Gebiet geeignet Nur eine Antenne notwendig Hersteller sagt System sei genauer als AOA- oder TDOA-Techniken 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Hersteller ist die Firma „Radio Camera“ „GPS und Mobilfunk“

26 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick „GPS und Mobilfunk“

27 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren COO (Cell of Origin): keine Modifikationen nötig 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Nachteile: sehr schlechte Genauigkeit langsam in der Positionsberechnung Messung nur während Gespräch möglich eventl. Spracheinbußen Vorteile: alles bereits vorhanden keine Investitionen nötig „GPS und Mobilfunk“

28 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren AOA (Angle of Arrival): Spezieller Antennentyp erforderlich 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Nachteile: Anttenarray oder Smart Antenne erforderlich Vorteile: Standardunabhängig keine Synchronisation notwendig „GPS und Mobilfunk“

29 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren RSS (Received Signal Strength): An Basisstation Modifikationen nötig 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Nachteile: sehr schlechte Genauigkeit Messungen aufwendig Vorteile: Unempfindlichkeit gegenüber Multipath-Effekten „GPS und Mobilfunk“

30 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren TDOA sowie E-OTD (Time Difference of Arrival sowie Enhanced Observes Time Differences): An Basisstation und an Handy Modifikationen nötig 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick 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 „GPS und Mobilfunk“

31 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren Multipath Fingerprint: Datenbankabfrage nötig 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Vorteile: genaueste Methode nach Herstellerangaben Nachteile: aufwendiges Template-Matching-Verfahren setzt stationäres Verhalten der Multipath-Muster voraus erfordert Datenbank „GPS und Mobilfunk“

32 Vergleich der Verfahren
Inhalt Vergleich der Verfahren 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Hervorheben möchte ich drei Hersteller, da mir die Angaben als besonders interessant vorkamen 1. Cursor: mit UTMS wollen sie 4 fache Genauigkeit erzielen 2. Radio Camera: geben Genauigkeit von unter 125 m also besser als die US Norm der FFC Richtlinie an mit dem System des Multipath Fingerprints 3. Sigma-5000 gibt 100 m an. Nachher folgt noch kurzes Video über Vergleich des Sigma-5000 Systems mit GPS „GPS und Mobilfunk“

33 GPS & Mobilfunk „GPS und Mobilfunk“ Inhalt
2 Möglichkeiten Mobilfunk & GPS einzusetzen: Reine Mobilfunk Navigation Mobilfunk Navigation mit GPS Unterstützung 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick Genauigkeiten von GPS werden nicht erreicht, jedoch ist in manchen Gebieten keine GPS Nutzung möglich, z.B. Waldgebieten Bei hoher Bebauung Innerhalb von Gebäuden eventuell Probleme mit DGPS ansprechen Film zeigen, über Vor- und Nachteile des ein oder anderen systems bitte ich selbst zu urteilen „GPS und Mobilfunk“

34 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Inhalt GPS & Mobilfunk 1.Einleitung 2. Basis- technologie 3. GSM Positionierung 4. Zusammen- fassung & Ausblick eventuell Probleme mit DGPS ansprechen Film zeigen, über Vor- und Nachteile des ein oder anderen systems bitte ich selbst zu urteilen Vielen Dank für die Aufmerksamkeit „GPS und Mobilfunk“