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Vortragsblock «Die Erde und wo bin ich?» OGT2012 Dr. Rainer Mautz 9. Mai 2012 Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden.

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1 Vortragsblock «Die Erde und wo bin ich?» OGT2012 Dr. Rainer Mautz 9. Mai 2012 Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden

2 Anwendungen & Anforderungen Überblick Technologien – Mobilfunkortung – Inertialmesstechnik – Hoch Sensitives GNSS – …. Zusammenfassung Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden Inhalt 1

3 Anwendungen & Anforderungen 2 Entwickler: Welche möglichen Anwendungen hat mein System? Anwender: Welche Technologie eignet sich für meine Anwendung?

4 3 Anwendungen & Anforderungen

5 4 Genauigkeit Abdeckung Integrität Kosten Infrastruktur Marktreife Ausgabegrößen Datensicherheit Aktualisierungsrate Schnittstelle Genehmigung Aufdringlichkeit Anzahl Benutzer Skalierbarkeit Verfügbarkeit Robustheit Anforderungen

6 Technologien zur Positionierung Überblick 5 Mautz, R. (2012) Indoor Positioning Technologies, Habilitationsschrift, ETH Zürich

7 Mobilfunkortung 6

8 7 MessprinzipCell ID, AoA, TDoA, RSSI Genauigkeit20 m – 1000 m Abdeckung> km - skalierbar Benötigte Infrastruktur Basisstationen AnwendungNavigation, LBS StärkenStandardgeräte, Abdeckung Schwächengeringe Genauigkeit Gustafsson and Gunnarsson (2005) 6 km Mobiltelefon Basisstation

9 Inertiale Messsysteme 8

10 9 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)

11 Hochsensitives / Assistiertes GNSS 10

12 Hochsensitives / Assistiertes GNSS 11 Material[dB]Faktor [-] Glass – 0.4 Farbiges Glass100.1 Holz – 0.1 Dachziegel / Ziegelsteinwände – Betonwand – Stahlbetonwand – Stone (1997) Signalstärken in Dezibel Watt von GNSS Satelliten Ort[dBW] Satellit+14Signalstärke vom Satellit Outdoor-155Dekodierung für nicht-assistierte Empfänger Indoor-176Dekodierung für hochsensitive Empfänger Untergrund-191Dekodierung für assistierte, ultrasensitive Empfänger

13 Hoch Sensitives / Assistiertes GNSS 12 Messprinzip Lateration, Korrelatoren Genauigkeit 10 m – 70 m Abdeckung global Benötigte Infrastruktur keine Anwendung Übergangslose Positionierung Stärken Globale Position ohne Infrastruktur Schwächen Geringe Genauigkeit & Zuverlässigkeit, Mehrweg- signale, Rechenzeit Niedermeier and al. (2010)

14 Radiowellen 13

15 Radiowellen 14 Messprinzip Fingerprinting, Lateration, TDoA, AoA Genauigkeit 2 m – 20 m Abdeckung 1000 m 2 - skalierbar Benötigte Infrastruktur Lokale Transmitter Anwendung Mobilgeräte, LBS Stärken Verwendung Standardgeräte Schwächen Geringe Zuverlässigkeit, Systemkalibrierung USC Robotics Research Lab Laitinen (2004)

16 Radio Frequency IDentification (RFID) 15

17 Radio Frequency IDentification (RFID) 16 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) -

18 Ultrabreitband (UWB) 17

19 Ultrabreitband (UWB) 18 Messprinzip Lateration: ToA, TWR, TDoA, Signal Reflektion Genauigkeit 5 cm – 1m Abdeckung 10 m – 100 m Benötigte Infrastruktur Synchronisierte Sender & Empfänger Anwendung Tracking, AAL, Automatisierung Stärken Materialdurchdringung, Resistenz Mehrwegsignale Schwächen Reichweite, Rechenzeit Passive Lokalisierung Frequenzspektrum - 41 dBm/MHz WLAN b/g, Bluetooth 5 WLAN a UWB Frequency (GHz) Signal- stärke GPS GSM PCS ECC FCC

20 Bodensensoren 19

21 Bodensensoren 20 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 -

22 Pseudoliten 21

23 Pseudoliten 22 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 Schwächen Synchronisierung, Multipath, Near-Far Problem, Genemigung Wirelessdictionary.com (2011) European Commission, Joint Research Centre (JRC)

24 Schallwellen 23

25 Schallwellen 24 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 Schwächen Temperaturabhängigkeit, Multipath, Dopplerverschiebung Ultraschall basierter Knoten (Cricket System, MIT) - Installation an der Decke

26 Magnetische Systeme 25

27 Magnetische Systeme 26 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)

28 Kameras 27

29 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 P2P2 P1P1 P4P4 P3P3

30 Taktile und Kombinierte Polare Systeme 29

31 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, Schwächen Hohe Kosten, Manuelle Bedienung Laser Tracker, leica- geosystems.com - Measuring Arm, Faro, jalax.ee Totalstation (benchmarkarizona.com, 2011)

32 Fazit 31 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

33 Hinweise Habilitationsschrift & IPIN Konferenz 32


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