Fahrzeugnavigationssysteme GIS-Seminar WS 2000/01 Ein Vortrag von Frank Weydert

Einleitung Ortungsverfahren: Navigationssysteme: Per (D)-GPS Per GSM Einsatzbereiche von GPS-Systemen KFZ-Navigationssysteme Verkehrstelematik

Ortungsverfahren (D)GPS Seit dem 1. Mai haben die Vereinigten Staaten die gewollte Abweichung SA (=Selective Availability) des von der Öffentlichkeit genutzten GPS-Signals aufgegeben. Damit kann der zivile Nutzer künftig anhand des präzisierten Signals eine bis zu zehnmal genauere Positionierung vornehmen. Das System ist eigentlich ganz einfach zu erklären: In etwa 20.000 Kilometer Höhe kreisen auf sechs Erdumlaufbahnen insgesamt 24 Satelliten - davon (für alle Fälle) drei (aktive) Reservesatelliten - unentwegt um die Erde. Jeder Satellit benötigt für einen Erdumlauf rund zwölf Stunden. Während dieser Zeit gibt jeder Satellit, der immer nur ein bestimmtes Gebiet auf der Erdoberfläche 'abtastet', ständig Funksignale an die mit speziellen Empfangsgeräten ausgestatteten Boden- oder Kontrollstationen weiter. Fünf über der Erde verteilte Kontrollstationen errechnen dann die jeweilige Entfernung zum Satelliten und übermitteln diese Daten an die Hauptstation in Colorado Springs (USA). Dort werden die Bahn- und Zeitdaten in sogenannten Ephemeriden errechnet, Korrekturdaten ermittelt und anschließend über die Kontrollstationen in einem Almanach wieder an die Satelliten übertragen. Die Umlaufbahnen der Satelliten sind mit Absicht mit einem Neigungswinkel von 55 Grad zum Äquator hin ausgewählt worden, damit weltweit zu jeder Zeit mindestens vier Satelliten empfangen werden können. Dabei senden die Satelliten auf den Trägerfrequenzen f1 (1575,42MHz) und f2 (1227,60MHz); f1 trägt den sogenannten 'C/A-Code (Clear Acquisition = freier Zugang)' und ist für die zivile Nutzung zugelassen. Er bietet eine Meßgenauigkeit von 35 bis 100Meter. Der 'P-Code (Protected Code = geschützter Zugang)' auf der Frequenz f2 ist dem militärischen Einsatz vorbehalten und hat eine Genauigkeit von 20 bis 30Meter. Doch für eine möglichst genaue Positionsermittlung muß jeder der 24 Satelliten mindestens einmal am Tag von vier Kontrollstationen aus gleichzeitig auch 'gesehen' werden. Besteht nämlich 'Sichtkontakt' zu einem Satelliten, kann man durch den Vergleich von Empfänger- und Satellitenzeit (Die Satelliten sind mit Atomuhren ausgestattet, die allerdings nach der GPS-Zeit laufen und sich damit um etwa 10 Sekunden von der Weltzeit UTC/Universal Time Coordinated, in welche Schaltsekunden eingefügt worden sind, unterscheiden) die Signallaufzeit messen. Die Entfernung kann somit aus der Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit von 300.000km/s ermittelt werden. Der DGPS-Empfänger empfängt in Verbindung mit einer DGPS-Antenne Korrektursignale im RDS-Format über einen Langwellensender. Dieses Korrektursignal für GPS-Daten ist im gesamten Bundesgebiet zu empfangen. Mit Hilfe der LED´s im Gehäuse wird angezeigt, in welcher Genauigkeitsklasse die empfangenen DGPS-Korrekturdaten liegen. Die Genauigkeitsklassen sind eingeteilt in genauer 5m, schlechter 5m und in keine Gewährleistung der Genauigkeit.

Ortungsprinzip GSM Die Ordnung ist wie gefolgt aufgeteilt: Grobortung Standardortung Feinortung Logische Ortung

Kreissegmentfläche um Basisstation Ortungsverfahren GSM Ausgangsdaten Ortungsergebnis Genauigkeit Landeserkennung Land D: 400 km Regionserkennung Region 10 km Basisstation Kreissegmentfläche um Basisstation 5-7 km Das Ortungsverfahren ist die Grundlage für die automatische Erfassung von Quelle, Ziel und Route eines Weges, und von daher eine zentrale Funktion des TeleTravel Systems. Für die GSM-Ortung werden grundsätzlich Daten genutzt, die bereits durch Standard-Funktionen des Netzes bzw. der Telefone und SIM-Karten ermittelt werden. Diese Informationen sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt flüchtiger Natur und liegen im Allgemeinen nicht an zentraler Stelle vor. Die GSM-Ortung gewinnt diese flüchtigen Daten am Ort ihrer Entstehung, macht sie permanent und stellt sie an zentraler Stelle einem Auswertealgorithmus zur Verfügung. Dieser generiert die geographische Position aus den Netzinformationen. Je nach Art und Umfang der Auswertung dieser Netzinformationen und der ggf. vorhandenen Kopplung mit Hardware-Verfahren wie der Signallaufzeitmessung können nun unterschiedliche Verfahren herausgestellt werden. Diese unterscheiden sich dann auch in Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ortungsergebnisse.

Ortungsverfahren GSM (2) Server-Zellfläche Ausbreitungsfläche einer Zelle 1-5 km + Nachbar-Zellflächen Präziser Teilbereich der Ausbreitungsfläche 100-500 m + Empfangsfeldstärke Hochpräziser Teilbereich der Ausbreitungsfläche 50-100 m Zusätzliche Infos Position im Straßennetz < 50 m Grobortung: Server-Zellflächen Standardortung: Server- und Nachbar-Zellflächen Feinortung: Server- und Nachbar-Zellflächen + Empfangsfeldstärken Logische Ortung: Zusätzliche Stützinformatione z.B. Verkehrsnetze

Veranschaulichung

Vergleich GPS-GSM-Verfahren

Navigationssysteme mit GPS Einsatzbereiche der Navigationssysteme: Im Militär In der Luft- und Schifffahrt Im Straßenverkehr Weitere Anwendungen Für Fußgänger: GPS-Handempfänger Für Fahrradfahrer ... Zu weitere Anwendungen: GPS-Handempfänger für Fußgänger Blindenorientierung mit Hilfe von Routenplaner, GPS-Empfänger und digitalen Karten, die viele Details enthalten, wie z.B. Bushaltestellen und Eingänge zu öffentlichen Gebäuden

Im Militär Steuerung von „intelligenten“ Raketen, z.B. Slammer Navigation von Panzern, Kampfhubschrauber und Flugzeugen, z.B. Raptor F-22 Standortbestimmung der Streitkräfte GPS, das Global Positioning System, ist das derzeit modernste und leistungsfähigste satellitengestützte Funknavigationssystem auf dem Weltmarkt. Ursprünglich von der US-amerikanischen Luftwaffe unter dem Namen 'Navstar' für die militärische Abwehr entwickelt, wurde GPS im Jahre 1984 auch für die zivile Nutzung freigegeben. Das erste und auch wichtigste Kriterium war die totale Passivität des neuen Systems. Es durfte keine Signale aussenden, die vom Feind geortet werden könnten. Ferner musste das Gerät klein, leicht und einfach zu bedienen sein.

In der Luftfahrt 4-Dimensionale Navigation: Lage- und Höhekoordinaten Start-, Überflug-, und Landezeitpunkte Seit 1995 erlaubt die Deutsche Flugsicherung GPS als ergänzendes Navigationssystem in Deutschland zu benutzen Transportflugzeuge benötigen zusätzliche Instrumenten-Lande- und Navigationssysteme In der Sportfliegerei ist GPS sehr verbreitet

In der Schifffahrt Keine mit der Luftfahrt vergleichbare Normen und Vorschriften Nur 2-dimensionale Navigation In Küstennähe wird Radar verwendet In Übersee andere Navigationssystem (u.a. DGPS) Problem: kein einheitliches digitales Bezugssystem von Störstellen Bestehende Kartenangaben müssen immer in GPS-Koordinaten umgerechnet werden. Seekartenangaben nur bis auf 100 m genau. Anwender: Ölförderungsindustrie zur Vermessung der Plattformen, Firmen die Übersee-Nachrichtenkabel verlegen. Erstes Anwendungsbeispiel in Europa von DGPS in der Ostsee war eine Fährverbindung zwischen schweden und Finnland.

In der Schifffahrt (2) Integriertes Navigationssystem für die Binnen- und Küstenschifffahrt Grundlagen: Das am Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik der Universität Stuttgart entwickelte Navigationssystem ist in der Lage, ein Binnenschiff automatisch zu führen. Gleichzeitig unterstützt es den Schiffsführer bei der Navigation und bei der Interpretation der aktuellen Verkehrssituation. Das Ziel ist die Erhöhung von Sicherheit und Leichtigkeit des Verkehrs auf Wasserstraßen. Kernpunkt des Navigationssystems ist die integrierte Verarbeitung der Informationen der verschiedenen angeschlossenen Sensoren, sowie des verfügbaren a priori Wissens. Als letzteres steht hierbei eine elektronische Karte der Wasserstraße zur Verfügung, die nicht nur der Darstellung dient, sondern deren Informationen vom Programm aus abgefragt und genutzt werden. Damit ist es möglich, einen Vergleich von Karte und Radarbild zu realisieren, der als Ergebnis eine Messung von Position und Vorausrichtung des Schiffes erzeugt. Im Rahmen einer modellgestützten Informationsverarbeitung werden die verschiedenen Informationsquellen kombiniert, um zu einem umfassenden Bild des Bewegungsverhaltens des eigenen Schiffes, sowie des Verkehrsgeschehens in der Umgebung zu gelangen. Aufbau: Die folgende Abbildung zeigt den gerätetechnischen Aufbau des Navigationssytems auf einem Binnenschiff. Das Navigationssystem verwendet die Signale des Bordradars und des Wendezeigers. Teil des Navigationssytems ist daneben ein GPS-Empfänger, dessen Genauigkeit durch GPS-Korrekturdaten verbessert wird. Die Beieinflussung des Ruders geschieht über den Autopiloten. Für den Datenaustausch mit Stellen an Land kann das Navigationssystem mit einem D-Netz-Modem ausgerüstet werden. Der Einsatz des Navigationssystems ist an keine speziellen Radar-, Wendezeiger- und Autopilottypen gebunden. Es wird angestrebt, alle gängigen Geräte anschließen zu können. Demo: http://www.mpi-magdeburg.mpg.de/home/schiff/demo.html

Im Straßenverkehr (D)GPS als KFZ-Navigationssystem Verkehrstelematik Verkehrserfassung Flottenmanagment Notrufsysteme

KFZ-Navigationsystem Navigationssysteme mit GPS: Kombination mit Radio Mobiles Navigationssystem (z.B. CarNavigator 2001 von Navigon) Einsatzgebiet: hauptsächlich private PKW‘s Beispiel: Travel Pilot der Firma Blaupunkt http://www.blaupunkt.de/simulations/rbdef_de.html Reines Navigationssystem Bestimmung der Position per GPS und Einlesen in einer Karte. Ausgabe entweder per Display oder per Sprachausgabe. Carnavigator 2001 Wer schlau ist, benutzt nicht irgendein satellitengesteuertes GPS-Navigationssystem. Sondern eins, das absolut mobil ist. Der CarNavigator 2001 ist mit dem sekundenschnell installierbaren GPS-Empfänger jeweils in dem Fahrzeug einsetzbar, mit dem Sie gerade unterwegs sind. Möglich geworden ist die enorme Flexibilität durch ein technologische Innovation – das Navigationssystem läuft auf Ihrem Notebook. Was neben der absoluten Mobilität noch einen weiteren großen Vorteil hat: den kleinen Preis. Den CarNavigator 2001 bekommen Sie schon für 849 Mark*.

Telematiksysteme Was heißt Telematik: Ziel von der Verkehrstelematik: Zusammenspiel von Telekommunikation, Navigation und Datenverarbeitung Ziel von der Verkehrstelematik: Verkehrserfassung Überwachung von Fahrzeugen und Gütern ® Flottenmanagment Automatische Notrufsysteme Telematik umfasst: Telekommunikation, Navigation und Datenverarbeitung!

Verkehrserfassung Bisherige Verkehrserfassung: Forschungsprojekt TTS: Verhaltensnachweis des Verkehrs durch Zählungen und Umfragen Hoher Kosten- und Zeitaufwand Relativ ungenau, da auf Stichtag bezogen Forschungsprojekt TTS: Ziel: Wie können Ortungs- und Kommunikationskomponenten die Erfassung der Verkehrsabläufe verbessern TTS ww.teletravelsystem.de Telematiksystem zur automatischen Erfassung des Verkehrsverhaltens Das Ziel: - optimierte Erfassung von Mobilität und Verkehr - Differenzierte Analyse des Verkehrsverhaltens - Effektiver Aufbau einer zuverlässigen Informationsgrundlage für eine zielorientierte Verkehrsplanung Die Idee: - Telematikgestützte automatische Aufnahme von Verkehrsdaten - Kontinuierliche und langfristige Erfassung des individuellen Verkehrsverhaltens - Erweiterung und Optimierung bisheriger Erhebungsverfahren Die Technik: - Mobilfunkbasiertes System zur Ortsbestimmung und Datenübertragung - Einsatz marktgängiger Endgeräte ('Handys') mit zusätzlichen Funktionen zur interaktiven Eingabe - Zentrale Datenaufbereitung

Forschungsprojekt TTS Struktur des Systems: Handy mit spezieller SIM-Karte Empfangseinheit Auswertesystem Zentrale Komponente: GSM-basiertes Ortungsverfahren Die automatische Erfassung des Verkehrsverhaltens basiert auf einem Telematiksystem - das TeleTravel System -, das aus unterschiedlichen gerätetechnischen Komponenten aufgebaut ist. Das Gesamtsystem greift dabei auf herkömmliche und weit verbreitete Hardware-Komponenten zurück. Handelsübliche Mobiltelefone und SIM-Karten sowie gewöhnliche EDV-Systeme werden zu einem Gesamtsystem integriert und erhalten durch intelligente Software-Applikationen ihre eigentliche Funktion, nämlich die Erfassung von Daten des aktionsräumlichen Verhaltens. Elektronischer Fragebogen SIM-Applikation Neben den räumlichen Wegedaten, die auf Grundlage des zuvor beschriebenen Ortungsverfahrens automatisch erfasst werden können, wird das aktionsräumliche Verhalten der Verkehrsteilnehmer durch weitere Wegemerkmale beschrieben. Mit Hilfe eines auf einer SIM-Karte implementierten "Elektronischen Fragebogens", werden dies Wegemerkmale, wie beispielsweise Verkehrsmittel, Wegezweck und Umstiegszeitpunkte durch Eingabe über die Handy-Tastatur erhoben. Zur manuellen Eingabe dieser zusätzlichen Informationen stehen dem Benutzer unterschiedliche Menüs zur Verfügung. Im TTS-Hauptmenü gibt der Verkehrsteilnehmer Beginn und Ende eines Weges sowie evtl. Den Umstieg auf ein anderes Verkehrsmittel zum jeweiligen Zeitpunkt online ein. Nach Wahl des Menüpunktes "Wegbeginn" des Hauptmenüs wird im folgenden Untermenü das Verkehrsmittel abgefragt. Analog dazu wird am Ende eines Weges der Zielzweck, d.h. die Aktivität am Zielort über die Auswahl der jeweiligen Tätigkeit im sogenannte "Aktivitäten-Menü" erfasst. Die Anzahl der Menüs und deren Inhalte können je nach Untersuchungsziel variiert werden. So ist z.B. für eine Untersuchung zum Freizeitverkehr eine andere Differenzierung des Wegezwecks möglich, als für eine umfassende Untersuchung des werktäglichen Verkehrsverhaltens. Basierend auf einer festgelegten Grundstruktur der SIM-Applikation können die einzelnen Variablen der Menüs wie die Begriffe der einzelnen Menüpunkte auf der SIM-Karte geändert werden. Ein neuer Fragebogen zieht also keine neue SIM-Karte sondern nur eine Software-Änderung nach sich.

Ergebnis des Projektes TeleTravel System (TTS): Automatische und zeitnahe Erfassung von Daten zum Verkehrsverhalten (ohne GPS) Nachweis der technischen Machbarkeit und der Akzeptanz durch die Nutzer Nutzen: Wissenschaftliche Untersuchungen zum Verkehrsverhalten Verkehrsentwicklungsplanung für Städte Verkehrssteuerung

Flottenmanagment Prinzip: GPS-Positionsdaten per SMS an Zentrale weitergeleitet Zentrale kann Fahrer per SMS mit aktuellen Informationen versorgen Datenübertragung auch per Bündelfunkgerät oder Inmarsat-C möglich

Beispiel eines Systems WinFleet der Firma SkyCom S.à r.l. Telematics Systems: SMS-Mitteilungen zwischen einer Zentrale und der Fahrzeugflotte digitalisierte Landkarten, mit der Position der Fahrzeuge Überwachung und Steuerung von Betriebsanlagen von einer Zentrale aus SkyCom S.à r.l. ist ein international tätiges Software- und Systemhaus mit Sitz in Luxemburg. WinFleet plus eignet sich für Transportunternehmen, Kurierdienste, Busunternehmen, Polizei-und Rettungsdienste. Durch die Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten sind die jeweiligen Nutzen unterschiedlich. Transportunternehmen können durch WinFleet plus ihre Rentabilität und Dienstleistungsqualität erhöhen. WinFleet plus kann z.B. feststellen, welches Fahrzeug am nächsten zu einem bestimmten Ort ist, an dem noch eine Ware aufzunehmen ist. Durch Kenntnis der Fahrzeugposition kann auch der Versender bzw. Empfänger einer Ware besser informiert werden, wo ein Fahrzeug sich befindet und wann die Ware abgeholt wird bzw. eintrifft. Fahraufträge werden am PC eingegeben und als Text zum Fahrzeug übermittelt, wobei im Gegensatz zu Sprachverbindungen Übermittlungsfehler ausgeschlossen sind und Kommunikationskosten gesenkt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Überwachung von gefährlichen Transporten. Im Alarmfall wird im Fahrzeug eine Notruftaste betätigt und eine Alarmmeldung inkl. der Fahrzeugposition wird zur Leitstelle übermittelt. Auf den digitalisierten Landkarten und Stadtplänen von WinFleet plus kann der Standort des Fahrzeuges angezeigt und verfolgt werden und die notwendigen Rettungsmaßnahmen können eingeleitet werden.

WinFleet im Einsatz Einsatzgebiete: Transportunternehmen Kurierdienste Bus- und Taxiunternehmen Polizei-und Rettungsdienste Sicherheitsfirmen Landwirtschaft Zu 1: grosse Speditionsfirmen Zu 3: ÖPNV: Microbussystem als anderes Bespiel Zu 6: Maschinenring zur Überprüfung der Maschineinsätze und Firmen die direkt sehen, wenn die frische Ware eingeliefert wird!

WinFleet - Vorteile Vorteile: Steigerung der Rentabilität und Dienstleistungsqualität Klient kann seine Ware „verfolgen“ Positionierung der Container Entlastung von Verkehr und Umwelt größere Sicherheit für Fahrer (z.B. Taxi) Transportunternehmen können durch WinFleet plus ihre Rentabilität und Dienstleistungsqualität erhöhen. WinFleet plus kann z.B. feststellen, welches Fahrzeug am nächsten zu einem bestimmten Ort ist, an dem noch eine Ware aufzunehmen ist. Durch Kenntnis der Fahrzeugposition kann auch der Versender bzw. Empfänger einer Ware besser informiert werden, wo ein Fahrzeug sich befindet und wann die Ware abgeholt wird bzw. eintrifft. Fahraufträge werden am PC eingegeben und als Text zum Fahrzeug übermittelt, wobei im Gegensatz zu Sprach-verbindungen Übermittlungsfehler ausgeschlossen sind und Kommunikationskosten gesenkt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Überwachung von gefährlichen Transporten. Im Alarmfall wird im Fahrzeug eine Notruftaste betätigt und eine Alarmmeldung inkl. der Fahrzeugposition wird zur Leitstelle übermittelt. Auf den digitalisierten Landkarten und Stadtplänen von WinFleet plus kann der Standort des Fahrzeuges angezeigt und verfolgt werden und die notwendigen Rettungsmaßnahmen können eingeleitet werden.

Statusdarstellung

Positionsanzeige Rasterkarte und Vektorkarte

Notrufsysteme TeleAid von Mercedes-Benz: Automatisches Notrufsystem Ständige Positionsbestimmung per GPS Bei Unfall lösen Crashsensoren Alarm aus ® per Mobilfunk werden die Position und persönliche Daten des Fahrers an Notrufzentrale versandt Falls nötig, wird Rettungsdienst losgeschickt Sprechanlage: Erzählen über Unfall oder Rettungsdienst wird sofort losgeschickt Keine Panik, etc... Bei Meldung der Unfälle

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