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

Aktuelle Technologien zur Positionsbestimmung in Gebäuden Inhalt Anwendungen & Anforderungen Überblick Technologien Mobilfunkortung Inertialmesstechnik Hoch Sensitives GNSS …. Zusammenfassung A & A der Positionsaufgaben, über Geodäsie hinausgehend

Anwendungen & Anforderungen Entwickler: Welche möglichen Anwendungen hat mein System? Anwender: Welche Technologie eignet sich für meine Anwendung? the users: find the best fitting indoor positioning technique for my application… I get many calls from different institutions, e.g. exhibition halls, museums, …. asking what is my solution to the problem?

Anwendungen & Anforderungen Ortsbezogene Dienste: Massenmarkt LBS Einkaufszentren, Zur Zeit Indoor-Positioning (interdisziplinäres Fach) nicht im Aufgabenbereich. Was ist Innenraumpositionierung? Verfahren? Eingeladen zur Konferenz wer identifiziert sich damit selbst? – 212 Einreichungen ausgewertet, in Techniken eingeteilt… Der Grundgedanke von Geosensornetzen ist, dass eine Menge von Sensoren, von denen jeder kommunikationsfähig ist, durch ihr kooperatives Zusammenspiel es erlauben, bestimmte geographische Bereiche hinsichtlich der mit den Sensoren erfassten Parameter bzw. daraus abgeleiteter Informationen bewerten zu können und diese Informationen als Dienstleistung gegebenenfalls weiteren Nutzern für ihre Zwecke zur Verfügung zu stellen

Anforderungen Genauigkeit Integrität Kosten Infrastruktur Marktreife Ausgabegrößen Datensicherheit Aktualisierungsrate Schnittstelle Genehmigung Aufdringlichkeit Anzahl Benutzer Skalierbarkeit Verfügbarkeit Robustheit Abdeckung Technologie, Messgrösse, Messprinzip, Positionsalgorithmus, Signal, Wellenlänge, System Architektur, Anwendung, Koordinaten-Referenz, Hypridisierung

Technologien zur Positionierung Überblick Geod. Verfahren nur ein Punkt. Optische Systeme im Beispiel 2. Viele Verfahren TOF Mautz, R. (2012) “Indoor Positioning Technologies”, Habilitationsschrift, ETH Zürich

Mobilfunkortung

Mobilfunkortung Messprinzip Cell ID, AoA, TDoA, RSSI Genauigkeit 20 m – 1000 m Abdeckung > km - skalierbar Benötigte Infrastruktur Basisstationen Anwendung Navigation, LBS Stärken Standardgeräte, Abdeckung Schwächen geringe Genauigkeit Basisstation 6 km Mobiltelefon Gustafsson and Gunnarsson (2005)

Inertiale Messsysteme

Inertiale Messsysteme Messprinzip Koppelnavigation Genauigkeit 0.1 % - 10 % der Distanz Abdeckung Gebäude Benötigte Infrastruktur keine – anfängliche Position & Updates Anwendung Fußgängernavigation Stärken keine Installationen Schwächen Drift, Positionsupdates Panahandeh et al. (2010) Skog et al. (2010)

Hochsensitives / Assistiertes GNSS

Hochsensitives / Assistiertes GNSS Material [dB] Faktor [-] Glass 1 - 4 0.8 – 0.4 Farbiges Glass 10 0.1 Holz 2 - 9 0.6 – 0.1 Dachziegel / Ziegelsteinwände 5 - 31 0.3 – 0.001 Betonwand 12 - 43 0.06 – 0.005 Stahlbetonwand 29 - 33 0.001 – 0.0005 Stone (1997) Signalstärken in Dezibel Watt von GNSS Satelliten Ort [dBW] Satellit +14 Signalstärke vom Satellit Outdoor -155 Dekodierung für nicht-assistierte Empfänger Indoor -176 Dekodierung für hochsensitive Empfänger Untergrund -191 Dekodierung für assistierte, ultrasensitive Empfänger

Hoch Sensitives / Assistiertes GNSS 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)

Radiowellen

Radiowellen Fingerprinting, Lateration, TDoA, AoA Messprinzip Genauigkeit 2 m – 20 m Abdeckung 1000 m2 - skalierbar Benötigte Infrastruktur Lokale Transmitter Anwendung Mobilgeräte, LBS Stärken Verwendung Standardgeräte Schwächen Geringe Zuverlässigkeit, Systemkalibrierung Laitinen (2004) changing of Environment USC Robotics Research Lab

Radio Frequency IDentification (RFID)

Radio Frequency IDentification (RFID) 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 - Aktives RFID Tag und Reader, Seco and al. (2010) Passives RFID Tag, Bates (2007)

Ultrabreitband (UWB)

Ultrabreitband (UWB) Lateration: ToA, TWR, TDoA, Signal Reflektion 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 1.6 1.9 2.4 WLAN 802.11b/g, Bluetooth 5 WLAN 802.11a UWB Frequency (GHz) Signal- stärke 10.6 3.1 GPS GSM PCS ECC 6 8.5 FCC - 41 dBm/MHz Frequenzspektrum application: sensor networks, smart audio systems strengths: penetration of building material, ranging under NLOS, no tags for passive UWB drawback: occupation of large frequency bandwidth Passive Lokalisierung

Bodensensoren

Bodensensoren Kapazitiv, Druck Messprinzip 10 cm – 30 cm Genauigkeit 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 measurement space with a capacitance model of the environment. A part of the floor electrodes are shown with the receiving wire electrode inside the stud of the wooden frame. The picture is not drawn to scale

Pseudoliten There is a large diversity in positioning techniques (more dimensions such as sampling rates, costs, complexity, combination. On the right side inertial sensors with accelerometer and drift, pseudolite systems, ultrawideband, ultrasound. Each of those classes of techniques includes several instruments & sensors. On the very left, For example Industrial Metrology includes several instruments such as

Pseudoliten Code / Trägerphasenmessung Multilateration Messprinzip 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 European Commission, Joint Research Centre (JRC) cycle slip not repairable, local transmitters, Wirelessdictionary.com (2011)

Schallwellen

Schallwellen Lateration, TDoA Messprinzip 1 cm – 5 cm Genauigkeit 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) (Ultrasound ca. 20 kHz – 10 MHz, wavelengths: 1.7 mm – 0.03 mm) Installation an der Decke

Magnetische Systeme

Magnetische Systeme Magnetische Flussdichte Spulen & Permanentmagnete 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) Coils, Permanent Magnets, magnetic fingerprinting, commercial systems NFER (Near Field Electromagnetic. Ranging), Infra Survey (2011)

Kameras

Kameras Kameras, CCD + Optik Messprinzip 0.01 mm – 30 cm Genauigkeit 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) high precision for moderate costs sky-trax.com

Taktile und Kombinierte Polare Systeme

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, 10-5 - 10-6 Schwächen Hohe Kosten, Manuelle Bedienung - Laser Tracker, leica-geosystems.com Measuring Arm, Faro, jalax.ee angular circle reading high precision for high costs, good for reference Totalstation (benchmarkarizona.com, 2011)

viele technologische Ansätze variierende Terminologie Fazit 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 helpful not only for the users, also for developers. Terminology differs due to the interdisciplinarity, e.g. accuracy, precision, RMS, tolerance

Hinweise Habilitationsschrift & IPIN Konferenz Initialized 2010, consulting companies, expert, advisory, categorization, also development