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GIS Seminar WS 2001 / 02GIS Seminar WS 2001 / 02
Inhalt1.Einleitung
2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
Von Lucas Schult unter Betreuung von Dipl.- Ing. H.-J. Fuhlbrügge am 21.1.2002Von Lucas Schult unter Betreuung von Dipl.- Ing. H.-J. Fuhlbrügge am 21.1.2002
Navigation
GPS & Mobilfunk
GIS Seminar WS 2001 / 02GIS Seminar WS 2001 / 02
Inhalt1.Einleitung
2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
• Sensornavigation (Thomas Telega)
• GPS und Inertialsysteme (Peter Heinrich)
• GPS und Mobilfunk (Lucas Schult)
• Routenplanung (Christian Nitsche)
Inhalt1.Einleitung
2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
GPS und Mobilfunk
„Und“ oder „oder“ ?
KonkretisierungKonkretisierung
Inhalt1.Einleitung
2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
GPS und Mobilfunk
Positionsbestimmung durch
GSM - Positionierungsverfahren
KonkretisierungKonkretisierung
GSM - Global Standard for Mobile Communications
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Informationsangebote
Meine Kinder sind zu spät, wo bleiben sie nur… Persönliche Sicherheit
Wie lange werde ich wohl brauchen nach... Verkehrsinformationen
AngebotAngebot
Inhalt1.Einleitung
2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
AngebotAngebot
Hilfe im Notfall
Ich hatte einen Autounfall und brauche Hilfe… 112 Notrufortung
Ich möchte im Lawinengefährdeten Gebiet skifahren… Ortung von Verschütteten
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
AngebotAngebot
M-Commerce Services
Wo ist das nächste italienische Restaurant… M-commerce / Restaurant Führer
Ich möchte Karten für „Herr der Ringe“ bestellen… Kinokartenbestellung
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
SignalausbreitungSignalausbreitung
Drahtlose Signale breiten sich im Vakuum gleichmäßig in alle Richtung des Raums aus.
Die Signalstärke nimmt quadratisch zur Entfernung ab.
Drei Bereiche der Signalstärke:
• Übertragungsbereich
• Erkennungsbereich
• Interferenzbereich
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
SignalausbreitungSignalausbreitung Abschattung: Große Objekte (Gebäude, Bäume) dämpfen Signal, dass hinter ihnen kein Empfang möglich ist.Je höher die Frequenz, desto stärker die Dämpfung.
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.
Beugung: Signale werden an Kanten von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt (Empfänger hinter Bergen erreichbar).
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
StörungenStörungen Besonders problematisch sind:
• Mehrwegeffekte (bekannt von GPS)
• In Verbindung damit: Delay Spread
• Destruktive Interferenzen
• In Verbindung damit: Fast Fading
• Doppler Effekt
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
FrequenzspektrumFrequenzspektrum
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
FrequenzspektrumFrequenzspektrum
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 300 - 900 THz)
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Zellen- und Zellstrukturen Zellen- und Zellstrukturen
Pico- Zelle: 1 m - 100 mMikro- Zelle: 100 m - 2 kmMakro- Zelle: 2 km - 40 km
Vorstadt-bereich
Stadt-bereich
Mega- Zelle: 40 km - 200 kmGiga- Zelle: 200 km - 2000 km
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
GSM-Positionierung GSM-Positionierung
M u ltip a th m u s te rM u lt ip a th F in g erp rin t
S ig n a lab sch w ä ch u n gR ece ived S ig n a l S tren g th
D ow n lin kverfah renE n h aced O b served T im e D iffe ren ce
E -O TD
U p lin kverfah renTim e D iffe ren ce o f A rriva l
TD O A
L au fze itm essu n g
D is tan zb es tim m u n g M essu n g d es A n ku n ftsw in ke lsA n g e l o f A rriva l
B es tim m u n g H erku n ftsze lleC e ll o f O rig in
G S M Pos itionsbes tim m ung
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Cell of origin (COO) Cell of origin (COO) 1. Zuordnung zur nächstgelegenen Antenne
2. Nutzung des TA Effekts
3. Sektorbestimmung
Positionsbestimmung
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Angle of Arrival (AOA) Angle of Arrival (AOA)
Aufteilung der Antennein ein Antennenarray
Sog. Smart-Antenne wird benutzt
Antenne erkennt Phasenverschiebung zwischen zwei Signalen beim Empfänger
Ermittlung von zwei StandlinienGeradenschnitt
Angle of Arrival (AOA) Angle of Arrival (AOA)
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3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Aufteilung der Antennein ein Antennenarray
Probleme:
Verzerrung der Wellenfront durch Multipath-Effekte
Lange Integrationszeit notwendig: Ortungsdauer etwa 10 s
Hyperbelschnittverfahren Hyperbelschnittverfahren
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4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Es gilt:
Sämtliche Punkte, deren Distanzdifferenz zu zwei anderen Punkten konstant ist, liegen auf einer Hyperbel.
Bei drei Antennen ergeben sich zwei Hyperbeln, derenSchnittpunkt die gesuchte Position ergibt.
Bleibt die Frage:
Wie wird die Distanz-bestimmung realisiert ?
Received Signal Strength Received Signal Strength
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Distanzmessung durch Messung der Signalstärke
Zur Erinnerung: Die Signalstärke nimmt quadratisch mit wachsender Entfernung ab.
),(4 2
0
CE
DZPr
eff
FT
Signallaufzeitmessung Signallaufzeitmessung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
D ow n lin kverfah renE n h an ced O b served T im e D iffe ren ce
E -O TD
U p lin kverfah renTim e D iffe ren ce o f A rriva l
TD O A
D ista nzla ufzeitm esssung
Vorraussetzungen:
• Koordinaten der Basisstationen müssen bekannt sein
• die ausgesendeten Signale müssen synchronisiert sein
Signallaufzeitmessung Signallaufzeitmessung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
D ow n lin kverfah renE n h an ced O b served T im e D iffe ren ce
E -O TD
U p lin kverfah renTim e D iffe ren ce o f A rriva l
TD O A
D ista nzla ufzeitm esssung
Vorraussetzungen:
Mit sog. Bursts erfolgt Distanzmessung (analog zur Codemessung bei GPS).Burst Aussendung sowohl von Basis als auch von Handy
Downlinkverfahren Downlinkverfahren
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3. GSM Positionierung
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Mobiltelefon berechnet den Standort
Wird auch als „Enhanced Observed Time Difference“ - E-OTD bezeichnet
Sowohl während Gesprächen als auch im „Stand by modus“muß Ortung möglich sein
Vorraussetzung:Leistungsstarke Softwareim Mobiltelefon
Burst wird von Basis ausgesendet
Uplinkverfahren Uplinkverfahren
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3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Funkbasen berechnet den Standort
Wird auch als „Time Difference of Arrival“ - TDOA bezeichnet
Ortung wird per SMS an Handy übermittelt
Burst wird von Mobiltelefon ausgesendet
FingerprintverfahrenFingerprintverfahren
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3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Multipath-Muster jedes Ortist gespeichert.
Abgleich über Mustererken-nung
Muster muß gleich bleiben
FingerprintverfahrenFingerprintverfahren
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Besonders für dicht bebautes Gebiet geeignet
Nur eine Antenne notwendig
Hersteller sagt System sei genauerals AOA- oder TDOA-Techniken
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
M u ltip a th m u s te rM u ltip a th F in g erp rin t
S ig n a lab sch w ä ch u n gR ece ived S ig n a l S tren g th
D ow n lin kverfah renE n h aced O b served T im e D iffe ren ce
E -O TD
U p lin kverfah renTim e D iffe ren ce o f A rriva l
TD O A
L au fze itm essu n g
D is tan zb es tim m u n g M essu n g d es A n ku n ftsw in ke lsA n g e l o f A rriva l
B es tim m u n g H erku n ftsze lleC e ll o f O rig in
G S M Pos itionsbes tim m ung
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
COO (Cell of Origin):
• keine Modifikationen nötig
Vorteile:
• alles bereits vorhanden
• keine Investitionen nötig
Nachteile:
• sehr schlechte Genauigkeit
• langsam in der
Positionsberechnung
• Messung nur während
Gespräch möglich
• eventl. Spracheinbußen
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
AOA (Angle of Arrival):
• Spezieller Antennentyp erforderlich
Vorteile:
• Standardunabhängig
• keine Synchronisation notwendig
Nachteile:
• Anttenarray oder Smart
Antenne erforderlich
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
RSS (Received Signal Strength):
• An Basisstation Modifikationen nötig
Vorteile:
• Unempfindlichkeit gegenüber Multipath-Effekten
Nachteile:
• sehr schlechte Genauigkeit
• Messungen aufwendig
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
TDOA sowie E-OTD (Time Difference of Arrival sowie Enhanced Observes Time Differences):
• An Basisstation und an Handy Modifikationen nötig
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
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
Multipath Fingerprint:
• Datenbankabfrage nötig
Vorteile:
• genaueste Methode nach Herstellerangaben
Nachteile:
• aufwendiges Template-Matching-Verfahren
• setzt stationäres Verhalten der Multipath-Muster voraus
• erfordert Datenbank
Vergleich der VerfahrenVergleich der Verfahren
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
System Technologie Genauigkeit
Cellocate TDOA 250 m
CellTrax TDOA < 200 m
Cursor E-OTD 98 mmit UMTS < 20 m
Geometrix TDOA & AOA 125 m (US Norm)
Mobile Positioning System TDOA 300 – 1000 m
RadioCamera Fingerprint < 125 m (US Norm)
RoadTrack TDOA 1000 m
Sigma-5000 TDOA & AOA 100 m
TeleSentinel AOA < 125 m (US Norm)
TruePosition TDOA < 125 m (US Norm)
GPS & Mobilfunk GPS & Mobilfunk
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“
2 Möglichkeiten Mobilfunk & GPS einzusetzen:
• Reine Mobilfunk Navigation
• Mobilfunk Navigation mit GPS Unterstützung
Genauigkeiten von GPS werden nicht erreicht, jedoch ist in manchen Gebieten keine GPS Nutzung möglich, z.B.
• Waldgebieten
• Bei hoher Bebauung
• Innerhalb von Gebäuden
GPS & Mobilfunk GPS & Mobilfunk
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2. Basis- technologie
3. GSM Positionierung
4. Zusammen- fassung & Ausblick
„„GPS und Mobilfunk“GPS und Mobilfunk“