Genauigkeit - IGP - ETH Zürich
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Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Optische Systeme Fazit & Ausblick<br />
INTERGEO 22.-24. September 2009, Emerging Technologies – Positionierung<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Innovative Techniken in der<br />
Innenraumpositionierung<br />
p g<br />
Rainer Mautz<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong><br />
Institut für Geodäsie und Photogrammetrie<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Optische Systeme Fazit & Ausblick<br />
IInhalt h lt<br />
Übersicht Positionierungssysteme g y<br />
GNSS in Gebäuden<br />
Innovative Systeme:<br />
- Pseudoliten<br />
- iGPS<br />
- Ultraschall<br />
- Optische Systeme<br />
Zusammenfassung & Ausblick<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Optische Systeme Fazit & Ausblick<br />
Klassifizierung f von Positionierungssystemen<br />
Messprinzip (Trilateration (Trilateration, Triangulation Triangulation, Signalstärke)<br />
Trägerwelle (Radiofrequenz, Lichtwelle, Ultraschall, Terahertz)<br />
Anwendung (Industrie, Messtechnik, Navigation)<br />
Marktreife (Entwurf, Entwicklung, Testphase, Produktion)<br />
Kosten<br />
Benötigte Infrastruktur<br />
Reichweite<br />
<strong>Genauigkeit</strong><br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Optische Systeme Fazit & Ausblick<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
Übersicht GNSS Pseudoliten iGPS Ultraschall Optische Systeme Fazit & Ausblick<br />
GGeodätisches ä GNSS: G SS<br />
Messprinzip: Trägerphasenmessung, differentiell, Trilateration<br />
Aussenraum: global verfügbar (ausser Schluchten…etc)<br />
volle Marktreife<br />
mm – cm <strong>Genauigkeit</strong> (statisch)<br />
Innenraum: nicht verfügbar<br />
Abschattung<br />
Abschwächung<br />
Reflektion<br />
Beugung<br />
Streuung<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Mehrwegausbreitung (Multipath)<br />
Ionosphärenmodell<br />
Troposphärenmodell<br />
?<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Signalabschwächung GNSS (L1 = 1575 MHz)<br />
Material Δ [dBW] Faktor<br />
Gl Glass 1 - 4 08 0.8 – 04 0.4<br />
Holz 2 - 9 0.6 – 0.1<br />
Dachziegel Dachziegel, Backstein 5 - 31 03– 0.3 00.001 001<br />
Beton 12 - 43 0.06 – 0.00005<br />
Stahlbeton 29 - 43 0.001 – 0.00005 Stone (1997)<br />
Signalstärke in Dezibel Watt von GNSS Satelliten<br />
Umgebung [dBW]<br />
Satellit (27 Watt) +14 Signalstärke am Satellit<br />
Aussenraum -160 160 Grenze für konventionelle Empfänger<br />
Innenraum -180 Grenze für hoch-sensitive Empfänger<br />
Untertage g -190 Grenze für ultra-sensitive Empfänger p g<br />
100 mal schwächer<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
1000 mal schwächer<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Hochsensitive GNSS Empfänger<br />
Anwendung: g Überwachung, g Notruf-Positionierung, g LBS<br />
Marktreife: kommerziell erhältlich<br />
SiRFStar III ( (> 200.000 Korrelatoren)<br />
Global Locate A-GPS Chip (Assisted-GPS)<br />
Stärken:<br />
keine zusätzliche Infrastruktur in Gebäuden<br />
Lösung für Umgebung von Abschattungen, PKW, Indoorbereich<br />
Schwächen:<br />
Lange Akquisitionszeit<br />
TTFF: 60 s (mit Assistenz 12 s)<br />
Hohe Rechenanforderung<br />
<strong>Genauigkeit</strong>: 14 m (Evaluierung Thales)<br />
6 m (Laubwald)<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Wie könnte das Problem behoben<br />
werden?<br />
Phasenlösung cm<br />
Höhere Signalstärke am Satellit<br />
PParallelisierung ll li i RRechenprozess h<br />
Ultra Wideband GNSS Signale<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Alternative Positionierungssysteme - Pseudoliten<br />
Terrestrische Pseudo-Satelliten Empfänger:<br />
Corporation mit UNSW in AAustralien, stralien Canberra<br />
Navindoor (Finnland)<br />
Terralite XPS<br />
Unterstützung<br />
von GNSS in<br />
„schwieriger“<br />
Umgebung g g<br />
Picture from Jonas BERTSCH: On-the-fly Ambiguity Resolution for the Locata Positioning System,<br />
Master Thesis, <strong>ETH</strong> Zurich, February 2009.<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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PPseudoliten: d lit LLocata t<br />
Anwendung: Tagebau, Maschinenführung, Monitoring, Indoor-Positionierung<br />
2.4 GHz ISM Band, 1 Hz Messfrequenz, Marktreife: in Entwicklung<br />
Stärken:<br />
Statisch: 2 mm, RTK: 1 – 2 cm bei 2.4 m/s<br />
Signalstärke grösser als bei GNSS<br />
GNSS unabhängig: (Indoor dm)<br />
Probleme:<br />
Mehrwegausbreitung<br />
Frequenz-Freigabe<br />
Synchronisation < 30 ps<br />
Lösung Mehrdeutigkeiten<br />
VDOP<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Picture from J. Barnes, C. Rizos, M. Kanli, A. Pahwa „A Positioning Technology for Classically<br />
Difficult GNSS Environments from Locata“, IEEE Conference, San Diego California, 26 April 2006<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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iGPS (Metris)<br />
Funktionsprinzip:<br />
Transmitter senden rotierende Laserebenen<br />
Zeitreferenz: Infrarotsignal g<br />
TDOA Winkel<br />
Rückwertsschnitt<br />
Anwendung: Luftfahrt, Industrievermessung, Robotersteuerung<br />
Arbeitsbereich: 2 – 50 m<br />
<strong>Genauigkeit</strong>: 0.1 mm<br />
Marktreife: Testphase<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Quelle: Metris<br />
Quelle: Metris<br />
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iGPS<br />
iGPS Transmitter und Sensor während eines Tests im Tunnel<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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iGPS<br />
Stärken:<br />
Hohe 3D <strong>Genauigkeit</strong> (0.1 mm)<br />
Echtzeit, Messrate 40 Hz<br />
Probleme:<br />
Multipath<br />
Einfluss störender Lichtquellen<br />
Aufwand bei Installation<br />
KKosten t<br />
Szenario beim Einsatz im Tunnel. Masterarbeit, <strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong> DAVID ULRICH (2008):<br />
Innovative Positionierungssysteme im Untertagebau<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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Ultraschallsysteme – Crickets (Active Bat Bat, Dolphin)<br />
Funktionsprinzip:<br />
TOA, TDOA (Ultraschall & RF)<br />
Multilateration<br />
Anwendung: Indoornavigation, Computerspiele<br />
Arbeitsbereich: bis 10 m<br />
<strong>Genauigkeit</strong>: 1 - 2cm 2 cm<br />
Marktreife: kommerziell erhältlich<br />
Kosten: niedrig<br />
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Ultraschallsysteme – Crickets<br />
Projekt: Roboter Positionierung<br />
Probleme:<br />
Temperaturabhängigkeit<br />
Reichweite (< 6 m)<br />
Installation der Referenz-Sender<br />
Referenz Sender<br />
Multipath<br />
Verlässlichkeit<br />
Interferenzen mit Geräuschquellen<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Ceiling<br />
Beacon Listener<br />
Floor<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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OOptische ti h SSysteme: t Sky-Trax Sk T System S t<br />
Prinzip: Positionscodes an Decken installiert, mobile Kamera erkennt Codes<br />
Anwendung: Lagerhallen, Navigation, Logistik<br />
Arbeitsbereich: Hallen, Raumweite<br />
<strong>Genauigkeit</strong>: 2 - 30 cm („inch“ („inch bis „foot“) „foot )<br />
Marktreife: kommerziell erhältlich<br />
Nachteil: Abhängigkeit von<br />
Installation,<br />
geringe Flexibilität<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Picture from: http://www.sky-trax.com/<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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OOptische ti h SSysteme: t ProCam P C System S t (AICON)<br />
Prinzip: Mobiler Messtaster mit infrarot CCD Kamera, Blick auf Messpunktfeld<br />
Anwendung: Crashvermessung, Industrievermessung<br />
Arbeitsbereich: raumweit<br />
<strong>Genauigkeit</strong>: 0.1 mm + 0.1 mm/m<br />
Marktreife: kommerziell erhältlich<br />
Nachteile: Abhängigkeit von aktivem Messpunktfeld, Kabel<br />
Kosten<br />
Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand<br />
Pictures from: http://www.aicon.de<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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OOptische ti h Systeme: S t CLIPS (Camera & Laser Innenraum PositionierungsSystem)<br />
Funktionsprinzip: Ortsfeste Laserstrahlen, relative Orientierung einer Kamera<br />
Anwendung: Industrievermessung<br />
Arbeitsbereich: raumweit<br />
<strong>Genauigkeit</strong>: 1 mm<br />
Reichweite: 15 m<br />
Datenrate: 30 Hz<br />
Marktreife: Entwicklung<br />
Kosten: gering<br />
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“Laserigel”<br />
<strong>ETH</strong> <strong>Zürich</strong>
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CLIPS<br />
Messprinzip:<br />
P1<br />
Laserigel<br />
(fest)<br />
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P 2<br />
P 3<br />
P 4<br />
Basisvektor Kamera<br />
(mobil)<br />
Objekt<br />
P 5<br />
Taster<br />
(optional)<br />
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CLIPS<br />
Probleme bei der Erkenndung der Laserpunkte<br />
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Fazit<br />
AAussenraum: GNSS ddominant i t<br />
Innenraum: keine generelle Lösung, Systemwahl je nach Anforderung<br />
Benutzer muss hinnehmen:<br />
geringe <strong>Genauigkeit</strong><br />
geringe Zuverlässigkeit<br />
aufwendige lokale Installationen<br />
geringe Reichweite<br />
unangemessene Kosten<br />
Ausblick<br />
Signale durchdringen Wände (ultra-sensitives GNSS)<br />
Optische und hybride Verfahren<br />
Für sub sub-dm dm <strong>Genauigkeit</strong> bleiben Installationen lokale unvermeidbar<br />
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