{"id":490,"date":"2022-12-18T12:17:50","date_gmt":"2022-12-18T11:17:50","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/?p=490"},"modified":"2022-12-18T12:17:50","modified_gmt":"2022-12-18T11:17:50","slug":"lokalisierung-und-tracking-multi-band-gnss-empfaenger","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/2022\/12\/18\/lokalisierung-und-tracking-multi-band-gnss-empfaenger\/","title":{"rendered":"Lokalisierung und Tracking: Multi-Band GNSS-Empf\u00e4nger"},"content":{"rendered":"\n

Blogautoren: Marc Kuhn<\/a> (ZHAW\/ISC) und Sandro Rippstein<\/a> (ZHAW, ISC)<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die Industrie 4.0, aber auch allgemein f\u00fcr IoT-Anwendungen, werden Systeme zur drahtlosen Kommunikation immer wichtiger \u2013 nicht nur zur Kommunikation\/Daten\u00fcbertragung, sondern auch zur Lokalisierung (im Sinne von Positionssch\u00e4tzung) und zum Tracking (Nachverfolgung der Position). Grob unterscheidet man zwischen Indoor- und Outdoor-Lokalisierung.<\/p>\n\n\n\n

Robuste und pr\u00e4zise Indoor-Lokalisierung, z.B. basierend auf UWB-, Bluetooth- oder WiFi-Technologie, ist noch immer ein aktives Forschungsgebiet; sie ist f\u00fcr Anwendungen im Bereich Industrie 4.0 oft von besonderem Interesse und wir werden uns ihr in einem zuk\u00fcnftigen Blog-Beitrag widmen.<\/p>\n\n\n\n

Outdoor-Lokalisierung mittels GNSS<\/h2>\n\n\n\n

Das bekannteste Outdoor-Lokalisierungssystem ist sicherlich GPS (Global Positioning System \u2013 offiziell NAVSTAR GPS). GPS wurde in den USA entwickelt und ist ein globales Navigationssatellitensystem (GNSS), wie auch Galileo<\/em> der Europ\u00e4ischen Union, das chinesische Beidou<\/em> und das russische GLONASS. Basierend auf Funksignalen, die von Satelliten in Erdumlaufbahnen st\u00e4ndig gesendet werden, sch\u00e4tzt ein GNSS-Empf\u00e4nger seine Position auf der Erde, indem er die Entfernungen zu den einzelnen Satelliten berechnet. Dabei wird aus der Laufzeit der Funksignale auf die Entfernung zum Satelliten geschlossen. Urspr\u00fcnglich f\u00fcr das Milit\u00e4r entwickelt sind globale Navigationssysteme seit geraumer Zeit f\u00fcr zivile Anwendungen verf\u00fcgbar, beispielsweise in Navigationssystemen f\u00fcrs Auto, aber auch f\u00fcr Smartphones und Smartwatches. Typischerweise muss eine direkte \u00abSichtverbindung\u00bb vom Empf\u00e4nger zu vier oder mehr Satelliten bestehen, damit die Positionssch\u00e4tzung mit annehmbarer Genauigkeit funktioniert; daher sind solche Systeme f\u00fcr Indoor-Lokalisierung nicht gut geeignet.<\/p>\n\n\n\n

Outdoor-Lokalisierung: Genauigkeit von GNSS<\/h2>\n\n\n\n

Die Genauigkeit, mit der ein GNSS-Empf\u00e4nger seine Position sch\u00e4tzen kann, ist nat\u00fcrlich ein wichtiger Faktor. Mit 95%iger Wahrscheinlichkeit weicht die mittels Standard-GPS gesch\u00e4tzte Position nicht mehr als 12m von der tats\u00e4chlichen Position ab, unter sehr guten Bedingungen weniger als 7m (wobei der mittlere Fehler entsprechend unter diesen Werten liegt). Doch f\u00fcr viele aktuelle und zuk\u00fcnftige Anwendungen gen\u00fcgt diese Genauigkeit nicht. Beispielsweise ist eine hochgenaue und robuste Outdoor-Lokalisierung wichtig f\u00fcr die Landesvermessung, aber auch f\u00fcr \u00abAutonomous Driving\u00bb Systeme.<\/p>\n\n\n\n

Die Hauptgr\u00fcnde f\u00fcr die Ungenauigkeiten in der Positionssch\u00e4tzung sind die Auswirkungen der Atmosph\u00e4re und der Mehrwegeausbreitung auf die Satellitensignale. Beim Durchqueren der Ionosph\u00e4re (von ca. 80km \u00fcber der Erdoberfl\u00e4che bis 1000km H\u00f6he) und der Troposh\u00e4re (vom Erdboden bis in ca. 12km H\u00f6he) kann sich die Geschwindigkeit des GNSS-Satellitensignals \u00e4ndern, die im Vakuum des Weltalls konstant gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Dadurch, dass diese Geschwindigkeits\u00e4nderungen vom aktuellen Zustand der Luftschichten abh\u00e4ngen und daher nicht genau bekannt sind, kommt es zu entsprechenden Ungenauigkeiten in der Berechnung der Entfernung zu den einzelnen Satelliten. Des Weiteren kann das Satellitensignal auf dem Weg zum Empf\u00e4nger an Objekten reflektiert oder gestreut werden und erreicht diesen Empf\u00e4nger dann \u00fcber unterschiedliche Pfade. Diese Mehrwegeausbreitung f\u00fchrt dazu, dass es beim Empfang zu Interferenzeffekten kommt, die die Qualit\u00e4t der GNSS-Signale verringern k\u00f6nnen und dadurch ebenfalls die Positionssch\u00e4tzung erschweren.   <\/p>\n\n\n\n

Unterschiedliche Techniken werden eingesetzt, um die Genauigkeit der Positionssch\u00e4tzung zu verbessern, z.B. das Differential-GNSS<\/em> Verfahren (oft auch als Differential-GPS<\/em> bezeichnet) oder Dual-Band<\/em> bzw. Multi-Band GNSS-Empf\u00e4nger <\/em>(sie werden auch als Dual-Band bzw. Multi-Band GPS-Empf\u00e4nger<\/em> bezeichnet).<\/p>\n\n\n\n

Differential-GPS Verfahren verbessern die Positionssch\u00e4tzung durch Korrekturdaten, die bereitgestellt werden von Referenzstationen mit exakt bekannten Positionen. Zum Beispiel werden beim Satellite Based Augmentation System (SBAS)<\/em> solche Korrekturdaten von Referenzstationen am Boden ermittelt und Satelliten mitgeteilt. Diese Satelliten senden die Korrekturdaten dann wieder zu entsprechenden GPS-Empf\u00e4nger am Boden, die die Differential-GPS Korrekturdaten zur Verbesserung der Positionssch\u00e4tzung nutzen k\u00f6nnen; in Europa ist daf\u00fcr das EGNOS System zust\u00e4ndig. Auch die Differential-GNSS Verfahren werden wir uns in einem zuk\u00fcnftigen Blog-Beitrag genauer ansehen.<\/p>\n\n\n\n

Dual-Band und Multi-Band GNSS-Empf\u00e4nger  <\/h2>\n\n\n\n

Aktuell bewerben grosse Hersteller wie beispielsweise Apple, Garmin oder Samsung ihre neuen Smartphones und Smartwatches damit, dass sie Dual-Band oder Multi-Band GNSS nutzen, um die Genauigkeit der Positionssch\u00e4tzung zu erh\u00f6hen. F\u00fcr spezielle Anwendungen (z.B. bei der Landesvermessung und f\u00fcr High-End Anwendungen in Industrie und Luftfahrt) gibt es bereits seit l\u00e4ngerem Dual-Band GNSS-Empf\u00e4nger. Neu ist, dass diese nun so kosteng\u00fcnstig verf\u00fcgbar sind, dass ihr Einsatz auch in Smartphones und Smartwatches m\u00f6glich wird.<\/p>\n\n\n\n

GNS-Systeme nutzen jeweils mehrere Frequenzb\u00e4nder, beispielsweise werden GPS-Signale in drei verschiedenen B\u00e4ndern gesendet: im L1-Band bei 1575.42 MHz, im L2-Band bei 1227.60 MHz und im L5-Band bei 1176.45 MHz. W\u00e4hrend traditionelle GNSS-Empf\u00e4nger nur ein Frequenzband verwenden, sind Dual- oder Multi-Band Empf\u00e4nger in der Lage, GNSS-Signale in zwei oder mehr Frequenzb\u00e4ndern zu empfangen. Dabei ist auch der Empfang zweier Frequenzen von mehreren GNSS m\u00f6glich, z.B. der L1- und L5-B\u00e4nder von GPS zusammen mit den E1- und E5-B\u00e4ndern des Galileo-Systems. Es stehen also im Idealfall deutlich mehr Satelliten zur Positionssch\u00e4tzung zur Verf\u00fcgung, die dazu auch auf unterschiedlichen Frequenzen empfangen werden. Die Genauigkeit der Positionssch\u00e4tzung profitiert dann zum einen davon, dass die Entfernungen zu einer gr\u00f6sseren Anzahl von Satelliten einbezogen werden kann, und zum anderen davon, dass f\u00fcr jeden einzelnen Satelliten die Entfernungsberechnung genauer wird.  <\/p>\n\n\n\n

Letzteres beruht auf folgenden Effekten: In der Ionosp\u00e4re sind die Geschwindigkeits\u00e4nderungen abh\u00e4ngig von der Frequenz des Satellitensignals. Daher k\u00f6nnen Dual- oder Multi-Band Empf\u00e4nger durch Vergleich der Signale auf unterschiedlichen Frequenzen den Einfluss der Ionosp\u00e4re kompensieren. Dadurch wird ihre Berechnung der Entfernungen zu den einzelnen Satelliten entsprechend genauer. Auch die Auswirkungen der Mehrwegeausbreitung sind frequenzabh\u00e4ngig, so dass auch hierbei Empf\u00e4nger, die mehr als ein Frequenzband nutzen, diese zumindest zum Teil kompensieren und so die Distanz zu den einzelnen Satelliten pr\u00e4ziser berechnen k\u00f6nnen, um insgesamt eine bessere Positionssch\u00e4tzung zu erzielen.<\/p>\n\n\n\n

Eigene Tests mit Dual-Band und Multi-Band GNSS-Empf\u00e4ngern <\/h2>\n\n\n\n

Am ISC<\/a> haben wir einige einfache Tests durchgef\u00fchrt, um herauszufinden, ob sich Vorteile der Dual-Band \/ Multi-Band Empf\u00e4nger gegen\u00fcber Single-Band Empf\u00e4ngern im Alltag zeigen. Dazu werden vier GNSS-Empf\u00e4nger verglichen, von denen zwei Single-Band und die beiden anderen Multi-Band Empf\u00e4nger sind. Alle vier nutzen die gleiche Antenne, das folgende Bild zeigt den Aufbau.<\/p>\n\n\n\n

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Bild\u00a0 1: Test-Aufbau<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Ein erster Test erfolgte in Form einer E-Bike-Tour \u00fcber ca. 20km, die am ISC in Winterthur startete. Die Karte in Bild\u00a0 2 zeigt die Tour. Auf der Strecke von etwa 20km nahmen die vier GNSS-Empf\u00e4nger je 1864 bzw. 1865 Positionssch\u00e4tzungen vor.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 2 – Gesamtansicht der Testtour mit dem E-B <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Insgesamt sind die Unterschiede in der Genauigkeit der Positionssch\u00e4tzungen der vier GNSS-Empf\u00e4nger hier nicht sehr gross, wie beispielhaft ein Ausschnitt der Route in Bild\u00a0 3 zeigt.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 3 – Kreuzung<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Bild  <\/a>3 – Kreuzung<\/p>\n\n\n\n

In Blau <\/span>und in Rot <\/span>sind die von den Multi-Band Empf\u00e4ngern getrackten Routen zu sehen, in Gr\u00fcn <\/span>und Magenta <\/span>die der Single-Band Empf\u00e4nger. Dabei ist zu ber\u00fccksichtigen, dass die Empf\u00e4nger in unterschiedlichem Masse auf SBAS-Korrekturdaten zur\u00fcckgegriffen haben, die zu einer h\u00f6heren Genauigkeit f\u00fchren:<\/p>\n\n\n\n