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Navigationssysteme für Fussgänger

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Das Satellitennavigationssystem GPS lässt kaum Wünsche offen. Es liefert weltweit relativ genaue Positionen und Navigationsgeräte werden heutzutage sehr preisgünstig angeboten. Viele Mobilfunkgeräte der gehobenen Klasse sind mit GPS-Empfängern ausgerüstet und auch in Autos trifft man immer öfter Navigationssysteme an. In urbanen Umgebungen, wo metergenaue Positionsangaben erforderlich wären und oft kein GPS-Empfang vorhanden ist oder die Angaben zu ungenau sind, sind neue Methoden dringend erforderlich.

Abb. 1: Ein Sensor mit 3 Beschleunigungsmessern und 3 Drehratensensoren misst die Bewegung eines Schrittes 1. Foto: BFH-TI

GPS-Empfänger

Zurzeit umkreisen ca. 30 GPS-Satelliten in einer Höhe von 20’200 km ü.M. auf sechs Bahnebenen die Erde. Atomuhren an Bord der Satelliten sorgen dafür, dass alle Satelliten zeitgleich ihre Signale aussenden. Mit der Kenntnis der momentanen Satellitenpositionen und der gemessenen Signallaufzeit von den Satelliten bis zum unbekannten Empfängerstandort lässt sich die Position bestimmen. Zur Positionsbestimmung würden eigentlich drei Satelliten genügen. Weil aber die Empfänger aus Kostengründen nicht auch mit einer Atomuhr ausgerüstet sind, werden statt der Laufzeiten die Laufzeitdifferenzen gemessen. Dies bedingt, dass mindestens vier Satelliten gleichzeitig empfangen werden müssen. Alle Satelliten senden ihre Signale auf der gleichen Frequenz aus, zur Unterscheidung werden die Signale mit unterschiedlichen Codes gekennzeichnet (CDMA).

GPS-Nachteile

GPS wird von der amerikanischen Armee betrieben und wird noch während ein paar Jahren das einzige weltweit verfügbare Navigationssystem sein. Dies ist aber z.B. beim Einsatz in der Zivilluftfahrt problematisch, weil die Signale u.U. ohne Vorwarnung abgeschaltet oder verfälscht werden können. Das europäische GALILEO wird erst in einigen Jahren als zweites unabhängiges System seinen Betrieb aufnehmen. 

Bahnhöhe20'200 km ü.M
Bahnneigung55°
Bahnversatz60°
Umlaufzeit12h siderisch
C/A Frequenz1575.42 MHz
C/A Codelänge1023 chips
BezugsystemWGS84
Genauigkeiten
- in der Ebene± 3 .. 30 m
- in der Höhe± 6 .. 60 m
- Geschwindigkeit± 1 m/s

Genaue Positionen erhält man nur bei direktem Empfang (ohne Reflexionen) der GPS-Signale. Dies ist z.B. zwischen und in Gebäuden und in Tälern nicht gegeben. Auch im dichten Laubwald, in Tunnels, in Unterführungen und unter Wasser können die GPS-Signale nicht empfangen werden. GPS ist für Fussgänger, namentlich in einer Stadt, praktisch nicht verwendbar. Wir haben bei entsprechenden Tests in verschiedenen Städten Positionsabweichungen bis zu 100 m festgestellt. In einer Bachelor Thesis2 wurden GPS-Reflexionen an Gebäuden untersucht. Dabei wurde von mehreren Gebäuden ein 3D-Modell erstellt und mit einer geeigneten Software an einem fixen Standort dauernd überprüft, welche Satelliten direkt und welche nur über Reflexionen empfangen werden konnten. Bei Empfang mit Reflexionen betrug die Abweichung zum tatsächlichen Standort bis zu 50 m (Abb. 2).

Abb. 2: Die rot eingezeichneten Signale können nur über Umwege empfangen werden.2 Dies führt zu einer Positionsabweichung von ca. 50 m! Grafik: BFH-TI

Daher verfolgen wir speziell für Fussgänger einen neuartigen Ansatz. Dabei wird die Bewegung einer Fussspitze während jeweils eines Schrittes gemessen. Die Schrittlänge ergibt sich durch zweifache Integration der Beschleunigungen und Giro-Informationen. Dies entspricht dem Prinzip eines Trägheitsnavigationssystems. Solche Systeme sind in Cruise Missiles, Atom-U-Booten und Langstreckenflugzeugen eingebaut und kosten etwa eine halbe Million Franken. Die oben erwähnten Systeme arbeiten autonom über mehrere Stunden. Ein Schritt dauert aber nur ca. eine Sekunde. Der zurückgelegte Weg ergibt sich aus der Summe der Einzelschritte. Zur Bestimmung der Schrittlänge können viel billigere Sensoren eingesetzt werden (Abb. 1). Die Ergebnisse der ersten Versuche sind bereits sehr vielversprechend. Die Schrittlänge kann bereits auf ca. 4 cm genau erfasst werden. Auch Höhenänderungen, wie z.B. beim Treppensteigen, können bestimmt werden. Dies ist ein zusätzlicher Vorteil, weil bei GPS die Höhenangabe oft sehr ungenau ist. In i-Phones und Android-Handys sind ähnliche oder gleiche Sensoren eingebaut, wie auch wir sie benötigen. Diese weitverbreiteten Smartphones könnten, mit entsprechender Software ausgestattet, für unsere Zwecke verwendet werden, ohne dass zusätzliche Hardware nötig wäre. Denkbar wäre auch ein medizinischer Einsatz, um z.B. Störungen des Bewegungsablaufes bei Personen zu erkennen.

Institute for Mobile Communications

 

Referenzen

1 Andreas Horn, Patrick Engel: Urban Pedestrian Navigation, Bachelor Thesis, BFH-TI, 2011
2 Paolo Franchini: GPS-Reflexionen erkennen, Bachelor Thesis, BFH-TI, 2009