Improving the Accuracy of GPS Stephan Kopf, Thomas King, Wolfgang Effelsberg Lehrstuhl für Praktische Informatik IV Universität Mannheim

Gliederung • Motivation • Positionierungsfehler von GPS • Steigerung der Genauigkeit von GPS • Simulation und Messungen • Zusammenfassung und Ausblick

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Projekt: Mobile Business • 7 Lehrstühle aus 2 Fakultäten der Universität Mannheim sind beteiligt • Teilprojekte: ◦ SALSA Entwicklung einer Software-Architektur für Applikationen mit Kontextbezug (gefördert durch die Landesstiftung Baden-Württemberg) ◦ LAMBADA Entwicklung von Technologien für Mobile Business Anwendungen (gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst, Baden-Württemberg)

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Global Positioning System (GPS) • Entwickelt vom amerikanischen Verteidigungsministerium • allgemein verfügbar seit 1995 • 24 Satelliten umkreisen die Erde in 20.000 km Höhe • Genauigkeit liegt zwischen 5 - 20 Meter (mit 95 % Wahrscheinlichkeit) • hat sich zur Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden durchgesetzt • Einsatz

◦ ◦ ◦ ◦

bei der Navigation von Flugzeugen und Schiffen bei der Landvermessung in Navigationssystemen für PKWs in Mobiltelefonen und PDAs

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Einschränkungen von GPS • Direkte Sichtlinie zu mehreren Satelliten notwendig • Ungenauigkeiten von mehr als 15 Metern

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Erweiterungen von GPS • Differentielles GPS (DGPS) • Idee: Referenzstation analysiert GPS-Signale und sendet Korrekturdaten • Reduktion des Fehlers auf 5 Meter • Nachteil: Anforderungen an die Hardware Satellit

GPSEmpfänger

Empfänger Sender Referenzstation Ortsbezogene Anwendungen und Dienste

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Ansatz Ziel • Verbesserung der Genauigkeit von GPS bzw. DGPS Annahme • Es besteht eine hohe Korrelation zwischen aufeinander folgenden Positionen, Richtungen und Geschwindigkeiten Idee • Schätzung der aktuellen Position durch Interpolation • Gewichtung der geschätzten Position • Erkennung von Richtungsänderungen • Erkennung einzelner offensichtlich falscher Messwerte

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GPS Daten GPS liefert • Positionsinformationen ◦ Längen- und Breitengrad ◦ Höhe • Datum und Uhrzeit • Informationen über die Satelliten: ◦ verfügbare Satelliten, ◦ Dilution of Precision (DOP) Æ Abschätzung des Positionierungsfehlers ist möglich Ortsbezogene Anwendungen und Dienste

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Verbesserung der Genauigkeit

1

4 GPS Position gewichtete Position

tatsächliche Position

1

3 2

4

geschätzte Position

3

2

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Gewichtung

PW = α ⋅ PGPS + (1 − α ) ⋅ PE GPS Position

PGPS

gewichtete Position

PW

geschätzte Position

PE

Gewichtungsfaktor (abh. von DOP)

α

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Einfluss der Geschwindigkeit • Bei Richtungsänderungen entstehen Fehler durch die Gewichtung

• Der Fehler ist abhängig von: ◦ der Stärke der Richtungsänderung ◦ der aktuellen Geschwindigkeit

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Simulation (I) Annahmen: • Starke Richtungsänderungen sind unwahrscheinlich (max. 60 Grad/Sekunde) • Maximale Geschwindigkeitsänderung: 15 km/h • Maximaler GPS-Fehler geringer als 15 Meter Fragestellung: • Welchen Einfluss hat die Geschwindigkeit auf die Interpolation? Ortsbezogene Anwendungen und Dienste

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Simulation (II) 1. Szenario: • Maximale Geschwindigkeit: 50 km/h • Ergebnis: durchschnittliche Verbesserung der Genauigkeit um 0,45 Meter (> 10 %) 2. Szenario: • Maximale Geschwindigkeit: 75-120 km/h • Ergebnis: durchschnittliche Genauigkeit sinkt um 0,48 Meter

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Simulation (III) 3. Szenario: DGPS • Maximaler Fehler geringer als 5 Meter • Maximale Geschwindigkeit: 50 km/h • Ergebnis: ◦ durchschnittliche Verbesserung der Genauigkeit

◦

nicht signifikant messbar nur bei sehr geringen Geschwindigkeiten ergibt sich ein Vorteil durch die Interpolation

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Experimentelle Ergebnisse • 12 Messungen auf freiem Feld • keine Bewölkung (sehr geringer DOP-Wert) • 22 Messpunkte im Abstand von 5 Metern 30 Grad Æ 90 % Verbesserung der Genauigkeit

60 Grad

Æ durchschnittliche Verbesserung um 0,7 Meter pro Messpunkt

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90 Grad

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Zusammenfassung • Verfahren zur Verbesserung der Positionsinformation von GPS-Empfängern wurde vorgestellt: ◦ Minimaler Rechenaufwand (geeignet für mobile Geräte) ◦ Genauigkeit der der empfangenen GPS Position wird berücksichtigt (DOP) ◦ Einsatz ist abhängig von der Geschwindigkeit des GPSEmpfängers ◦ Geringfügige Verbesserungen der Positionsinformationen sind möglich

• Kritische Betrachtung: Die Verbesserungen sind so gering, dass ein höherer Aufwand für die Positionsbestimmung außerhalb von Gebäuden im Kontext von Mobile Business nicht sinnvoll erscheint. Ortsbezogene Anwendungen und Dienste

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Ausblick • Integration in den Mobile-BusinessPrototypen • Kombination mit Positionierungssystemen innerhalb von Gebäuden • Kombination unterschiedlicher Sensoren

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen?

Weitere Informationen : www.m-business.uni-mannheim.de {kopf | king}@informatik.uni-mannheim.de Ortsbezogene Anwendungen und Dienste

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