Sensors4All Workshop III

Mobile Sensoren

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Agenda

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Begrüßung GPS Einführung Mobile Sensoren Mobile Messkampagne „Schallpegel St.Magdalen“ • Verarbeitung/Analyse der Daten

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GPS Einführung Andreas Hecke (Präsentation übernommen von Stefanie Andrae,Karl-Heinrch Anders)

Studienbereich Geoinformation

GPS – Anwendungen

GPS – Systemübersicht I

GPS – Systemübersicht II

• Weltraumsegment 28 Satelliten 20200 km 12 h Orbital 6 Bahnebenen (je 60° versetzt) Jederzeit in jedem Punkt 4 Satelliten

• Kontrollsegment 5 Kontrollstationen Beobachtung und Synchronisation der Sat-Uhren Übersendung der Bahndaten an die Satelliten

• Nutzersegment Empfänger, die die Signale empfangen & verarbeiten

GNSS – Satelitengestützte Systeme I

• GNSS – Global Navigation Satellite Systems  NAVSTAR GPS USA – Global Positioning System – 31 Satelliten

 GLONASS Russland derzeit 12 Satelliten (bis 2009 – 24 Satelliten)

 GALILEO EU – Geplant 32 Satelliten  KOMPASS China – Geplant 35 Satelliten

GNSS – Satelitengestützte Systeme II

NAVSTAR- GPS

GLONASS

GALILEO

in Betrieb seit

1995

1996

Testbetrieb

Satelliten

24

24

2 (30 geplant)

Umlaufzeit

11h 58 min

11h 16 min

Bahnneigung

55°

65°

56°

Umlaufbahnen

6

3

3

Höhe

20 200 km

19 100 km

23 616 km

Land

USA

Russland

EU

GPS – Prinzip der Positionsbestimmung I • Allgemeine Punktbestimmunsgverfahren: Triangulation – basiert auf Winkemessung (Sinussatz) Trilateration – basiert auf Distanzmessung

Beispiel

GPS – Prinzip der Positionsbestimmung

• Laufzeitmessung  Trilateration -

Laufzeit = Distanz

-

Synchronisierte Uhren

• Geometrie - 2D  mind. 3 Satelliten

- 3D  mind. 4 Satelliten

Quelle: GPS Grundlagen - ubox AG

GPS – Fehlereinflüsse I

 Laufzeitfehler aufgrund der Ausbreitung des Satellitensignals Ionosphärische / Troposphärische Einflüsse Multipath-Effekt durch Reflexionen an Objekten der Erdoberfläche Uhrenfehler der GPS-Empfänger (die Satelliten besitzen Atomuhren!)  Abschattung (in Tälern, Häuserschluchten, in Gebäuden, Tunnel) sind weniger Satelliten über dem Horizont empfangbar  Signaldämpfung bei hohem Vegetationsbestand (im Wald)

GPS - Fehlereinflüsse III

• Satellitenkonstellation

•

Dilution of Precision (DOP) = Maßzahl für die Schnittgüte

DOP < 6

DOP > 6 (DOP > 10 unbrauchbar!)

'gute' Geometrie --> hohe Genauigkeit

'schlechte' Geometrie' --> niedrige Genauigkeit

GPS – Korrekturmöglichkeiten

• Korrekturdienste • Differential GPS • Zusätzliche Sensoren

 Z.B. Odometer, Gyrometer, Kompass • Mapmatching

Autonavigation

GPS – Lagegenauigkeit

• Mittlere Genauigkeit  Ohne Korrekturdienst : 10 – 15 Meter  Mit Korrektur Dienst : 3 – 5 Meter

 Differential GPS : 0.3 – 2.5 Meter

GPS– Korrekturdienste I

• WAAS  Wide Area Augmentation System in Nordamerika

• EGNOS  European Geostationary Navigation Overlay Service

• MSAS  Multi-Functional Satellite Augmentation System in Japan

GPS – Korrekturdienste II • Information die diese Dienste bereitstellen:    

Langzeitfehler der Satellitenpositionen Kurz- und Langzeitfehler der Satellitenuhren Ionosphäre-Korrektur-Gitter-Information Integritätsinformationen

GPS – Differential GPS (DGPS) I • Differenzielle Positionierung  Mind. 2 Empfänger  Basis-Station mit bekannten Koordinaten  Post-Processing oder Echtzeit Korrektur

• Genauigkeit  0.3 m – 2.5 m Lagegenauigkeit (x, y)  0.2 m – 5.0 m Höhengenauigkeit (z)  Phasenverschiebungsmethoden liefern 1 mm – 10 mm pro Km Abstand zur Referenzstation

GPS – Differential GPS (DGPS) II

• Real-time DGPS

- Korrekturdaten via - Funk - GSM - UKW - Langwelle - Sat • Postprocessing

- mittels Software im Nachhinein

GPS – Differential GPS (DGPS) III

• DGPS Verfahren GPS-Satellite

db1 + eb1 d + e?

db2 + eb2

eb1 Base station

Error Correction

eb2 Error Correction

D = F(d, eb1, eb2, …) + optional WAAS, EGNOS oder MSAS

Base station

GPS – Differential GPS (DGPS) IV

APOS Austrian Positioning Service http://www.bev.gv.at/portal/page?_pageid=713,1571538&_dad=portal&_schema=PORT AL

Good to know

• GPS = Position, Zeit, Geschwindigkeit

 Einfache Geschwindigkeitsbestimmung durch Ableitung aus Positionsänderung  Genaue Geschwindigkeitsbestimmung durch Analyse des Dopplereffekts der Trägerfrequenz • Satelliten bewegen sich mit 3,9 km/s • GPS-Zeit weicht um 14 Sekunden zur UTC-Zeit ab

 Schaltsekunden sind zu beachten! • Signalausbreitung durch Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

• AGPS (Assisted Global Positioning System)

 schnellere Positionsbestimmung durch Kombination mit Positionsdaten von Telekommunikations-Betreibern

GPS - Datenformat

• Standardisierte Datenformate – NMEA (National Marine Electronics Association) --> ASCII Format – RINEX (Receiver Independent Exchange Format)

• Austauschformate – .gpx – .kml – Freie Software zur Konvertierung: GPSBabel

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Unsere mobilen Sensoren

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Mobile Sensoren I

• Ph-Wert Messgerät - Neben ph-Wert wird auch Temperatur gemessen - Ca. 30 €

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Mobile Sensoren II

• Schallpegelmessgerät - Mesung Schallpegel - Verschiedene Modi: - Unterschiedliche Messcharakteristiken - Maximalwertüberschreitung - Min-Max

- Ca. 130€

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Mobile Sensoren III

• Partikelmessgerät - Ermittelt Verschmutzungsgrad der Luft - Misst die Anzahl der Partikel in verschiedenen Größen - Lasermessmethode - Unterschiedliche Betriebsmodi - Ca. 2000 €

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Kurzdemo Android Apps

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Schallpegelmesskampagne St.Magdalen

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Mobile Messkampagne I

• Unsere heutige Aufgabe: -

Schallpegelmesskampagne in Villach St. Madalen 31 definierte Schallpegelmesspunkte 2 zusätzliche Wasserqualitätsmesspunkte 4 Teams

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Mobile Messkampagne II

• 4 Teams zu je 5 Personen. Pro Team -

1 Karte 1 Garmin GPS Gerät 1 Messwertliste 1 Schallpegelmessgerät 1 Smartphone Für die Hälfte der Zeit ein Wassermessgerät

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Mobile Messkampagne III

• Schallpegelmessung pro Messpunkt - Finden des Punktes mit GPS Gerät und Karte - Messung dauert 5 min - Ermittlung von Minimum, Maximum und der wirklichen Position - Zählung etwaiger Fahrzeuge - Versenden der Werte mittels Smartphone - Zusätzliche Wassermessungen an den 2 definierten Punkten, wenn in der Nähe 32

Mobile Messkampagne IV

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Mobile Messkampagne V

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Mobile Messkampagne VI

• • • •

Nachfolgend Auswertung der Ergebnisse Grobe Fehleranalyse Erzeugen eines GIS Datensatzes Verschiedene Analysen und Vergleiche der Ergebnisse

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