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arcAKTUELL 2.2013 - Mobil unterwegs

S C H W E R P U N K T 15 Siegeszug des Smartphones Früher waren GPS-Geräte hochspezielle Werkzeuge für sehr spezifische Einsatzbereiche. Im Jahr 2013, einer Zeit, in der nahezu jeder von uns GPS-fähige Geräte mit sich trägt und weltweit jährlich über eine Milliar- de Smartphones über die Ladentheke gehen, sind mobile Anwendun- gen mit Ortsbezug längst alltägliche Helfershelfer geworden: Mobile Applikationen finden beim Tracking, Routing und in vielen anderen Be- reichen Anwendung. So vielfältig die Palette der Applikationen ist, so breit sind die Faktoren gesät, die zu teilweise erheblichen Fehlern in der Positionsbestimmung führen und folglich die Aussagekraft der jeweiligen Applikationen reduzieren. Da GPS-Technologie heute eine zentrale Rol- le in der Erfassung räumlicher Daten spielt, ist eine Vielzahl von GIS-An- wendungen hiervon betroffen. Einflüsse auf satellitengestützte Positionsbestimmung Geräte mit satellitenbasierten Systemen (GPS, GLONASS, Galileo und andere) leiten ihre Geoposition aus Messungen der Signallaufzeit meh- rerer Satelliten zum Empfänger auf der Erdoberfläche per Trilateration ab. Mit der exakt bekannten Position der Satelliten relativ zur Erde sind auf diese Weise – zumindest in der Theorie – eindeutige Positionsbe- stimmungen möglich. In der Praxis bewegen sich die Positionsunsicher- heiten mit herkömmlichen GPS-Systemen jedoch nicht selten im Be- reich von mehreren Metern. Dem Nutzer zeigt sich dies beispielsweise in lageungenauen Bewegungspfaden und Standorten, die sich mal eben auf der falschen Strassenseite befinden, oder durch eine Lokali- sierung auf anstatt vor einem Gebäude. Doch wie kommen diese Feh- ler zustande? Das Satellitensignal unterliegt auf seinem Weg vom Satelliten mit einer Bahnhöhe von rund 20‘200 Kilometern über der Erdoberfläche zum empfangenden Endgerät auf der Erde vielerlei Faktoren: Einflüsse von Gravitationskräften auf die Satelliten selbst, veränderte Ausbreitungs- geschwindigkeit und Brechung der Signale in der Tropo- und Ionosphä- re (bis in eine Höhe von rund 400 Kilometern), trotz Synchronisierung bestehende Uhrenfehler, also nicht absolut zeitsynchrone Satelliten und Empfänger, und relativistische Effekte (unterschiedlich schneller Verlauf der Zeit je nach Gravitationsfeld) summieren sich zu einem Fehler in der Positionsbestimmung von rund elf Metern. Während diese Einflussfak- toren relativ konstant und grösstenteils ortsunabhängig sind und sich so- mit durch geräteseitige Korrekturen teilweise korrigieren lassen, ist der sogenannte Multipath-Effekt stark von der unmittelbaren Umgebung des GPS-Empfängers abhängig. Der Multipath-Effekt beschreibt den Umstand, dass die Signale der GPS-Satelliten an Objekten (Gebäude- hüllen, Bäumen, Felswänden etc.) reflektiert werden und somit nicht bzw. nicht ausschliesslich entlang des direkten Wegs, sondern durch Reflexion auf mehreren Wegen (Multipath) zum Empfänger gelangen, wodurch die Signallaufzeit verfälscht wird. Diesem Effekt ist wegen seiner starken Umweltabhängigkeit kaum beizukommen, weshalb er besonders im urbanen Raum die grösste Unsicherheitsquelle für die Positionsbestimmung darstellt (» Abbildung). Steigerung der Genauigkeit durch WLAN-Antennen Im Falle von beispielsweise automobilen Navigationsgeräten sind die- se Unsicherheiten weitestgehend zu vernachlässigen. Das sich bewe- gende Objekt folgt linearen Objekten (Strassen), auf denen die be- stimmte Position mittels Map-Matching-Algorithmen korrigiert werden kann. Anders verhält es sich jedoch, wenn sich Nutzer mit ihren Gerä- ten frei im Raum bewegen und dabei keinen bestimmten Mustern fol- gen. Map-Matching wird in solchen Fällen stark erschwert, im Grunde genommen sogar verunmöglicht. Hier sind alternative bzw. ergänzen- de Methoden zur Genauigkeitssteigerung gefragt. Gerade in Innen- städten, die reich an WLAN-Hotspots in Cafés, Restaurants oder auch von Mobilfunkanbietern selbst sind, kann eine deutlich gesteigerte Po- sitionsgenauigkeit erreicht werden, indem Smartphones oder Tablet- PCs auf die Standortdaten der Hotspots zugreifen und aus der Signal- stärke ihre Entfernung ermitteln. Dies kann helfen, die fehlerbehafteten Positionen, die aus den GPS-Signalen ermittelt wurden, zu korrigieren, was mit ein Grund dafür ist, dass sich neueste Forschungsprojekte, die sich mit der Indoor-Navigation mit Mobiltelefonen beschäftigen, unter anderem auf die Möglichkeiten von WLAN-Antennen ausrichten. Irreführend kann die Anzeige der „Genauigkeit“ sein, die viele GPS- Geräte oder entsprechende Apps anzeigen. Bei diesem sogenannten Circular Error Probable (CEP) handelt es sich nicht etwa um eine Anzei- ge der maximalen Abweichung vom effektiven Standort. Der Wert gibt vielmehr wieder, innerhalb welches Radius sich 50 Prozent aller ermit- telten Punkte befinden. Hier hilft es zu wissen, dass nun rund 98,7 Pro- zent aller Punkte innerhalb des 2,55-fachen Radius liegen. Selbsttest zur Fehlerabschätzung Möchte man die Genauigkeit seines Geräts in der jeweiligen Umge- bung abschätzen, bietet es sich an, einen eindeutig zu identifizierenden Punkt (beispielsweise in einem Luftbild) zu suchen und das Gerät dort während einiger Zeit im Aufzeichnungsmodus zu positionieren. Ein Ver- gleich der aufgezeichneten Punkte und ihrer Abweichung vom echten Standort gemessen im Luftbild gibt eine relativ zuverlässige Schätzung der Standortgenauigkeit. Vorsicht ist hierbei bezüglich der Koordina- tensysteme geboten: GPS-Geräte zeichnen meist in WGS84 auf, was beim eben empfohlenen Selbsttest mit Messung aus einem Referenz- bild unbedingt zu berücksichtigen ist. Die Positionsunsicherheiten GPS-basierter Lokalisierung lassen sich wie gezeigt nicht komplett korrigieren oder ausschalten. Das Bewusstsein von der jeder Positionsangabe inhärenten Unsicherheit kann jedoch da- bei helfen, Resultate bzw. Messwerte und ihre Zuverlässigkeit abzu- schätzen. Reto Wick Esri Schweiz AG Niederlassung Zürich ++ Multipath-Effekt in der Innenstadt

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