Leibniz Universität Hannover Main Leibniz University Website
Structural Engineering
Water and Environmental Engineering
Geodesy and Geoinformatics
Further facilities
 
StudiesCourses at the FacultyGeodesy and GeoinformaticsGeowerkstatt
GeoWerkstatt-Projekt des Monats Februar 2020 – GNSS in der Stadt

GNSS in der Stadt — verdeckte Signale erkennen und rekonstruieren

GeoWerkstatt-Projekt des Monats Februar 2020

Projekt: GNSS in der Stadt — verdeckte Signale erkennen und rekonstruieren

Forscherin: Lucy Icking

Projektidee: Mit einem 3D-Gebäudemodell die Satellitensituation in Innenstädten untersuchen

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) — etwa GPS — sind sehr nützliche und zuverlässige Helfer, um die eigene Position herauszufinden. Um die Erde kreisende Satelliten senden Signale in Richtung Erde, wo sie mittlerweile jeder Smartphone-Nutzer zur Navigation empfangen kann.

© IFE
Abb. 1: Sichtlinien zu von Gebäuden verdeckten Satelliten (rot) und frei sichtbaren Satelliten (grün) am Beispiel der Simrockstraße in der Hannoveraner Südstadt. Durch die Straßenschlucht wird ein Großteil der Satelliten verdeckt.

Allerdings gibt es für GNSS einen Haken: Um eine Position zu bestimmen, müssen immer mindestens vier Satellitensignale empfangen werden, je mehr desto besser. Innenstädte stellen somit ein Problem dar, denn die Häuser verdecken viele Satelliten (siehe Abb. 1). Deren Signale werden dann entweder abgelenkt oder kommen gar nicht an, was beides schlecht ist für eine gute Positionsbestimmung.

Wie sich solche verdeckten Signale erkennen und rekonstruieren lassen, hat eine Geodäsie-Studentin im Rahmen einer Masterarbeit untersucht: Mithilfe eines 3D-Stadtmodells ermittelte die Studentin, ob ein Satellit durch die Häuserschlucht frei sichtbar ist oder nicht. So ist es zum einen möglich, die Signalqualität einzuschätzen. Zum anderen kann damit eine Karte erzeugt werden, die Informationen über die Satellitensichtbarkeit in der Stadt gibt (siehe Abb. 2).

Um den Ansatz zu prüfen, wurden in der Hannoveraner Südstadt mehrmals entlang einer Route GNSS-Signale aufgenommen, die anschließend auf Sichtbarkeit überprüft wurden. Wie erwartet lieferten die verdeckten Satelliten eine geringere Signalqualität und hohe Abweichungen gegenüber der korrekten Signalstrecke, während die als direkt sichtbar detektierten Satelliten gute Qualitäten boten.

© IFE
Abb. 2: Satellitensichtbarkeiten in der Kniestraße Hannover. Rote Stellen zeigen an, wo eine Positionierung mit GPS schwierig bis unmöglich ist.

Doch wie findet das Signal eines verdeckten Satelliten seinen Weg zum Empfänger (Receiver)? Es liegt nahe, dass das Signal in einer Häuserschlucht über Reflexionen an den Gebäuden weitergeleitet wird. Mit Hilfe mathematischer Berechnungen ließ sich der Weg der verdeckten Signale teilweise rekonstruieren. Die berechnete Wegstrecke über eine Gebäudereflexion stimmte an vielen Zeitpunkten, sogenannten Epochen, mit der beobachteten Strecke überein (siehe Abb. 3). Allerdings war dies nicht immer der Fall: An manchen Stellen war das 3D-Stadtmodell einfach nicht genau genug, um eine Reflexion zu belegen.

Insgesamt zeigt das Projekt jedoch, wie man mit genauen Informationen über die Umgebung GNSS-Messungen besser einschätzen und damit in Innenstädten zuverlässigere Ergebnisse bei der Positionierung erzielen kann.

© IFE
Abb. 3: Vergleich der Signalstreckenfehler (blaue Linie) mit der berechneten Umweglänge durch Reflexion (rote Kreise). Beide stimmen auf den Meter genau überein, die Umweglängen erklären aber nicht alle Fehler. Beispiel des Satelliten G25. Die Umweglänge ist die Länge, die noch zur direkten Weglänge dazukommt, um die gesamte Wegstrecke eines reflektierten Signals zu erhalten.