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Particle-Filter basierte Sensorfusion von GPS und 3GPP-LTE zur Indoor-Positionierung

Abb. 1 Messaufbau: Jeweils zwei synchronisierte Basisstationspaare (T1-T2 und T3-T4) strahlen LTE-Referenzsignale mit Bandbreiten bis zu ca. 20 MHz ab. . Abb. 2 Positionsfehler (LTE, GPS, LTE+GPS) über der Streckenlänge. .

Basierend auf der am Institut entwickelten Sensorfusionsplattform konnte erstmals die Positionierung mit GPS und LTE Signalen innerhalb von Gebäuden in Echtzeit gezeigt werden. Die Implementierung von LTE als weiterem Positionssensor beruht auf der Messung von Laufzeitdifferenzen und der Generierung von Zuverlässigkeitsinformation zur Gewichtung der aus den LTE-Signalen geschätzten Laufzeitdifferenzwerten im Vergleich zu GPS-Pseudorange-Messungen oder weiteren Sensoren (z.B. Inertialsensoren).
Abb. 1 zeigt den verwendeten Messaufbau. Jeweils zwei synchronisierte Basisstationspaare (T1-T2 und T3-T4) strahlen LTE-Referenzsignale mit Bandbreiten bis zu ca. 20 MHz ab. Eine Empfangseinheit bewegt sich ausgehend vom Eingangsbereich des Gebäudes durch einen Korridor und zwei Büroräume auf einer vorgegebenen Wegstrecke mit einer Gesamtlänge von ca. 36 m.
Abb. 2 zeigt den Positionsfehler als Differenz der berechneten Position zur tatsächlichen Position der Empfangseinheit. Aufgrund einer geringen Anzahl sichtbarer GPS Satelliten und geringer Empfangssignalleistung liefert die GPS-basierte Positionierung einen mittleren Positionsfehler von ca. 25 m. Für die LTE-basierte Positionierung steht eine ausreichende Empfangsleistung zur Verfügung, so dass mit der gegenwärtigen Implementierung im Mittel eine Genauigkeit von ca. 7 m erreicht wird. Die Fehlerquellen sind hauptsächlich Mehrwege-Signalausbreitungseffekte. Durch die Kombination von GPS und LTE zur Positionierung kann in einigen Streckenabschnitten eine weitere leichte Verbesserung erreicht werden. In einigen Abschnitten führt die Kombination jedoch wegen ungenauer Zuverlässigkeitsinformation zu einer Verschlechterung. Im den entsprechenden Streckenabschnitten werden die GPS-Pseudorange-Messungen zu optimistisch im Vergleich zu den LTE-Laufzeitdifferenz-Messungen bewertet.
Die Erstellung von genauen aber auch robusten Messsignalmodellen zur Generierung von Zuverlässigkeitsinformation ist Gegenstand derzeitiger Forschungsarbeiten am Institut.