GPS-Empfang bei der Fortbewegung als Fußgänger

Zuletzt geändert am 17.04.2022

Zum Aufzeichnen von GPS-Touren als Fußgänger befindet sich das GPS-Gerät – der Logger, das Smartphone – in der Tasche eines Kleidungsstücks, am Arm des Fußgängers oder in dessen Rucksack. Dabei können der menschliche Körper und selbst Körperteile als abschattendes Hindernis für einen oder mehrere Satelliten wirken, allein oder zusätzlich zu den in der Umgebung vorhandenen Hindernissen – mit "räumlich engen" geometrischen Gegebenheiten.

Charakterisierung der Empfangsbedingungen beim GPS-Empfang als Fußgänger

Allgemein kann zur Charakterisierung von Empfangsbedingungen beim GPS-Empfang als Fußgänger grob zwischen

  • guten,
  • eingeschränkten und
  • schwierigen Empfangsbedingungen

unterschieden werden.

Gute Empfangsbedingungen der GPS-Signale

sind bei für das GPS-Gerät weitaus offenem Himmel zu erwarten, wobei aber dennoch die Beteiligung von Mehrwegesignalen am Empfangssignal die Regel ist.

In einer Empfangssituation mit

eingeschränkten Empfangsbedingungen

gelangen an die Empfangsantenne stark geschwächte Satellitensignale. Derart eingeschränkte Empfangsbedingungen herrschen beispielsweise in Innenräumen (für das Loggen bekanntlich meist ungeeignet, auch obwohl Fußgängern nicht selten der brauchbare Betrieb ihres Loggers versprochen wird).

Hier lassen sich zwei hinsichtlich der Empfangsbedingungen wesentlich unterschiedliche Bereiche unterscheiden:

Die
Empfangssituation unmittelbar am Fenster
entspricht der an der dortigen äußeren Gebäudewand: Die von da aus sichtbaren Satelliten – wegen der Sichtverhältnisse vor einer Wand durchschnittlich etwa die Hälfte der "Sat in View": der über dem Horizont befindlichen Satelliten – erscheinen mit den für direkte Sicht üblichen Pegeln, der Rest (NLOS-Situation /Non LOS/) mit von gegenüber dem Gebäude vorhandenen reflektierenden Objekten abhängigen abgesenkten Pegeln bzw. gegenüber LOS vergrößerten Signalverzögerungen.

Mit zunehmendem Abstand vom Fenster in Richtung Innenraum sinkt die Anzahl der LOS-Satellitenpfade wie auch der NLOS-Pfade – sie werden mehr und mehr von den das Fenster umgebenden Wänden verdeckt – und es ist der Übergang
zur
Empfangssituation im Raum-Inneren
zu beobachten. Hier ist bei gegenüber LOS deutlich abgesenkten Pegeln eine weitgehend einheitliche Verteilung der Empfangsgegebenheiten mit innerhalb des Raumes jedoch stark ausgeprägter kleinräumiger Ortsabhängigkeit der lokalen Intensitäts-Werte anzutreffen: Die durch Fensteröffnungen in den Innenraum gelangenden Signale jedes der Satelliten ”verteilen” sich dort über vielfältige Reflexionen an den Wänden und Gegenständen relativ gleichartig ([Jost 2O13]: Bild 5.6 /S. 42/ mit dem Pegelverlauf der Messfahrt in einem Innenraum; für das Signal des mit einer Sendeantenne in 43 m Höhe simulierte GPS-Satellit ist der Verlauf des L-Band /blau/ relevant). Damit können bei gegenüber kleineren Fensterflächen großen Außenwand-Flächen die direkt durch diese hinzutretenden Signalbeiträge – abhängig von Material und Aufbau der Wand – an Bedeutung gewinnen ([Stone 1997]Anm1). Oft würde selbst der im Innenraum abgesenkte Signal-Pegel eine Ortsbestimmung noch ermöglichen. Dagegen resultieren jedoch aus den ebenfalls mit dem Ort und der Zeit veränderlichen vielfältigen Reflexionen der Signale – leicht vorstellbar – ebensolche Umwege der an die Antenne gelangenden Satellitensignale mit Beträgen bis zum Vielfachen der Raumdimensionen ([Jost 2O13]: Bild 5.7 /S. 43/) und in gleicher Größe verfälschte Ortsangaben.

Auch im Wald treffen die eingeschränkten Empfangsbedingungen zu. Dort kommt es zu Umwegen verbunden mit Dämpfung der Satellitensignale infolge von Reflexion an Stämmen und Ästen sowie von Beugung an Ästen und Zweigen, beides auch an Nadeln und ggf. Laub sowie in mehrfacher Wiederholung. Für diese Umwege sind die Vielzahl charakteristisch und die relativ rasch erfolgenden zufälligen Veränderungen als Folge der Bewegung im Wind und der stetigen Ortsveränderungen der Satelliten und des Fußgängers mit der Loggerantenne. Hinzukommt zum einen, dass der Hindurchtritt durch Nadeln (ganzjährig) und Laub (während der Vegetationsperiode), besonders ausgeprägt bei Regen, eine ebenfalls den raschen Bewegungen unterworfene ständig schwankende (Transmissions-)Dämpfung direkter Signale oder auch teils bereits mehr oder weniger gedämpfter Umwegsignale verursacht und zum anderen, dass auch Interferenzen zwischen den vielen im Resultat unterschiedlich verzögerten und gedämpften Signalbeiträgen Pegel- und Phasenänderungen der Signale der empfangenen Satelliten zurfolge haben.

Schwierige Empfangsbedingungen

werden beispielsweise in einer Umgebung vorgefunden, in der der Logger weitgehend von Erhebungen (Gebäude, geneigtes Gelände) umgeben ist, an denen die GPS-Signale mit einem eigentlich für die Positionsbestimmung ausreichenden Signal-/Rauschabstand reflektiert werden, die direkten Wege jedoch unterbrochen sind.

Typische Empfangssituationen beim Loggen als Fußgänger

Als besonders oft anzutreffende typische Empfangssituationen bei der Benutzung eines GPS-Loggers durch Fußgänger seien hier betrachtet:

Logger unmittelbar am Körper

Die Empfangssitiuation eines GPS-Loggers unmittelbar am Körper ist den eingeschränkten Empfangsbedingungen zuzuordnen. Bei den Signalbeiträgen eines abgeschatteten Satelliten, die die Logger-Antenne dennoch erreichen können, ist von zwei Arten auszugehen:

  • Signaldurchtritt durch Körperteile,
  • Beugung an Körperteilen,

Hinzu kommen der

  • Einfluss des Körpers auf die Empfangseigenschaften der Antenne

und die

  • Auswirkungen des Fehlens einer korrekten Ausrichtung der Antenne.

Signal-Durchtritt

Der menschliche Körper und selbst Körperteile können als Hindernis wirken, allein oder zusätzlich zu den in der Umgebung vorhandenen Hindernissen.

In [ITU_681-10], Seite 13, sind im Bild 8 (nicht im Bild 5, wie im zugehörigen Text auf Seite 9 angegeben) orientierende relative Pegelmesswerte für verschiedene Positionen einer Empfangsantenne (Helix, Abstand 5 cm) in Höhe des Schädeldachs einer Person in Abhängigkeit vom Azimutwinkel zur Satellitenposition (Elevation 32°) wiedergegeben. Innerhalb von 180° +/-30° war das 1,5-GHz-Signal des verdeckten Satelliten gegenüber dem LOS-Pegel um mindestens 5 dB gedämpft.

Tiefer am Kopf oder hinter ausgedehnteren Körperregionen würden die Werte sicherlich größer ausfallen. Ein Hinweis auf die zu erwartende Signaldämpfung ergibt sich aus dem Maß der Eindringtiefe – der Strecke, bei deren Durchlaufen in einem Medium das Signal eine Dämpfung um 8,9 dB erfährt. Wie der Grafik in EMF-Portal – Effekte bei Funksignalen zu entnehmen ist, liegt diese bei der L1-Frequenz für Muskeln bei 1 cm, für Fettgewebe bei 8 cm. Hinter dem Körper fällt somit der Beitrag des direkten Satellitensignals aus.

Über umfassende Messreihen, bei denen der GPS-Empfang (simultan) von an acht verschiedenen Positionen am Körper der Testperson platzierten Antennen mit einer in Höhe der Schädeldecke befindlichen Referenz-Antenne (sämtlich aktiv) verglichen wurde, wird in [Bancroft 2O1O] berichtet. Untersucht wurden u. a. Pegel-, SNR-Werte, Positions-Fehler. Wegen der Verschiedenartigkeit der Signalveränderungen in den untersuchten Empfangsumgebungen (offener Himmel, Allee, Straßenschlucht, Innenraum /Sporthalle/) ergab sich hinsichtlich der gefundenen Beeinträchtigungen keine einheitliche Vorzugsposition.

Signal-Beugung

Die bekannten Eigenschaften der Beugung an der "scharfen Kante" aus gut leitfähigem Material lassen sich kaum auf das Beugungsverhalten an gewölbten Außenbereichen eines ohnehin höchstens einige Wellenlängen ausgedehnten Hindernisses aus wenig leitfähigem Material übertragen.

Aufgrund der engen geometrischen Gegebenheiten – kleine Entfernung des Loggers zum "Hindernis", somit geringfügige Verzögerungen; große Überstandswinkel über der Sichtlinie – nur kleine verbleibende Pegel der Umwegsignale – dürften etwaige infolge Beugung entstehende Anteile im Loggerbetrieb belanglos sein.

Fazit:
Störend ist allein der Pegelverlust, von dem die direkten Signale der durch den Körper abgeschatteten Satelliten betroffen sind, denn dadurch nimmt der Einfluss der reflektierten Signalanteile zu.

In [Bancroft 2O11] wird der ungünstige

Einfluss des Körpers auf die Empfangseigenschaften der Antenne von GPS-Loggern

selbst herausgearbeitet. Dem Ansatz liegt zugrunde

  • Herstellung reproduzierbarer Testbedingungen durch Verwendung einer Nachbildung des menschlichen Körpers durch einen mit Salzwasser (NaCl: 7 %) gefüllten Plastic-Tank.
  • Anwendungsnahe Messwertgewinnung:
    – Mittelung der den einzelnen Elevations-Werten zugeordneten SNR-Werte
    aller jeweils während 24 h empfangenen Satelliten
    oder auch
    – eingeschränkte Messdauern von 60 s für bestimmte Elevationen.

Das Maß für die Beeinträchtigung ist die Absenkung des SNR-Werts gegenüber dem mit frei im Raum aufgestellter Antenne gemessenen Wert. Mit Blick auf GPS-Logger interessieren besonders die mit einer Patchantenne (25 x 25 mm2) gefundenen Werte. Die Einbußen können – abhängig vom Abstand zur Nachbildung und der Satellitenposition – zwischen 8 und 15 dB erreichen.

Auswirkungen des Fehlens einer korrekten Ausrichtung der Antenne

Auch wenn die Hersteller um gute Parameter ihrer Antenne wie eine optimierte Richtcharakteristik und eine wirksame Polarisationsentkopplung bemüht sind: Bei der Benutzung durch einen Fußgänger ist es unüblich, praktisch zumeist kaum möglich, die Oberseite des GPS-Loggers nach oben und horizontal auszurichten. Im besten Fall lässt sich erreichen, dass sie frei von Behinderungen durch Gegenstände vom Körper weg zeigt.

Die Beeinträchtigungen können u. a. als zunehmende "Unruhe" im aufgezeichneten Verlauf oder auch "nur" als vergrößerte einseitige Verlagerungen in der Größenordnung der Fehler bei korrekter Ausrichtung in Erscheinung treten. Zahlenangaben zu den Beeinträchtigungen dieser Art sind kaum möglich, zumal von einer erheblichen Abhängigkeit von der Empfangssituation in der Umgebung des Fußgängers auszugehen sein wirdAnm2.

Reflexionen am nahen Boden treffen den Logger

Auch am horizontalen Boden, somit üblicherweise in unmittelbarer Nähe des GPS-Loggers, nimmt ein zu Fuß transportiertes Gerät reflektierte Signale auf. Eben aufgrund der Nähe liegen aber die Reflexionspunkte um so enger am Fußpunkt des GPS-Empfängers, je höher über dem Horizont sich der betreffende Satellit gerade befindet. Um so kleiner sind somit die entstehenden Umwege – so klein, dass die daraus resultierenden Fehlerbeiträge gegenüber den anderen bei einem mobil betriebenen GPS-Logger beteiligten Fehlerquellen nicht besonders ins Gewicht fallen.

Logger-Betrieb im Fahrzeuginneren

Für das Innere von Fahrzeugen kann man oft davon ausgehen, dass

  • es weitgehend von leitendem Material umschlossen ist, das die Satellitensignale einerseits teils abschirmt, andererseits die durch Öffnungen in das Innere hineingelangenden Signalanteile dort mehrfach reflektiert.

Wenn außerdem

  • seine Abmessungen klein gegenüber den sonstigen Beiträgen zum Positionsfehler sind,

wird die Signalstruktur im Inneren – abgesehen von der sich einstellenden Dämpfung – weitgehend der außerhalb des Fahrzeugs entsprechen und der Einfluss auch der hier entstehenden – für alle Satelliten etwa einheitlichen – Umwege auf die gefundene 3D-Position des Fahrzeugs vernachlässigbar bleiben.

Anmerkung: Im Gegenteil – erfahrungsgemäß ermöglichen diese Reflexionen den Empfang im Inneren des Fahrzeugs selbst an Stellen ohne direkte Sicht zu den Satelliten, z. B. sogar unter dem Armaturenbrett des PKW. Unabhängig davon kann dennoch die Undurchlässigkeit oberflächenbehandelter Scheiben für Funkwellen problematisch sein. Dann kann es vorkommen, dass das Signal einem Logger, der sich nahe der Dichtfuge zwischen Scheibe und Karosse befindet, noch zum Loggen ausreicht, die so nach innen dringenden Signale aber aufgrund dessen, dass sie sich, wie oben erwähnt, mehr oder weniger einheitlich auf den gesamten Innenraum verteilen, für eine ausreichende Energiedichte an einer dort befindlichen Logger-Antenne zu schwach sind.

An dieser Stelle nur als Erwähnung, d. h. ohne Bewertung, ein paar Zahlenwerte, die beim Verhalten des GPS-Moduls eine Rolle spielen könnten: Bei einem Tempo von 6 km/h werden in jeder Sekunde 8,75 Wellenlängen der L1-GPS-Frequenz (1575,42 MHz) zurückgelegt. Dem entsprechend trägt der Fußgänger aufgrund des Dopplereffekts durch eine Fortbewegung mit diesem Tempo mit (jeweils unterschiedlich) bis zu 8,75 Hz zu den bereits bei ruhendem Empfänger bestehenden Frequenzänderungen der eintreffenden GPS-Signale bei bzw. mit ca. 3 ° zur zugehörigen Phasenänderung der empfangenen Signale während einer einzelnen Durchlaufdauer (1 ms) der PRN-Code-Sequenzen. Bei Fahrzeugen bewegen sich die entsprechenden Werte im Bereich des 10- bis 200-fachen.

Anmerkungen

Anm1  Eine kompakte, gut überschaubare, auszugsweise, auf die Frequenzlage des GPS-L-Bandes zugeschnittene Zusammenstellung findet sich in Tabelle 7, Seiten 35 bis 36 von [Strang 2OO8].

Anm2  Im Unterschied zu GPS-Loggern, bei denen Anwendungen mit korrekter Ausrichtung möglich bleiben sollten, werden für anderweitige Einsatzgebiete bereits GPS-Antennen wie hier angeboten – in Ausführung als SMD-Chip, Länge 5 bis 20 mm, mit einer Bandbreite, die sowohl GPS als auch GLONASS abdeckt, jedoch ausgelegt unter Verzicht auf die nur bei korrekter Ausrichtung relevante Polarisations-Entkopplung.

Verweise

[Jost 2O13] Jost, Th.: Satellite-to-Indoor Wave Propagation for Positioning Applications. Ph. D. Diss. Universität Vigo, Spanien, 2O13.

[Stone 1997] Stone, W. C.: Electromagnetic Signal Attenuation in Construction Materials, NIST Construction Automation Program, Report No. 3, Oct. 1997 Web-Link

[ITU_681-10]  Recommendation ITU-R P.681-10, “Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems”, 2O16 – Download-Link: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.681-11-201908-I!!PDF-E.pdf

[Bancroft 2O1O]  Bancroft, J.B.; Lachapelle, G.; Williams, T.; Garrett, J.: GPS Observability and Availability for Various Antenna Locations on the Human Body. Proceedings of the 23rd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2O1O), Portland, OR, September 2O1O, pp. 2941-2951 –
Link (Artikel-Abstract) bei ION, Inc. (USA) / (Juli 2O17: PDF-Link "http://plan.geomatics.ucalgary.ca/papers/gnss10_bancroft_et_all_gpsobservability_planversion.pdf" nicht mehr verfügbar)

[Bancroft 2O11] Bancroft, Jared B.; Renaudin, Valerie; Morrison, Aiden; Lachapelle, Gerard: GNSS Antenna-Human Body Interaction. Proceedings of the 24th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2O11), Portland, OR, September 2O11, pp. 3952-3958 – Link (Artikel-Abstract) / PDF-Link

[Strang 2OO8] T. Strang, F. Schubert, S. Thölert, R. Oberweis, u. a.: Lokalisierungsverfahren. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Wessling, 2OO8 – Web-Link (PDF)

Klaus Dannowski – Klaus‘ GPS-Ecke
12.12.2O12