Zuletzt ge\u00e4ndert am 17.04.2022<\/p>\n
Zum Aufzeichnen von GPS-Touren als Fu\u00dfg\u00e4nger befindet sich das GPS-Ger\u00e4t – der Logger, das Smartphone – in der Tasche eines Kleidungsst\u00fccks, am Arm des Fu\u00dfg\u00e4ngers oder in dessen Rucksack. Dabei k\u00f6nnen der menschliche K\u00f6rper und selbst K\u00f6rperteile als abschattendes Hindernis f\u00fcr einen oder mehrere Satelliten wirken, allein oder zus\u00e4tzlich zu den in der Umgebung vorhandenen Hindernissen – mit "r\u00e4umlich engen" geometrischen Gegebenheiten. <\/p>\n
<\/a>Charakterisierung der Empfangsbedingungen beim GPS-Empfang als Fu\u00dfg\u00e4nger <\/p>\n Allgemein kann zur Charakterisierung von Empfangsbedingungen beim GPS-Empfang als Fu\u00dfg\u00e4nger grob zwischen<\/p>\n unterschieden werden.<\/p>\n Gute Empfangsbedingungen der GPS-Signale <\/p>\n sind bei f\u00fcr das GPS-Ger\u00e4t weitaus offenem Himmel zu erwarten, wobei aber dennoch die Beteiligung von Mehrwegesignalen am Empfangssignal die Regel ist.<\/p>\n In einer Empfangssituation mit<\/p>\n eingeschr\u00e4nkten Empfangsbedingungen <\/p>\n gelangen an die Empfangsantenne stark geschw\u00e4chte Satellitensignale. Derart eingeschr\u00e4nkte Empfangsbedingungen herrschen beispielsweise in Innenr\u00e4umen (f\u00fcr das Loggen bekanntlich meist ungeeignet, auch obwohl Fu\u00dfg\u00e4ngern nicht selten der brauchbare Betrieb ihres Loggers versprochen wird). <\/p>\n Hier lassen sich zwei hinsichtlich der Empfangsbedingungen wesentlich unterschiedliche Bereiche unterscheiden:<\/p>\n <\/a>Die \nMit 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 W\u00e4nden verdeckt – und es ist der \u00dcbergang <\/a>Auch im Wald treffen die eingeschr\u00e4nkten Empfangsbedingungen zu. Dort kommt es zu Umwegen verbunden mit D\u00e4mpfung der Satellitensignale infolge von Reflexion an St\u00e4mmen und \u00c4sten<\/em> sowie von Beugung an \u00c4sten und Zweigen<\/em>, beides auch an Nadeln und ggf. Laub sowie in mehrfacher Wiederholung. F\u00fcr diese Umwege sind die Vielzahl charakteristisch und die relativ rasch erfolgenden zuf\u00e4lligen Ver\u00e4nderungen als Folge der Bewegung im Wind und der stetigen Ortsver\u00e4nderungen der Satelliten und des Fu\u00dfg\u00e4ngers mit der Loggerantenne. Hinzukommt zum einen, dass der Hindurchtritt durch Nadeln (ganzj\u00e4hrig) und Laub (w\u00e4hrend der Vegetationsperiode), besonders ausgepr\u00e4gt bei Regen, eine ebenfalls den raschen Bewegungen unterworfene st\u00e4ndig schwankende (Transmissions-)D\u00e4mpfung direkter Signale oder auch teils bereits mehr oder weniger ged\u00e4mpfter Umwegsignale verursacht und zum anderen, dass auch Interferenzen zwischen den vielen im Resultat unterschiedlich verz\u00f6gerten und ged\u00e4mpften Signalbeitr\u00e4gen Pegel- und Phasen\u00e4nderungen der Signale der empfangenen Satelliten zurfolge haben.<\/p>\n Schwierige Empfangsbedingungen<\/span><\/p>\n werden beispielsweise in einer Umgebung vorgefunden, in der der Logger weitgehend von Erhebungen (Geb\u00e4ude, geneigtes Gel\u00e4nde) umgeben ist, an denen die GPS-Signale mit einem eigentlich f\u00fcr die Positionsbestimmung ausreichenden Signal-\/Rauschabstand reflektiert werden, die direkten Wege jedoch unterbrochen sind.<\/p>\n <\/a>Typische Empfangssituationen beim Loggen als Fu\u00dfg\u00e4nger<\/p>\n Als besonders oft anzutreffende typische Empfangssituationen bei der Benutzung eines GPS-Loggers durch Fu\u00dfg\u00e4nger seien hier betrachtet:<\/p>\n <\/a>Logger unmittelbar am K\u00f6rper <\/p>\n Die Empfangssitiuation eines GPS-Loggers unmittelbar am K\u00f6rper ist den eingeschr\u00e4nkten Empfangsbedingungen zuzuordnen. Bei den Signalbeitr\u00e4gen eines abgeschatteten Satelliten, die die Logger-Antenne dennoch erreichen k\u00f6nnen, ist von zwei Arten auszugehen: <\/p>\n Hinzu kommen der <\/p>\n und die <\/p>\n Signal-Durchtritt <\/p>\n Der menschliche K\u00f6rper und selbst K\u00f6rperteile k\u00f6nnen als Hindernis wirken, allein oder zus\u00e4tzlich zu den in der Umgebung vorhandenen Hindernissen. <\/p>\n In [ITU_681-10<\/a>], Seite 13, sind im Bild 8 (nicht im Bild 5, wie im zugeh\u00f6rigen Text auf Seite 9 angegeben) orientierende relative Pegelmesswerte f\u00fcr verschiedene Positionen einer Empfangsantenne (Helix, Abstand 5 cm) in H\u00f6he des Sch\u00e4deldachs einer Person in Abh\u00e4ngigkeit vom Azimutwinkel zur Satellitenposition (Elevation 32\u00b0) wiedergegeben. Innerhalb von 180\u00b0 +\/-30\u00b0 war das 1,5-GHz-Signal des verdeckten Satelliten gegen\u00fcber dem LOS-Pegel um mindestens 5 dB ged\u00e4mpft. <\/p>\n Tiefer am Kopf oder hinter ausgedehnteren K\u00f6rperregionen w\u00fcrden die Werte sicherlich gr\u00f6\u00dfer ausfallen. Ein Hinweis auf die zu erwartende Signald\u00e4mpfung ergibt sich aus dem Ma\u00df der Eindringtiefe – der Strecke, bei deren Durchlaufen in einem Medium das Signal eine D\u00e4mpfung um 8,9 dB erf\u00e4hrt. Wie der Grafik in EMF-Portal – Effekte bei Funksignalen<\/a> zu entnehmen ist, liegt diese bei der L1-Frequenz f\u00fcr Muskeln bei 1 cm, f\u00fcr Fettgewebe bei 8 cm. Hinter dem K\u00f6rper f\u00e4llt somit der Beitrag des direkten Satellitensignals aus. <\/p>\n \u00dcber umfassende Messreihen, bei denen der GPS-Empfang (simultan) von an acht verschiedenen Positionen am K\u00f6rper der Testperson platzierten Antennen mit einer in H\u00f6he der Sch\u00e4deldecke befindlichen Referenz-Antenne (s\u00e4mtlich aktiv) verglichen wurde, wird in [Bancroft 2O1O<\/a>] berichtet. Untersucht wurden u. a. Pegel-, SNR-Werte, Positions-Fehler. Wegen der Verschiedenartigkeit der Signalver\u00e4nderungen in den untersuchten Empfangsumgebungen (offener Himmel, Allee, Stra\u00dfenschlucht, Innenraum \/Sporthalle\/) ergab sich hinsichtlich der gefundenen Beeintr\u00e4chtigungen keine einheitliche Vorzugsposition. <\/p>\n Signal-Beugung <\/p>\n Die bekannten Eigenschaften der Beugung an der "scharfen Kante" aus gut leitf\u00e4higem Material lassen sich kaum auf das Beugungsverhalten an gew\u00f6lbten Au\u00dfenbereichen eines ohnehin h\u00f6chstens einige Wellenl\u00e4ngen ausgedehnten Hindernisses aus wenig leitf\u00e4higem Material \u00fcbertragen. <\/p>\n Aufgrund der engen geometrischen Gegebenheiten – kleine Entfernung<\/em> des Loggers zum "Hindernis", somit geringf\u00fcgige<\/em> Verz\u00f6gerungen; gro\u00dfe \u00dcberstandswinkel<\/em> \u00fcber der Sichtlinie – nur kleine<\/em> verbleibende Pegel der Umwegsignale – d\u00fcrften etwaige infolge Beugung entstehende Anteile im Loggerbetrieb belanglos sein. <\/p>\n Fazit: In [Bancroft 2O11<\/a>] wird der ung\u00fcnstige<\/p>\n Einfluss des K\u00f6rpers auf die Empfangseigenschaften der Antenne von GPS-Loggern <\/p>\n selbst herausgearbeitet. Dem Ansatz liegt zugrunde <\/p>\n Das Ma\u00df f\u00fcr die Beeintr\u00e4chtigung ist die Absenkung des SNR-Werts gegen\u00fcber dem mit frei im Raum aufgestellter Antenne gemessenen Wert. Mit Blick auf GPS-Logger<\/em> interessieren besonders die mit einer Patchantenne (25 x 25 mm2<\/sup>) gefundenen Werte. Die Einbu\u00dfen k\u00f6nnen – abh\u00e4ngig vom Abstand zur Nachbildung und der Satellitenposition – zwischen 8 und 15 dB erreichen. <\/p>\n Auswirkungen des Fehlens einer korrekten Ausrichtung der Antenne <\/p>\n Auch wenn die Hersteller um gute Parameter ihrer Antenne wie eine optimierte Richtcharakteristik und eine wirksame Polarisationsentkopplung bem\u00fcht sind: Bei der Benutzung durch einen Fu\u00dfg\u00e4nger ist es un\u00fcblich, praktisch zumeist kaum m\u00f6glich, die Oberseite des GPS-Loggers nach oben und horizontal auszurichten. Im besten Fall l\u00e4sst sich erreichen, dass sie frei von Behinderungen durch Gegenst\u00e4nde vom K\u00f6rper weg zeigt. <\/p>\n Die Beeintr\u00e4chtigungen k\u00f6nnen u. a. als zunehmende "Unruhe" im aufgezeichneten Verlauf oder auch "nur" als vergr\u00f6\u00dferte einseitige Verlagerungen in der Gr\u00f6\u00dfenordnung der Fehler bei korrekter Ausrichtung in Erscheinung treten. Zahlenangaben zu den Beeintr\u00e4chtigungen dieser Art sind kaum m\u00f6glich, zumal von einer erheblichen Abh\u00e4ngigkeit von der Empfangssituation in der Umgebung des Fu\u00dfg\u00e4ngers auszugehen sein wirdAnm2<\/b><\/sup><\/a>. <\/p>\n \n <\/a>Reflexionen am nahen Boden treffen den Logger <\/p>\n Auch am horizontalen Boden, somit \u00fcblicherweise in unmittelbarer N\u00e4he des GPS-Loggers, nimmt ein zu Fu\u00df transportiertes Ger\u00e4t reflektierte Signale auf. Eben aufgrund der N\u00e4he liegen aber die Reflexionspunkte um so enger am Fu\u00dfpunkt des GPS-Empf\u00e4ngers, je h\u00f6her \u00fcber dem Horizont sich der betreffende Satellit gerade befindet. Um so kleiner sind somit die entstehenden Umwege – so klein, dass die daraus resultierenden Fehlerbeitr\u00e4ge gegen\u00fcber den anderen bei einem mobil betriebenen GPS-Logger beteiligten Fehlerquellen nicht besonders ins Gewicht fallen.<\/p>\n <\/a>Logger-Betrieb im Fahrzeuginneren <\/p>\n F\u00fcr das Innere von Fahrzeugen kann man oft davon ausgehen, dass<\/p>\n Wenn au\u00dferdem<\/p>\n wird die Signalstruktur im Inneren – abgesehen von der sich einstellenden D\u00e4mpfung – weitgehend der au\u00dferhalb des Fahrzeugs entsprechen und der Einfluss auch der hier entstehenden – f\u00fcr alle Satelliten etwa einheitlichen – Umwege auf die gefundene 3D-Position des Fahrzeugs vernachl\u00e4ssigbar bleiben.<\/p>\n Anmerkung: Im Gegenteil – erfahrungsgem\u00e4\u00df erm\u00f6glichen 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. Unabh\u00e4ngig davon kann dennoch die Undurchl\u00e4ssigkeit oberfl\u00e4chenbehandelter Scheiben f\u00fcr 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 erw\u00e4hnt, mehr oder weniger einheitlich auf den gesamten Innenraum verteilen, f\u00fcr eine ausreichende Energiedichte an einer dort befindlichen Logger-Antenne zu schwach sind.<\/p>\n An dieser Stelle nur als Erw\u00e4hnung, d. h. ohne Bewertung, ein paar Zahlenwerte, die beim Verhalten des GPS-Moduls eine Rolle spielen k\u00f6nnten: Bei einem Tempo von 6 km\/h werden in jeder Sekunde 8,75 Wellenl\u00e4ngen der L1-GPS-Frequenz (1575,42 MHz) zur\u00fcckgelegt. Dem entsprechend tr\u00e4gt der Fu\u00dfg\u00e4nger aufgrund des Dopplereffekts durch eine Fortbewegung mit diesem Tempo mit (jeweils unterschiedlich) bis zu 8,75 Hz zu den bereits bei ruhendem Empf\u00e4nger bestehenden Frequenz\u00e4nderungen der eintreffenden GPS-Signale bei bzw. mit ca. 3 \u00b0 zur zugeh\u00f6rigen Phasen\u00e4nderung der empfangenen Signale w\u00e4hrend einer einzelnen Durchlaufdauer (1 ms) der PRN-Code-Sequenzen. Bei Fahrzeugen bewegen sich die entsprechenden Werte im Bereich des 10- bis 200-fachen.\n<\/p>\n Anmerkungen<\/p>\n <\/a>Anm1<\/sup><\/strong> Eine kompakte, gut \u00fcberschaubare, auszugsweise, auf die Frequenzlage des GPS-L-Bandes zugeschnittene Zusammenstellung findet sich in Tabelle 7, Seiten 35 bis 36 von [Strang 2OO8<\/a>]. <\/p>\n <\/a>Anm2<\/sup><\/strong> Im Unterschied zu GPS-Loggern, bei denen Anwendungen mit korrekter Ausrichtung m\u00f6glich bleiben sollten, werden f\u00fcr anderweitige Einsatzgebiete bereits GPS-Antennen wie hier<\/a> angeboten – in Ausf\u00fchrung als SMD-Chip, L\u00e4nge 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. <\/p>\n Verweise <\/p>\n <\/a>[Jost 2O13] Jost, Th.: Satellite-to-Indoor Wave Propagation for Positioning Applications. Ph. D. Diss. Universit\u00e4t Vigo, Spanien, 2O13. <\/p>\n <\/a>[Stone 1997] Stone, W. C.: Electromagnetic Signal Attenuation in Construction Materials, NIST Construction Automation Program, Report No. 3, Oct. 1997 Web-Link<\/a><\/p>\n <\/a>[ITU_681-10] Recommendation ITU-R P.681-10, \u201cPropagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems\u201d, 2O16 – Download-Link: https:\/\/www.itu.int\/dms_pubrec\/itu-r\/rec\/p\/R-REC-P.681-11-201908-I!!PDF-E.pdf<\/a><\/p>\n <\/a>[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 – <\/a>[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)<\/a> \/ PDF-Link<\/a> <\/p>\n <\/a>[Strang 2OO8] T. Strang, F. Schubert, S. Th\u00f6lert, R. Oberweis, u. a.: Lokalisierungsverfahren. Deutsches Zentrum f\u00fcr Luft- und Raumfahrt (DLR), Wessling, 2OO8 – Web-Link (PDF)<\/a><\/p>\n\n
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Empfangssituation unmittelbar am Fenster<\/em>
entspricht der an der dortigen \u00e4u\u00dferen Geb\u00e4udewand: Die von da aus sichtbaren Satelliten – wegen der Sichtverh\u00e4ltnisse vor einer Wand durchschnittlich etwa die H\u00e4lfte der "Sat in View": der \u00fcber dem Horizont befindlichen Satelliten – erscheinen mit den f\u00fcr direkte Sicht \u00fcblichen Pegeln, der Rest (NLOS-Situation \/Non LOS\/) mit von gegen\u00fcber dem Geb\u00e4ude vorhandenen reflektierenden Objekten abh\u00e4ngigen abgesenkten Pegeln bzw. gegen\u00fcber LOS vergr\u00f6\u00dferten Signalverz\u00f6gerungen.<\/p>\n
zur
<\/a>Empfangssituation im Raum-Inneren<\/em>
zu beobachten. Hier ist bei gegen\u00fcber LOS deutlich abgesenkten Pegeln eine weitgehend einheitliche Verteilung der Empfangsgegebenheiten mit innerhalb des Raumes jedoch stark ausgepr\u00e4gter kleinr\u00e4umiger Ortsabh\u00e4ngigkeit der lokalen Intensit\u00e4ts-Werte anzutreffen: Die durch Fenster\u00f6ffnungen in den Innenraum gelangenden Signale jedes der Satelliten ”verteilen” sich dort \u00fcber vielf\u00e4ltige Reflexionen an den W\u00e4nden und Gegenst\u00e4nden relativ gleichartig ([Jost 2O13]<\/a>: Bild 5.6 \/S. 42\/ mit dem Pegelverlauf der Messfahrt in einem Innenraum; f\u00fcr das Signal des mit einer Sendeantenne in 43 m H\u00f6he simulierte GPS-Satellit ist der Verlauf des L-Band \/blau\/ relevant). Damit k\u00f6nnen bei gegen\u00fcber kleineren Fensterfl\u00e4chen gro\u00dfen Au\u00dfenwand-Fl\u00e4chen die direkt durch diese hinzutretenden Signalbeitr\u00e4ge – abh\u00e4ngig von Material und Aufbau der Wand – an Bedeutung gewinnen ([Stone 1997]<\/a>Anm1<\/b><\/sup><\/a>). Oft w\u00fcrde selbst der im Innenraum abgesenkte Signal-Pegel<\/em> eine Ortsbestimmung noch erm\u00f6glichen. Dagegen resultieren jedoch aus den ebenfalls mit dem Ort und der Zeit ver\u00e4nderlichen vielf\u00e4ltigen Reflexionen der Signale – leicht vorstellbar – ebensolche Umwege der an die Antenne gelangenden Satellitensignale mit Betr\u00e4gen bis zum Vielfachen der Raumdimensionen ([Jost 2O13]<\/a>: Bild 5.7 \/S. 43\/) und in gleicher Gr\u00f6\u00dfe verf\u00e4lschte Ortsangaben. <\/p>\n\n
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St\u00f6rend ist allein der Pegelverlust<\/em>, von dem die direkten Signale der durch den K\u00f6rper abgeschatteten Satelliten betroffen sind, denn dadurch nimmt der Einfluss der reflektierten Signalanteile zu. <\/p>\n\n
– Mittelung der den einzelnen Elevations-Werten zugeordneten SNR-Werte
aller jeweils w\u00e4hrend 24 h empfangenen Satelliten
oder auch
– eingeschr\u00e4nkte Messdauern von 60 s f\u00fcr bestimmte Elevationen. <\/li>\n<\/ul>\n\n
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Link (Artikel-Abstract) bei ION, Inc. (USA)<\/a> \/ (Juli 2O17: PDF-Link<\/strong> "http:\/\/plan.geomatics.ucalgary.ca\/papers\/gnss10_bancroft_et_all_gpsobservability_planversion.pdf" nicht mehr verf\u00fcgbar) <\/p>\n
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