Freitag, 18 Januar 2019 10:41

Fachvortrag: Neue Testmöglichkeiten für GPS/GNSS Mehrwegeeffekte in stark strukturierten Umgebungen

zur Verbesserung der Störfestigkeit der hochgenauen Positionierung beim autonomen Fahren

Karen von Hünerbein
Werner Lange

Lange-Electronic GmbH

Einführung

Autonomes Fahren

Beim autonomen Fahren bewegen sich Fahrzeuge von einem Ort zum anderen, ohne dass ein Mensch das Fahrzeug beeinflusst.

Es reagiert selbständig auf

  • andere Fahrzeuge
  • Menschen
  • Ampeln und Verkehrszeichen
  • Bauten, Laternenmasten oder Gleise
  • die Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer

Um dies zu gewährleisten sind eine Vielzahl von Sensoren im und am Fahrzeug installiert.

Gliederung

 

Was bringt uns das autonome Fahren?

Erhöhte Sicherheit - 94% der Unfälle haben ihre Ursache in menschlichen Fehlern (National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), 2016)

Soziale Dienste - mehr Mobilität für minderjährige, ätere, oder behinderte Bürger

Nutzbare Zeit - Jeder Fahrer verbringt pro Jahr das Äquivalent von sieben 40-Stunden-Wochen im Auto (AAAFoundation for Traffic Safety 2016)

Weniger Kosten - durch unfallfreieres und effizienteres Fahren sinken die Kosten für Versicherung und Treibstoff

Umwelt - durch Mehrfachnutzung können Parkplätze und Neuproduktionen eingespart werden

 

ADAS Advanced Driver Assistance System

  • Elektronische Assistenz
  • Unterstützt den Fahrer
    • Kollisionsvermeidung
    • Spurhalteassistent
    • Park-Assistent
    • Abstand zu Wänden und anderen Fahrzeugen
  • Viele verschiedene Sensoren
    • Ultraschall
    • LIDAR
    • Kamera
    • RADAR
    • GNSS (z.B. GPS)
  • Algorithmen - Kombination aus:
    • 3-D Bildern von Mehrfach Lasern bei 1064 nm
    • Kanten-Detektionsalgorithmen
    • Bewegungs-Detektionsalgorithmen
    • Tracking Algorithmen

 

 

Störfaktoren für GPS/GNSS

KvH Nov 2018 Multipath GNSS Vulnerabilities

Satellitennavigationssignale sind empfindlich für Störungen.

Die Erkennung und Eindämmung der Störungen ist wichtig für die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Signale.

Typische Störungen:

  • Spoofing (das absichtliche Verbreiten von falschen Satelliten-Navigationssignalen)
  • Signalstörungen durch stark überdeckende Störsignale, absichtlich oder unabsichtlich
  • GNSS Datenfehler (fehlerhafte Upload Daten oder fehlerhafte Satelliten)
  • Atmospherische Störungen durch Sonnenphänomene oder Szintillation
  • Cyber Attaken
  • Multipath Störungen - Störungen durch Signalspiegelungen an Flächen: Mehrwegeeffekt

 

Mehrwegeeffekt

KvH Nov 2018 Multipath Mehrwegeeffekt

 

Ein Mehrwegeeffekt tritt auf, wenn das Satellitensignal durch die Umgebung gespiegelt wird.
Es treffen Signale des gleichen Satelliten mit unterschiedlichen Laufzeiten bei der Antenne ein.

 

Vergleich Simulation und Record&Replay

Simulation:   Record & Replay:
 Künstliches Erzeugen von möglichst repräsentativen GPS/GNSS Signalen. Aufzeichnen von GPS/GNSS Signalen
Auf einer Zwischenfrequenz speichern
So wie sie auch sonst beim Empfänger ankommen: Wiederabspielen im Labor:

 
  • Volle Kontrolle über die Signale
  • Wiederholbarkeit
  • Realistische Signalumgebung
  • Wiederholbare Tests

 GSS7000 1

z.B. GSS7000 mit SimGEN

 GSS6450 neu

GSS6450 Record & Replay

 Satelliten Signalsimulatoren erzeugen echte RF Signale

  • Originaldaten der Original Satelliten
  • Doppler Frequenzen entsprechen Satellitenbahn und - geschwindigkeit
  • WAAS, MSAS und EGNOS,
    GPS, Galileo, GLONASS, Beidou,
    IRNSS und QZSS Satelliten
  • Fahrzeugspezifische 3D-Trajektorien mit
    6 Freiheitsgrade inklusive Drehwinkeln:
    rollen, stampfen, gieren
  • Es fehlten bisher:
    realistisches Multipathmodell,
    3D Umgebung und
    Verkehrsmodell

KvH Nov 2018 Multipath Bildschirm

 

Gesamtüberblick Simulation

KvH Nov 2018 Multipath Simulationsueberblick

Ein komplettes Simulationssystem beinhaltet:

  • einen Traffic Simulator
  • einen Fahrsimulator
  • einen Network Simulator für GNSS, IMU, Radar, Lidar, Kamera, WiFi und ähnliche Signale
  • und eine Software, die das Scenario erstellt, z.B. Sim3D

 

Simulation der Fahrzeugbewegung

 KvH Nov 2018 Multipath Fahrzeugbewegung

Quellen für die Simulation der Fahrzeugbewegung mit Spirent:

  • SimGEN Intertila Models
  • SimROUTE / Google Maps
  • Aufgezeichnete GNSS oder Bewegungsdaten (NMEA, GPS)
  • Simulationssoftware von Drittanbietern

 

Simulieren von Multipath-Umgebungseffekten mit Sim3D

GNSS Simulator und Software Sim3D / SE-NAV

  • SimGEN®: GNSS Simulation und Fahrzeugtrajektorie
  • SE-NAV modelliert GNSS Signalausbreitung:
    • Abschattung,
    • Mehrwegeeffekte (Raytracing)
    • Diffraktion
  • Ein TCP/UDP Interface zur Echtzeitkommunikation zwischen Sim3D und SimGEN

KvH Nov 2018 Multipath Sim3D SENav

 

 Umgebung des Fahrzeugs

KvH Nov 2018 Multipath Umgebung Fahrzeug

 

Ein 3D-Model wird von einer Simulationssoftware wie IPG, AirSim oder dSPACE erstellt und in Sim3D importiert um eine realistischere Signalumgebung zu erzeugen:

  • Mehrwegeeffekte
  • Signalabdeckung
  • unterschiedliche Oberflächenmaterialien

 

Simulation des Umgebungsverkehrs

KvH Nov 2018 Multipath Umgebungsverkehr

 

Simulieren von Multipath-Umgebungseffekten

Neue Funktionen Sim3D / SE-Nav

  • Viele fertige 3-D Umgebungen verfügbar
  • 10 Hz Echtzeit Updaterate
  • Umgebungsobjekte
    • Fahrzeuge
    • Sich bewegende Personen
    • Bäume
  • Signale von Low Earth Orbit Satelliten
  • Antennen 3 D Modellierung inklusive Polarisation

 

Datastreaming von Fahrzeugdaten


Datastreaming in Echtzeit nach CANoe:
Raddrehpulse, Fahrtrichtung, Gyroskopdaten, und Daten von Beschleunigungssensoren können auf den automobilen Bus ausgegeben werden

KvH Nov 2018 Multipath Datastreaming

 

GSS6450 Record und Replay System

GSS6450 neu

  • Alle GNSS Konstellationen im L-band
  • Zusätzlich WiFi und LTE
  • Bis zu 16 bit Digitalisierungstiefe
  • Synchrones Aufzeichnen von
    • CAN Bus
    • IMU
    • RTCM
  • Asynchrones Aufzeichnen von Video und Audio

3 RF Eingänge

Frequenzbereiche

  • RF1
    insges. max. vier Kanäle GNSS Signale oder Signale von RF2 und RF3
  • RF2
    Frequenzbereich 690 – 2400 MHz LTE
  • RF3
    Frequenzbereich 100 – 6000 MHz WiFi

Kanäle und Bandbreiten

RF1- max. 4 Kanäle (10, 30, 50, 60, 80MHz)
RF2- max. 4 Kanäle (10, 30, 50, 60, 80MHz)
RF3- 1 Kanal bis zu 80 MHz.

 

GSS6450 Record & Playback Vorteile

Record/Playback ermöglicht das Aufzeichnen von realistischen Signalumgebungen

GNSS Signale + Zusatzsensoren

  • Sraßenschluchten
    Mit wenigen direkten Line of Sight Signalen und vielen Mehrwegesignalen
  • Im Tunnel
    Ausfall von GNSS,
    Zusatzsensoren und Map Matching
  • Fahrt auf parallel verlaufenden Straßen

 

Gemeinsames Erfassen vieler Sensoren

KvH Nov 2018 Multipath GSS6450 Signaleingaenge

Das GSS6450 Record & Playback System zeichnet nicht nur die GNSS Signale auf, sondern auch Daten von Sensoren oder IMU, Video und Audio Daten, Daten aus dem Fahrzeug CANbus oder WiFi Daten.

 

Was passiert beim Record und Replay?

Herunterkonvertieren der hohen Frequenz auf Zwischenfrequenz

Digititalisieren der Signale mit 4, 8 oder 16 Bits

Speichern der Signaldaten auf der Zwischenfrequenz

Externe Daten können synchron mit abgespeichert werden

INS und IMU Daten können mitgespeichert werrden

Beim Replay wird dieser Prozess umgekehrt

 

GSS6450 Zusatzfunktionen

  • 8 Kanäle für synchrones Aufzeichnen
  • Interner GNSS Empfänger
    • speichern von NMEA Daten
  • Interner Spektrum Analyzer
    • Ansicht von Interferenzsignalen
  • Internes Schnelles CAN Bus Interface
  • Mehrere Optionen für Ausgangsverstärkung:
    • 0, +10 dB, +20 dB
  • AGC (automatic gain control) On oder Off

KvH Nov 2018 Multipath GSS6450 Zusatzfunktionen

Zusammenfassung

  • immer mehr verschiedene Sensoren zum autonomem Fahren
  • Mehrwegeeffekte und andere Störsignale können die GPS/GNSS Genauigkeit erheblich beeinträchtigen
  • Neues, erweitertes Hardware in the Loop System mit Raytracing basierter Multipath Test SW, Umgebungs-, Verkehrs- und Trajektoriensimulation
  • Erlaubt wesentlich realistischere Multipath-Berechnungen/Simulation
  • Das Record und Replay Test System erlaubt den Test mehrerer Sensoren und zeichnet alle Mehrwegeeffekte mit auf

  • Gründliche Validierung verringert Störanfälligkeit

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