Integrated Navigation for Underground Pedestrian Positioning combining Inertial Measurements, Radio Signals and Map Information

Der öffentliche Verkehr ist ein wichtiger Teil der Infrastruktur in Städten. Aufgrund von Platzmangel weicht dieser immer öfter auf unterirdische Alternativen aus. In Krisenfällen oder bei terroristischen Anschlägen ist es von großer Bedeutung die Position der eigenen Einsatzkräfte in dieser Infrastruktur zu kennen, um schnellstmöglich einen Einsatz koordinieren zu können. Unterirdische Nahverkehrseinrichtungen stellen hierbei eine große Herausforderung hinsichtlich Navigation dar. Aufgrund der fehlenden Global Navigation Satellite System Signale in unterirdischen Bereichen ist ein alternatives Positionssystem notwendig. In dieser Masterarbeit wird eine Methode zur Positionsbestimmung von Fußgängern in unterirdischen Tunneln realisiert. Zu Beginn wurden Ultra-Wideband und Wi-Fi auf ihre Fähigkeit zur Positionierung untersucht und verglichen. Anschließend wurde ein Partikelfilter gewählt um die Distanzmessungen mit schrittweisen Anderungen aus einem Pedestrian Dead Reckoning Algorithmus zu kombinieren. Hierzu wurde eine Inertial Measurement Unit auf den Fußen der Person montiert. Zusätzlich wird Karteninformation im Filter integriert um die Lösung weiter zu stutzen. Entsprechende Parameter
und Einschränkungen für die Messungen wurden gewählt und evaluiert. Hierzu zählen eine grobe Ausreißerdetektion, die Detektion von Non-Line of Sight Signalen und eine wiederkehrende Neuinitialisierung bei fehlerhaften Messungen. Der entwickelte Partikelfilter wurde in einem unterirdischen Szenario am Zentrum am Berg getestet. Insgesamt wurden zwölf Routen mit leicht unterschiedlichen Eigenschaften aufgezeichnet und ausgewertet. Aufgrund fehlender hochpräziser Referenz erfolgte die Auswertung hauptsächlich grafisch. Es zeigte sich, dass der Drift der Inertial Measurement Unit und Ausreißer von Ultra-Wideband im Filter gegenseitig reduziert werden.
Der horizontale Root Mean Squared Error liegt unter 1.66 m für optimale Routen. Der Fehler in der Höhenkomponente ist geringer als 0.81 m. Wenn eine geringere Anzahl an Ultra-Wideband Modulen verwendet wird, verringert sich die Genauigkeit.
Um eine weitere Verbesserung zu erzielen, wurde ein Feedback in Form von eines Coordinate Update eingeführt. Damit wird die Inertial Measurement Unit Lösung weiter gestutzt und auch die Filterlösung verbessert. Es wird ein horizontaler Root Mean Squared Error von unter 1.14 m erreicht. Im Mittel wird eine Verbesserung von 20 % erzielt.