Ortung und Positionsbestimmung mit Mobilfunk

Im Mobilfunk beruht die einfachste Art der Positionsbestimmung darauf, dass die Zelle, in der sich ein Mobilfunktelefon befindet, bekannt ist. Da ein eingeschaltetes Smartphone immer mit einer Basisstation in Verbindung steht, lässt sich die Position des Smartphones zumindest einer Mobilfunkzelle zuordnen. Für die automatische Positionsbestimmung nutzen die Mobilfunknetzbetreiber die Informationen über die Funkzelle in der sich das Smartphone befindet. Wenn eine Funkzelle mit mehreren Antennen ausgeleuchtet wird, ist sogar das Teilsegment einer Funkzelle bekannt.

Eine andere Art der Positionsbestimmung basiert auf der manuellen Eingabe des Ortes oder der Postleitzahl an dem Ort, wo man sich gerade befindet. Dieses Vorgehen ist allerdings umständlich und fehleranfällig. Vor allem dann, wenn man die nötigen Informationen erst erfragen muss.

Unterschied von Ortung und Positionsbestimmung

Gerne werden die Begriffe "Ortung" und "Positionsbestimmung" in einen Topf geworfen oder synonym verwendet. Doch es gibt einen kleinen aber feinen Unterschied. Ortung ist das, wenn jemand den Standort einer anderen Person oder eines Objektes feststellen will. Dazu ist es notwendig, dass diese Person oder das Objekt mit einem Empfänger und einem Sender ausgestattet ist. Der Empfänger stellt seine Position fest und der Sender überträgt diese Position an die suchende Person. Dabei ist es notwenig, dass ein Rückkanal vom zu suchenden Objekt oder einer Person vorhanden ist. Nur dann kann eine Ortung stattfinden.
Die Positionsbestimmung ist von der Ortung unabhängig. Eine reine Positionsbestimmung ist noch keine Ortung, wenn der Rückkanal fehlt. GPS und Galileo sind deshalb keine Ortungs-, sondern nur Positionsbestimmungssysteme. Erst wenn die Position zum Beispiel über Mobilfunk übertragen werden kann, ist eine Ortung möglich.

Mobilfunk-gestützte Positionsbestimmung und GPS

Um seine Position bestimmen zu können, muss der GPS-Empfänger die Bahndaten der Satelliten kennen. Um diese Daten im Empfänger nicht speichern zu müssen, werden die Bahndaten von den Satelliten (Almanach) ständig gesendet. Doch bis alle Daten zusammen sind vergehen über 12 Minuten. Wenn ein Empfänger sehr lange ausgeschaltet war, dann kann es einige Minuten dauern, bis er seine Position korrekt ausgeben kann.
Ein weiterer Grund für Mobilfunk-gestütztes GPS ist die geringe Akkukapazität von Handys. Bei eingeschalteter GPS-Funktion ist ein Handy-Akku sehr schnell leer.
Um die Wartezeit bis zur ersten Positionsangabe zu verkürzen und die Akkukapazität zu schonen, setzt man verschiedene Techniken ein, um den GPS-Empfängern auf die Sprünge zu helfen.
Eine Möglichkeit ist die Übermittlung des aktuellen Almanach über das Mobilfunknetz. Eine andere, die Ermittlung der groben Position über Mobilfunk-Basisstationen oder empfangbaren WLANs (z. B. Lokalisierung über die IP-Adresse des Internet-Anschlusses).

Positionsbestimmung mit Mobilfunk

Mit Hilfe von Mobilfunk kann der Standort eines eingeschalteten Mobilfunktelefons auf mehrere hundert Meter genau bestimmt werden. In Städten kann der Standort eines Smartphones auf 100 bis 500 m genau bestimmt werden. In ländlichen Gegenden erhöht sich der Radius bis auf 10 km oder mehr, was für Routenplanung und Notfall-Ortung zu ungenau ist.

  • Cell-ID-Methode (Cell-Identification) und Timing Advance (TA)
  • EOTD - Enhanced Observed Time Difference

Cell-ID-Methode (Cell-Identification) und Timing Advance (TA)

Die Positionsbestimmung erfolgt im Handy oder im Mobilfunknetz. Mit Cell-ID wird die Position über die Funk-Zelle (Cell-ID) ermittelt. Maßgebend ist die Zelle, in der das Smartphone eingebucht ist. Dieses Verfahren wird auch als Cell of Origin (CoO) oder Cell Global Identity (CGI) bezeichnet. Die Reichweite hängt vom Radius der Zelle ab und liegt zwischen 100 Metern und 30 km. Abhängig, ob städtisches oder ländliches Gebiet. Je kleiner die Zelle, desto genauer ist die Standortbestimmung. Da die Mobilfunkzellen in 3 Sektoren eingeteilt sind, lässt sich die grobe Richtung des Smartphones schätzen. Bei diesem Verfahren wird der Standort des Smartphones im HLR (Home Location Register) erfasst. Der Eintrag bleibt auch dann bestehen, wenn der Funkkontakt abgebrochen ist. Das heißt, der Netzbetreiber weiß immer, wo sich ein Mobilfunkgerät beim letzten Ausschalten befunden hat.

Timing Advanced (TA)

Werden Cell-ID und TA miteinander kombiniert, dann erhöht sich die Genauigkeit ein wenig. Der TA-Parameter (Timing Advance) ist ursprünglich für die Synchronisierung von Smartphone und Basisstation gedacht gewesen. Je höher dieser Wert ist, desto weiter weg ist das Smartphone von der Basisstation. Der TA-Parameter beeinflusst, wie schnell die Daten vom Smartphone an die Basisstation geschickt werden. Je weiter das Smartphone entfernt ist, desto früher muss es die Daten abschicken, damit sie rechtzeitig bei der Basisstation ankommen.
Der TA-Parameter kann einen Wert von 0 bis 63 annehmen. Bei 0 ist keine Zeitverschiebung erforderlich. Beim höchsten TA-Wert ist der maximal zulässig Zellradius von 34,88 km erreicht.

EOTD-Verfahren (Enhanced Observed Time Difference)

EOTD-Verfahen (Enhanced Observed Time Difference)

Mit dem EOTD-Verfahen lassen sich Smartphones genauer orten. Dabei misst das Handy die Laufzeitunterschiede der Signale von mehreren Sendern. Man spricht auch von einer Positionsbestimmung durch Messung der Ankunftszeiten.
Bei dieser Methode misst das Mobilfunkgerät die Differenz zwischen den Ankunftszeiten von bestimmten Signalen, die von mehreren Basisstationen (BTS) abgestrahlt werden. Aus den gemessenen Zeitdifferenzen lässt sich dann die Position berechnen. Die Genauigkeit der gemessenen Werte ist durch die Mehrwegausbreitung der Funksignale beschränkt. So lässt sich der Standort eines Smartphones auf bis zu 30 Metern genau bestimmen. Nachteilig ist allerdings, dass die Mobilfunkgeräte für dieses Verfahren ausgelegt sein müssen. Besser ist nur noch das satellitengestützte GPS, das die Koordinaten auf bis zu 10 Metern genau ermittelt.
Die höhere Präzision bei der Standortbestimmung führt zu höheren Kosten für den Ausbau der Netzinfrastruktur. Außerdem benötigen die Smartphones zusätzliche Hardware und leistungsfähigere Akkus. Die Geräte werden teurer und auch schwerer.
Verfahren zur Positionsbestimmung, wie EOTD machen nur Sinn, wenn Funkkontakt zu mehreren Basisstationen besteht. Doch diese Voraussetzung ist nicht überall gegeben. In vielen Gebieten außerhalb von Ballungszentren besteht häufig nur Verbindung zu einer Basisstation.

Positionsbestimmung mit WLAN

In Straßenschluchten und Gebäuden ist GPS viel zu ungenau. Deshalb kommt GPS als Wegweiser für Rettungsdienste nicht in Frage. GPS-Empfänger können die Satelliten-Signale in Gebäuden kaum empfangen. Alternativ lässt sie die Positionsbestimmung mit WLAN-Signalen verfeinern.
Damit eine Positionsbestimmung durch die Erkennung von WLAN-Netzen möglich wird, muss zuerst die Position von empfangbaren WLANs aufgezeichnet und mit einer digitalen Straßenkarte abgeglichen werden. Auf einem zentralen Server werden die WLANs und deren Koordinaten gespeichert. In großen Städten macht das Sinn, weil dort relativ viele WLANs zu finden sind.
Die erzielte Genauigkeit des Wi-Fi Positioning System (WPS) von rund 20 Metern ist zwar nicht ganz so präzise wie bei GPS, aber deutlich besser als die Funkzellenortung von Mobiltelefonen. Im Prinzip reicht es aus, seinen ungefähren Standort auf einer virtuellen Karte zu ermitteln.

A-GPS - Assisted GPS

A-GPS nutzt das Mobilfunknetz, um die Satelliten schneller zu finden. Es eignet sich insbesondere dann, wenn keine Satelliten-Signale mehr erkannt werden können. Zum Beispiel in Straßenschluchten oder Tunnels. Hier wird mit Hilfe des Mobilfunknetzes die fehlenden Positionsbestimmungsdaten ausgeglichen.
Die Mobilfunk-Basisstationen stellen die Ephimeriden der Satelliten zu Verfügung, um die Zeit zu reduzieren, die erforderlich ist, um die erste Positionsbestimmung (ttff, time-to-first-fix) zu reduzieren.
A-GPS ist ein erster Schritt zu einem Mobilfunk-gestützten GPS. Allerdings ist es sehr schwer aus dem Mobilfunknetz Ortsinformationen zu ermitteln. Und wenn es gelingt, dann sind die Ergebnisse sehr unzuverlässig. Einfacher ist es, wenn die Position durch die Koordinaten der Basisstation bestimmt werden. Doch diese Informationen sind in der Regel zu ungenau, wenn man bedenkt wie groß der Versorgungsbereich einer Basisstation sein kann.

eGPS

A-GPS funktioniert an sich sehr gut. Allerdings nur im freien Gelände. In städtischen Umgebungen oder in Gebäuden bringt auch A-GPS nichts. Wenn der Kontakt zu den Satelliten verloren gegangen ist, dann kommt ein Verfahren mit dem Namen eGPS zum Einsatz.
eGPS ermittelt die Position aus den Zeitmessungen im Netzwerk. Dazu ist aber eine Änderung in der Infrastruktur der Mobilfunknetze erforderlich.

D-GPS - Differential GPS

D-GPS oder Differential GPS ist eine Möglichkeit, um eine Genauigkeit von wenigen Zentimetern zu erreichen. D-GPS hat nicht nur den Vorteil, dass es Störungen durch atmosphärische Einflüsse ausgleicht, sondern auch die künstliche Ungenauigkeit (selective availability, SA) ausschließt.
Beim D-GPS werden Sender stationär aufgebaut, von denen der Standort bzw. die Position exakt bekannt sind. Bei der Berechnung des Standorts nimmt der GPS-Empfänger diese Sender als Referenz. Diese Referenz wird aber nur für die Korrektur verwendet. Dadurch kann man sehr leicht Fehler im Signal erkennen. Man erreicht damit eine Genauigkeit von ca. 1 - 3 Meter. Je größer die Entfernung zur Referenz-Station, desto ungenauer wird die Messung mit der Korrektur. Aber, es gibt nicht viele Referenz-Stationen. Um die Genauigkeit noch weiter zu erhöhen, setzt man auf virtuelle Referenz-Stationen. Man erreicht damit eine Genauigkeit im Zentimeter-Bereich.
Die Korrekturdaten werden zum Beispiel von manchen Radio-Sendern der ARD mit dem RDS-Signal gesendet.

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