Trilateration / Triangulation / Fingerprinting

Die Prinzipien zur Positionsbestimmung sind Trilateration, Triangulation und Fingerprinting. Ein gesendetes Signal verliert mit zunehmender Distanz an Stärke. In einem Meter Entfernung ist es stark, in vierzig Metern Entfernung ist es entsprechend schwächer. Das Smartphone weiß, wo sich welche Signalquelle im Raum befinden. Wenn das Smartphone die Signale von mindestens drei Quellen, beispielsweise Beacons, empfangen kann, ist es anhand der Signalstärke möglich, jeden Punkt in einem Raum genau zu bestimmen. Beispielsweise ist das Smartphone 1,8 Meter von Beacon eins entfernt, 2,1 Meter von Beacon zwei und 3,7 Meter von Beacon drei. Diese Art der Positionsbestimmung mittels Distanzmessung anhand von Signalstärken nennt man Lateration, der Effekt der abnehmenden Signalstärke, den man sich hier zu Nutze macht, wird Attenuation genannt. Bei der Einbeziehung von drei Signalgebern spricht man von Trilateration, bei einer höheren Anzahl von Signalgebern von Multilateration.

Ein weiteres bzw. zusätzliches Verfahren zur Positionsberechnung ist die Triangulation. Hierbei werden im Gegensatz zur Lateration nicht nur die Abstände zum Signalgeber, sondern auch Winkel zur Bestimmung der Position eines Objekts herangezogen. Für eine zweidimensionale Ortsbestimmung werden zwei Winkel und eine Länge benötigt. Mit Winkel – technisch „Angle of arrival“ (AoA) – ist der Winkel gemeint, in welchem das Signal auf den Empfänger trifft. Gemessen wird der Winkel anhand der Verzögerung des Signals („Time of Flight“ TOF). Die TOF misst die Zeit, die ein Signal für das Zurücklegen zwischen einem Objekt und dem Referenzpunk, der bekannten Position eines Senders, benötigt.

Eine weitere Möglichkeit der Positionsbestimmung ist das sogenannte „Fingerprinting“, das vor allem im Zusammenhang mit einer Positionsbestimmung mittels WLAN-Infrastruktur zur Anwendung kommt. Anstatt die Distanz zwischen Objekten und Referenzpunkten zu ermitteln, gleicht die Fingerprint-Technik charakteristische Übereinstimmungen von Signalen wie etwa RSSI (Received Signal Strength Indication) und MAC-Adresse (Media-Access-Control) ab. Dazu wird zunächst eine als „Karte“ fungierende Datenbank mit den Charakteristika der vorhandenen WLAN-Signale an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit erstellt. In der Regel werden von WLAN-Routern ausgestrahlte „Broadcasts“ aufgezeichnet.

Das Smartphone sendet im späteren Betrieb die innerhalb der WLAN-Infrastruktur empfangenen Signale an einen Server. Dort wird die Signalstärke mit den in der „Karte“ hinterlegten Signalstärken abgeglichen und daraufhin die Position abgeschätzt. Diese wird wiederum kontinuierlich auf das Smartphone zurückgesendet.