Ray Baum Act und E911

Im März 2018 verabschiedete der US-Kongress den RAY BAUM'S Act mit dem Ziel, sicherzustellen, dass Notdienste schnell reagieren können, unabhängig davon, ob der Anrufer ein Festnetztelefon, ein Mobiltelefon, VoIP oder eine andere Technologie verwendet.  Ab 2022 hat auch die FCC (Federal Communications Commission) Leitlinien und Metriken verabschiedet, um Daten für E911-Anrufe¹ auf Etagenebene bereitzustellen. Diese Vorschriften haben zur Folge, dass Unternehmen, die Telefone, Tablets, Smartwatches und andere sprachgesteuerte Produkte herstellen, nun dazu übergehen, genauere Drucksensoren einzubauen, die Höhenänderungen durch Messung des Luftdrucks erkennen können.

Luftdruck und Höhe

Der Luftdruck steht in einem direkten Zusammenhang mit der Höhe. Einfach ausgedrückt: Je dicker die Luftmasse über uns ist, desto höher ist der Druck, der auf uns ausgeübt wird. Die Verwendung von Drucksensoren zur Bodenerkennung wird häufig mit Gebäudeautomation und Aufzugssystemen in Verbindung gebracht.

Abbildung 1: Beziehung zwischen Luftdruck und Bodenhöhe. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die Sensoren messen die Änderungen des Luftdrucks, wenn sich die Aufzüge zwischen den Stockwerken bewegen. Wenn der Aufzug nach oben fährt, sinkt der Luftdruck, da sich über dem Sensor weniger Atmosphäre befindet.

Die Herausforderungen bei der Erfüllung der neuen Anforderungen

Bei kleinen Höhenunterschieden ist die Beziehung zwischen Luftdruck und Höhe linear, wie in Abbildung 2 dargestellt. Unter idealen Bedingungen bei Raumtemperatur ändert sich der Druck um etwa 1 mbar pro 25,8 Fuß oder etwa 0,5 mbar pro Stockwerk in einem typischen Hochhaus.

Abbildung 2: Beziehung zwischen Luftdruck und Höhe. (Bildquelle: STMicroelectronics)

In der Praxis gibt es jedoch zwei Hauptprobleme bei der Verwendung von Luftdruck für die Bodenerkennung.  Erstens die Genauigkeit der Sensoren über den gesamten Betriebsbereich von Druck und Temperatur und zweitens die Kompensation von Druckschwankungen aufgrund örtlicher Bedingungen wie Wetter, Temperatur, Luftturbulenzen usw.

Sensor-Genauigkeit

In den letzten zehn Jahren hat es bei MEMS-Drucksensoren erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung der Genauigkeit und Stabilität unter allen Betriebsbedingungen gegeben.  Drucksensoren sind jetzt mit einer integrierten Temperaturkompensation ausgestattet, und die Chiphersteller haben die Kalibrierung im Werk intensiviert, um die Genauigkeit und Stabilität der Drucksensoren über Zeit und Temperatur zu verbessern.

Dies wird in Tabelle 1 deutlich, in der frühere MEMS-Drucksensoren mit dem heutigen hochmodernen Absolutdrucksensor LPS22DF verglichen werden:

Tabelle 1: Schlüsselparameter von alten zu modernen Drucksensoren.

Der LPS22DF verfügt über ein fortschrittliches MEMS-Design, das die Drift deutlich reduziert und die Erholung nach dem Löten beschleunigt. Darüber hinaus sorgt das Design des LPS22DF für Langzeitstabilität, indem es die Drift über die Zeit begrenzt. Moderne Drucksensoren wie der LPS22DF können zuverlässig Änderungen des Bodenniveaus erkennen.

Lokales Wetter

Die Wetterbedingungen, insbesondere die täglichen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, können den atmosphärischen Luftdruck erheblich beeinflussen. An einem beliebigen Tag kann sich der Luftdruck innerhalb weniger Stunden um das Äquivalent von mehreren Stockwerken verändern. Im folgenden Beispiel entspricht die Luftdruckänderung von 3 mbar einer Höhenänderung von mehr als 78 Fuß.

Abbildung 3: Stündlicher atmosphärischer Druck in New York City (4). (Bildquelle: https://barometricpressure.app/new-york)

Wetter und lokale Druckkompensation

Die Wetterkompensation erfordert eine Kalibrierung und kontinuierliche Anpassung der Druckmesswerte auf der Grundlage von Echtzeit-Atmosphärendruckdaten.

Abbildung 4: Kalibrierung und Kompensation für wechselnde Wetterbedingungen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Unternehmen wie NextNav³ bieten hochentwickelte Algorithmen und Sensorfusionstechniken an, um externe Faktoren zu kompensieren. Nextnavs Pinnacle® ist ein System, das durch die Nutzung barometrischer Sensoren eine präzise vertikale Positionierung auf „Bodenhöhe“ für Geolokalisierungsanwendungen ermöglicht.  Das Unternehmen hat außerdem eine Flotte von verwalteten Servern und Referenzstationen eingerichtet, die ganze Ballungsgebiete abdecken und eine umfassende Z-Achsen-Abdeckung in städtischen Umgebungen bieten.

Nextnav arbeitet auch daran, die Qualität und Genauigkeit von Luftdrucksensoren durch ein NextNav-Zertifizierungsprogramm zu verbessern. In Zusammenarbeit mit den Geräteherstellern entwickelt NextNav einen für das Sensormodell spezifischen Testplan und bewertet die Testergebnisse auf der Grundlage des vereinbarten Rahmens. Nach der endgültigen Zertifizierung stellt Nextnav ein Zertifizierungsschreiben aus, das die Einhaltung des NextNav-Zertifizierungsstandards belegt. Dank erheblicher Verbesserungen bei der absoluten Genauigkeit und der Architektur mit geringer Drift ist der LPS22DF der erste Drucksensor von ST, der die NextNav-Zertifizierung² erhalten hat.

Fazit

Ab 2022 müssen alle sprachfähigen Systeme die Anforderungen des RAY BAUM'S Act und der FCC erfüllen. Die Hersteller von Telefonen, Tablets, Smartwatches und anderen sprachfähigen IoT-Produkten integrieren genauere Drucksensoren, um die neuen Standards zu erfüllen. Drittunternehmen wie NextNav bieten Zertifizierungsdienste sowie Software- und Hardwarelösungen an, um die erforderliche vertikale Genauigkeit zu erreichen. Neben Diensten wie Enhanced 911 gibt es viele andere Anwendungen, die von diesen neuen Hardware- und Softwarefunktionen profitieren werden.

Referenzen

1. Bereitstellungsort für 911-Anrufe: https://www.fcc.gov/911-dispatchable-location
2. LPS22DF, der erste Drucksensor von ST, der dank seiner einzigartigen Fähigkeiten die NextNav-Zertifizierung erhält: https://blog.st.com/lps22df-nextnav/
3. NextNav fügt der Geolokalisierung neue Dimensionen hinzu: www.nextnav.com
4. Vorhersage und Historie des barometrischer Drucks in New York: https://barometricpressure.app/new-york
5. Barometrische Drucksensoren LPS001WP und LPS331AP: LPS001WP - MEMS-Drucksensor, Barometer mit absolutem Digitalausgang von 300 bis 1100 mbar - STMicroelectronics