Swarm Localization and Bearing Estimation based on Multimode Antennas
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurden funkbasierte Verfahren zur robusten Positions- und Lageschätzung eines dynamischen Schwarmsystems basierend auf Multimoden-Antennen in Umgebungen ohne externe Navigationsinfrastruktur entworfen und untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Multimoden-Antennenprototyp präzise mithilfe von zwei unterschiedlichen Ansätzen modelliert. Im Anschluss wurden die vorgeschlagenen Modelle zur Einfallswinkel-, Lage- und Polarisationsschätzung eingesetzt. Für die Genauigkeit der Schätzung wurde die Cramer-Rao-Schranke als Referenz verwendet. Weiterhin wurde der Einfluss der Parameter der entworfenen Modelle auf die Genauigkeit der Schätzung untersucht. Zusätzlich wurde die Cramer-Rao-Schranke als untere Schranke für die kooperative Positions- und Lageschätzung hergeleitet. Die hergeleiteten unteren Schranken wurden zunächst dazu genutzt, die Formation des Schwarms ideal zu gestalten. In einem weiteren Schritt wurden die Phasenzentren des Multimoden-Antennenprototypen bestimmt. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Phasenzentren auf die Genauigkeit der Einfallswinkelschätzung untersucht. Um die praktische Anwendbarkeit der Multimoden-Antennen zu demonstrieren, wurde ein Multimoden-Antennenprototyp auf einem Rover montiert und im Feldversuch eingesetzt. Anschließend wurden die entworfenen Schätzmethoden experimentell verifiziert basierend auf in realen Umgebungen gewonnenen Messdaten. Das DLR bereitet derzeit eine umfangreiche Messkampagne auf dem Mt. Ätna vor zur Simulation einer Marsexploration. In diese Messkampagne fließen die erzielten Projektergebnisse bereits jetzt ein. Weitere Anwendungen werden in zukünftigen Mobilfunk- und/oder Navigationssystemen erwartet.
Publications
- “Parametric direction-of-arrival estimation for multi-mode antennas,” in Proc. 14th IEEE Workshop on Positioning, Navigation and Communications (WPNC), Bremen, Germany, Oct. 2017
S. Alkubti Almasri, N. Doose, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.1109/WPNC.2017.8250060) - “Fundamental limits for joint relative position and orientation estimation with generic antennas,” in Proc. 26th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), Rome, Italy, Sep. 2018
R. Pöhlmann, S. Zhang, A. Dammann, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.23919/EUSIPCO.2018.8553226) - “Fundamental limits for joint relative position and orientation estimation,” in Proc. IEEE ICC 2018 Workshop, Kansas City, MO, USA, May 2018
R. Pöhlmann, S. Zhang, A. Dammann, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.1109/ICCW.2018.8403687) - “Distributed direct localization suitable for dense networks,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Jul. 2019
S. Zhang, E. Staudinger, T. Jost, W. Wang, C. Gentner, A. Dammann, H. Wymeersch, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.1109/TAES.2019.2928606) - “Modeling aspects of planar multi-mode antennas for direction-of-arrival estimation,” IEEE Sensors Journal, vol. 19, no. 12, pp. 4585–4597, Jun. 2019
S.A. Almasri, R. Pöhlmann, N. Doose, P.A. Hoeher, and A. Dammann
(See online at https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2902674) - “Multimode antenna enabled direction-of-arrival estimation for swarm navigation,” in Proc. 16th IEEE Workshop on Positioning, Navigation and Communications (WPNC ’19), Bremen, Germany, Oct. 2019
R. Pöhlmann, G. Pedregosa, S. Caizzone, E. Staudinger, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.1109/WPNC47567.2019.8970250) - “On the potential of multi-mode antennas for direction-of-arrival estimation,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 67, no. 5, pp. 3374–3386, May 2019
R. Pöhlmann, S.A. Almasri, S. Zhang, T. Jost, A. Dammann, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2899010) - “Impact of phase center displacement on direction-of-arrival estimation using multi-mode antennas,” in Proc. ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 2020), Hamburg, Germany, Feb. 2020
S.A. Almasri and P.A. Hoeher
- “Self-aware swarm navigation in autonomous exploration missions,” Proceedings of the IEEE, Mar. 2020
S. Zhang, R. P¨hlmann, T. Wiedemann, A. Dammann, H. Wymeersch, and P.A. Hoeher
(See online at https://doi.org/10.1109/JPROC.2020.2985950)
