Fundamental research towards high-precision wireless local positioning systems
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden Grundlagenuntersuchungen für die hochpräzise Indoorlokalisierung unter schwierigen Mehrwegebedingungen durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchung wurde dabei auf die akkurate Modellierung des Messprozesses gelegt, um daraus ein neuartiges in-situ Kalibrierungsverfahren abzuleiten, welches die Grundvoraussetzung für eine genaue Lokalisierung bildet. Zunächst wurde der Einfluss von Kopplungseffekten innerhalb von Antennenarrays auf die Positionen der einzelnen Antennen-Phasenzentren untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass die Kopplung ein Zusammenziehen der Phasenzentren benachbarter Antennen bewirkt. Somit stim-men die tatsächlichen Bezugspositionen der Kanäle nicht mehr mit den theoretischen überein, und eine Kalibrierung dieser ist für eine korrekte Phasenauswertung der Empfangssignale unumgänglich. Weiterhin wurde die Modellierung von Kopplungseffekten in breitbandigen Funkortungssystemen von Grund auf neu untersucht, da bisherige Betrachtungen stets von schmalbandigen Systemen ausgehen. Dabei wurde gezeigt, wie Kopplung und Mehrwegeausbreitung die Auswertung beeinflussen und daraus eine Bedingung für die Genauigkeit Distanzschätzung formuliert, welche für eine zuverlässige Kalibrierung erreicht werden muss. Basierend auf der Modellierung der Nichtidealitäten wurde eine in-situ Kalibrierungsmethode entwickelt, welche sowohl die Kopplung, als auch die Phasenzentren der Antennen in einem Array kalibriert. Dabei wird erstmalig nicht die Kopplungsmatrix, sondern die Kopplungskorrekturmatrix geschätzt, welche eine anschließende Messung ohne verzerrtes Messrauschen erlaubt. Während herkömmliche Kalibrierungen kontrollierte reflexionsarme Umgebungen erfordern, herrscht bei einer industriellen in-situ Kalibrierung massive Mehrwegeausbreitung. Um mit dieser umzugehen, basiert die Kalibrierung auf der Auswertung von mehreren Messungen im Nahfeld des Arrays, sodass die Direktwege von den Mehrwegen dekorrelieren. Somit kann die Kalibrierung als Least-Squares Optimierungsproblem formuliert werden, welches jedoch nicht-konvex ist. Zur Lösung wurde daher ein neuartiges zweistufiges Verfahren erarbeitet. Zunächst wird in einer vereinfachten Vorschätzung die gesamte Arrayposition und die Hauptdiagonale der Korrekturmatrix geschätzt, bevor in der anschließenden Feinkalibrierung die vollständige Matrix und die einzelnen Antennen-Phasenzentren ermittelt werden. Die Feinkalibrierung wurde dabei wiederum in eine Optimierung mit Suboptimierung überführt, sodass sie effizient lösbar ist. Zur Validierung des neuartigen Kalibrierverfahrens wurde ein Demonstrationssystem mit drei 24GHz-Sekundärradaren als Empfangsstationen aufgebaut, sowie einem inkohärenten Beacon, welcher als Sendeeinheit eingesetzt und geortet wird. Alle Basisstationen wurden kalibriert und zunächst die Ergebnisse auf Plausibilität überprüft. Dabei wurde deutlich, dass sowohl die Korrekturmatrix, als auch die kalibrierten Phasenzentren sehr gut mit den erwarteten Effekten aus den Voruntersuchungen übereinstimmen. Weiterhin wurde eine Validierung durch 3D-Lokalisierungsergebnisse durchgeführt. Dazu wurde eine direkte holographische Auswertung der Empfangsphasen implementiert, welche eine hochexakte Lokalisierung ermöglicht. Mit diesem Verfahren und der entwickelten Kalibrierung konnte so eine Lokalisierung mit einer Genauigkeit von 2,34 cm erreicht werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Kalibrierung unabhängig von der verwendeten Bandbreite der FMCW Radare angewendet werden kann, solange die Kopplungsübertragungsfunktionen näherungsweise konstant bleiben. Abschließend wurde das Lokalisierungsergebnis genutzt, um die notwendige reale oder synthetische Aperturauslegung für ein 79GHz-System abzuleiten, die für eine Sub-mm genaue Lokalisierung nötig wäre.
Publications
- "In-Situ Calibration of Antenna Arrays within Wireless Locating Systems", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 68, no. 4, pp. 2832-2841, April, 2020
E. Sippel, M. Lipka, J. Geiß, M. Hehn and M. Vossiek
(See online at https://doi.org/10.1109/TAP.2019.2955147) - “On the Needlessness of Signal Bandwidth for Precise Holographic Wireless Localization”, 2020 17th European Radar Conference (EuRAD), 2021, S. 202–205
M. Lipka, S. Brückner, E. Sippel, M. Vossiek
(See online at https://doi.org/10.1109/EuRAD48048.2021.00059)
