Erforschung neuer Ansätze zur schmalbandigen aber dennoch hochpräzisen lokalen Funkortung in Mehrwegeumgebungen mittels iterativer rekursiver nichtlinearer Zustandsschätzung basierend auf Apertursynthese und Phasendifferenzauswertung in Antennengruppen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Vossiek
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450697408

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, einen neuartigen sehr aufwandsarmen aber dennoch hochgenauen Funkortungsansatz und die damit verbundenen theoretischen Grundlagen zu erforschen und die Leistungsfähigkeit des Ansatzes sowohl durch systemtheoretische Überlegungen als auch experimentell zu verifizieren. Das herausragende Merkmal des Ansatzes besteht darin, dass er es ermöglichen soll auch in ausgeprägten Mehrwegeumgebungen, trotz eines Verzichts auf breitbandige Messsignale, hochgenaue 3D-Ortungsergebnisse zu liefern. Bei bisherigen Funkortungstechniken, etwa bei UWB-Funkortungssystemen, ist die erreichbare Ortungsgenauigkeit in der Regel direkt von der verwendeten Signalbandbreite abhängig und eine präzise 3D-Ortung wurde aufgrund der hohen Bandbreiteanforderungen und der zumeist ungünstigen „geometrical dilution of precision“ (GDOP) selten experimentell demonstriert. Die avisierte Leistungsfähigkeit des neuartigen Ansatzes, die eine enorme Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bedeuten würde, soll durch eine iterative rekursive nichtlineare Zustandsschätzung erreicht werden. Hierfür sollen in einer gemischt kohärent/inkohärenten Antennengruppen-Anordnung die Phasendifferenzen der empfangenen Funksignale ausgewertet werden. Dies erfolgt ähnlich wie bei einem interferometrischen Apertursynthesealgorithmus, jedoch nicht über Fourier- oder Spektralschätzmethoden, sondern direkt in einem iterativen Extended Kalman Filter (EKF). Der neuartige, im vorliegenden Projekt zu erforschende und algorithmisch umzusetzende, Ansatz soll in einer Simulationsumgebung systematisiert untersucht und dann anschließend in einem Experimentalsystem auch praktisch erprobt werden. Das im Rahmen des Projektes zu realisierende 24GHz-Experimentalsystem umfasst vier räumlich verteilte kompakte Empfangsarrays á 16 Antennen. Ziel des Projektes ist es, erstmals eine 3D-Ortungsgenauigkeit im Millimeterbereich bei Signalen mit einer Bandbreite von weniger als 10 MHz in einer ausgeprägten Mehrwegeumgebung zu demonstrieren. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Forschungsarbeiten besteht darin, einen neuen generalisierten Ansatz zur Bewertung von Funkortungssystemen zu erarbeiten. Dies ist notwendig, da die üblichen GDOP-Überlegungen zur Vorhersage / Abschätzung der Messabweichungen in Abhängigkeit von den Systemparametern bei dem im Projekt verfolgten Ansatz, bei dem die Messung und Fusion der Messwerte integriert erfolgt, prinzipbedingt nicht zielführend sind. Das angestrebte theoretische Fundament soll es erstmals ermöglichen, sowohl klassische Ortungsprinzipien als auch die neuartige Methode hinsichtlich Ihrer Leistungsfähigkeit abhängig von den Systemparametern und auch abhängig von den Parametern die den Übertragungskanal / die Mehrwegeausbreitung berücksichtigen, auf einer gemeinsamen systemtheoretischen Basis fair zu vergleichen und die entscheidenden Systemparameter systematisiert identifizieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen