Erforschung neuer Ansätze zur schmalbandigen aber dennoch hochpräzisen lokalen Funkortung in Mehrwegeumgebungen mittels iterativer rekursiver nichtlinearer Zustandsschätzung basierend auf Apertursynthese und Phasendifferenzauswertung in Antennengruppen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde Grundlagenforschung für die hochpräzise Indoorlokalisierung, welche auf der Auswertung relativer räumlicher Phasenmessungen basiert, durchgeführt. Die Forschung teilte sich dabei in zwei Teile auf. Im ersten Teil wurden grundlegende Untersuchungen zur erreichbaren Genauigkeit PDOA-basierter Ortung durchgeführt. Die Erkenntnisse wurden im Anschluss dafür genutzt, um den IHEKF zu erarbeiten, welcher in einem experimentellen Aufbau Rekordlokalisierungsergebnisse mit Millimetergenauigkeit ermöglicht. Begonnen wurde mit dem Vergleich der Messsensitivität von PDOA-basierter mit TOA-basierter Indoorlokalisierung. Während die TOA-Messsensitivität ausschließlich von der verwendeten Bandbreite abhängt, steigt die PDOA-Messsensitivität mit größerer Emfängeraperturgröße, höherer Sendefrequenz und geringerem Messabstand. Der direkte Vergleich der Messsensitivität ermöglichte dann die Definition der äquivalenten Bandbreite, durch die die relative Performance von TOA- und PDOA-Systemen bewertet werden kann. Hier zeigt sich, dass, da in Indoorortungsumgebungen der Messabstand typischerweise klein ist und in modernen Kommunikationsverfahren die Sendefrequenz kontinuierlich weiter erhöht wird, insbesondere in 5G und 6G Kommunikationssystemen die relative Phasenauswertung schnell überlegen ist. Neben der Messsensitivität ist die Robustheit gegenüber Mehrwegeausbreitung entscheidend für die Lokalisierungsgenauigkeit. Während UWB-Systeme eine möglichst hohe Bandbreite nutzen, um die LOS-Ausbreitung von der Mehrwegeausbreitung zu trennen, können bei PDOA- Systemen durch große Aperturen Wellen aus verschiedenen Richtungen unterschieden werden. Da bei großen Empfängeraperturen und nahen Beacons allerdings Kugelwellen anstatt ebener Wellen empfangen werden, ist dieser simple Zusammenhang für exakte PDOA-basierte Lokalisierungssysteme nicht mehr gültig. Stattdessen werden nun unterschiedlich geformte Wellenfronten für die LOS-Ausbreitung und die Mehrwegeausbreitung empfangen, weshalb eine effiziente Auswertung der räumlich verteilten Phasen großer Empfangsarrays implizit robust gegenüber Mehrwegausbreitung wird. Um die guten Randbedingungen PDOA-basierter Indoorlokalisierung mit großen Empfängeraperturen optimal ausnutzen zu können, wurde im zweiten Teil des Projektes der IHEKF erarbeitet. Dieser wertet direkt die Differenzphasen der räumlich verteilten Phasenmessungen aus und umgeht somit die Annahme ebener Wellen, welche bei Winkelschätzungen implizit getroffen wird. Weiterhin wertet der IHEKF in seinem Update Schritt durch seinen iterativen Schätzvorgang zunächst die Phasendifferenzen nah benachbarter Antennenpaare aus und involviert dann sukzessive weiter entfernte Antennen. Als Folge werden bei der Nutzung großer sparser Antennenarrays sowohl die Phaseneindeutigkeit nah benachbarter Antennenpaare als auch die hohe Messsensitivität weit entfernter Antennenpaare genutzt. Um die Ergebnisse des Projektes zu validieren, wurde in diesem Projekt ein monofrequentes 24GHz Indoorlokalisierungssystem implementiert. Hier wurden mit Lokalisierungsergebnissen mit Genauigkeiten im Millimeterbereich Rekordergebnisse für PDOA basierte Lokalisierung erreicht. Das implementierte Lokalisierungssystem kann somit mit den besten Ergebnissen UWB-basierter System mithalten und dabei deren hohen Implementierungsaufwand umgehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Exchanging Bandwidth With Aperture Size in Wireless Indoor Localization - Or Why 5G/6G Systems With Antenna Arrays Can Outperform UWB Solutions. IEEE Open Journal of Vehicular Technology, 2, 207-217.
Sippel, Erik; Geiss, Johanna; Bruckner, Stefan; Groschel, Patrick; Hehn, Markus & Vossiek, Martin
-
Holographic 3D Indoor Localization, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), 2022
SIPPEL, ERIK
-
Phase Difference Based Precise Indoor Tracking of Common Mobile Devices Using an Iterative Holographic Extended Kalman Filter. IEEE Open Journal of Vehicular Technology, 3, 55-67.
Bruckner, Stefan; Sippel, Erik; Lipka, Melanie; Geiss, Johanna & Vossiek, Martin
