Verbesserte UWB-Lokalisierung

Die UWB-Funktechnologie (Ultra Wide Band) kann grundsätzlich im Freien oder in Räumen eingesetzt werden. Unter freiem Himmel dürfte allerdings GPS/RTK oft bevorzugt werden, denn es setzt ausser dem Empfänger keine weitere Infrastruktur voraus. Ist die Sicht zum Himmel aber durch Bauten, Bäume oder andere Hindernisse eingeschränkt, so fällt insbesondere RTK schnell aus und die Messungen werden ungenau. An ungünstigen Orten, beispielsweise unter Brücken oder in Innenräumen, fällt zudem auch GPS aus. Hier bietet sich eine UWB-Lokalisierung als Alternative an.
UWB setzt eine gewisse Infrastruktur voraus. Ein typisches System besteht aus mehreren fest montierten Ankern und einem oder mehreren mobilen Tags. Für die präzise Ortsbestimmung eines mobilen Tags sollte immer eine direkte Sichtverbindung zu mindestens drei Ankern bestehen. Es gibt dabei zwei typische Anwendungsfälle: Entweder will man von aussen den Weg beispielsweise eines Transporters in einem Logistik-Zentrum verfolgen (Tracking), oder ein selbstfahrendes Fahrzeug möchte seine eigene Position messen (Lokalisierung).
Die Bezeichnung UWB steht für ultra-wide band. Das kommt daher, das die Datenübertragung auf ganz kurzen Impulsen beruht (typisch <1 ns). Folglich ist die Bandbreite dieser Pulse sehr gross und belegt ein weites Spektrum (>2 GHz). Da die erlaubte Sendeleistung jedoch nur 0,5 mW beträgt, ist die spektrale Leistungsdichte sehr gering und manifestiert sich in anderen schmalbandigeren Anwendungen lediglich in einem minimal höheren Rauschpegel. Mit der zulässigen Sendeleistung erzielt man mit UWB durchschnittliche Reichweiten von rund 50 m pro Pfad.
Dank der kurzen Pulsdauer ist via UWB eine serielle Kommunikation mit mehr als 600 Mbit/s möglich. Diese Datenübertragungen nutzt die Firma Stettbacher Signal Processing AG (SSP) in ihrem Lokalisierungssystem, indem sich nach dem Aufstarten die Anker untereinander zuerst auf ein Time-Slice-Verfahren einigen. Anschliessend können sich mobile Tags bei jenen Ankern anmelden, die in ihrer Nähe sind, respektiv die den höchsten Signalpegel aufweisen. Diese Initialisierung wird periodisch wiederholt, sodass die mobilen Tags – wenn sie in Bewegung sind – sich immer wieder mit den nächstgelegenen Ankern verbinden. Ebenfalls im Rahmen des Time-Slice-Verfahrens werden die Distanzen zwischen den Ankern und ihren verbundenen Tags gemessen. Dabei schickt der Tag eine Nachricht zum betreffenden Anker. Dieser schickt sie sofort zurück, sodass der Tag anschliessend mit der gemessenen Laufzeit der beiden Nachrichten (abzüglich der Verarbeitungszeit in Anker und Tag) die Distanz zum Anker berechnen kann. Liegen genügend derartige Messung vor und sind zudem die Ankerpositionen bekannt, so kann der Tag seine eigene Position berechnen. Auf Grund von aufeinander folgenden Messungen lässt sich zudem die Orientierung im Raum bestimmt.
Die auszuwertende Laufzeit beträgt typischerweise nur wenige Nanosekunden. Dennoch werden Genauigkeiten im Bereich von Zentimetern erreicht. Dies ist beachtlich, hängt aber natürlich auch von der geschickten Anordnung der Anker ab. Dennoch hat diese Lösung auch Nachteile. Insbesondere ist die Update-Rate der Positionsmessung durch das Time-Slice-Verfahren eingeschränkt. Daher wurde inzwischen von SSP ein ganz neues Verfahren entwickelt. Die Idee dabei ist, dass sich die Anker untereinander synchronisieren, indem sie nacheinander ihre Zeitstempel via UWB kommunizieren. Sind die Anker-Positionen bekannt, so kann jeder Anker die Abweichung zu seinen Nachbarn ermitteln und seine interne Uhr entsprechend trimmen. Dass das funktioniert, zeigt der obere Teil der Grafik. Die rote Kurve stellt die Clock-Drift (2 ppm) zwischen zwei Ankern dar. In grün ist die gegenseitige Zeit-Messung dargestellt. Es wurde hier ein Messrauschen von 300 ps entsprechend 10 cm angenommen, daher ist die Kurve stark verzittert. Die Schätzung durch ein Kalman-Filter ist in blau dargestellt. Die rote Kurve im unteren Graphen zeigt den Schätzfehler in Zentimeter umgerechnet. Sie zeigt, dass trotz dem relativ grossen Messrauschen die Schätzung innerhalb von 10 bis 15 s auf rund ±2 cm konvergiert, was sehr gut ist.
Somit existiert eine preiswerte Lösung, die praktisch mit beliebig vielen Ankern und Tags zurechtkommt und erst noch sehr präzis ist.

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