Signalstärkebasierte UWB-Ortung bei unbekannter Sendeleistung

Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Ultra-Breitband (UWB) ist die Lokalisierung in Gebäuden. Der Fokus der Forschungstätigkeiten ist dabei oft auf die laufzeitbasierte Ortung gelegt, vergleichsweise wenige Arbeiten finden sich im Bereich der reinen signalstärkebasierten Ortung. Die signalstärkebasierte Ortung stellt hierbei einerseits eine etwas günstigere Alternative zu laufzeitbasierten Ansätzen dar, andererseits ist die Anforderung an die Zeitsynchronisierung nicht so hoch. Nachteilig ist jedoch die oft geringere Genauigkeit der Positionsbestimmung.

Der klassische Received Signal Strength (RSS)-Ansatz geht von bekannter Sendeleistung des zu ortenden Objektes aus. In praktischen Anwendungen sind jedoch auch andere Randbedingungen zu erwarten, bei welchen die Sendeleistung unbekannt bzw. variabel sein kann. Eine attraktive Methode, bei welcher die Sendeleistung des zu ortenden Objektes in der Positionsberechnung nicht benutzt wird, ist die sogenannte Received Signal Strength Difference (RSSD)-basierte Ortung. Diese wird in anderen Technologien wie z.B. Wireless Local Area Network oder Mobilfunk bereits erfolgreich angewandt, im UWB-Bereich finden sich nur ungenügende Untersuchungen. Viele fundamentale Fragen der Ortung, wie erreichbare Genauigkeiten in verschiedenen Szenarien, Einfluss zusätzlicher Schätzparameter auf die Ortung usw. waren nicht beantwortet und stellten eine wesentliche Lücke im wissenschaftlichen Kenntnissstand im Bereich der UWB-Technologie insgesamt dar. Diese Arbeit widmet sich dieser Fragestellung und liefert zahlreiche wichtige unter anderem auch grundlegende Ergebnisse bzw. Erkenntnisse auf dem Gebiet der UWB-basierten RSSD-Ortung. Hierbei wurden mehrere Aspekte beleuchtet, welche im Folgenden kurz erläutert werden.

In der Arbeit werden sowohl die RSSD-basierte Ortung mittels statistischen Kanalmodells als auch die Fingerprintingmethode untersucht.

Im Falle der Fingerprintingmethode setzt die Arbeit auf ein experimentelles Test-Bed. Dieses besteht aus einem digitalen Phosphoroszilloskop, welches Aufgaben des Empfängers übernimmt, einem sogenannten Arbitrary Waveform Generator, welcher als Sender dient, die Steuerung des Systems und die Datenverarbeitung erfolgt mithilfe eines Computers. Ein wichtiger Bestandteil des Test-Beds sind die verwendeten Antennen. Hierbei wurden bekannte Antennenstrukturen für die vorgesehenen Ortungsaufgaben mittels des Simulationsprogramms CST Microwave Studio optimiert und anschließend an der Leibniz Universität Hannover hergestellt. Bei den Antennen handelt es sich um eine gerichtete Vivaldi-Antenne und eine rotationssymmetrische omnidirektionale monokonische Antenne. Hierbei lag das primäre Interesse an den realisierbaren Genauigkeiten im Falle der omnidirektionalen und gerichteten Empfangsantennen. Das Ergebnis zeigte, dass die reine RSSD-basierte Ortung in beiden untersuchten Fällen für die meisten indoor-spezifischen Aufgaben genügt.

Eine etwas höhere Ortungsgenauigkeit ließ sich, wie in der Arbeit gezeigt, durch zusätzliche Implementierung nur einer Time Difference of Arrival (TDOA)-Schätzung realisieren. Dies ist ein weiterer wichtiger Punkt dieser Arbeit, bei welchem zwei Messgrößen wie RSSD und TDOA unter Berücksichtigung der Spezifik der UWB-Technologie in einem hybriden Verfahren kombiniert werden.

Im Falle der Ortung mittels statistischen Kanalmodells war insbesondere der Einfluss gerichteter Antennen von Interesse, da die für die reine RSSD-basierte Ortung wichtigen Kanalparameter stark von verwendeten Empfangs- und Sendeantennen abhängig sind. Dieses Phänomen war im Ortungskontext mittels RSSD und dynamisch orientierbaren Empfangsantennen zu untersuchen. Einerseits war zu erwarten, dass der durch den Funkkanal induzierte Ortungsfehler vermindert wird, andererseits könnte der Einsatz gerichteter Empfangsantennen durch Ungenauigkeiten in der dynamischen Antennenausrichtung den Ortungsfehler erhöhen. Um diese Frage zu beantworten, wurde eine Simulationsumgebung in Matlab erstellt. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass das verfolgte Konzept dynamisch orientierbarer Empfangsantennen die Ortungsgenauigkeit wesentlich erhöht.