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UWB-Positionierungstechnologie

Dieses Whitepaper stellt hauptsächlich das Prinzip, die Schemaauswahl und die Implementierungsmethoden vor

der UWB-Ultrabreitband-Positionierungstechnologie in verschiedenen Anwendungsszenarien.

Derzeit können die gängigen Positionierungstechnologien anhand ihrer Prinzipien in vier Typen unterteilt werden:

Ton, Licht, Elektromagnetik und UWB

Dieses Designdokument listet nach einer grundlegenden Analyse die wichtigsten Vor- und Nachteile jedes Prinzips auf. Das Dokument erläutert hauptsächlich das Systemdesign und die Implementierungsmethode für die Verwendung der UWB-Ultrabreitband-Positionierungstechnologie zur Positionierung.

Kapitel 1

Positionierungsprinzip

Zu den aktuellen Positionierungsmethoden zählen grundsätzlich vor allem Schall, Licht, Elektrizität und Magnetismus. Es gibt auch Trägheitsnavigation, auf die hier jedoch aufgrund der noch nicht ausreichenden Technologiereife und der begrenzten Anwendungsszenarien nicht näher eingegangen wird.

Klang

Die Entfernungsmessung erfolgt hauptsächlich durch Messung der Flugzeit von Ultraschallwellen in der Luft. Ein typischer Sender ist ein Lautsprecher, der Empfänger ein Mikrofon (z. B. ein Mobiltelefon). Der Sender sendet feste Informationen, der Empfänger berechnet die Übertragungszeit der Daten und rechnet sie in eine Entfernung um. Anschließend erfolgt die Positionierung mithilfe von Zwei- oder Dreipunktmethoden.

Vorteile:

Es verfügt über eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit, die den Zentimeterbereich erreicht. Es hat außerdem eine relativ einfache Struktur, ein gewisses Durchdringungsvermögen und eine starke Entstörungsfähigkeit der Ultraschallwelle selbst.

Nachteile:

Die Luftdämpfung ist hoch und es ist nicht für Großveranstaltungen geeignet. Der Mehrwegeeffekt und die Ausbreitung außerhalb der Sichtlinie verursachen erhebliche Fehler bei der Reflexionsentfernung, was eine genaue Analyse und Berechnung der zugrunde liegenden Hardwareeinrichtungen erforderlich macht und die Kosten zu hoch sind.

Anwendungsbereich:

Ultraschall-Positionierungstechnologie wird häufig in digitalen Stiften und bei der Offshore-Exploration eingesetzt. Diese Indoor-Positionierungstechnologie wird auch zur Objektpositionierung in unbemannten Werkstätten verwendet.

Sichtbare Lichtpositionierung

Diese Technologie kann durch LED-Leuchten erweitert werden. Die Leuchten senden hochfrequente Blinksignale aus. Nach dem Empfang berechnet der Empfänger die Flugzeit, um die Entfernung zu messen und erhält dann die Standortinformationen.

Vorteile:

Großer Dynamikbereich, ermöglicht Hochgeschwindigkeitskommunikation.

Nachteile:

Aufgrund der kurzen Lichtwellenlänge und der schlechten Beugungsfähigkeit kann es leicht blockiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Bilderkennung zu nutzen, um aktuelle Bildinformationen mit denen in der Datenbank zur Positionierung zu vergleichen. Der Nachteil besteht darin, dass die Bildverarbeitung zeitaufwändig ist und viel Strom verbraucht.

Magnetfeldpositionierung

Die Erde selbst ist ein riesiger Magnet, der zwischen dem geografischen Nord- und Südpol ein grundlegendes Magnetfeld erzeugt. Dieses Erdmagnetfeld kann jedoch durch Metallgegenstände, insbesondere in Gebäuden mit Stahlbetonkonstruktionen, gestört werden. Die Baumaterialien (Metallstrukturen) stören und verzerren das ursprüngliche Magnetfeld, wodurch jedes Gebäude eine einzigartige magnetische Struktur erhält. Mit anderen Worten: Im Inneren von Gebäuden bildet sich ein gleichmäßiges Magnetfeld.

Durch die vorherige Erfassung der Magnetfeldinformationen und den Vergleich mit den Daten des Magnetometers eines Trackers (z. B. eines Mobiltelefons) können präzise Standortinformationen gewonnen werden. Theoretisch beträgt der Unterschied im Magnetfeld an verschiedenen Standorten Mikrosekunden und ist mit herkömmlichen Messgeräten nicht messbar. Das durch Gebäudestörungen verzerrte Magnetfeld in Innenräumen verstärkt jedoch den Unterschied im magnetischen Signal, wodurch die Erfassung magnetischer Daten in Innenräumen ermöglicht und indirekt die Positionsgenauigkeit verbessert wird. Da das Magnetfeldmuster jedes kleinen Bereichs im Raum einzigartig ist, kann das Mobiltelefon durch Abgleich der Magnetfeldeigenschaften des Bereichs mit der Magnetfelddatenbank des Systems präzise positioniert werden – in der Regel mit einer Genauigkeit von etwa zwei Metern.

Ändert sich jedoch die Anordnung benachbarter Gebäude, beispielsweise durch den Verkehr, ändert sich auch das Magnetfeld, und die Genauigkeit lässt sich nur schwer beurteilen. Diese Methode erfordert eine häufige Kalibrierung des Magnetfelds und wird nicht empfohlen.

Positionierung mittels elektromagnetischer Wellen

Signalstärke

Eine typische Anwendung ist ein Bluetooth-Tracker mit Bluetooth-Gateway, der durch Berechnung der Signalstärke geortet werden kann. Sowohl das B-Fixed-System als auch das B-Mobile-System unseres Unternehmens nutzen dieses Verfahren. Die Hauptvorteile sind die geringen Kosten und die einfache Anordnung, die Genauigkeit beträgt jedoch nur maximal 2–3 Meter. Es wird hauptsächlich zur regionalen Ortung von Vermögenswerten und Personal eingesetzt.

Anstellwinkel

Es wird normalerweise als Bluetooth Angle of Arrive-Technologie bezeichnet.

Vorteil:

Niedrige Kosten für das Terminal, es muss nur ein Gateway bereitgestellt werden und es besteht eine hohe Positionierungspräzision.

Nachteile:

Die Reichweite ist begrenzt. Der Abdeckungsradius entspricht der Höhe des Gateways. Das Gateway muss seine Position präzise fixieren und darf während des Gebrauchs nicht erschüttert werden. Andernfalls wird der Positionierungseffekt beeinträchtigt.

Ultrabreitbandige Breitbandtechnologie (UWB)

DARPA und FCC haben unterschiedliche Definitionen für UWB vorgeschlagen, allerdings nur mit geringfügigen Unterschieden in den Parametern.

UWB-Basisband-Schmalimpulsspezifikationen

Spezifikationen für schmale UWB-Basisbandimpulse:

IR-UWB (Impuls-Radio-UWB):

Die Übertragung erfolgt direkt über die Antenne, ohne die Sinuswelle zu modulieren. Dieses System ist einfach, echtzeitfähig, kostengünstig, stromsparend, mehrwegesicher und hat eine gute Durchdringung. Es wurde später im 802.15.4a-Standard übernommen.

Bandpass-Trägermodulation:

DS-UWB (Direct Sequence Code Division Multiple Access) und MB-UWB (Multiple Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Unter diesen definiert IR-UWB zwei physikalische Schichten in der Spezifikation IEEE 802.15.4a-2007: eine ist die CSS-Technologie (bereitgestellt vom deutschen Unternehmen Nanotron, arbeitet mit 2,4G, Schmalband-Positionierungstechnologie) und die andere ist die IR-UWB-Technologie.

 

 

UWB-Positionierungstechnologie

UWB-Nutzlaststruktur:Tabelle 2 UWB-Positionierungstechnologie

Modulation

BPM-BPSK:

Es kombiniert BPM (Burst Position Modulation) und BPSK (Binary Phase Shift Keying).

Arbeitsfrequenzband/-kanal:

Die weltweit verfügbare Frequenzbandverteilungstabelle sieht wie folgt aus

Tabelle 3 UWB-Positionierungstechnologie

UWB-Positionierungstechnologietabelle

Kanalaufteilung

Tabelle 4 UWB-Positionierungstechnologie

Die Kanalaufteilung umfasst zwei Arten von Kanälen: 500 MHz und 1 GHz. Derzeit werden hauptsächlich die 500-MHz-Kanäle verwendet, also die Kanäle 1, 2, 3 und 5.

Ausgangsleistung und Vorschriften:

Gemäß den FCC-Bestimmungen beträgt der Höchstwert -41 dBm/MHz.

Ausgangsleistung und Vorschriften UWB-Positionierungstechnologie

 

Machtregeln in China:

Tabelle 5 UWB-Positionierungstechnologie

Kapitel 2

Positionierungstechnologien im Vergleich

Vergleich von UWB-Positionierung und Bluetooth-AoA-Positionierung

Vergleich von UWB-Positionierung und Bluetooth-AoA-Positionierung

Vergleich von UWB-AoA- und Bluetooth-AoA-Positionierung

Schematische Darstellung der AOA-Positionierung

Prinzipvergleich:

Bluetooth-AoA:

Diese Methode misst nur den Signalwinkel eines einzelnen Gateways, nicht die Entfernung. Sie geht außerdem davon aus, dass die Höhe des Trackers fest ist und projiziert seine Position vom Winkel-Höhen-Schnittpunkt. Das Anheben und Absenken des Trackers kann die Positionsgenauigkeit erheblich beeinträchtigen.

UWB-AoA:

Diese Methode misst sowohl den Winkel als auch die Entfernung mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich, was eine höhere Präzision ermöglicht. Außerdem kann der Tracker dreidimensional geortet werden.

Antennenvergleich:

Bluetooth-AoA:

Diese Methode nutzt ein Antennenarray, üblicherweise mit 16 oder 64 Antennen, und HF-Schalter, um den Einfallswinkel und die Entfernung des Signals anhand mehrerer Ankunftszeiten zu berechnen. Das komplexe Antennenarray-Design verhindert die Miniaturisierung des Bluetooth-AoA-Gateways. Das Gateway unterliegt zudem strengen Installationsanforderungen und hat einen begrenzten Abdeckungsbereich von etwa dem 1- bis 2-fachen des Höhenradius.

UWB-AoA:

Diese Methode verwendet üblicherweise zwei Antennen und die PDoA-Phasendifferenzmethode zur Berechnung des optimalen Winkels. PDoA erfordert einen Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen im Verhältnis zur Wellenlänge, also λ /2. Für Kanal 5 (6489,6 MHz) sind die Ankerantennen 2,08 cm voneinander entfernt, für Kanal 9 sogar noch näher. Dadurch kann PDoA miniaturisiert werden und eignet sich daher für Anwendungen wie Smartphones, intelligente Türschlösser und Smart-Home-Steuerungen.

Kapitel 3

UWB-Technologie

UWB-Funktionen

  1. UWB deckt 3G~5G, 6G~10G, insgesamt 7G Frequenzbänder ab und verfügt über einen einzigen Kanal
    Bandbreite von mehr als 500 MHz.
  2. Geringe Leistung. Gemäß FCC und anderen Vorschriften ist die Ausgangsleistung auf -41 dBm/MHz begrenzt. Basierend auf einem einzelnen Kanal mit 500 MHz beträgt die Kanalleistung -14,3 dBm.
  3. Der ultrakurze Puls mit einer Dauer von wenigen Zehntel Nanosekunden.
  4. Durchdringen der Wand: Es kann Wände effektiv durchdringen, verursacht jedoch eine gewisse Signaldämpfung.

Die folgende Tabelle zeigt die Signaldämpfung durch Wanddurchdringung beim Arbeiten auf Kanal 2 (mit 4 GHz als Mittenfrequenz).

Signaldämpfung durch UWB-Technologie

Mehrwegeerkennung

Mehrwegeerkennung UWB-Technologie

Elektromagnetische Wellen können direkt vom Sender zum Empfänger gelangen oder zum Ziel reflektiert werden. Bei der Schmalbandkommunikation wird üblicherweise das Signal mit der stärksten Signalstärke verarbeitet, das möglicherweise nicht das erste ankommende Signal ist.

Bei der UWB-Kommunikation kann das erste ankommende Signal (erster Pfad) anhand der Zeitdifferenz genau identifiziert werden. Bei direkter oder durchdringender Ankunft können wir jedoch nur davon ausgehen, dass das erste Mehrwegesignal das benötigte direkte Signal ist.

Wie alle anderen elektromagnetischen Wellen kann UWB kein Metall durchdringen.

Genauigkeit

Die Genauigkeit umfasst hauptsächlich drei Aspekte: Entfernungsgenauigkeit, Genauigkeit der Zeitsynchronisation und Positionierungsgenauigkeit. Die Entfernungsgenauigkeit wird hauptsächlich von zwei Faktoren beeinflusst: dem Entfernungsalgorithmus und der verwendeten Uhrgenauigkeit.

  1. Entfernungsgenauigkeit: DS-TWR minimiert den durch Taktabweichungen verursachten Fehler.
  2. Genauigkeit der Zeitsynchronisierung: Im Entfernungssystem ein temperaturkompensierter Quarzoszillator (TCXO) mit 0,5PPM Takt
    kann verwendet werden, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Die Entfernungsgenauigkeit kann innerhalb von 10 cm gesteuert werden.
    Die Genauigkeit kann durch die Verwendung von TCXO verbessert werden.

    In einem drahtlosen UWB-Positionierungssystem werden sowohl Entfernungsmessung als auch TDoA unterstützt. Bei TDoA müssen alle Positionierungs-Gateways drahtlos synchronisiert werden. Das System hat eine Synchronisationsgenauigkeit von 0,3 ns.

    Im Vergleich zur kabelgebundenen Synchronisierungsmethode ist ein kabelloses System viel einfacher und kann unbegrenzt erweitert werden. Es ist nicht durch die kabelgebundene Entfernung eingeschränkt. Es vereinfacht auch die Projektimplementierung.

  3. Positionierungsgenauigkeit: Die Genauigkeit beträgt 30 cm. Die Positioniergenauigkeit des Systems wird beeinflusst durch verschiedene

Umweltfaktoren, nicht nur die Distanzmessgenauigkeit von 10 cm. Die Positionsgenauigkeit von 10 cm kann nur in einer idealen Umgebung ohne Störungen im Labor erreicht werden. Jede Signalstörung kann zu Abweichungen im System führen.

Kapitel 4

Über Positionierung

UWB-Funktionen

Die Positionierungsdimension wird je nach Anwendungsfall und Situation vor Ort gewählt. Die nulldimensionale Szene dient hauptsächlich der Ein- und Ausgangserkennung. Die eindimensionale Szene weist meist ein unproportionales Seitenverhältnis auf, beispielsweise eine Tunnelszene, und ist auch in Fabriken einsetzbar. In einer eindimensionalen Szene wird das positionierte Ziel an einer Linie ausgerichtet. Die zweidimensionale Szene dient der Lokalisierung der XY-Koordinaten ohne Höheninformation, während die dreidimensionale Szene über Höheninformationen verfügt. Dennoch ist bei der Systeminstallation ein Höhenunterschied des Ankers erforderlich, um eine gewisse Genauigkeit der Z-Achse zu gewährleisten.

Nulldimensional

Bei der UWB-Positionierung wird eine bessere nulldimensionale Positionierung im Allgemeinen durch Entfernungsmessung erreicht. Diese dient zur Entfernungsbegrenzung, z. B. zur Bestimmung der Entfernung eines Geräts von einem Ankerpunkt. Es gilt als Eintritt in den nulldimensionalen Bereich.

Nulldimensionale UWB-Positionierung

Eindimensional

Eine eindimensionale Positionierung kann durch den Einsatz von ToF-, TDoA- oder kombinierter AoA-Technologie erreicht werden.

Auch wenn sich der UWB-Tracker nicht auf der geraden Linie befindet, die die beiden Anker verbindet, kann er sich auf dieser geraden Linie befinden.

Aktueller Standort:

Aktueller Standort mit UWB-Tracker

Positionierungsergebnis:

Positionierungsergebnis mit UWB-Tracker

Zweidimensional

Bei der zweidimensionalen Positionierung werden die XY-Koordinaten des Zielorts angezeigt. Wenn die Anker auf gleicher Höhe installiert sind, werden die Positionierungsergebnisse nicht durch die Installationshöhe der Tracker beeinflusst.

Zweidimensionale UWB-Positionierungstechnologie

Dreidimensional

Das Ergebnis der dreidimensionalen Positionierung sind die XYZ-Koordinaten des Ziels. Es gibt zwei Methoden, um dies zu erreichen. Eine basiert auf Distanzmessung, die einen Höhenunterschied zwischen den Ankern erfordert. Die andere basiert auf AoA, was eine hohe Winkelauflösung auf der Z-Achse erfordert, um die Genauigkeit der Z-Koordinate sicherzustellen.

Dreidimensionale UWB-Positionierungstechnologie

Positionierungsmethode

Derzeit werden bei der UWB-Positionierung hauptsächlich TOF-Entfernungsmessung, TDoA und AoA-Positionierung verwendet. Die ersten beiden Methoden funktionieren unabhängig voneinander, während die letztere AoA-Methode normalerweise mit ToF oder TDoA kombiniert wird.

ToF-Positionierung

Die ToF-Positionierung basiert auf der Reichweite. Der UWB-Tracker leitet die Entfernungsmessung mit jedem zu positionierenden Anker ein. Nach Abschluss der Entfernungsmessung wird die Position berechnet. Im nulldimensionalen Modus genügt die Entfernungsmessung mit einem Anker, im eindimensionalen Modus mit mindestens zwei Ankern, im zweidimensionalen Modus sind in der Regel drei oder mehr Anker erforderlich, in einigen speziellen Modi reichen jedoch zwei Anker aus. Im dreidimensionalen Modus sind vier Anker erforderlich.

In eindimensionalen Fällen wird der Anker oben platziert und mit nur einem Anker eine eindimensionale Positionierung erreicht.

ToF-Positionierung UWB-Tracker Entfernung

In eindimensionalen Fällen können Sie die Entfernung mit nur zwei Ankern messen:

In eindimensionalen Fällen können Sie die Entfernung mit nur zwei Ankern messen

Zweidimensionale Positionierung:

UWB Zweidimensionale Positionierung

TDoA-Positionierung

Bei der TDoA-Positionierung wird die Position des Ziels durch die Erfassung der absoluten Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen von Signalen an zwei Ankern oder verschiedenen Antenneneinheiten bestimmt, anstatt der Ankunftszeit. Dies reduziert den Zeitsynchronisierungsbedarf zwischen der Signalquelle und jedem Überwachungsanker, erhöht jedoch den Zeitsynchronisierungsbedarf zwischen den Ankern. Zwei TDoAs können durch die Verwendung von drei verschiedenen Ankern erkannt werden, und der mobile Tracker befindet sich am Schnittpunkt der durch die beiden TDoAs definierten Hyperbeln.

In eindimensionalen Fällen können Sie die Entfernung mit nur zwei Ankern messen

Der Vorteil von TDoA besteht darin, dass die Anzahl der Kommunikationen für eine Positionierung deutlich reduziert wird und die Genauigkeit im Vergleich zu ToA höher ist. Diese Art der Positionierung hängt jedoch von der Wellenausbreitung ab, und der inhärente Taktfehler von 1 ns kann einen Distanzfehler von 30 cm verursachen. Daher müssen die Uhren jedes Ankers streng synchronisiert sein. Der Aufbau eines präzisen Synchronisationssystems mit relativ großen Abständen ist sehr teuer.

Es gibt zwei Arten der Zeitsynchronisierung:

Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung kabelgebundener Verbindungen, die eine Synchronisationsgenauigkeit von 0,1 ns erreichen können. Dies erhöht jedoch die Komplexität und die Kosten für Wartung und Aufbau des Netzwerks. Darüber hinaus ist für die Synchronisierung der Uhr ein dediziertes Kabel (z. B. Ethernet) erforderlich, was ebenfalls teuer ist.

Die andere Möglichkeit sind drahtlose Verbindungen. Diese erreichen eine Synchronisationsgenauigkeit von 0,25 ns, was etwas niedriger ist als bei kabelgebundenen Verbindungen. Das System ist jedoch relativ einfach. Das Positionierungs-Gateway benötigt lediglich eine Stromversorgung, und die Datenübertragung kann über WLAN, LoRa oder Ethernet erfolgen, was die Kosten effektiv senkt.

Anstellwinkelpositionierung

Die Positionsbestimmung anhand des Ankunftswinkels (AoA) basiert im Allgemeinen auf der Phasendifferenz zwischen Signalen, wird jedoch nicht oft allein verwendet, da AoA ein Problem mit der Winkelauflösung hat, was bedeutet, dass die Positionsgenauigkeit mit zunehmender Entfernung vom Anker abnimmt.

Der Anstellwinkel (AoA) kann zur Positionierung mit der Flugzeitmessung (ToF) kombiniert werden. In diesem Modus können wir einen Anker zur Positionierung verwenden.

UWB-AoA-Positionierung

Es ist auch möglich, dass zwei Anker eine Positionierung durch AoA erreichen

zwei Anker zur Positionierung durch AoA

Positionierungsmodus und Stromverbrauch

Wir vergleichen hauptsächlich den Stromverbrauch der ToF- und TDoA-Modi. Im ToF-Modus misst der UWB-Tracker die Distanz zu jedem Ankerpunkt separat, und es sind mehrere Rangfolgen erforderlich. Eine Entfernungsmessung dauert in der Regel mehr als 5 ms. Bei der TDoA-Positionierung muss der UWB-Tracker lediglich eine Nachricht senden, um die Positionsbestimmung abzuschließen. Von der Vorbereitung bis zum Senden dauert es in der Regel weniger als 0,5 ms und verbraucht deutlich weniger Strom als im ToF-Modus.

Umweltfaktoren

Es gibt viele Umgebungsfaktoren. Die typischsten sind die Positionierung innerhalb und außerhalb des Gebiets.
Da TDoA auf der Ankunftszeitdifferenz des Signals basiert, wird üblicherweise ein hyperbolischer Algorithmus verwendet, der die Ankunftszeitdifferenz in eine Entfernungsdifferenz umwandelt. Die Einschränkungen des hyperbolischen Algorithmus führen dazu, dass die Positionierungsgenauigkeit im von den Ankern abgedeckten Bereich hoch und außerhalb dieses Bereichs relativ gering ist. In komplexen Umgebungen wie Kraftwerken ist die Bereitstellung des Systems mit großen Schwierigkeiten verbunden, und die TDoA-Positionierung kann die Anwendungsanforderungen nur schwer erfüllen. In diesem Modus können wir ToF oder TDoA in Kombination mit AoA verwenden.

Kapitel 5

LoRaWAN-basierte UWB-Positionierungslösung

In diesem Kapitel werden das zugehörige Gerät und die Theorie zur Funktionsweise des Systems vorgestellt.

  • UWB-Anker: Es sendet Beacon-Nachrichten zur Entfernungsmessung mit Trackern. Batteriebetrieben, Batterielebensdauer 5 Jahre.
  • UWB-Tracker: Es empfängt regelmäßig Signalnachrichten und ermittelt die Entfernung zum Anker. Batteriebetrieben.
  • LoRaWAN-Gateway: Es sendet Beacon-Nachrichten an alle Anker und Tracker, um die Uhr zu synchronisieren und Entfernungsnachrichten von Trackern zu empfangen.
  • Server: Verwenden Sie die Entfernungsinformationen und die Koordinaten des Ankers, um die Position der Tracker zu berechnen, wie in Abschnitt 4.1Der Server wird auch verwendet, um den Anker und den Tracker zu konfigurieren, die Position des Ankers zu kalibrieren und als Positionierungs-Engine zu fungieren.

LoRaWAN-basierte UWB-Positionierungslösung

Kapitel 6

Über Ranging

Entfernungsmessungsmethode

Im Entfernungsmesssystem gibt es zwei Entfernungsmessmethoden: einseitige Zweiwege-Entfernungsmessung (SS-TWR) und doppelseitige Zweiwege-Entfernungsmessung (SD-TWR).

SS-TWR

Das Grundprinzip der einseitigen Zweiwege-Entfernungsmessung ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Gerät A sendet einen Impuls an Gerät B. Nach einer Zeitspanne von Tround1 empfängt es den von Gerät B zurückgesendeten Impuls. Angenommen, die Flugzeit beträgt Tprop, dann lässt sich grob wie folgt berechnen:

Schematische Darstellung des SS-TWR-Prinzips
Schematische Darstellung des SS-TWR-Prinzips

Da Gerät A und Gerät B unabhängige Taktquellen verwenden, weisen die Uhren eine gewisse Abweichung auf, die bei der Lichtgeschwindigkeit ebenfalls nicht akzeptabel ist.

SD-TWR

Die doppelseitige Zweiwege-Entfernungsmessung ist eine erweiterte Methode der signalseitigen Zweiwege-Entfernungsmessung. Sie zeichnet zwei Hin- und Rückflugzeitstempel auf und ermittelt schließlich die Flugzeit. Obwohl dies die Reaktionszeit erhöht, reduziert es den Entfernungsfehler. Wie in Abbildung 3 (schematische Darstellung des DS-TWR-Prinzips) dargestellt, sind die Grundprinzipien wie folgt:

  1. Gerät A sendet einen Impuls an Gerät B;
  2. Nachdem Gerät B den Impuls empfangen hat, wartet es auf Treply1 und sendet einen Impuls zurück.
  3. Nach Tround1 empfängt Gerät A den von Gerät B gesendeten Antwortimpuls;
  4. Gerät A wartet für Treply2 und sendet dann einen weiteren Impuls an Gerät B;
  5. Gerät B empfängt den letzten Impuls von A nach Tround2.

Das schematische Diagramm des DS-TWR-Prinzips
Abbildung 3: Schematische Darstellung des DS-TWR-Prinzips

DS-TWR-Ranging ist eine zusätzliche Kommunikation, die auf SS-TWR-Ranging basiert, und die Zeit der beiden Kommunikationen kann den durch den Taktversatz verursachten Fehler aufheben.

Der durch die Uhr verursachte Fehler bei der Verwendung der DS-Ranging-Methode beträgt:

Uhr mit DS-Ranging-Methode

Der Fehler dieser Entfernungsmessungsmethode hängt hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab:

  1. Der Taktfehler der Geräte A und B;
  2. Die durchschnittliche Verzögerungszeit der Geräteverarbeitung.

Angenommen, die Uhrgenauigkeit der Geräte A und B beträgt 20 ppm (schlecht) und 1 ppm entspricht einem Millionstel. Dann betragen Ka und Kb entweder 0,99998 oder 1,00002. Ka und Kb sind die Verhältnisse der tatsächlichen Frequenz zur erwarteten Frequenz der Uhr der Geräte A und B. Die Geräte A und B sind 100 m voneinander entfernt, und die Flugzeit der elektromagnetischen Wellen beträgt 333 ns. Der durch die Uhr verursachte Fehler beträgt dann 20 x 333 x 10^(-9) Sekunden, und der Entfernungsfehler beträgt 2,2 mm und kann vernachlässigt werden.

Entfernungsfehleranalyse

Die Faktoren, die zu Entfernungsfehlern führen, sind Umweltstörungen, die Verdeckung durch menschliche Körper oder Metallgegenstände, Zeitgenauigkeit und minimale Zeitgranularität.

Typische Ranging-Szenarien

Um den Anforderungen verschiedener Anwendungsfälle für die drahtlose präzise Entfernungsmessung gerecht zu werden, gibt es hauptsächlich drei Modi: Punkt-zu-Punkt-Entfernungsmessung, Punkt-zu-Mehrpunkt-Entfernungsmessung und Freiraum-Entfernungsmessung.

Im Folgenden werden hauptsächlich die beiden Modi der Punkt-zu-Mehrpunkt-Entfernung und der Freiraum-Entfernung vorgestellt.

Punkt-zu-Mehrpunkt-Entfernung

Es wird hauptsächlich zur Entfernungsmessung zwischen zwei Geräten verwendet. Diese Art der Entfernungsmessung ist die einfachste, genauer und komfortabler. Da die Entfernungsmessung die grundlegendste Funktion darstellt, kann sie mit anderen Methoden integriert werden.

Einige typische Anwendungen sind:

  • Wenn ein Fahrzeug fährt, muss es seinen genauen Standort kennen, was durch Entfernungsmessung möglich ist.
  • Wenn ein Gefangener zur medizinischen Behandlung auf Bewährung ist, können Gefängniswärter den Gefangenen durch genaue Entfernungsmessung aus sicherer Entfernung kontrollieren, und die Verwaltung kann die Plattform auch nutzen, um Bevorzugung zu verhindern.
  • Präzise Distanzmessung zwischen Drohnen und Menschen;
  • Reisegruppen können durch UWB den Abstand zwischen den einzelnen Personen und dem Reiseleiter kontrollieren, um sicherzustellen, dass niemand verloren geht.

Freiraummessung

Die Freiraummessung ist ein relativ spezieller Entfernungsmodus. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich alle Ziele im Raum bewegen. Vor jeder Entfernungsmessung muss das Gerät die Umgebungsbedingungen kennen. Bei vielen Entfernungszielen ist eine gute Zuordnung erforderlich, um gegenseitige Störungen zu vermeiden und eine Entfernungsmessung zu verhindern.

Die Freiraummessung wird hauptsächlich für die folgenden zwei Zwecke verwendet:

Ein räumliches Beziehungsnetzwerk:

Beispielsweise können Drohnenformationen ein selbstorganisierendes Netzwerk basierend auf der räumlichen Entfernung zwischen allen Zielen bilden. Wenn kein GNSS-System vorhanden ist, kann UWB verwendet werden, um ein Netzwerk zur räumlichen Positionsbeziehung der Formation zu bilden.

Schematische Darstellung des räumlichen Beziehungsnetzwerks
Abbildung 4 Schematische Darstellung des räumlichen Beziehungsnetzwerks

Wenn dieses System im Mesh-Netzwerk der drahtlosen Kommunikation angewendet wird, kann es Mesh auch Entfernungsparameter für die Entscheidungsfindung bereitstellen.

Kollisionsschutz:

Beispielsweise kann für eine auf einer Bahnstrecke fahrende Wartungslokomotive eine weitere Garantie auf Grundlage dieser dynamischen Entfernungsmessung bestehen.

Kapitel 7

Schemaentwurf

Antikollisionssystem und Positionierungssystem:

Das im Antikollisionssystem installierte Gerät ist ein UWB-Gateway, das mit externer Stromversorgung versorgt werden kann. Das am Körper getragene Gerät ist ein UWB-Tracker, der über einen Akku mit Strom versorgt wird.

Positionierungs-Engine:

Dies dient zur Berechnung der Position von Ortungsgeräten. Die Ortungs-Engine nutzt die relative Position des Gateways auf der Karte und die Entfernung zwischen UWB-Tracker und Gateway, um die Position des UWB-Trackers und die Ausgabepositionskoordinaten zu bestimmen.

Positionskalibrierung:

Geben Sie die Position des Gateways auf der Karte an, z. B. durch Markieren des Ursprungs und der Position des Gateways. Das Gateway muss fixiert sein und darf nicht willkürlich verschoben werden.

Kartendarstellung:

Kunden können ihre eigenen Kartendateien hochladen, die entsprechenden Ursprungsinformationen bei der Positionskalibrierung angeben und die Echtzeitposition des Positionierungsgeräts auf der flachen Karte anzeigen.

Entwurf eines Antikollisionssystems

Blockdiagramm des Antikollisionssystems
Abbildung 5: Blockdiagramm des Antikollisionssystems

Informationen des UWB-Trackers. Der UWB-Tracker misst alle 4 Sekunden die Entfernung. Bei Annäherung an das Gateway misst der Tracker die Entfernung alle 1 Sekunde, um Strom zu sparen und die Standby-Zeit zu verlängern.

Das Gateway verfügt über eine IO-Schnittstelle mit Optokoppler-Isolation. Wenn der Abstand zwischen dem UWB-Tracker und dem Gateway weniger als 3 Meter beträgt, gibt das Gateway eine hohe Ausgangsleistung ab. Die isolierte IO kann an einen externen Ton- und Lichtalarm angeschlossen werden.

Die Flächenaufteilung ist dargestellt in Abbildung 6: Bereichsaufteilung des Antikollisionssystems. (nächste Seite)

Bereichseinteilung des Antikollisionssystems
Abbildung 6: Bereichsaufteilung des Antikollisionssystems

Entwurf eines Positionierungssystemschemas

Blockdiagramm des Positionierungssystems
Abbildung: 7 Blockdiagramm des Positionierungssystems

Sowohl das Gateway als auch der UWB-Tracker verfügen über UWB-Module und LoRa-Module. Das UWB-Modul dient zur Entfernungsmessung und Positionierung. Das LoRa-Modul ist .

Der UWB-Tracker überträgt die Entfernung zwischen UWB-Tracker und Gateway, die ID und andere Parameter über LoRa an das Anwendungssystem.

Das Anwendungssystem besteht aus drei Softwaremodulen: Positionierungsmodul, Kartenanzeige und Positionskalibrierung. Diese Softwaremodule müssen in einer Linux-Umgebung ausgeführt werden. Alternativ kann eine virtuelle Linux-Maschine in einem Windows-System installiert werden. Die Linux-Umgebung benötigt mindestens 8 GB Arbeitsspeicher und 20 GB Festplattenspeicher.

System-Workflow

Arbeitsablauf des Antikollisionssystems:

  1. Das Gateway verwendet eine externe Stromversorgung und ist daher immer bereit, Daten zu testen.
  2. Das Gateway und der UWB-Tracker verwenden DS-TWR zur Entfernungsmessung.
  3. Der UWB-Tracker misst periodisch (4 s) die Entfernung zum Gateway.
  4. Der UWB-Tracker erkennt ein Gateway in der Nähe, misst die Entfernung zu diesem und ändert dann seinen eigenen Entfernungsmesszyklus auf 1 s.
  5. Das Gateway gibt ein Alarmsignal (Ton- und Lichtalarm) basierend auf der Entfernung zum UWB-Tracker aus.

Arbeitsablauf des Positionierungssystems:

  1. Führen Sie die Positionskalibrierungssoftware aus, um die tatsächliche Installationsposition des Gateways zu kalibrieren.
  2. Führen Sie die Positionierungs-Engine-Software aus, um die Standortinformationen des UWB-Trackers basierend auf der Entfernung zwischen dem UWB-Tracker und dem Gateway zu berechnen.
  3. Das Gateway und der UWB-Tracker verwenden DS-TWR zur Entfernungsmessung.
  4. Der UWB-Tracker misst regelmäßig die Entfernung zu mehreren Gateways in der Nähe.
  5. Der UWB-Tracker sendet die Entfernung von mehreren Gateways in Form von LoRa an die Positionierungs-Engine.
  6. Die von der Positionierungs-Engine berechneten Standortinformationen werden zur Anzeige an die Kartenanzeigesoftware gesendet.

Positionierungsberechnung

Die Positionierungs-Engine kann die Positionsinformationen des UWB-Trackers basierend auf der Entfernung zwischen dem Gateway und dem UWB-Tracker und den Positionskoordinaten des Gateways mit Triangulation berechnen, wie in gezeigt Positionsberechnung Triangulation.

UWB Zweidimensionale Positionierung
Abbildung 8: Positionsberechnung-Triangulation

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    (innerhalb eines einzelnen Raums, über mehrere Stockwerke hinweg, auf einem großen Campus usw.)
  4. Wie hoch sind Ihre Anforderungen an den Stromverbrauch?
    (batteriebetrieben, lange Akkulaufzeit, häufiges Laden, etc.)
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    (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Störungen durch andere Signale usw.)
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    (Integration mit bestehenden/selbstentwickelten Plattformen etc.)
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