{"id":12921,"date":"2025-05-04T09:02:07","date_gmt":"2025-05-04T09:02:07","guid":{"rendered":"https:\/\/www.lansitec.com\/?page_id=12921"},"modified":"2025-05-04T09:02:11","modified_gmt":"2025-05-04T09:02:11","slug":"uwb-positioning-technology","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.lansitec.com\/de\/uwb-positionierungstechnologie\/","title":{"rendered":"UWB-Positionierungstechnologie"},"content":{"rendered":"
\n\t\t\t\t\t\t
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UWB-Positionierungstechnologie<\/h1>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

Dieses Whitepaper stellt haupts\u00e4chlich das Prinzip, die Schemaauswahl und die Implementierungsmethoden vor<\/p>\n

der UWB-Ultrabreitband-Positionierungstechnologie in verschiedenen Anwendungsszenarien.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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Derzeit k\u00f6nnen die g\u00e4ngigen Positionierungstechnologien anhand ihrer Prinzipien in vier Typen unterteilt werden:<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Ton, Licht, Elektromagnetik und UWB<\/p>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

Dieses Designdokument listet nach einer grundlegenden Analyse die wichtigsten Vor- und Nachteile jedes Prinzips auf. Das Dokument erl\u00e4utert haupts\u00e4chlich das Systemdesign und die Implementierungsmethode f\u00fcr die Verwendung der UWB-Ultrabreitband-Positionierungstechnologie zur Positionierung.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\tKapitel 1\n\t\t\t\t\t<\/p>

Positionierungsprinzip<\/h2>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

Zu den aktuellen Positionierungsmethoden z\u00e4hlen grunds\u00e4tzlich vor allem Schall, Licht, Elektrizit\u00e4t und Magnetismus. Es gibt auch Tr\u00e4gheitsnavigation, auf die hier jedoch aufgrund der noch nicht ausreichenden Technologiereife und der begrenzten Anwendungsszenarien nicht n\u00e4her eingegangen wird.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Klang<\/h3>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

Die Entfernungsmessung erfolgt haupts\u00e4chlich durch Messung der Flugzeit von Ultraschallwellen in der Luft. Ein typischer Sender ist ein Lautsprecher, der Empf\u00e4nger ein Mikrofon (z. B. ein Mobiltelefon). Der Sender sendet feste Informationen, der Empf\u00e4nger berechnet die \u00dcbertragungszeit der Daten und rechnet sie in eine Entfernung um. Anschlie\u00dfend erfolgt die Positionierung mithilfe von Zwei- oder Dreipunktmethoden.<\/br><\/br><\/p>\n

Vorteile:<\/strong><\/span><\/p>\n

Es verf\u00fcgt \u00fcber eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit, die den Zentimeterbereich erreicht. Es hat au\u00dferdem eine relativ einfache Struktur, ein gewisses Durchdringungsverm\u00f6gen und eine starke Entst\u00f6rungsf\u00e4higkeit der Ultraschallwelle selbst.<\/br><\/br><\/p>\n

Nachteile:<\/strong><\/span><\/p>\n

Die Luftd\u00e4mpfung ist hoch und es ist nicht f\u00fcr Gro\u00dfveranstaltungen geeignet. Der Mehrwegeeffekt und die Ausbreitung au\u00dferhalb 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.<\/br><\/br><\/p>\n

Anwendungsbereich:<\/strong><\/span><\/p>\n

Ultraschall-Positionierungstechnologie wird h\u00e4ufig in digitalen Stiften und bei der Offshore-Exploration eingesetzt. Diese Indoor-Positionierungstechnologie wird auch zur Objektpositionierung in unbemannten Werkst\u00e4tten verwendet.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Sichtbare Lichtpositionierung<\/h3>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

Diese Technologie kann durch LED-Leuchten erweitert werden. Die Leuchten senden hochfrequente Blinksignale aus. Nach dem Empfang berechnet der Empf\u00e4nger die Flugzeit, um die Entfernung zu messen und erh\u00e4lt dann die Standortinformationen.<\/p>\n

Vorteile:<\/strong><\/span><\/p>\n

Gro\u00dfer Dynamikbereich, erm\u00f6glicht Hochgeschwindigkeitskommunikation.<\/p>\n

Nachteile:<\/strong><\/span><\/p>\n

Aufgrund der kurzen Lichtwellenl\u00e4nge und der schlechten Beugungsf\u00e4higkeit kann es leicht blockiert werden. Eine weitere M\u00f6glichkeit 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 zeitaufw\u00e4ndig ist und viel Strom verbraucht.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Magnetfeldpositionierung<\/h3>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

Die Erde selbst ist ein riesiger Magnet, der zwischen dem geografischen Nord- und S\u00fcdpol ein grundlegendes Magnetfeld erzeugt. Dieses Erdmagnetfeld kann jedoch durch Metallgegenst\u00e4nde, insbesondere in Geb\u00e4uden mit Stahlbetonkonstruktionen, gest\u00f6rt werden. Die Baumaterialien (Metallstrukturen) st\u00f6ren und verzerren das urspr\u00fcngliche Magnetfeld, wodurch jedes Geb\u00e4ude eine einzigartige magnetische Struktur erh\u00e4lt. Mit anderen Worten: Im Inneren von Geb\u00e4uden bildet sich ein gleichm\u00e4\u00dfiges Magnetfeld.<\/br><\/br><\/p>\n

Durch die vorherige Erfassung der Magnetfeldinformationen und den Vergleich mit den Daten des Magnetometers eines Trackers (z. B. eines Mobiltelefons) k\u00f6nnen pr\u00e4zise Standortinformationen gewonnen werden. Theoretisch betr\u00e4gt der Unterschied im Magnetfeld an verschiedenen Standorten Mikrosekunden und ist mit herk\u00f6mmlichen Messger\u00e4ten nicht messbar. Das durch Geb\u00e4udest\u00f6rungen verzerrte Magnetfeld in Innenr\u00e4umen verst\u00e4rkt jedoch den Unterschied im magnetischen Signal, wodurch die Erfassung magnetischer Daten in Innenr\u00e4umen erm\u00f6glicht 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 pr\u00e4zise positioniert werden \u2013 in der Regel mit einer Genauigkeit von etwa zwei Metern.<\/br><\/br><\/p>\n

\u00c4ndert sich jedoch die Anordnung benachbarter Geb\u00e4ude, beispielsweise durch den Verkehr, \u00e4ndert sich auch das Magnetfeld, und die Genauigkeit l\u00e4sst sich nur schwer beurteilen. Diese Methode erfordert eine h\u00e4ufige Kalibrierung des Magnetfelds und wird nicht empfohlen.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Positionierung mittels elektromagnetischer Wellen<\/h3>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

Signalst\u00e4rke<\/h4>\n

Eine typische Anwendung ist ein Bluetooth-Tracker mit Bluetooth-Gateway, der durch Berechnung der Signalst\u00e4rke 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 betr\u00e4gt jedoch nur maximal 2\u20133 Meter. Es wird haupts\u00e4chlich zur regionalen Ortung von Verm\u00f6genswerten und Personal eingesetzt.<\/p>\n

Anstellwinkel<\/h4>\n

Es wird normalerweise als Bluetooth Angle of Arrive-Technologie bezeichnet.<\/p>\n

Vorteil:<\/strong><\/span><\/p>\n

Niedrige Kosten f\u00fcr das Terminal, es muss nur ein Gateway bereitgestellt werden und es besteht eine hohe Positionierungspr\u00e4zision.<\/p>\n

Nachteile:<\/strong><\/span><\/p>\n

Die Reichweite ist begrenzt. Der Abdeckungsradius entspricht der H\u00f6he des Gateways. Das Gateway muss seine Position pr\u00e4zise fixieren und darf w\u00e4hrend des Gebrauchs nicht ersch\u00fcttert werden. Andernfalls wird der Positionierungseffekt beeintr\u00e4chtigt.<\/p>\n

Ultrabreitbandige Breitbandtechnologie (UWB)<\/h4>\n

DARPA und FCC haben unterschiedliche Definitionen f\u00fcr UWB vorgeschlagen, allerdings nur mit geringf\u00fcgigen Unterschieden in den Parametern.<\/p>\n

\"UWB-Basisband-Schmalimpulsspezifikationen\"<\/p>\n

Spezifikationen f\u00fcr schmale UWB-Basisbandimpulse:<\/p>\n

IR-UWB (Impuls-Radio-UWB):<\/h4>\n

Die \u00dcbertragung erfolgt direkt \u00fcber die Antenne, ohne die Sinuswelle zu modulieren. Dieses System ist einfach, echtzeitf\u00e4hig, kosteng\u00fcnstig, stromsparend, mehrwegesicher und hat eine gute Durchdringung. Es wurde sp\u00e4ter im 802.15.4a-Standard \u00fcbernommen.<\/p>\n

Bandpass-Tr\u00e4germodulation:<\/h4>\n

DS-UWB (Direct Sequence Code Division Multiple Access) und MB-UWB (Multiple Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing).<\/p>\n

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.<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n

\u00a0<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\"UWB-Positionierungstechnologie\"\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

UWB-Nutzlaststruktur:<\/b>\"Tabelle<\/p>

Modulation<\/strong><\/p>

BPM-BPSK:<\/strong><\/p>

Es kombiniert BPM (Burst Position Modulation) und BPSK (Binary Phase Shift Keying).<\/p>

Arbeitsfrequenzband\/-kanal:<\/strong><\/p>

Die weltweit verf\u00fcgbare Frequenzbandverteilungstabelle sieht wie folgt aus<\/p>

\"Tabelle<\/p>

\"UWB-Positionierungstechnologietabelle\"<\/p>

Kanalaufteilung<\/strong><\/p>

\"Tabelle<\/p>

Die Kanalaufteilung umfasst zwei Arten von Kan\u00e4len: 500 MHz und 1 GHz. Derzeit werden haupts\u00e4chlich die 500-MHz-Kan\u00e4le verwendet, also die Kan\u00e4le 1, 2, 3 und 5.<\/p>

Ausgangsleistung und Vorschriften:<\/strong><\/p>

Gem\u00e4\u00df den FCC-Bestimmungen betr\u00e4gt der H\u00f6chstwert -41 dBm\/MHz.<\/p>

\"Ausgangsleistung<\/div>

\u00a0<\/p>

Machtregeln in China:<\/strong><\/p>

\"Tabelle<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\tKapitel 2\n\t\t\t\t\t<\/p>

Positionierungstechnologien im Vergleich<\/h2><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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Vergleich von UWB-Positionierung und Bluetooth-AoA-Positionierung<\/h3>\t\t\t\t
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\"Vergleich<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

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Vergleich von UWB-AoA- und Bluetooth-AoA-Positionierung<\/h3>\t\t\t\t
\n\t\t\t\t\t

\"Schematische<\/p>\n

Prinzipvergleich:<\/h4>\n

Bluetooth-AoA:<\/strong><\/span><\/p>\n

Diese Methode misst nur den Signalwinkel eines einzelnen Gateways, nicht die Entfernung. Sie geht au\u00dferdem davon aus, dass die H\u00f6he des Trackers fest ist und projiziert seine Position vom Winkel-H\u00f6hen-Schnittpunkt. Das Anheben und Absenken des Trackers kann die Positionsgenauigkeit erheblich beeintr\u00e4chtigen.<\/p>\n

UWB-AoA:<\/strong><\/span><\/p>\n

Diese Methode misst sowohl den Winkel als auch die Entfernung mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich, was eine h\u00f6here Pr\u00e4zision erm\u00f6glicht. Au\u00dferdem kann der Tracker dreidimensional geortet werden.<\/p>\n

Antennenvergleich:<\/h4>\n

Bluetooth-AoA:<\/strong><\/span><\/p>\n

Diese Methode nutzt ein Antennenarray, \u00fcblicherweise 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 H\u00f6henradius.<\/p>\n

UWB-AoA:<\/strong><\/span><\/p>\n

Diese Methode verwendet \u00fcblicherweise zwei Antennen und die PDoA-Phasendifferenzmethode zur Berechnung des optimalen Winkels. PDoA erfordert einen Abstand zwischen den beiden Empfangsantennen im Verh\u00e4ltnis zur Wellenl\u00e4nge, also \u03bb \/2. F\u00fcr Kanal 5 (6489,6 MHz) sind die Ankerantennen 2,08 cm voneinander entfernt, f\u00fcr Kanal 9 sogar noch n\u00e4her. Dadurch kann PDoA miniaturisiert werden und eignet sich daher f\u00fcr Anwendungen wie Smartphones, intelligente T\u00fcrschl\u00f6sser und Smart-Home-Steuerungen.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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\n\t\t\t\t\t\tKapitel 3\n\t\t\t\t\t<\/p>

UWB-Technologie<\/h2><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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UWB-Funktionen<\/h3>\t\t\t\t
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    \n
  1. UWB deckt 3G~5G, 6G~10G, insgesamt 7G Frequenzb\u00e4nder ab und verf\u00fcgt \u00fcber einen einzigen Kanal
    Bandbreite von mehr als 500 MHz.<\/li>\n
  2. Geringe Leistung. Gem\u00e4\u00df FCC und anderen Vorschriften ist die Ausgangsleistung auf -41 dBm\/MHz begrenzt. Basierend auf einem einzelnen Kanal mit 500 MHz betr\u00e4gt die Kanalleistung -14,3 dBm.<\/li>\n
  3. Der ultrakurze Puls mit einer Dauer von wenigen Zehntel Nanosekunden.<\/li>\n
  4. Durchdringen der Wand: Es kann W\u00e4nde effektiv durchdringen, verursacht jedoch eine gewisse Signald\u00e4mpfung.<\/li>\n<\/ol>\n

    Die folgende Tabelle zeigt die Signald\u00e4mpfung durch Wanddurchdringung beim Arbeiten auf Kanal 2 (mit 4 GHz als Mittenfrequenz).<\/p>\n

    \"Signald\u00e4mpfung<\/p>\n

    Mehrwegeerkennung<\/b><\/p>\n

    \"Mehrwegeerkennung<\/p>\n

    Elektromagnetische Wellen k\u00f6nnen direkt vom Sender zum Empf\u00e4nger gelangen oder zum Ziel reflektiert werden. Bei der Schmalbandkommunikation wird \u00fcblicherweise das Signal mit der st\u00e4rksten Signalst\u00e4rke verarbeitet, das m\u00f6glicherweise nicht das erste ankommende Signal ist.<\/p>\n

    Bei der UWB-Kommunikation kann das erste ankommende Signal (erster Pfad) anhand der Zeitdifferenz genau identifiziert werden. Bei direkter oder durchdringender Ankunft k\u00f6nnen wir jedoch nur davon ausgehen, dass das erste Mehrwegesignal das ben\u00f6tigte direkte Signal ist.<\/p>\n

    Wie alle anderen elektromagnetischen Wellen kann UWB kein Metall durchdringen.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

    \n\t\t\t\t\t

    Genauigkeit<\/h3>\t\t\t\t
    \n\t\t\t\t\t

    Die Genauigkeit umfasst haupts\u00e4chlich drei Aspekte: Entfernungsgenauigkeit, Genauigkeit der Zeitsynchronisation und Positionierungsgenauigkeit. Die Entfernungsgenauigkeit wird haupts\u00e4chlich von zwei Faktoren beeinflusst: dem Entfernungsalgorithmus und der verwendeten Uhrgenauigkeit.<\/p>\n

      \n
    1. Entfernungsgenauigkeit:<\/strong><\/span> DS-TWR minimiert den durch Taktabweichungen verursachten Fehler.<\/li>\n
    2. Genauigkeit der Zeitsynchronisierung:<\/strong> <\/span>Im Entfernungssystem ein temperaturkompensierter Quarzoszillator (TCXO) mit 0,5PPM Takt
      kann verwendet werden, um eine h\u00f6here Genauigkeit zu erreichen. Die Entfernungsgenauigkeit kann innerhalb von 10 cm gesteuert werden.
      Die Genauigkeit kann durch die Verwendung von TCXO verbessert werden.\n

      In einem UWB-Funk Positionierungssystem<\/a>, both ranging and TDoA are supported. In TDoA, all positioning gateways need to be synchronized wirelessly. The system has a synchronization accuracy of 0.3ns.<\/p>\n

      Im Vergleich zur kabelgebundenen Synchronisierungsmethode ist ein kabelloses System viel einfacher und kann unbegrenzt erweitert werden. Es ist nicht durch die kabelgebundene Entfernung eingeschr\u00e4nkt. Es vereinfacht auch die Projektimplementierung.<\/li>\n

    3. Positionierungsgenauigkeit:<\/strong><\/span> Die Genauigkeit betr\u00e4gt 30 cm. Die Positioniergenauigkeit des Systems wird beeinflusst durch verschiedene <\/li>\n<\/ol>\n

      Umweltfaktoren, nicht nur die Distanzmessgenauigkeit von 10 cm. Die Positionsgenauigkeit von 10 cm kann nur in einer idealen Umgebung ohne St\u00f6rungen im Labor erreicht werden. Jede Signalst\u00f6rung kann zu Abweichungen im System f\u00fchren.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

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      \n\t\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t\tKapitel 4\n\t\t\t\t\t<\/p>

      \u00dcber Positionierung<\/h2><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      UWB-Funktionen<\/h3>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Die Positionierungsdimension wird je nach Anwendungsfall und Situation vor Ort gew\u00e4hlt. Die nulldimensionale Szene dient haupts\u00e4chlich der Ein- und Ausgangserkennung. Die eindimensionale Szene weist meist ein unproportionales Seitenverh\u00e4ltnis 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 H\u00f6heninformation, w\u00e4hrend die dreidimensionale Szene \u00fcber H\u00f6heninformationen verf\u00fcgt. Dennoch ist bei der Systeminstallation ein H\u00f6henunterschied des Ankers erforderlich, um eine gewisse Genauigkeit der Z-Achse zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Nulldimensional<\/h4><\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t
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      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

      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 Ger\u00e4ts von einem Ankerpunkt. Es gilt als Eintritt in den nulldimensionalen Bereich.<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\"Nulldimensionale\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Eindimensional<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Eine eindimensionale Positionierung kann durch den Einsatz von ToF-, TDoA- oder kombinierter AoA-Technologie erreicht werden.<\/p>\n

      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.<\/p>\n

      Aktueller Standort:<\/p>\n

      <\/strong><\/p>\n

      \"Aktueller<\/p>\n

      Positionierungsergebnis:<\/strong><\/p>\n

      \"Positionierungsergebnis<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Zweidimensional<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Bei der zweidimensionalen Positionierung werden die XY-Koordinaten des Zielorts angezeigt. Wenn die Anker auf gleicher H\u00f6he installiert sind, werden die Positionierungsergebnisse nicht durch die Installationsh\u00f6he der Tracker beeinflusst.<\/p>\n

      \"Zweidimensionale<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Dreidimensional<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      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 H\u00f6henunterschied zwischen den Ankern erfordert. Die andere basiert auf AoA, was eine hohe Winkelaufl\u00f6sung auf der Z-Achse erfordert, um die Genauigkeit der Z-Koordinate sicherzustellen.<\/p>\n

      \"Dreidimensionale<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Positionierungsmethode<\/h3>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Derzeit werden bei der UWB-Positionierung haupts\u00e4chlich TOF-Entfernungsmessung, TDoA und AoA-Positionierung verwendet. Die ersten beiden Methoden funktionieren unabh\u00e4ngig voneinander, w\u00e4hrend die letztere AoA-Methode normalerweise mit ToF oder TDoA kombiniert wird.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      ToF-Positionierung<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      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 gen\u00fcgt 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.<\/p>\n

      In eindimensionalen F\u00e4llen wird der Anker oben platziert und mit nur einem Anker eine eindimensionale Positionierung erreicht.<\/p>\n

      \"ToF-Positionierung<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

      In eindimensionalen F\u00e4llen k\u00f6nnen Sie die Entfernung mit nur zwei Ankern messen:<\/p>

      \"In<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t\t\t\t

      Zweidimensionale Positionierung:<\/p>

      \"UWB<\/p>\t\t\t\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      TDoA-Positionierung<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      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 \u00dcberwachungsanker, erh\u00f6ht jedoch den Zeitsynchronisierungsbedarf zwischen den Ankern. Zwei TDoAs k\u00f6nnen durch die Verwendung von drei verschiedenen Ankern erkannt werden, und der mobile Tracker befindet sich am Schnittpunkt der durch die beiden TDoAs definierten Hyperbeln.<\/p>\n

      \"In<\/p>\n

      Der Vorteil von TDoA besteht darin, dass die Anzahl der Kommunikationen f\u00fcr eine Positionierung deutlich reduziert wird und die Genauigkeit im Vergleich zu ToA h\u00f6her ist. Diese Art der Positionierung h\u00e4ngt jedoch von der Wellenausbreitung ab, und der inh\u00e4rente Taktfehler von 1 ns kann einen Distanzfehler von 30 cm verursachen. Daher m\u00fcssen die Uhren jedes Ankers streng synchronisiert sein. Der Aufbau eines pr\u00e4zisen Synchronisationssystems mit relativ gro\u00dfen Abst\u00e4nden ist sehr teuer.<\/p>\n

      Es gibt zwei Arten der Zeitsynchronisierung:<\/strong><\/p>\n

      Eine M\u00f6glichkeit besteht in der Verwendung kabelgebundener Verbindungen, die eine Synchronisationsgenauigkeit von 0,1 ns erreichen k\u00f6nnen. Dies erh\u00f6ht jedoch die Komplexit\u00e4t und die Kosten f\u00fcr Wartung und Aufbau des Netzwerks. Dar\u00fcber hinaus ist f\u00fcr die Synchronisierung der Uhr ein dediziertes Kabel (z. B. Ethernet) erforderlich, was ebenfalls teuer ist.<\/p>\n

      Die andere M\u00f6glichkeit 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 ben\u00f6tigt lediglich eine Stromversorgung, und die Daten\u00fcbertragung kann \u00fcber WLAN, LoRa oder Ethernet erfolgen, was die Kosten effektiv senkt.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Anstellwinkelpositionierung<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      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 Winkelaufl\u00f6sung hat, was bedeutet, dass die Positionsgenauigkeit mit zunehmender Entfernung vom Anker abnimmt.<\/p>\n

      Der Anstellwinkel (AoA) kann zur Positionierung mit der Flugzeitmessung (ToF) kombiniert werden. In diesem Modus k\u00f6nnen wir einen Anker zur Positionierung verwenden.<\/p>\n

      \"UWB-AoA-Positionierung\"<\/p>\n

      Es ist auch m\u00f6glich, dass zwei Anker eine Positionierung durch AoA erreichen<\/p>\n

      \"zwei<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Positionierungsmodus und Stromverbrauch<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Wir vergleichen haupts\u00e4chlich 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 abzuschlie\u00dfen. 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.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t

      Umweltfaktoren<\/h4>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      Es gibt viele Umgebungsfaktoren. Die typischsten sind die Positionierung innerhalb und au\u00dferhalb des Gebiets.
      Da TDoA auf der Ankunftszeitdifferenz des Signals basiert, wird \u00fcblicherweise ein hyperbolischer Algorithmus verwendet, der die Ankunftszeitdifferenz in eine Entfernungsdifferenz umwandelt. Die Einschr\u00e4nkungen des hyperbolischen Algorithmus f\u00fchren dazu, dass die Positionierungsgenauigkeit im von den Ankern abgedeckten Bereich hoch und au\u00dferhalb dieses Bereichs relativ gering ist. In komplexen Umgebungen wie Kraftwerken ist die Bereitstellung des Systems mit gro\u00dfen Schwierigkeiten verbunden, und die TDoA-Positionierung kann die Anwendungsanforderungen nur schwer erf\u00fcllen. In diesem Modus k\u00f6nnen wir ToF oder TDoA in Kombination mit AoA verwenden.<\/p>\n\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t<\/div><\/div>\t\t\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t\t\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/section>\n\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      \n\t\t\t\t\t\tKapitel 5\n\t\t\t\t\t<\/p>

      LoRaWAN-basierte UWB-Positionierungsl\u00f6sung<\/h2>\t\t\t\t
      \n\t\t\t\t\t

      In diesem Kapitel werden das zugeh\u00f6rige Ger\u00e4t und die Theorie zur Funktionsweise des Systems vorgestellt.<\/p>\n