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Lokalisierung und Ortsbestimmungs-Verfahren für mobile Systeme

22. September 2009, 14:33 Uhr |

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Lokalisierung und Ortsbestimmungs-Verfahren für mobile Systeme

Ortungsverfahren: Trilateration/Angulation

Bei der Lokalisierung über Angulation und Trilateration geht man immer davon aus, dass (siehe Bild 3) Funkbaken B mit einer bekannten Position ihre Information zur Verfügung stellen und ein mobiles Gerät M_x aus Abstands- oder Winkelinformationen daraus seine relative oder absolute Position berechnet. Eine Ortsbestimmung anhand einer Abstandsschätzung bezeichnet man als Lateration, eine Ortsbestimmung anhand einer Winkelpeilung als Angulation.

Bei der Lateration erfolgt die Berechnung der Position aus Abstandsinformationen. Geeignet sind Abstandsinformationen, die sich aus der Signalstärke (RSSI, Receiver Signal Strength Indicator) oder aus Signallaufzeiten (ToA, Time of Arrival) berechnen lassen. Mit mindestens drei Baken ist eine Bestimmung der Position in der Ebene möglich, weshalb man das Verfahren auch als Trilateration oder bei mehreren Baken als Multilateration bezeichnet.

Die einfachste Möglichkeit der Abstandsschätzung ist die Verwendung der Signalstärke. Sendet eine Bake mit einer definierten Sendestärke, dann sollte aufgrund der theoretischen quadratischen Abnahme der Feldstärke mit dem Abstand (1/Abstand²) die Entfernung r bestimmt werden können. Leider führen die großen Schwankungen aufgrund von Umweltbedingungen nur zu einer ungenügenden Abstandsschätzung.

Bessere Ergebnisse lassen sich durch Abstandschätzungsverfahren erreichen, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit berücksichtigen (ToA Time of Arrival, dToA differential Time of Arrival). Hierbei werden durch die Baken exakt synchronisiert Signale versendet, die der mobile Empfänger auswertet. Anhand der Laufzeitunterschiede kann der Empfänger wiederum auf die Entfernung schließen, da die Laufzeit direkt proportional zu der Entfernung ist.

Die Nutzung der ToA-Verfahren erfordern eine hochgenaue Synchronisierung der Baken und eine sehr genaue Zeitmessung. Eine weitere Variante ist E-OTD (Enhanced Observed Time Difference), wie sie auch in zellularen Netzwerken wie im GSM-Netz verwendet werden kann. ToAVerfahren sind übrigens nicht frei von Umwelteinflüssen.

Neuere Entwicklungen ermöglichen auch die Laufzeitbestimmung ohne eine genaue Synchronisierung der Uhren. Das durch die Firma Nanotron eingeführte SDS-TWR-Verfahren (Symmetric Double Sided Two Way Ranging) ermöglicht beispielsweise durch eine Handshake-Kommunikation die Ermittlung der Round-Trip-Zeiten und der Zeitdifferenzen der Knoten.

Bei der Angulation erfolgt die Positionsermittlung durch eine Winkelpeilung der festen Knoten mit bekannter Position und bekanntem Abstand d (Bild 4). Mit einfachen geometrischen Umrechnungen kann der Abstand des mobilen Systems M_x von den Baken berechnet werden. Allerdings ist das Verfahren aufwendig, da eine hohe Winkelauflösung nur durch rotierende Richtantennen oder ein gerichtetes Antennenarray erreicht werden kann.