In der Forführung zum Thema „Lokalisierungsmethoden“ sollen hier unterschiedliche Verfahren der Realisierung einer Lokalisierung im ZIGPOS RTLS erläutert und anschaulich dargestellt werden. Der Artikel erläutert in vereinfachter Weise den zeitlichen Ablauf und die Interaktion zwischen Tags und Satelliten während des Rangings. Der letzte Teil (3/3) betrachtet die Lokalisierung im Raum und geht auf deren Herausforderungen sowie Lösungsmöglichkeiten ein.
Realisierung im ZIGPOS RTLS
Die Animationen zeigen die Realisierung einer Positionsbestimmung und die hybride Arbeitsweise des ZIGPOS RTLS im 2.4GHz ISM Band und im UWB.
Time of Flight (ToF)
Der Koordinator startet die Ranging-Prozedur mit einem Ranging-Request an die Satelliten und dem zu lokaliserenden Tag. Dies erfolgt über das ZIGPOS Sensor Netzwerk (ZSN) im 2.4GHz ISM Band. Der Round-Trip im UWB wird durch das Senden einer Nachricht vom Tag an die Satelliten initiiert. Diese beginnen nacheinander mit unterschiedlicher Antwortverzögerung die Ranging-Response an das Tag zu senden. Dies erfolgt so, dass sich die Nachrichten zeitlich nicht überlappen. Mit den ermittelten Zeitstempeln erfolgt die Berechnung der Distanzen (Tag - Satellit) auf dem Tag selbst. Anschließend übermittelt das Tag diese über das ZSN an den Koordinator. Um die Prozedur so energieeffizient wie möglich zu gestalten, befindet sich das Tag während der restlichen Ranging-Periode im Sleep-Mode. Auf dem RTLS-Server findet abschließend die Positionsberechnung statt.
Der zeitliche Verlauf wird mit folgender Abbildung noch deutlicher
Die Signallaufzeiten (ToF) sind dann
$$T_{\text{f} i}=\frac{1}{2} (T_{\text{round}, i} - T_{\text{reply}, i}) \text{ mit } i = \text{{1, 2, 3, 4}}$$
Vorteile dieser Methode sind ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen sowie eine relativ lockere Forderung an Synchronität der Tags zu den Satelliten. Unvorteilhaft wirkt sich jedoch die hohe Anzahl an Interaktionen des Tags auf dessen Energieverbrauch aus. Da das Tag mehrere Nachrichten zeitlich versetzt empfangen muss, ist es während dieser Zeit ständig in Empfangsbereitschaft.
Time Difference of Arrival (TDoA)
Genau wie beim ToF startet eine Ranging-Periode mit dem Ranging Request über das ZSN an die Satelliten und das Tag. Es folgt eine Taktsynchronisation über das UWB. Deren Bedeutung beim TDoA wurde bereits im vorherigen Artikel erläutert. Sie muss jedoch nicht vor jeder Rangingperiode durchgeführt werden. Abhängig ist dies in gewisser Weise davon, wie schnell und stark die Uhren der Satelliten über die Zeit voneinander abweichen. Auf eine Darstellung in der Animation und im zeitlichen Ablauf wird aufgrund der unspezifischen Charakteristik verzichtet. Sind alle Satelliten miteinander synchronisiert, beginnt das eigentliche Ranging, bei dem das Tag eine Nachricht an alle Satelliten sendet. Nacheinander senden die Satelliten die detektierten RX-Zeitstempel an den Koordinator, der sie an den RTLS-Server weiterleitet. Mit diesem werden die Zeitdifferenzen, RX-Zeitstempel der Satelliten zum Rx-Zeitstempel eines Referenzsatelliten, im Bild Satellit 1, berechnet und die Position des Tags ermittelt.
Ablesbar sind die Zeitdifferenzen der Rx-Zeitstempel dT zwischen den Satelliten A2-A4 und Satelliten A1. $$d{T_{\text{1}i}}= T_{\text{Rx}i\text{|Tag}} - T_\text{Rx1|Tag} \text{ mit } i = \text{{2, 3, 4}} $$
Die Zeitdifferenzen werden auf dem RTLS-Server berechnet und aus diesen die Position des Tags ermittelt. Das Verfahren beruht auf One-Way-Ranging und zeichnet sich durch seine Schnelligkeit sowie Energieeffizienz aus, da das Tag lediglich eine Nachricht sendet und sich während der Restlaufzeit einer Rangingperiode im Sleep Mode befinden kann. Damit lassen sich aktuell bis zu 125 Positionen pro Sekunde bestimmen. Damit ist dieses Verfahren wesentlich schneller als ToF, jedoch nicht ganz so präzise. Die möglichen Ungenauigkeiten bei Messungen außerhalb der Satellitenreichweite wurden bereits zuvor erwähnt. Nachteilig für die Implementierung wirkt sich jedoch die Forderung nach hoch synchronen Satelliten aus. Für den Energiebedarf des Tags ist dieses sogenannte Uplink TDoA (UL-TDoA) - Tag sendet Ranging-Nachricht an Satelliten, die ToA bestimmen - jedoch äußerste vorteilhaft, da es während der Rangingperiode nur in einem kurzen Augenblick sendet und sich anschließend im Sleep-Mode befinden kann.
Fazit und Zusammenfassung
Der Artikel gibt einen ersten Einblick in die Ranging-Methoden des ZIGPOS RTLS, dem Zusammenspiel unserer Hardware und den implementierten Lokalisierungsverfahren. Die Animationen in Kombination mit den Zeitverläufen veranschaulichen die Kommunikation zwischen Tag, Satelliten, Koordinatoren und RTLS-Server im UWB sowie im ISM-Band. Die Größe das RTLS und damit die Anzahl der Geräte im Netzwerk ist dank des hybriden Systems beliebig skalierbar, sodass wir für jeden Kunden individuelle Lösungen zur Verfügung stellen können. Kontaktieren Sie uns einfach. Wir freuen uns auf Sie und beantworten Ihnen gern Ihre Fragen.