Schwarmlokalisierung und Lageschätzung basierend auf Multimoden-Antennen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Uwe-Carsten Fiebig; Professor Dr.-Ing. Peter A. Höher
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290848173

In Explorationsanwendungen gewinnen Schwarmsysteme immer mehr an Bedeutung. Hinsichtlich des sog. PHY-Layers besteht die Herausforderung nicht nur in einer zuverlässigen hochratigen Kommunikation zwischen den Schwarmelementen, sondern auch in einer präzisen Lokalisierung der Schwarmelemente. In zahlreichen Vorarbeiten weltweit wurden zukunftsweisende Schwarmalgorithmen zur Positionsschätzung entwickelt und zum Teil auch in Feldversuchen getestet. Bei diesen Untersuchungen zeigte sich, dass der Schätzfehler durch Gruppenantennen, sog. Antennenarrays, verringert werden kann. Gruppenantennen bieten darüber hinaus auch die Möglichkeit der Lageschätzung (im Sinne von Roll-Nick-Gier-Winkel). Klassischerweise wird diese mit aufwändigen ("navigation grade") Komponenten wie Gyroskop, Beschleunigungssensor und Kompass geschätzt.In den ersten zwei Jahren dieses Verbundprojekts zwischen dem DLR Oberpfaffenhofen und der CAU Kiel wurde eine innovative Lösung vorgeschlagen und untersucht: Gruppenantennen wurden durch sog. planare Multimoden-Antennen ersetzt. Multimoden-Antennen sind Radiatoren (wie beispielsweise Leiterplatten), bei denen sich verschiedene Moden unabhängig voneinander anregen und so unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken erzeugen lassen. Es wurde erstmals herausgefunden, wie sich Multimoden-Antennen bezüglich der Positionierungsgenauigkeit und hinsichtlich der Lageschätzung im Vergleich zu klassischen Gruppenantennen verhalten. Die bearbeiteten Arbeitspakete umfassten (1) eine Modellierung der Multimoden-Antenne auf Basis der Array Interpolations Technik und der sog. Wavefield Modellierung als virtuelle Gruppenantenne mit äquidistanten Antennenelementen, (2) die Bestimmung der Positionierungsgenauigkeit bei Verwendung einer Multimoden-Antenne, (3) die Lageschätzung bei Verwendung einer Multimoden-Antenne, (4) die Entwicklung einer optimalen Signalform zur gemeinsamen Positions- und Lagebestimmung, (5) eine gemeinsame Positions- und Lagebestimmung für Schwarmsysteme und (6) einen Gesamtsystementwurf.Im dritten und abschließenden Projektjahr sind folgende Arbeitspakete geplant: (7) Einfluss der Phasenzentren auf Positions- und Lageschätzung: Für einfache Modellannahmen sollen zunächst die ungefähren Positionen der winkel- und modenabhängigen Phasenzentren einer Multimoden-Antenne berechnet werden. Darauf aufbauend soll untersucht werden, wie sich Phasenzentren auf die Schätzgenauigkeit auswirken. (8) Datengewinnung: Die Antennencharakteristik einer Multimoden-Antenne soll in einer Messkammer bestimmt werden, anschließend sind mobile Messungen in realer Umgebung mit Hilfe eines Rovers geplant. (9) Experimentelle Verifikation: Die prädizierten Phasenzentren und die theoretisch berechneten Schätzfehler sind auf Basis der experimentell gewonnen Daten zu verifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen