Ultra wideband positiebepaling UWB

Ja, de tijdregistratie moet zeer nauwkeurig. GPSen werken ook zo, en werkten een paar jaar geleden met iets van 100MHz, dus max 3m resolutie. Er wordt dan ook vaak iets met de fase van signalen gedaan. Als je detecteerd dat je 100MHz signaal 3% (van een volledige cyclus) voorloopt op een signaal van de zender, dan weet je dat je 10cm t.o.v. de hele "3m" verschoven zit.

Je kan fase metingen doen op het signaal.

Veldsterkte meting

Multilateratie zou ook nog kunnen.

http://en.wikipedia.org/wiki/Multilateration#Reciprocal_case:_locating…

Als ik dus juist ben, dan moeten de huidige toepassingen beschikken over timers van enkele GHz om de positie te bepalen. Enkele fabricanten verkopen de "inhouse TAG-postionering" reeds (zeer hoge prijzen).
Wil ik hiermee dus zelf experimenteren (wat niet simpel zal zijn) dan lijkt een recent moederbord van een PC het enige "goedkope" alternatief om deze nauwkeurige tijdsmetingen te doen?

wat ik zo snel over inhouse positioning kan vinden, gaat over RFID tags en die volgen bij lopende banden etc.

Ik bentrouwens wel benieuwd waar je de nauwkeurigheid van 10cm vandaan haalt.

Op 6 juni 2008 23:31:51 schreef rew:
Ja, de tijdregistratie moet zeer nauwkeurig. GPSen werken ook zo, en werkten een paar jaar geleden met iets van 100MHz,

Doe maar een 10X zo hoge frequentie, op 1.2 en 1.5 GHz (de L1 en L2 frequenties)

Hoy Jovak, 10cm was mogelijks iets te nauwkeurig, maar 30cm is geen probleem. Alles is natuurlijk afhangkelijk van het aantal ontvangers en de afstand tov van de Tag.
Hier alvast een link naar een voorbeeld:

http://www.timedomain.com/products/PLUSSystemDataSheet.pdf

Met een 1GHZ klok zou je theoretisch die 30cm moeten kunnen redden. Het systeem waar je die link van gaf werkt op TDOA. Time difference of arival.

De tag zend een signaal, De ontvangers zijn gesynchroniseerd en versturen de tijd van ontvangst naar het netwerk.

Door met multilateratie te werken kan je de looptijd van de signalen bepalen en daar mee de afstand tot een ontvanger. Neem al deze afstanden die verschillende ontvangers hebben gemeten en je kan berekenen waar de tag zich bevind.

Met UWB heb ik geen ervaring. In mijn werk worden dit soort techieken wel gebruikt voor positiebepaling van vliegtuigen op het vliegveld.

GPS werkt overigens ook met het princiepe van multilateratie. Je hebt dan alleen 1 ontvanger die meerdere (gesynchroniseerde) zenders ontvangt en uit de looptijd van het signaal zijn positie kan schatten.

Er zijn verschillende manieren om dit soort metingen te doen. Belangrijk is altijd om iets in het ontvangen signaal te vinden waarmee een tijdreferentie kan worden vastgesteld.

Nemen we als voorbeeld eens 'gewone' GPS. Het GPS signaal is gemoduleerd met een data-signaal met een bitfrequentie van 1.023 MHz (dat is het vrij beschikbare burger signaal ofwel de C/A code, de militaire P(Y) code draait op 10.23 MHz). Door deze digitale code te correleren met een kopie in de ontvanger kan de ontvanger bepalen hoeveel tijdsverschil er zit tussen de eigen ontvangerklok en het tijdstip dat het signaal was uitgezonden. De breedte van elk bit is pakweg 1us, dus overeenkomend met een onzekerheid van 3e8*1e-6=300 meter. Door te correleren krijg je echter een correlatiepiek te zien (een driehoek) met een breedte van 2us (als je met continue signalen te maken zou hebben). Als je echter een paar punten kent op die correlatiepiek door bv je correlatiecode te oversampelen op 5 MHz (dan heb je 10 punten op je correlatiepiek), kan je vervolgens met wat simpele interpolatietechniekjes de werkelijke piek afschatten op bv 1% nauwkeurigheid. Dus hou je een nauwkeurigheid over van ongeveer 3 meter... Met 1 satellietsignaal weet je eigenlijk nog niks, want omdat de satellietklok en jouw ontvangerklok niet gelijklopen weet je dus eigenlijk niet hoelang het signaal onderweg is geweest en dus niet hoever de satelliet van je af staat. Je kan wel opschrijven:

afstand satelliet tot receiver = c*(T_sat - T_rcv + T_corr)

c : lichtsnelheid
T_sat : satelliet klok bij ontvangen van het signaal
T_rcv : ontvanger klok bij ontvangen van het signaal
T_corr: tijdverschuiving tussen ontvangen code en lokale kopie van de code zoals bepaald door correlatieproces

Hier zitten een aantal onbekenden in: positie van jezelf in xyz coordinaten (die wil je bepalen), en T_sat. De rest is bekend, de positie van de satelliet wordt je namelijk namelijk door de satelliet zelf verteld. Er zijn dus 4 onbekenden. En daarmee is de puzzel eigenlijk meteen opgelost! Als je namelijk de signalen van 4 verschillende satellieten kan ontvangen, dan kan je een stelsel opschrijven van 4 vergelijkingen zoals hierboven (voor elk signaal 1), en dat stelsel is oplosbaar: 4 vergelijkingen, 4 onbekenden. Je hebt dan dus ook je eigen positie bepaald (en T_sat, maar dat interesseert je meestal niet...). Met meer satellietsignalen kan je je oplossing nauwkeuriger krijgen aangezien er altijd wat extra 'ruis' zit in de vergelijkingen. Door ionosferische en troposferische omstandigheden kan 'c' iets varieren, of het sterkste signaal van een satelliet heeft niet een rechte weg afgelegd....
Voorwaarde is dat de klokken van alle satellieten exact gelijklopen. Dat doen ze, door toepassen van atoomgestuurde klokken. Einstein voorspelde met zijn relativiteitstheorie dat klokken die zich snel bewegen langzamer lopen (niet te tverwarren met Doppler-effect). Ook daar zijn de satellietklokken voor gecorrigeerd...

Met het bovenstaande in het achterhoofd kan je allerlei varianten hierop ook toepassen in andere systemen. UWB (de puls-variant, niet de OFDM variant) was van oorsprong een correlatiesysteem (Hocter gebruikte pulsen met variabele delay). Zo gauw als je een referentiepunt hebt gevonden met voldoende resolutie, kan je ook gaan kijken naar bv de carrierfase voor hogere nauwkeurigheid.

Op 7 juni 2008 08:55:06 schreef JoWi:
[...]Doe maar een 10X zo hoge frequentie, op 1.2 en 1.5 GHz (de L1 en L2 frequenties)

De radio signalen zitten op die frequenties, de metingen hoeven niet met die nauwkeurigheid te gebeuren. Als je super-nauwkeurig GPS wilt doen, wel, maar voor huis-tuin-en-sport toepassingen dus niet.

In de initiële vraagstelling ben ik eigenlijk niet volledig geweest. De doelstelling is uiteindelijk een "In-house" positiebepaling te doen met een nauwkeurigheid van minstens 30cm. De zenders kunnen zich in een omgeving van bvb 50m bevinden tot de Tag.
Als we dan alle ontvangers linken en een TDOA uitvoeren zou de positie kunnen bepaald worden.
Grootste uitdaging is volgens mij een stabiele en nauwkeurige tijdsmeting uit te voeren. Zouden er hiervoor dergelijke IC-counters beschikbaar zijn? Of zie ik alles te simplistisch?

Praat eens met deze mensen:

www.uwb.nl

Dag Bart,

Die ken ik. Heb de site er ook al op nageslaan en zij leveren inderdaad waar ik op zoek naar ben. Maar als elektonica geïnteresseerde stel ik mij de vraag als het mogelijk zou zijn een proefopstelling te maken. UWB is natuurlijk niet van de poes maar volgens mij moet het principe toch na te bootsen zijn met een zender en enkele ontvangers zoals bvb deze http://ideetron.biedmeer.nl/website/index.php?ProductCategory=23529 (Dit is onderandere een tip welke ik van jou heb gekregen)
dit in combinate met enkele snelle counters en wat software om de data te verwerken.
Mogelijks schuilen er achter dit hele principe complexe zaken waar ik geen (voorlopig) kennis van heb waardoor ik een proefopstelling wel kan vergeten.

Voordat je ergens aan begint, denk heel goed na over het principe dat je zou willen gebruiken om je positiebepaling te doen. Als leidraad kan je mijn eerdere bijdrage nemen. Let dan op de volgende punten:

* Om positiebepaling te doen zal je directe processing toe moeten kunnen passen op het ontvangen signaal (vgl de correlatie-processing zoals eerder beschreven). Een kant en klare RF-module waar een bitstroom uit komt rollen, daar heb je niks aan. De tijdsrelatie tussen de gedemoduleerde data en het ontvangen signaal is namelijk onbekend (de data wordt namelijk gewoon aan de hand van de interne rcv-klok uitgespuugd...). Je hebt dus dedicated harware nodig.
* Voor een nauwkeurige positiebepaling (je noemt 30 cm) zal je op hoge frequenties moeten werken om voldoende nauwkeurigheid te krijgen. Dat is niet eenvoudig en kan vaak alleen maar op dedicated geïntegreerde chips.
* In het geval van een zender-tag en meerdere ontvangers die de tag-positie willen bepalen, zullen de klokken van de ontvangers gelijk moeten lopen. Dit kan bv op 2 manieren:
1) Je locked de klokken van de ontvangers aan elkaar mbv een aparte draadloze link. Aangezien de positie van elke ontvanger bekend is, is ook de bijkomende vertraging door propagatie van de ref-klok tot aan elke ontvanger bekend. Die neem je dan weer mee in je berekeningen
2) Je locked de klokken van de ontvangers aan elkaar mbv een kabel. Je zal nu een meting met een referentietag moeten doen om het hele systeem te calibreren. Immers, de lengte van de kabel is vaak niet precies bekend (die ga je bij installatie van het systeem niet exact opmeten...), en dus de vertraging van de ref-klok over die kabels tot aan elke ontvanger ook niet.

Je ziet, er zitten nogal wat haken en ogen aan... Het geheel kan bijzonder leerzaam zijn, maar denk eerst heel goed na over de toe te passen principes en wat je er voor nodig hebt om de boel te realiseren.

Je hebt ook systemen met een radio en een ultrasoon signaal. Hierdoor is je tijdmeting veel minder kritisch. De cricket is daar een voorbeeld van:

http://cricket.csail.mit.edu/

Op 9 juni 2008 08:37:30 schreef Mr. SnuGGelS:
Je hebt ook systemen met een radio en een ultrasoon signaal. Hierdoor is je tijdmeting veel minder kritisch. De cricket is daar een voorbeeld van:

http://cricket.csail.mit.edu/

Ik bedacht gister ook al dat de TS het misschien eens met ultrasoon zou kunnen proberen.

Beroepsmatig doe ik onderhoud op systemen voor radionavigatie. Om een nauwkeurigheid van 15 meter te halen moet je al heel veel moeite doen om je systeem nauwkeurig te maken.

Het cricket systeem is wel erg intressant. Jaren geleden heb ik al een soort gelijk idee gehad om met ultrasoon en radio, positie bepaling te kunnen maken. Verder dan een gedachten experiment met mijn vader is het toen helaas niet gekomen.

Op 9 juni 2008 01:18:02 schreef YOBE:
Dag Bart,

Die ken ik. Heb de site er ook al op nageslaan en zij leveren inderdaad waar ik op zoek naar ben. Maar als elektonica geïnteresseerde stel ik mij de vraag als het mogelijk zou zijn een proefopstelling te maken. UWB is natuurlijk niet van de poes maar volgens mij moet het principe toch na te bootsen zijn met een zender en enkele ontvangers zoals bvb deze http://ideetron.biedmeer.nl/website/index.php?ProductCategory=23529 (Dit is onderandere een tip welke ik van jou heb gekregen)
dit in combinate met enkele snelle counters en wat software om de data te verwerken.
Mogelijks schuilen er achter dit hele principe complexe zaken waar ik geen (voorlopig) kennis van heb waardoor ik een proefopstelling wel kan vergeten.

De techniek is inderdaad zeer complex en zeer zeker niet te maken met de modules voor 433 MHz.
Het basisprincipe is heel anders.

UWB voor positiebepaling werkt met extreem korte pulsen.
De 'normale' draaggolf gebaseerde technieken werken met continue signalen.

Je kunt met de low cost module alleen een continue draaggolf maken en die moduleren.

Ik heb nog wat leesvoer voor je online gezet:

http://www.ideetron.nl/UWB_theory.pdf
http://www.ideetron.nl/UWB_PCB.pdf

Dit helpt je wat inzicht te geven in de materie.
De radar kun je zelf bouwen.

Ik heb nog meer foto's en gegevens van de radar.

Bedankt voor de theoretische feedback Bart. Heb deze doorgenomen en was een goede aanvulling. Super toch hoe men met de albekende 74reeks de vertragingen bewerkstelligd.

Je hebt ook systemen met een radio en een ultrasoon signaal. Hierdoor is je tijdmeting veel minder kritisch. De cricket is daar een voorbeeld van:

Dit principe heb ik ook al bestudeerd. Is qua opbouw natuurlijk veel eenvoudiger en vlot zelf te bouwen. Het probleem is echter dat de zender zal bevestigd worden aan de bovenzijde van de hand en dat er ontvangst moet zijn met de vast opgestelde ontvangers. Met Ultrasoon is de richting van de zender tov de ontvanger zeer bepalend en tijdens het willekeurig bewegen van de hand is dit onvoorspelbaar.
Daarom leek RF mij een alternatief welke veel betrouwbaarder is.

De techniek is inderdaad zeer complex en zeer zeker niet te maken met de modules voor 433 MHz.
Het basisprincipe is heel anders.
UWB voor positiebepaling werkt met extreem korte pulsen.
De 'normale' draaggolf gebaseerde technieken werken met continue signalen.
Je kunt met de low cost module alleen een continue draaggolf maken en die moduleren.

Ik weet dat UWB met zeer korte "bursts" werkt en dus ook zeer energie-efficiënt zijn.
Maar waar zit nu mijn foute redenering? Stel je voor 3 counters gekoppeld aan 3 ontvangers, welke gelijktijdig hardwarematig worden gestart (natuurlijk na calibratie met een ref-positie). Ik neem bvb een "Low cost" zender op 2.4GHz en via deze draaggolf vertsuur ik een digitale code. Op het ogenblik dat de ontvangers de code ontvangen stoppen de counters. Verschil tussen de 3 counters heeft mij een indicatie van positie.
Zit de fout bij het onstabiele gedrag van de "lowcost" zender-ontvanger waardoor de meting niet betrouwbaar is? Of is de reden een theoretisch eigenschap welke ik niet ken?

Je hebt tijd nodig om een puls te detecteren.
Als je een puls hebt van 1uS is er in de tijd van de puls al 300m afgelegd.

Als je met meerdere ontvangers nauwkeurig kan timen wat het verschil is. met een klok van 100MHz zou je theoretisch je nauwkeurigheid van 0,3 meter nog niet halen, maar op 3 meter zitten.

timer logica klokken op meer dan 100MHz wordt al behoorlijk lastig.
Ontvangers met 2 antennes zou nog wat kunnen helpen. Als je de antennes goed plaatst ten opzichte van elkaar kan je de fase van het RF signaal nog mee nemen in je positie berekening.

Nu ik op deze manier zit te denken....
Als je in een kamer 3 of 4 antennes ophangt in de hoeken, kan je met 1 ontvanger ( de lengte van de coaxkabel kan je verrekenen in de looptijd en fase) bepalen waar een zendertje zich in die ruimte bevind.

Door 1 antenne als referentie te nemen, kan met het fase verschil op de andere 2 antennes bepalen.

Ik ga nog eens verder met gedachte experimenten.

Op 9 juni 2008 16:40:02 schreef jovakoor 1 antenne als referentie te nemen, kan met het fase verschil op de andere 2 antennes bepalen.
Ik ga nog eens verder met gedachte experimenten.

Denk dan ook nog even na over de frequentie waar de antennes op werken. Allemaal hetzelfde, hoe weet je dan wat je ontvangt? Zo niet, wat is dan je fase nog waard?

Vergeet je redenatie met tijd en continue signalen, daar kom je niet verder mee.

Het gaat om de discontinuiteit van de extreem korte pulsen.
Hierdoor onstaat een extreem breed frequentiespectrum.

Je zit dus op het niveau van het hoogfrequent spectrum en de eigenschappen van hoogfrequente signalen.
Bij de 2,4 GHz modules zul je altijd met het gedemoduleerde signaal werken en daar zit de nuttige informatie niet meer in.

Met UWB heb je direct twee essentiële eigenschappen:

Een extreem breed frequentiespectrum => een extreem hoge immuniteit tegen storingen.
Tijdconstante pulsen => een ideaal uitgangspunt voor locatiebepaling.

Bij een traditioneel signaal heb je deze eigenschappen niet.

Locatiebepaling met traditionele systemen wordt gedaan met behulp van signaalsterkte of kleine variaties in timing. Dat laatste is alleen mogelijk in een TDM systeem zoals GSM.
Ook hier is de noodzakelijke apparatuur zeer complex en vooral zeer duur. De resolutie haalt het niet bij UWB. Denk aan >10 meter.

Een ander voordeel van het UWB systeem van TimeDomain (Utellus) is dat het gelijk een communicatienetwerk vormt. Het systeem kent dus meerdere kunstjes.

Denk dat ik het best even contact zal opnemen met Utellus. Zal mij maar best voorbereiden op de kosten voor dergelijk systeem, zullen niet min zijn vrees ik.
Als dit de investering waard zal zijn voor een project waar het totale concept nog niet bewezen is, zal maar de vraag zijn.

Op 9 juni 2008 18:15:06 schreef Bart Hiddink:
Locatiebepaling met traditionele systemen wordt gedaan met behulp van signaalsterkte of kleine variaties in timing. Dat laatste is alleen mogelijk in een TDM systeem zoals GSM.
Ook hier is de noodzakelijke apparatuur zeer complex en vooral zeer duur. De resolutie haalt het niet bij UWB. Denk aan >10 meter.

Dit is niet alleen met TDM systemen te doen.

http://www.patentstorm.us/patents/6094169/description.html
meerdere ontvangers aan elkaar gesynchroniseeerde ontvangers. Ontvang pakket, plak er een hoge resolutie timestamp aan. Verstuurd dit naar een server en laat de positie van de zender berekenen. Resolutie is beter dan 5 meter.
De vliegtuigen zenden random hun mode-s squiter uit. Dit is een pulsgemoduleerd bericht van een aantal bytes.

@bart Ik zat in mijn gedachten experiment even te denken aan een pakketje van bits te denken. Als je op de eerste flank van een bittrein een nauwkeurig gesynchroneerde timestamp hangt, en je doet da top meerder ontvangers zou je toch wel uit de de gedemoduleerde informatie nog looptijd verschillen moeten kunnen meten.

Als een ontvanger een tijd x nodig heeft om een signaal te verwerken en je gebruikt meerdere ontvangers.. zal je een verschil krijgen van de looptijd van het signaal van zender tot ontvanger. De verwerkingstijd x is voor een zelfde ontvanger nagenoeg het zelfde en is anders per ontvanger weg te calibreren/verekenen in de positie berekening.

Je zit altijd met de interne syncronisatie van de ontvangers. Het meten van looptijd uit een gedemoduleerd signaal is niet eenvoudig.

Ik heb gewerkt met co-channel netwerken en daar werden oscillatoren gebruik met een nauwkeurigheid van 1x10^-9, dat is 0,5 Hz op 500 MHz.
Die oscillatoren moesten uit één batch komen met opeenvolgende serienummers. Die werden in huis (Telefunken) geproduceerd.

Ik ben bang dat je voor het meten van looptijdverschillen ook aan zoiets moet denken.

Kijk maar eens naar de opbouw van GPS. In elk van de satellieten zit een oscillator met een nog hogere stabilitiet.

Of je het nu in de zender of in de ontvanger oplost, je blijft met de tijd-afstand verhouding zitten.

Als jeje eisen bijstelt, bijvoorbeeld een resolutie van 10-50 meter, dan kan het haalbaar zijn met goedkope modules. Maar in dat geval zou ik voor micro cellen gaan en het meten van signaalsterkte. Dan heb je alleen een flink onderliggend netwerk en een heleboel modules nodig.

De kosten voor een UWB systeem met een resolutie van < 0,5 meter zijn inderdaad niet gering. Ook hier gaat het om hoge aantallen voordat het misschien leuk/haalbaar wordt.

Maar UWB zit te wachten op een killer applicatie waarbij er >10k stuks kunnen worden geproduceerd. In dat geval is er ook budget voor doorontwikkeling en prijsreductie. En daar kunnen wij dan weer van profiteren.

Op 10 juni 2008 11:07:56 schreef Bart Hiddink:

Op 10 juni 2008 11:07:56 schreef Bart Hiddink:
Je zit altijd met de interne syncronisatie van de ontvangers. Het meten van looptijd uit een gedemoduleerd signaal is niet eenvoudig.

[...]
Ik ben bang dat je voor het meten van looptijdverschillen ook aan zoiets moet denken.

Kijk maar eens naar de opbouw van GPS. In elk van de satellieten zit een oscillator met een nog hogere stabilitiet.

Over het gebruik en de werking van sateliet navigatie heb ik hier een map van 6cm liggen.

Bij GPS word je positie berekend door het meten van de looptijd verschillen van het gemoduleerde signaal. De sateliet stuurt een tijd gerelateerde code van zijn atoomklok. De ontvanger weet waar de satalieten zich bevinden op dat tijdstip. Door de verschillende looptijden te meten schat de ontvanger zijn positie.

Of je het nu in de zender of in de ontvanger oplost, je blijft met de tijd-afstand verhouding zitten.

Tijd is in dit geval gewoon afstand. 1 microseconde = 300 meter ook wel genoemd de lichtsnelheid.

[Bericht gewijzigd door jovak op dinsdag 10 juni 2008 11:52:12 (13%)]