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Abstrakt in Englisch

This work presents the design of two localization systems with the aim of providing an integrated system for safe evacuation for maritime industry and cruise ships.

In this work, a low power overboard localization system is developed that aims at providing a system for localizing passengers in case they go overboard the ship. This system is based on measuring the received signal strength (RSS) between smart lifejacket tags and one interrogator station mounted inside an unmanned aerial vehicle (UAV). A new weighted least-mean-squares (WLMS) algorithm is developed for RSS based localization. Both simulation and measurement results are presented. It is shown that up to 50% improvement in positioning accuracy can be achieved using the proposed WLMS algorithm compared to the conventional unweighted least-mean-squares (LMS) solution. Simulations that study the effect of the UAV search path on the localization accuracy are presented. Measurements are carried out in a search area of 500 m × 350 m, where tags are localized with a root mean square (RMS) error of 38.4 m. The measurement results show better localization accuracy compared to other RSS based localization algorithms. In addition, large-scale sea demonstration was performed that showed the system in an operational environment.

For the on-board passengers’ localization system, a novel integrated sub-harmonic frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system based is presented, where a 24 GHz frequency divider-by-10 is used as an active reflector tag. A practical prototype is designed and fabricated on a GlobalFoundries (GF) 45 nm silicon-on-insulator (SOI) technology for the 24 GHz building blocks, while a GF 0.18 μm 7WL BiCMOS technology was used for the 2.4 GHz phase-locked-loop (PLL) and receiver (RX). Measurement results show that as opposed to conventional primary FMCW radars, the proposed system is immune to strong multi-path interferences resulting from the direct reflections of the interrogating signal. When measured in lab environment, the system achieves a ranging standard deviation of 3.7 mm. Moreover, when measured in an indoor environment, ranging results yield a ranging RMS error of 22.3 cm with a standard deviation of 5.8 cm. In addition, indoor positioning measurements are performed using an LMS algorithm. Measurement results show that the sub-harmonic FMCW radar system has a positioning RMS error of 26.8 cm with a standard deviation of 2.97 cm, which outperforms other state-of-the-art FMCW indoor localization systems. It also further proves the system ability to mitigate multi-path interferences in complex indoor environments.

Abstrakt in Deutsch

Diese Arbeit behandelt den Entwurf von zwei Lokalisierungssystemen mit dem Ziel, ein integriertes System für maritime Anwendungen, wie beispielsweise die sichere Evakuierung von Kreuzfahrtschiffen zu entwickeln.

Für Anwendungen über Bord und das Auffinden von Passagieren wird ein sehr energiesparendes Lokalisierungssystem entwickelt. Dieses System basiert auf der Messung der Signalstärke eines empfangenen Signals (received signal strength, RSS), welches von einer in die Rettungsweste integrierten Elektronik empfangen wird. Das Signal wird von einer Basisstation gesendet, welche auf einer fliegenden Drohne montiert ist. Ein neuartiger Algorithmus, welcher eine gewichtete Version der kleinsten Fehlerquadrate (weighted least mean square, WLMS) verwendet, wird für signalstärkebasierte Lokalisierungssysteme entwickelt. Damit kann eine Verbesserung der Positionsgenauigkeit um 50% gegenüber der konventionellen ungewichteten Variante (least mean squares, LMS) des Algorithmus erreicht werden. In Simulationen wird der Einfluß des Flugmusters der Drohne auf die Positionsgenauigkeit gezeigt. Messungen mit diesem System werden in einem Testfeld mit einer Größe von 500 m × 350 m ausgeführt. Dort befinden sich mobile Stationen, welche mit einem effektiven (RMS)-Fehler von 38.4 m positioniert werden können. Die Meßergebnisse zeigen eine bessere Genauigkeit als es mit herkömmlichen Algorithmen für die signalstärkebasierte Positionierung möglich ist. Weiterhin wurde eine großangelegte Demonstration auf See durchgeführt, um die Funktionalität des Systems in einem realistischen Szenario zu zeigen.

Für das Lokalisierungssystem der Passagiere an Bord des Schiffes wird ein neuartiges, integriertes, subharmonisches frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (frequency modulated continuous wave, FMCW) präsentiert, in welchem die Frequenz des gesendeten Signals von 24 GHz in einem aktiven Reflektor durch 10 geteilt wird. Ein Prototyp wird entworfen in der GlobalFoundries (GF) 45 nm Silicon-on-Insulator-(SOI)-Technologie für die Schaltungen bei 24 GHz und in der GF 0.18 μm 7WL BiCMOS-Technologie für die Phasenregelschleife und den Empfänger bei 2.4 GHz. Die Meßergebnisse für dieses System zeigen, daß das System, im Gegensatz zu konventionellen FMCW-Primärradarsystemen, immun gegen starke Mehrwegeausbreitung ist. In einer Laborumgebung erreicht das System eine Standardabweichung für den Abstand von 3.7 mm. Bei einer Messung in einem realistischen Innenszenario beträgt der Meßfehler für den Abstand 22.3 cm mit einer Standardabweichung von 5.8 cm. Zusätzlich wurden in diesem Szenario auch Messungen mit dem LMS-Algorithmus durchgeführt. Diese Messungen ergaben einen RMS-Fehler von 26.8 cm mit einer Standardabweichung von 2.97 cm. Die Fehler liegen damit deutlich unter denen aktueller FMCW-Lokalisierungssysteme für Anwendungen in Innenräumen. Weiterhin ist damit experimentell bestätigt, dass das entworfene System in der Lage ist, das Problem der Mehrwegeausbreitung von Funksignalen deutlich zu entschärfen.