BWP513: Lokalisierung und Ortung (mit Praktikum)

Wahlpflichtmodule

BWP513: Lokalisierung und Ortung (mit Praktikum)

Kurzporträt BWP513: Lokalisierung und Ortung (mit Praktikum)
Worum geht es? In diesem Modul lernen Studierende Verfahren kennen, mit denen Positionen und Bewegungen technisch bestimmt werden können. Studierende beschäftigen sich mit Funk- und Radarverfahren, Messgrößen wie Laufzeit, Winkel und Signalstärke sowie mit 5G/6G-Ansätzen zur Positionierung. In Simulationen und Messauswertungen untersuchen Studierende, wie Genauigkeit, Rauschen, Mehrwegeausbreitung und Algorithmen das Ergebnis beeinflussen.
Wofür braucht man es? Diese Kompetenzen werden gebraucht, um Ortungssysteme für Kommunikation, Automatisierung, Mobilität, Robotik oder Sicherheitstechnik auszuwählen und zu bewerten. Die Kompetenzen helfen dabei, Systemparameter und Fehlerquellen realistisch einzuschätzen.
Wieso ist es interessant? Viele moderne Anwendungen müssen wissen, wo sich Objekte, Fahrzeuge, Personen oder Geräte befinden. Das Modul zeigt, wie technische Systeme aus Funksignalen oder Radardaten räumliche Informationen gewinnen.
Modulverantwortung

Prof. Dr. Christoph Degen

Lehrperson(en)

Prof. Dr. Christoph Degen

Verwendbarkeit
  • Bachelor Elektrotechnik
  • Bachelor Maschinenbau
  • Bachelor Mechatronik und Robotik
Fächergruppe

Ingenieurwissenschaften

Modultyp
Wahlpflicht
Sprache

Deutsch

Angebot

jährlich

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload
Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.
Engl. Titel

Localization and Positioning

Empfohlene Voraussetzungen
  • BET202: Analoge Signale und Systeme: analoge Signal- und Systemmodelle, Frequenzgänge, Rauschen und Übertragungsfunktionen.
  • BET203: Digitale Signalverarbeitung: Abtastung, diskrete Fourier-Analyse, digitale Filter und algorithmische Signalverarbeitung.
Lernergebnisse / Kompetenzen
WAS

Die Studierenden können grundlegende Verfahren der Ortung und Lokalisierung modellieren, analysieren und auf exemplarische Szenarien anwenden, einschließlich radarbasierter und funkwellenbasierter Methoden sowie moderner Verfahren aus dem Umfeld von 5G/6G.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

  • physikalische Grundlagen der Wellenausbreitung für Ortungszwecke herleiten,
  • typische Messgrößen wie Time-of-Arrival (ToA), Time-Difference-of-Arrival (TDoA), Angle-of-Arrival (AoA) und Received Signal Strength (RSS) bestimmen,
  • mathematische Modelle für 2D/3D-Positionierung formulieren und in einfachen Fällen lösen,
  • radarbasierte Lokalisierungsverfahren (CW-Radar, FMCW-Radar, Pulsradar) analysieren und Simulationen erstellen,
  • die Wirkungsweise von MIMO-Antennen und Beamforming für 5G-Positionierung anwenden,
  • Stör- und Kanaleffekte (Mehrwegeausbreitung, Fading, Rauschen) modellieren und deren Einfluss bewerten,
  • Algorithmen zur Positionsschätzung (z. B. trilateration, least squares, Extended Kalman Filter – auf Bachelorniveau) einsetzen,
  • Messreihen oder Simulationen dokumentieren und Ergebnisse kritisch vergleichen,
WOZU

um später fundiert beurteilen zu können, welche Ortungs- und Positionierungsverfahren sich für Anwendungen in Kommunikation, Automatisierung oder Mobilität eignen und welche Systemparameter dafür entscheidend sind.

Inhalte
  • Grundlagen der Ortungssysteme: physikalische Grundlagen der Wellenausbreitung, Koordinatensysteme, Referenzrahmen, Messgrößen (ToA, TDoA, AoA, RSSI, Phase), Genauigkeit, Auflösung, DOP (Dilution of Precision)
  • Funkbasierte Lokalisierung und 5G-Ortungsverfahren: Grundlagen der Positionsbestimmung in Mobilfunksystemen, 5G-Positionierung: Beamforming, Massive MIMO, mmWave, Cell-ID, OTDOA, UL-TDoA, Zeitsynchronisation und deren Bedeutung, Einflüsse des Funkkanals (Fading, Shadowing, Multipath)
  • Radarbasierte Lokalisierung: Funktionsprinzip von Radar, Puls-, CW- und FMCW-Radar, Abstand-, Winkel- und Geschwindigkeitsbestimmung, Radar-Signalverarbeitung (auf Bachelorniveau), Anwendungen in Verkehr, Robotik und Safety
  • Positionierungsalgorithmen: Trilateration und Multilateration, Least Squares, gewichtete Fehlermaße, Tracking-Methoden: Kalman-Filter (Einführung), Fusion unterschiedlicher Sensorquellen (Ausblick)
  • Einflussfaktoren, Fehlerquellen und Modellierung: Mehrwegeausbreitung und Kanalmodelle, Rauschmodelle, Abschattung, Reflexion, Brechung, Grenzen der Auflösung
  • Praxisbezug: Simulation einfacher Ortungsszenarien (Python/MATLAB), Auswertung von IQ-Daten für FMCW-Radar (optional), Analyse einfacher Funkmessungen, z. B. RSSI-Karten, Interpretation realer Lokalisierungsdaten
Prüfungsvorleistung

aktive Praktikumsteilnahme

Prüfungsleistung

Studienarbeit, 5-10 Seiten

Literatur
  • Aktuelle Fachliteratur zu Lokalisierung, Radar und 5G/6G-Funkstandards