Phased-based Ranging for Navigation

Abstract

Det Globale Satelittnavigasjonsssystemet (GSNS) er sårbart for både bevisst og utilsiktet forstyrrelse på grunn av den svake signalstyrken. I kritiske scenarier blir det derfor nødvendig med en alternativ måte å finne posisjon på. Blant ulike løsninger viser Bluetooth-fasebasert avstandsestimering potensial for bruk i dynamiske systemer. Imidlertid oppstår det unøyaktigheter i avstandestimatene på grunn av faktorer som støy og at signalene tar flere veier mellom antennene. I tillegg kan det faktum at fasebasert avstandsestimering tar tid kombinert med rask bevegelse under estimeringen også påvirke målingene. Tiltak som håndterer denne feilen er derfor nødvendig. Faktorer som den maksimale målbare rekkevidden og en eventuell måleforsinkelse påvirker også ytelsen til fasebasert avstandsmåling i dynamiske systemer. Simulerte eksperimenter viste at bevegelse under avstandsmålingen førte til feilaktige avstandsestimater. Av de foreslåtte tiltakene var det kun én av strategiene holde mål med ideell, simulert data. Samtidig kunne ingen av dem håndtere feilen som oppsto på grunn av rask bevegelse når de ble konfrontert med ekstra feilkilder som følge av signalets mange veier og støy. Det ble utført tester med ekte data for å evaluere ytelsen til fasebasert avstandsestimering i navigasjon av et dynamisk system. En ubemannet luftfarkost utstyrt med et nRF52833 utviklingskit for innsamling av Bluetooth-fasedata som kjører Nordic sitt avstandsmålingsbibliotek, en STIM300 treghetsmåleenhet, nøyaktige GSNS-antenner og en vinkemåling i autopilot-systemet ble brukt til å samle data. Til innsamlingen ble ulike tester designet og gjennomført, med mål å samle data for å vurdere ulike aspekter ved ytelsen til fasebasert avstandsestimering. Den innsamlede dataen viste en maksimal målbar avstand på 144,35 meter ved bruk av Bluetooth-biblioteket, uten noen måleforsinkelse. Det ble observert at avstandsestimatene ble påvirket av rask bevegelse, og ingen av tiltakene håndterte dette problemet. En annen vurdert faktor var integreringen av avstandsmålinger i et treghetsnavigasjonssystem. Avstandsmålingene ble kombinert med simulerte avstandsverdier basert på GSNS-målinger og målinger fra treghetsmåleenheten ved hjelp av et Multiplikativt Utvidet Feiltilstand-Kalman Filter. Integreringen ga gode resultater når farkostens gir-målinger hadde små vinkelutslag, men fungerte dårlig ellers. Den dårlige ytelsen kan skyldes plasseringen av virtuelle basestasjoner eller justeringen av ESKF sine parametere, men videre undersøkelser er nødvendig for å fastslå årsaken. Følgelig må fremtidig arbeid fortsatt takle enkelte utfordringer, men Bluetooth fasebasert avstandsestimering forblir en lovende løsning.

The GNSS (Global Navigation Satellite System) is susceptible to intentional and unintentional jamming due to its weak signal power. In critical situations, an alternative positioning service becomes necessary. Bluetooth phase-based ranging shows potential for dynamic system applications among the various solutions. Similar to all wireless signals, Bluetooth signals experience errors caused by factors like noise and multipath, which can affect distance estimation. The non-instantaneous nature of phase-based ranging and rapid movement during estimation further impact measurements. To address these errors, mitigation strategies are needed. Factors such as the maximum measurable range and measurement delay also influence the performance of phase-based ranging in dynamical systems. Simulated experiments demonstrated that movement during distance measurement resulted in inaccurate distance estimates. Only one proposed mitigation strategy showed promise in ideal, simulated data, while none effectively mitigated errors with additional error sources like multipath and noise due to rapid movement. Real-world tests were conducted to evaluate the performance of phase-based ranging in navigating a dynamical system. An unmanned aerial vehicle (UAV) equipped with an nRF52833 development kit for Bluetooth data collection with Nordic's distance measurement library for distance estimates, STIM300 Inertial Measurement Unit (IMU), RTK-GNSS antennas, and angle measurements from the autopilot system were deployed for testing. These tests aimed to collect data to assess several aspects of the performance of the phase-based ranging. The collected data indicated a maximum measurable distance of 144.35m using the Bluetooth measurement library, with no measurement delay. It was observed that distance estimates were affected by rapid movement, and none of the proposed mitigation strategies effectively addressed this issue. Another aspect evaluated was the integration of distance measurements into an Inertial Navigation System. The distance measurements were combined with simulated range measurements to virtual base stations based on RTK-GNSS and IMU measurements, utilizing a Multiplicative Extended Error State Kalman Filter (ESKF). The integration produced satisfactory results for UAV yaw measurements with small angles but performed poorly overall. The suboptimal performance may be attributed to the placement of virtual base stations or the tuning of the ESKF, but further investigation is required to determine the cause. Consequently, future work must address specific challenges, but Bluetooth phase-based ranging remains a promising solution.