Towards Precision Positioning For Smart Logistics Using Ultra Wide-Band Systems and LEO Satellite-Based Technologies

Abstract

The modern technological era relies heavily on smart systems and smart operations such as smart manufacturing, smart logistics, and smart shipping. They are the core ingredients of Industry 4.0 and the internet of things (IoT) applications and services, especially smart logistics or Logistics 4.0 that empowers industry and material supply chains. Precise positioning estimation of movable assets such as robots and personnel in industrial environments is a crucial foundation of smart logistics. Moreover, the integrity and reliability of navigation applications and location-aware services are dependent on precise positioning systems for both civilian and industrial use cases, indoors and outdoors. In this doctoral dissertation, we propose the use of certain technologies, sensors, and algorithms to achieve precise positioning estimations for indoor and outdoor environments. Ultra wideband (UWB) systems have recently emerged as a reliable positioning technology for complex indoor conditions. We propose the use of UWB in addition to inertial motion units (IMUs) as an integrated multisensor fusion system for precise indoor positioning. Our implemented UWB/IMU system provided a mean absolute accuracy (MAE) of 4.7 centimeters in a dense industrial environment (Technobothnia laboratory) at the University of Vaasa campus, Finland. On the other hand, we enhanced the outdoor vehicular positioning estimations with global navigation satellite systems (GNSSs) commercial-grade receivers in several smart phone models. That enhancement was recognized by Google among the third best results in an international competition. The fusion based GNSS/IMU positioning accuracy was enhanced to 2.291 meter error for mixed routes passing by tree-lined roads and open highways. Furthermore, we proposed a novel satellite-based positioning methodology from low Earth orbit (LEO) satellites, which can be harnessed as a back-up technology whenever the primary GNSS technology is denied in harsh environments and conditions. The patented operating principle of the new LEO-based positioning technique is leveraging the use of beamforming loops that are incident from multiple-input multiple-output (MIMO) antennas onboard LEO satellites. With the inference of massive MIMO beam identifers and the congregation of beam patterns from mega sizes of future LEO constellations, the new beam-based positioning methodology can be used as a reliable alternative system in outdoor GNSS-denied venues. The results of fusing LEO/IMU for vehicular scenarios yielded a staggering positioning accuracy MAE of 9.15 meters that outperformed GNSS accuracy (MAE = 26.6 meters) using the same datasets of commercial receivers in smart phones.

Nykyaikainen teknologinen aikakausi nojaa vahvasti älyjärjestelmiin ja -toimintoihin, kuten alykkäseen valmistukseen, älykkääseen valmistukseen, älykkääseen logistiikkaan ja älykkäseen merenkulkuun. Ne ovat Teollisuus 4.0:n ja esineiden internetin (IoT) sovellusten ja palveluiden keskeisiä elementtejä, erityisesti älylogistiikka tai logistiikka 4.0, joka palvelee teollisuutta ja materiaalitoimitusketjuja. Älylogistiikan keskeinen perusta on muun muassa liikkuvien laitteiden ja henkilöstön tarkka paikannus teollisuusymparistöissä. Lisäksi navigointisovellusten ja sijaintitietoisten palvelujen luotettavuus on riippuvainen tarkasta paikannuksesta sekä siviiliettä teollisuuskäytössä, sisä- ja ulkotiloissa. Tässä väitöskirjassa esitän tiettyjen teknologioiden, anturien ja algoritmien käyttöä tarkkaan paikantamiseen sisä-ja ulkotiloissa. Ultra wideband (UWB) -järjestelmät ovat äskettäin nousseet luotettavaksi paikannusteknologiaksi monimutkaisissa sisätilaolosuhteissa. Ehdotamme UWB:n käyttöä yhdessä inertia-antureiden (IMU) kanssa integroituna monianturifuusiojärjestelmänä sisätilapaikannukseen. Toteuttamamme UWB/IMU-järjestelmä tarjosi 4,7 senttimetriä keskimääräisenä absoluuttisena tarkkuutena (MAE) tiheässä teollisuusympäristössä (Technobothnian laboratoriossa) Vaasan yliopiston kampuksella Suomessa. Toisaalta paransimme ulkona tapahtuvaa ajoneuvojen paikannusta globaalien satelliittinavigointijärjestelmien (GNSS) kaupallisia vastaanottimia käyttämällä useilla älypuhelinmalleilla, ja tämä parannus sai tunnustusta Googlen kansainvälisessä kilpailussa kolmen parhaan tuloksen joukossa. Fuusiopohjainen GNSS/IMU-paikannustarkkuus parani 2,291 metrin virheeseen reiteilla, jotka kulkivat puiden reunustamien teiden ja avointen valtateiden kautta. Lisäksi ehdotimme uutta satelliittipohjaista paikannusmenetelmää matalan maan kiertoradan (LEO) satelliiteilla, joita voidaan hyödyntää varateknologiana aina, kun tyypillisesti ensisijaisena toimiva GNSS-teknologia ei ole kaytettävissä vaikeissa ympäristöissä ja olosuhteissa. Uuden LEO-pohjaisen paikannustekniikan patentoitu toimintaperiaate hyödyntää LEO-satelliittien MIMO-antenneista tulevia keiloja. Tulevaisuuden massiivisten LEO-konstellaatioiden keilamallien yhdistämisen ansiosta uusi keilapohjainen paikannusmenetelmä voi toimia luotettavana vaihtoehtona ulkotiloissa silloin, kun GNSS ei ole saatavilla. LEO/IMU-fuusion tulokset ajoneuvoskenaarioissa tuottivat vaikuttavan 9,15 metrin paikannustarkkuuden keskimääräisenä absoluuttisena tarkkuutena, mikä oli parempi kuin GNSS-tarkkuus (26,6 metriä) käyttäen vastaavia kaupallisten vastaanottimien datajoukkoja älypuhelimista.