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„Tracking“, GPS im Kuhstall: Verbessertes Lokalisierungsverfahren auf Basis von Ultra-wideband

Seit etwas mehr als 5 Jahren halten Trackingsysteme zur Positionsbestimmung von Kühen vermehrt Einzug in die landwirtschaftliche Praxis; mittlerweile bieten Melktechnikhersteller wie beispielsweise GEA und Lely Trackingsysteme für die Milchviehhaltung an. Zur Tierortung im Kuhstall wird oftmals die Ultra-wideband-Technologie (UWB) eingesetzt, die aufgrund der großen Bandbreite von mehr als 500 MHz, gegenüber WLAN und Bluetooth weniger störanfällig ist. Erst durch die Kombination von geeigneten Lokalisierungsverfahren lassen sich mit der UWB-Technologie lange Batterielaufzeiten der Tags und hohe Genauigkeiten bei der Tierortung erzielen. Weiterhin können als Lokalisierungsverfahren zur Positionsbestimmung das „Two-Way Ranging“ (TWR) und das „Time-Difference-of Arrival“ (TDoA) eingesetzt werden, die beide auf einer Laufzeitmessung der Funksignale zwischen dem Tag am Tier und der installierten Empfänger, auch Anker genannt, im Kuhstall mit bekannter Position beruhen.

Vergleich von Lokalisierungsverfahren zur Tierortung im Kuhstall auf Basis von UWB

Das Two-Way Ranging -Verfahren kommuniziert die Tags am Tier und die Anker in beide Richtungen, wodurch das Verfahren sehr energieaufwändig ist und gleichzeitig können nur um die 10 Tags pro Sekunde lokalisiert werden. Das Time-Difference of Arrival- Verfahren verwendet die Differenzen der Funksignallaufzeit der Tags zu den Ankern und benötigt daher im Gegensatz zum TWR-Verfahren eine Zeitsynchronisation der Anker, was auf einer aufwändigeren Infrastruktur basiert. Allerdings ist das TDoA-Verfahren etwas ungenauer als das TWR-Verfahren, jedoch können 100 Tags pro Sekunde lokalisiert werden und der Energieverbrauch ist geringer. Bezieht man sich auf das dritte Lokalisierungsverfahren, „Reverse TDoA“ genannt, wird hier auch die Laufzeitdifferenz gemessen. Dieser Prozess wird nun jedoch nicht durch die Anker, sondern durch die Tags selbst realisiert und ist so dem GPS sehr ähnlich, da die Positionsbestimmung auf dem Tag erfolgt und die Anker ähnlich wie die Satelliten im All die Signale zur Ortung versenden. Während beim TDoA-Verfahren die Anzahl der Tags, die pro Sekunde lokalisiert werden können auf 100 begrenzt ist, kann beim Reverse-TDoA-Verfahren eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Teilnehmern (Tags) die eigene Position im Kuhstall bestimmen. Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit von kommerziellen Trackingsystemen zur Tierortung auf verschiedenen landwirtschaftlichen Betrieben, ist es essenziell diese mit einer Referenz zu vergleichen und dabei auf die mobile Einsetzbarkeit zu achten. Im Rahmen des Projektes CattleHub soll daher ein mobiles und offenes Referenzsystem auf Basis der UWB-Technologie und dem Reverse TDoA als Lokalisierungsverfahren entstehen, das einen schnellen Aufbau und eine einfache Handhabung für wissenschaftliche Vergleichsuntersuchungen ermöglicht. Das Referenzsystem „OpenCattleHub“ wird vor dem Praxiseinsatz nach wissenschaftlichen Standards überprüft, damit sich zukünftig Trackingsysteme verschiedener Hersteller hinsichtlich ihrer Qualität und Zuverlässigkeit mit Vergleichsuntersuchungen beurteilen lassen und neue Anwendungsfälle erprobt werden können.

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