close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Позиционирование источника радиоизлучения в условиях высокогорья республики Йемен с использованием беспилотных летательных аппаратов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Аль-Одхари Абдулвахаб Хуссейн Али
ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ РЕСПУБЛИКИ ЙЕМЕН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Специальность 05.12.14 − Радиолокация и радионавигация
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург – 2018
Работа выполнена в ФГБОУ ВО СПбГУТ «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича» на кафедре радиосвязи и вещания.
Научный руководитель:
Фокин Григорий Алексеевич,
к.т.н., доцент кафедры радиосвязи и вещания
Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
(СПбГУТ), г. Санкт-Петербург.
Официальные оппоненты:
Титков Илья Васильевич, доктор технических наук, доцент кафедры радиоэлектронной борьбы Военного учебнонаучного центра Военно-Морского Флота «Военно-морской академии им. Адмирала Флота Советского Союза
Н.Г. Кузнецова», г. Санкт-Петербург
Симонов Алексей Николаевич, кандидат технических
наук, докторант Военной академии связи имени Маршала
Советского Союза С.М. Буденного, г. Санкт-Петербург
Ведущая организация:
Акционерное общество «Ордена Трудового Красного Знамени Всероссийский научно-исследовательский институт
радиоаппаратуры» (АО «ВНИИРА»), г. Санкт-Петербург
Защита состоится “3” октября 2018 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета
Д 212.238.03 на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического
университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») по адресу: 197376,
Санкт-Петербург, улица Профессора Попова, д. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и на сайте
www.eltech.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 197376, Санкт-Петербург, улица Профессора Попова, д. 5.
Автореферат разослан “06” июля 2018 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.238.03
кандидат технических наук
М. Е. Шевченко
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы диссертации. Повышение точности позиционирования источников радиоизлучения (ИРИ) в настоящее время является актуальным направлением и обусловлено множеством практических приложений, таких как поисково-спасательные операции,
службы экстренной медицинской помощи, охраны правопорядка, слежения за персоналом,
транспортными средствами и др.
В определенных приложениях актуальной и востребованной является задача позиционирования ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности, например, в горах. Сложность
позиционирования в условиях высокогорья определяется неравномерностью морфоструктуры
местности, что особенно характерно для республики Йемен. Для определения местоположения ИРИ в таких труднодоступных высокогорных областях необходимо решить задачу позиционирования в трехмерном пространстве, которая осложняется, во-первых, невозможностью
расположения пунктов приема измерений на одном уровне с ИРИ и, во-вторых, вероятным
отсутствием прямой видимости между ИРИ и одной и/или несколькими приемными станциями.
Большинство населенных районов Йемена являются горными труднодоступными областями, в которых операторы сотовой связи Йемена не покрывают большую часть территории,
что затрудняет реализацию соответствующих сервисов геолокации. Таким образом, задача позиционирования ИРИ в условиях высокогорья республики Йемен является востребованной и
актуальной.
Одним из эффективных методов позиционирования является разностно-дальномерный
метод (РДМ) (TDOA - Time Difference of Arrival). Для повышения точности позиционирования
ИРИ ранее уже было предложено использование беспилотных летательных аппаратов
(БПЛА). В настоящей работе представлены результаты исследований по повышению точности
позиционирования в условиях высокогорья с вероятным отсутствием прямой видимости
между ИРИ и одной и/или несколькими приемными станциями для случая, когда сбор навигационных измерений производится стационарными пунктами приема (ПП) в составе наземного сегмента и подвижными пунктами приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента
рассматриваемой системы позиционирования.
Объектом диссертации является система позиционирования источников радиоизлучения в условиях высокогорья республики Йемен из стационарных пунктов приема в составе
наземного сегмента и подвижных пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента.
Предметом диссертации являются алгоритмы и методы обработки навигационных измерений для позиционирования источников радиоизлучения в условиях высокогорья республики Йемен.
Степень разработанности темы. Позиционирование источника радиоизлучения является предметом интенсивных исследований ученых и научных коллективов на протяжении
десятков последних лет. На данный момент существует большое количество работ на эту тему,
которые можно разделить на три группы.
Первая группа работ рассматривает вопросы позиционирования источника радиоизлучения на плоскости. Например, в работах L. Yang, K.C. Ho, А.А. Грешилова, Г.А. Фокина, Y.T.
Chan, Y.C. Cao, J.A. Fang, K. Regina, H. Julian, K. Wolfgang, M. Christian, P. Simon и др. исследованы алгоритмы и методы определения координат источника радиоизлучения на плоскости,
но не учтен фактор многолучевого распространения сигналов. Для решения задач настоящего
исследования двумерных моделей недостаточно, так как необходимо определить пространственные координаты источника радиоизлучения в горной местности, в том числе в условиях
отсутствия прямой видимости. В данной работе разработана математическая и имитационная
модели позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве с применением БПЛА в качестве
подвижного пункта приема.
2
Вторая группа работ рассматривает вопросы позиционирования источника радиоизлучения в пространстве с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема, например,
работы H.J. Du, J.P. Lee, D.S. Oka, I. Mohammad, N.P. Nadea, Y.S. Soo, D.H. Kim, K. Lee, M.Y.
Park, J. Lim, W. Wang, P. Bai, X. Liang, J. Zhang, L. He и др. Однако в этих работах не учитывается фактор многолучевого распространения сигналов и влияние отсутствия прямой видимости между ИРИ и одной и/или несколькими приемными станциями на точность позиционирования, что, однако, имеет принципиальное значение при позиционировании в условиях неравномерного рельефа высокогорной местности. В данной работе разработаны и реализованы
алгоритм и методики позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве с применением
БПЛА в качестве подвижного пункта приема с учетом идентификации и компенсации источников РДМ измерений, полученных в условиях отсутствия прямой видимости.
Работы третей группы посвящены задачам позиционирования источника радиоизлучения в условиях отсутствия прямой видимости на плоскости. В работах M.P. Wylie, J. Holtzman,
P.C. Chen, L. Cong, W. Zhuang, M.B. Montminy, J. Schroeder, S. Galler, K.Kyamakya, J. Khodjaev,
Y. Park, A.S. Malik и др. исследованы методы и алгоритмы идентификации прямой видимости
на плоскости в условиях города, однако применимость разработанных алгоритмов требует
уточнения для сценария трехмерного пространства с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема. В данной работе разработана математическая и имитационная модель
идентификации прямой видимости и компенсации ошибок отсутствия прямой видимости
(NLOS − Non-Line of Sight) для позиционирования в условиях высокогорной местности в трехмерном пространстве.
В связи с указанными недостатками имеющихся исследований можно сделать вывод о
том, что задача позиционирования источников радиоизлучения в трехмерном пространстве в
условиях высокогорья с применением БПЛА в качестве подвижного пункта приема с учетом
необходимости идентификации и компенсации источников NLOS измерений полностью не
решена. Настоящая работа посвящена разработке, исследованию и реализации алгоритма обработки РДМ измерений для позиционирования ИРИ в условиях отсутствия прямой видимости с использованием БПЛА в трехмерном пространстве.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является повышение точности позиционирования источников радиоизлучения в условиях неоднородного рельефа высокогорья
республики Йемен с использованием наземного и воздушного сегментов на основе беспилотных летательных аппаратов.
Для достижения цели необходимо решение следующих основных задач:
 исследование топологий стационарных пунктов приема наземного сегмента и их влияния
на точность позиционирования ИРИ с учетом подвижных пунктов приема в составе воздушного сегмента; обоснование топологии пунктов приема в составе наземного сегмента;
 исследование точности алгоритмов обработки навигационных измерений для позиционирования ИРИ в условиях вероятного отсутствия прямой видимости между ИРИ и одним
и/или несколькими пунктами приема; обоснование выбора численного метода решения навигационных уравнений РДМ;
 исследование траекторий движения пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента и их влияния на точность позиционирования ИРИ в условиях неоднородного
рельефа местности; обоснование траектории движения пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента;
 разработка комплексной имитационной модели системы из стационарных пунктов приема в составе наземного сегмента и подвижных пунктов приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента для позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве в условиях отсутствия прямой видимости;
 разработка и реализация алгоритма и методик идентификации и компенсации источников РДМ измерений, полученных в условиях отсутствия прямой видимости для позиционирования в условиях высокогорной местности в трехмерном пространстве.
3
Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:
1) В отличие от существующих систем позиционирования предлагается и обосновывается
использование подвижного пункта приема на борту БПЛА с учетом специфики линейной топологии пунктов приема наземного сегмента позиционирования.
2) По-новому учтена специфика сбора и обработки разностно-дальномерных навигационных измерений при движении пункта приема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента
системы позиционирования.
3) Впервые разработан и реализован алгоритм и методики сравнения дисперсий промежуточных оценок в обрабатываемых наборах и комбинациях пунктов приема с учетом специфики движения БПЛА в условиях высокогорья при отсутствии прямой видимости.
Теоретическая и практическая значимость диссертации. Теоретическая значимость
диссертационной работы заключается в следующем:
1) Исследованы зависимости геометрического фактора снижения точности позиционировании источника радиоизлучения для разных топологий размещения неподвижных пунктов
приема наземного сегмента и траекторий движения подвижного пункта приема. Установлены
пределы точности обработки навигационных измерений при позиционировании с добавлением пункта приема на борту БПЛА для линейной топологии.
2) Установлена зависимость точности от траекторий и числа БПЛА в составе воздушного
сегмента при позиционировании подвижного и неподвижного источника радиоизлучения.
3) Доказана возможность идентификации источников NLOS измерений при позиционировании в условиях высокогорья с использованием БПЛА.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
1) Предложены варианты размещения неподвижных пунктов приема наземного сегмента
по дуговой и пилообразной топологиям при взаимодействии с подвижным пунктом приема на
борту БПЛА в составе воздушного сегмента.
2) Разработанные математическая и имитационные модели позволяют оценивать и визуализировать точность позиционирования для разных топологий пунктов приема наземного сегмента и траекторий движения пунктов приема на БПЛА в составе воздушного сегмента. Предложены рациональные комбинированные траектории движения пунктов приема на борту
БПЛА в составе воздушного сегмента для повышения точности позиционирования.
3) Разработанные алгоритм и методики позволяют идентифицировать и исключить n источников NLOS измерений, если число оставшихся после исключения LOS источников превышает минимально необходимое на 1.
Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в:
 Научно-производственном предприятии «Цифровые радиотехнические системы» (ООО
«НПП ЦРТС») при выполнении ОКР по разработке средства контроля характеристик выдерживания высоты воздушными судами на основе информации многопозиционной системы
наблюдения (МПСН) “HMU-МПСН” для обеспечения заданной точности измерения высоты
воздушных судов.
 Программном обеспечении мобильной станции радиоконтроля «ИРГА-М», разработанной в НИЛ радиоконтроля ЭМС СПбГУТ.
 Учебном процессе кафедры радиосистем и обработки сигналов СПбГУТ по курсу «Основы радиолокации и радионавигации».
Методология и методы диссертации. Для решения поставленных в диссертации задач
использовались численные методы решения навигационных гиперболических уравнений, математическое и имитационное моделирование.
Тематика и область диссертации. Содержание диссертации соответствует следующим
пунктам паспорта специальности 05.12.14 – «Радиолокация и радионавигация»: п. 4. «Исследование и разработка новых систем и устройств радиолокации с целью увеличения дальности
действия, точности и разрешающей способности, повышения помехозащищенности и поме-
4
хоустойчивости», п. 5. «Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки радиосигналов и извлечения из них информации при воздействии помех. Создание помехоустойчивых систем и устройств. Разработка методов защиты и разрушения информации в системах
радиолокации и радионавигации», и п.10. «Разработка методов синтеза и анализа, а также алгоритмов моделирования радиолокационных и радионавигационных систем».
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Линейная топология наземного сегмента системы позиционирования с дополнительным пунктом приема на БПЛА в составе воздушного сегмента позволяет повысить точность
позиционирования источника радиоизлучения более чем в два раза.
2) Математическая и имитационная модели позиционирования ИРИ с использованием
БПЛА позволяют учесть и визуализировать специфику сбора и обработки разностно-дальномерных навигационных измерений при движении пункта приема на борту БПЛА.
3) Алгоритм и методики обработки измерений при позиционировании с использованием
БПЛА позволяют идентифицировать и исключить источники NLOS измерений, если число
оставшихся после исключения LOS источников превышает минимально необходимое на 1.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов подтверждается корректным использованием математических методов исследования, результатами имитационного моделирования и непротиворечивостью известным существующим результатам. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: на V, VI и VII международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» СПбГУТ (Санкт-Петербург, 2016,
2017, 2018); на конференции десятого всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых «наука и инновации в технических университетах» ПОЛИТЕХ (Санкт-Петербург,
2016); на международной конференции «2018 Systems of signals generating and processing in the
field of on board communications», MTUCI, (Moscow, Russia, 2018) и на 16-ой и 17-ой международной конференции «Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networking
NEW2AN» (St.-Petersburg, Russia, 2016 и 2017).
Личный вклад автора. Все основные научные положения и результаты диссертации
разработаны и получены автором самостоятельно.
Публикации по теме диссертации. Материалы, отражающие основные результаты диссертационной работы, опубликованы в сборниках научно-технических конференций, в том
числе международных, а также в журналах отрасли. Всего опубликовано 15 работ, из них 6
статей в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 5 статей в зарубежных научнотехнических сборниках, индексируемых Scopus (2 в Springer и 3 в трудах IEEE конференций),
4 статьи в журналах, включенных в РИНЦ и тезисы докладов в количестве 3 в материалах
научных конференций.
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы, включающий 91 наименований, список иллюстративного материала, список таблиц и одно приложение. Основная
часть диссертации (без приложений) изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунков и 8 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность и современное состояние исследуемой проблемы;
сформулированы объект, предмет, цель и задачи исследования; перечислены основные научные результаты; определена научная новизна; теоретическая и практическая значимость результатов; методы исследований и область их применения; представлены положения, выносимые на защиту; приведены сведения об апробации работы и публикациях по теме диссертации;
описана структура диссертации и её объем, краткое содержание глав диссертации.
5
В первой главе диссертационной работы приведен анализ состояния проблемы позиционирования в условиях неоднородного рельефа местности. Рассмотрены основные модели и
методы позиционирования ИРИ и проведен сравнительный анализ достоинств и недостатков существующих методов; исследованы основные источники ошибок позиционирования в горных условиях. Кроме того, рассмотрено
требование к использованию БПЛА для позиционирования в горной местности; предложена структурная схема
для позиционирования в условиях неоднородного рельефа местности (рисунок1). Структурная схема
позиционирования ИРИ включает наземный и воздушный
сегменты и состоит из стационарных пунктов приема
наземеного сегмента, расположенных в пространстве,
подвижного пункта приема на борту БПЛА в составе
воздушного сегмента и центрального пункта обработки
информации и управления в составе наземного сегмента.
Применение БПЛА в качестве подвижного пункта
Рисунок 1
приема позволяет временно сформировать зону прямой
видимости в горной местности и, таким образом, повысить точность обнаружения ИРИ.
Функционалнная схема позиционирования предствлена на рисунке 2. БПЛА, являющийся носителем подвижного пункта приема, содержит радиоприемник сигналов дальномерных измерений от ИРИ, устройство управления и связи (второй приемник на рисунке
2), приемник синхронизации и навигации
ГНСС, а также приемопередатчик навигационной информации, который принимает
команды управления из центрального
пункта обработки информации и передает
принятые дальномерные изменения от ИРИ
и свои текущие координаты от приемника
ГНСС на центральный пункт обработки информации (ЦПОИ). Траектория движения
БПЛА задается программой или управляется дистанционно командами из ЦПОИ.
Приемник синхронизации и определении
местонахождения ГНСС определяет текущие координаты БПЛА и синхронизует работу ПП на его борту с ПП наземного сегмента, наземные ПП так же оборудованы
спутниковым навигационным приемником
Рисунок 2
ГНСС. С помощью наземных стационарных
пунктов приема и ПП на борту БПЛА измеряется время прихода сигналов, излучаемых ИРИ. На центральном пункте обработки информации аккумулируются сигналы дальномерных изменений от ИРИ с выходов всех ПП, а также
координаты всех ПП, после чего определяются разности расстояний от ИРИ до пунктов приема. На основе этих данных вычисляются текущие координаты источника радиоизлучения в
пространстве с помощью разностно-дальномерного метода позиционирования.
Таким образом, представленные выше структурная и функциональная схемы служат для
построения математической и имитационной моделей, используемых для позиционирования
ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности республики Йемена. Далее исследуем влияние территориального распределения наземных ПП на точность позиционирования ИРИ.
6
Вторая глава диссертационной работы посвящена оценке влияния топологии территориального распределения ПП наземного сегмента на точность позиционирования ИРИ посредством геометрического фактора. Учет влияния геометрического фактора территориального
распределения ПП позволяет обеспечить наиболее рациональное расположение ПП наземного
сегмента с целью повышения точности определения координат ИРИ. Для оценки влияния взаимного расположения ПП на точность позиционирования ИРИ используется геометрический
фактор снижения точности (GDOP, geometric dilution of precision). Он имеет следующие вид:
GDOP  tr (HT H ) 1
(1)
где tr () – след матрицы; H − матрица Якоби применительно к разностно-дальномерной системе, которая определяется взаимным расположением ИРИ с координатам (x, y) и ПП с координатам (xi, yi), где i=1,…,M, M – общее число пунктов приема:
 x  x2 x  x1 y  y2 y  y1 

 R  R
R2
R1 
2
1


 x  x3 x  x1 y  y3 y  y1 


,
R1
R3
R1
H   R3





 x  xM  x  x1 y  yM  y  y1 
 RM
R1
RM
R1 
(2)
где Ri − расстояние между ИРИ и i-ом пунктом приема.
Получены оценки минимального значения коэффициента GDOP для 3, 4, 5 и 6 пунктов
приема, когда они расположены в вершинах правильного многоугольника средствами имитационного моделирования (ИМ) и аналитически. Выполнено сравнение оценок ИМ с аналитическими для случаев с 3, 4, 5 и 6 пунктами приема. Результаты получены в среде MatLab и
представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Оценка влияния числа ПП на GDOP для 3, 4, 5 и 6 ПП
7
Минимальное значение коэф- Таблица 1. Сравнение минимального значения GDOP
фициента GDOP, полученное в реКоличество пунктов приема
GDOP
зультате моделирования, представ3
4
5
6
лено в таблице 1. Теоретическая
Теоретическое
0,9428
0,8165
0,7303 0,6666
оценка GDOP получена для случая,
Моделирование
0,9296
0,8135
0,7250 0,6630
когда ИРИ находиться в центре
правильного многоугольника.
Из рисунка 3 видно, что коэффициент GDOP является наименьшим, когда ИРИ находится в центре между ПП и быстро возрастает, если ИРИ перемещается из центра, а также
видно, что его значение зависит от количества ПП. Непротиворечивость результатов теоретических оценок и оценок на основе ИМ говорит о корректности ИМ наземного сегмента.
Для оценки влияния топологии наземного сегмента с учетом воздушного сегмента выполним имитационное моделирование для следующих типов топологии расположения ПП: 1)
квадратная; 2) линейная; 3) пилообразная; 4) дуговая. На практике расположение ПП наземного сегмента в углах правильного многоугольника не предоставляется возможным, поэтому
предлагается добавить один дополнительный ПП на борту БПЛА.
На рисунке 4 предоставлены результаты оценки GDOP для 4 ПП и дополнительного ПП
при их расположении по квадратной, линейной, пилообразной и дуговой топологии.
Рисунок 4 − Оценка влияния топологии ПП на GDOP
8
Анализ графиков на рисунке 4 позволяет сделать вывод о том, что для получения наилучшей точности позиционирования необходимо расположить ПП вокруг ИРИ. Однако в условиях сложного рельефа, например, в горах не всегда удается обеспечить расположения ПП
вокруг предполагаемого ИРИ, поэтому предлагается использовать одну из линейных топологий: линейную, пилообразную или дуговую. При таких топологиях GDOP уменьшается примерно в 2 раза, однако точность можно повысить, добавив дополнительный подвижный ПП.
Далее рассмотрим сценарии, когда дополнительный ПП располагается на борту БПЛА.
В третьей главе диссертационной работы разработана математическая трехмерная модель позиционирования ИРИ с использованием беспилотных летательных аппаратов в качестве подвижных пунктов приема, учитывающая движение ИРИ и траектории полета БПЛА.
Для повышения точности позиционирования ИРИ по сравнению с существующими методами позиционирования в условьях сложного рельефа высокогорной местности было предложено использование беспилотных летательных аппаратов в качестве подвижных ПП.
Рассмотрим пример позиционирования
ИРИ в трехмерном пространстве на рисунке 5.
Допустим, что источник радиоизлучения излучает сигнал в неизвестный момент времени
t 0 , тогда время прихода сигнала на пункт приема i равно ti  t0  di c , где di  расстояние
между ИРИ и ПП i , c  скорость света; время
прихода сигнала на пункт приема j равно
t j  t0  d j c , где i , j  1, 2,, M , M  общее
число ПП, M  4 для трехмерного пространства. Всего возможно M (M 1) 2 различных времен прихода сигналов для всех возможных пар пунктов приема, обозначаемых
tij  (ti  t0 )  (t j  t0 )  ti  t j , где i  j ; из них
Рисунок 5 − Область позиционирования в 3D
всего (M  1) разностей времен прихода являются независимыми. Линии постоянной разности
d j ,1 рассчитывают относительно одного пункта приема, называемого опорным (центральным),
например, первого пункта приема, тогда можно записать следующие выражения для разностей
расстояния прихода сигналов
d j ,1  d j  d1 , j  2, , M ,
(3)
На практике первичные измерения разницы дальностей подвержены ошибкам
том ошибки измерения линий постоянной разности
n j . С уче-
rj определяются выражением:
rj  d j ,1  n j ,
(4)
Пусть вектор координат подвижного источника радиоизлучения в трехмерном пространT
стве равен E1/ n   x1/ n , y1/ n , z1/ n  , n  1, 2,, N , N  количество точек измерения во времени
T
(пространстве), 1 один ИРИ; S j / n   x j / n , y j / n , z j / n   вектор координат j подвижных пунктов
приема при j  1, 2, , H , где H  общее количество подвижных пунктов приема. Число неподвижных ПП равно M  H. Далее будем нумеровать все ПП (подвижные и неподвижные) индексом j =1,2,…,M, а n =1,2,…,N – определим как временной (пространственный) индекс измерений, учитывающий движение подвижного ПП на борту БПЛА. Фактическое расстояние
между ИРИ и ППj определяется следующим образом:
d j / n  ( x1/ n  x j / n ) 2  ( y1/ n  y j / n ) 2  ( z1/ n  z j / n ) 2 , j  1, 2, , M , n  1, 2, , N .
(5)
9
Вектор измерений разностей дальностей (4) в матричном виде может быть представлен
выражением:
(6)
r = f( x ) + n ,
где
 r2,1/1
r
2,1/ 2
r


 r2,1/ N
T
rM ,1/1 
rM ,1/ 2 
,


rM ,1/ N 
r3,1/1
r3,1/ 2
r3,1/ N
(7)
где rj ,1/ n  измеренная разность расстояний между источником радиоизлучения и j-м пунктом
приема в n-й момент времени и между источником радиоизлучения и 1-м пунктом приема в nй момент времени.
Фактические разности расстояний (5) между источником радиоизлучения и j-м пунктом
приема в n-й момент времени и между источником радиоизлучения и 1-м пунктом приема в nй момент времени в матричном виде определяются выражением:
 d 2,1/1
d
2,1/2
f (x)  


 d 2,1/ N
T
d M ,1/1 
d M ,1/2 
,


d M ,1/ N 
d3,1/1
d3,1/2
d3,1/ N
(8)
где
d j ,1/ n  ( x1/ n  x j / n )2  ( y1/ n  y j / n ) 2  ( z1/ n  z j / n ) 2  ( x1/ n  x1 ) 2  ( y1/ n  y1 ) 2  ( z1/ n  z1 ) 2
j  2,3,, M , n  1, 2, , N .
Ошибки разностно-дальномерных измерений определяются выражением
 n2,1/1
n
2,1/2
n


 n2,1/ N
(9)
T
nM ,1/1 
nM ,1/2 
.


nM ,1/ N 
n3,1/1
n3,1/2
n3,1/ N
(10)
где n j ,1/ n  ошибка разностно-дальномерных измерений разности расстояний между источником радиоизлучения и j-м пунктом приема в n-й момент времени и между источником радиоизлучения и 1-м пунктом приема в n-й момент времени. Для нахождения координат источника
радиоизлучения требуется решить систему нелинейных уравнений (6).
Для решения системы РДМ уравнений (6) использованы линейные и нелинейные методы. Рассмотрены два нелинейных метода решения (6): метод наименьших квадратов (МНК)
и метод максимального правдоподобия (МП). Эти методы могут использовать итерационные
алгоритмы, например, алгоритм Гаусса Ньютона и алгоритм Левенберга -Марквардта.
Движение БПЛА в качестве подвижного ПП задается следующими способами:
1) аппроксимация траектории движения М пунктов приема полиномом Q-й степени:
x j / n  x j /0 
Q
 tnq a j / q
q 1
y j / n  y j /0 
Q
 tnq b j / q
q 1
Q
z j / n  z j /0   tnq c j / q
(11)
q 1
где x j /0 , y j /0 , z j /0  координаты подвижных пунктов приема (БПЛА) в начальный момент времени t  0 , a j / q , b j / q , с j / q  параметры (скорость, ускорение и т.д.) движения подвижных пунктов приема по осям x, y, z соответственно.
2) аппроксимация траектории движения M пунктов приема окружностью:
y j / n  y j /0  R sin(tn )
x j / n  x j /0  R cos(tn )
z j / n  z j /0
(12)
где R - радиус окружности,   2 t N .
10
Выполнена оценка точности позиционирования ИРИ для сценария трехмерного пространства размером 10 км х 10 км х 5 км. Для моделирования были выбраны следующие траектории движения БПЛА: полет по окружности и по прямой линии. Данный выбор обусловлен
тем, что это наиболее часто встречающиеся для анализа траектории движения БПЛА при решении задач позиционирования с использованием воздушного сегмента. Далее моделирование проводится по следующим сценариям: а) стационарные пункты приема и неподвижный
ИРИ; б) использование одного/двух БПЛА в качестве подвижного пункта приема для позиционирования неподвижного ИРИ; в) использование БПЛА в качестве подвижного пункта приема для позиционирования подвижного ИРИ по разным траекториям его движения.
Среднеквадратичная ошибка (СКО) оценки координат источника радиоизлучения определяется выражением:
RMSE  E
  x  xˆ    y  yˆ    z  zˆ  .
2
2
2
(13)
Результаты оценки точности позиционирования ИРИ для сценария стационарных ПП и
неподвижного ИРИ разными алгоритмами по критерию СКО при десяти итерациях представлены в таблице 2, откуда видно, что алгоритм Левенберга-Марквардта дает наилучшие результаты. Это объясняется тем что данный алгоритм соединяет в себе сходимость к минимуму от
градиентного метода и скорость сходимости в небольшой окрестности от метода Ньютона.
Таблица 2. Среднеквадратичная ошибка оценки
координат ИРИ для сценария стационарных ПП и неподвижного ИРИ
Метод
Среднеквадратичная ошибка (м)
x
y
z
общая
Нелинейных наименьших квадратов (Гаусса-Ньютона)
12.59
28.83
275.62
277.52
Максимального правдоподобия (Гаусса-Ньютона)
5.68
8.11
63.42
64.56
Левенберга-Марквардта
4.51
6.62
59.06
59.97
Линейных наименьших квадратов
16.53
17.09
134.25
136.57
Взвешенных линейных наименьших квадратов
16.53
17.09
134.25
136.57
Рассмотрим результаты оценки точности позиционирования для сценария б): пример
позиционирования неподвижного ИРИ, расположенного в точке (5, 5, 1) для сценария с 4 стационарными ПП расположенными в точках (0, 0, 0), (10, 0, 0.7), (0, 10, 1), (10, 10, 1.2) и одним
подвижным БПЛА, летающим по окружности над рабочей зоной на постоянной высоте z=3000
м со скоростью 113 км/ч, представлен на рисунке 6, а. Зависимость СКО позиционирования от
времени полета БПЛА по трем осям предоставлена на рисунке 6, б.
а)
б)
Рисунок 6 – а) Область позиционирования с использованием БПЛА,
б) зависимость СКО от времени полета БПЛА
11
В разработанной имитационной модели исследовано влияния траектории движения и
числа БПЛА на точность позиционирования. Сравнение полученных результатов моделирования представлено в таблице 3, откуда видно, что использование беспилотного летательного
аппарата позволяет повысить точность позиционирования по оси z примерно в 6 раз по сравнению со стационарными пунктами приема; также, видно, что точность зависит от количества
используемых БПЛА и траекторий их движения. Наибольшей точностью обладает сценарий
трех стационарных пунктов приема и двух подвижных, когда один БПЛА движется по окружности, а второй – по прямой линии в зоне позиционирования.
Таблица 3. Среднеквадратичная ошибка оценки
координат при различных сценариях полета БПЛА
Среднеквадратичная
ошибка (м)
x
y
z общая
Сценарий
5 Стационарных пунктов приема
4.51
6.62
59.06
59.97
4 Стационарных пункта приема и один БПЛА (окружность)
4.28
4.22
14.11
16.40
3 Стационарных пункта приема и два БПЛА (окружность)
4.37
3.15
6.61
9.67
4 Стационарных пункта приема и один БПЛА (линия)
4.43
3.18
5.62
9.02
3 Стационарных пункта приема и два БПЛА (линия)
3 Стационарных пункта приема и два БПЛА (окружность, линия)
3.15
3.59
8.59
10.93
4.37
3.19
5.48
8.86
Рассмотрим результаты оценки точности позиционирования для сценария в), когда ИРИ
двигается равномерно из точки с начальными координатами (6.6, 2, 0.12); 4 стационарных
пункта приема; один БПЛА летает по окружности со скоростью 104 км/ч (см. рисунок 7, а).
Зависимость СКО позиционирования от времени представлена на рисунке 7, б, откуда видно,
что при удалении источника радиоизлучения от центра к границам периметра расположения
опорных пунктов приема ошибка позиционирования возрастает.
а)
б)
Рисунок 7 − Оценка координат ИРИ при движении: а) пример движения ИРИ,
б) зависимость СКО от движения ИРИ)
Анализ рисунков 6-7 данных таблицы 3 позволяет сделать вывод о том, что для повышения точности позиционирования ИРИ следует применять БПЛА в качестве подвижного ПП, с
траекторией полета окружности.
Далее рассмотрим вопросы идентификации и компенсации переотраженных сигналов в
позиционировании с использованием воздушного сегмента на основе БПЛА.
12
Четвертая глава диссертационной работы посвящена разработке алгоритма идентификации прямой видимости и компенсации ошибок отсутствия прямой видимости при позиционировании ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности.
Проблема позиционирования источника радиоизлучения в условиях отсутствия прямой
видимости является актуальной при позиционировании в условиях высокогорной местности,
например, гор или холмов, когда прямая видимость между источником радиоизлучения и
пунктами приема отсутствует (рисунок 8).
Отсутствие прямой видимости приведет к
значительной ошибке позиционирования. Проблемы идентификации прямой видимости и
компенсация ошибок отсутствия прямой видимости NLOS (Non-Line-of-Sight) при обработке
навигационных измерений исследовались во
многих работах. Однако данная проблема не
решена при позиционировании в трехмерном
пространстве с учетом подвижного ПП на
борту БПЛА.
Для решения проблемы NLOS необхоРисунок 8
дима предварительная идентификация прямой
видимости и компенсация ошибок NLOS путем исключения из обработки на центральном
пунктом приеме источника NLOS измерений. В настоящей работе представлена имитационная
модель и алгоритм для позиционирования ИРИ разностно-дальномерным методом в трехмерном пространстве в условиях отсутствия прямой видимости. Функциональная схема имитационной модели представлена на рисунке 9.
Пункт приема 1
Пункт приема 2
Пункт приема M
r₀(t)
r₁(t)
Оценка
координат ИРИ
Кросскорреляция
tᵢ
Обработка LOS
Алгоритм
взвешенных
наименьших
квадратов
(ВМНК)
rM (t)
Обработка измерений
в условиях отсутствия
прямой видимости
σ < σthrs
Да
Оценка
координат ИРИ
Нет
Синхронизация
пунктов приема
Известные
координаты
пунктов
приема
sᵢ
Обработка NLOS
1) Обнаружение NLOS
2) Исключение NLOS
R
Обработка измерений в центральном пункте приема
Рисунок 9 − Функциональная схема имитационной модели
позиционирования ИРИ в условиях отсутствия прямой видимости
Схема позиционирования ИРИ пространстве включает в себя M пунктов приема, каждый
из которых принимает сигнал, поступающий от ИРИ. Сигнал, принятый i-м пунктом приема,
i = 1,…,M, можно представить выражением:
ri (t )  i s(t  ti )  ni (t ), i  1,2,, M ,
(14)
где принятый сигнал i s(t  ti ) является задержанной на ti  d i c копией излучаемого ИРИ
сигнала s(t ) , ослабленного в  i раз при распространении на расстояние d i между ИРИ и i-м
пунктом приема; ni (t ) – шум i-ого пункта приема; с – скорость света.
13
Первым шагом в определении координат ИРИ является оценка разностей времен прихода Δtij, i,j = 1,…,M путем вычисления взаимной корреляционной функции (ВКФ) сигналов с
i-го и j-го пунктов приема:

T
1
Сij ( ) 
ri (t ) rj (t   ) dt ,
T  
где T – интервал корреляции, или корреляционное
окно, а τ – значение, максимизирующее ВКФ и
определяющее разность времен прихода tij.
Пример вычисления ВКФ и соответствующих
разностей времен прихода сигналов представлен на
рисунке 10.
Суть алгоритма идентификации источников
ошибок NLOS заключается в вычислении дисперсий оценок координат, полученных из обработки
остаточных разностно-дальномерных измерений
после поочередного исключения из тестируемых
комбинаций пунктов приема – вероятных источников ошибок NLOS. Дисперсия оценок промежуточного положения вычисляется с использованием
уравнения:
1

M
(15)
Рисунок 10
 x  x .
M
2
(16)
m
m 1
Блок обработки измерений на рисунке 9 производит сравнение дисперсий σ с пороговыми
значениями дисперсий σthrs, полученными для измерений прямой видимости LOS и исключает
пункт приема, который имеет наибольшую дисперсию, из процесса позиционирования. Зависимость дисперсий оценок и ошибок позиционирования от
отношения сигнал-шум для измерений прямой видимости
LOS представлена на рисунке 11.
Сценарий территориального расположения ИРИ, 5-и
пунктов приема и одного БПЛА в трехмерном пространстве представлен на рисунке. 12. Кроме того на рисунке
представлены препятствия в виде гор. При полете БПЛА
на определенном интервале времени из-за препятствия
имеет место ситуация NLOS. Данный интервал полета на
Рисунок 11
рисунке 12 проиллюстрирован отраженными лучами, что
приведет к значительной ошибке позиционирования, как показано на рисунке 13.
Рисунок 12
Рисунок 13
14
Из рисунков 12-13 видно, что ошибка позиционирования резко возрастает на интервале
от 40 с до 60 с как раз во время полета БПЛА на участке отсутствия прямой видимости NLOS
между ИРИ и БПЛА; данный интервал полета проиллюстрирован отраженными лучами.
Разработанный алгоритм позволяет идентифицировать источник измерений NLOS и исключить его из процесса позиционирования. Лог-файл позиционирования и исключения
пункта приема, являющегося источником NLOS измерений, представлен ниже
Тест пунктов приема для исключения источника NLOS
Время=1с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
Время=2с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
Время=3с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS
⁝
Время=39с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
Время=40с: Пункт приема ПП5. имеет NLOS, ПП5. исключен
Время=41с: Пункт приема ПП5. имеет NLOS, ПП5. исключен
⁝
Время=59с: Пункт приема ПП5. имеет NLOS, ПП5. исключен
Время=60с: Пункт приема ПП5. имеет NLOS, ПП5. исключен
Время=61с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
⁝
Время=198с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
Время=199с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
Время=200с: Все пункты приема имеют прямую видимость (LOS)
Таким образом была проиллюстрирована работа реализованного алгоритма идентификации и компенсации ошибок NLOS измерений при позиционировании ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности. Разработанная имитационная модель, позволившая получить
представленные результаты, выгодно отличается от аналогичных исследований комплексным
учетом вида сигнала и потерь РРВ, влияющих на точность корреляционной обработки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации исследованы, разработаны и реализованы алгоритмы позиционирования
источника радиоизлучения в условиях неоднородного рельефа местности с использованием
БПЛА и с учетом многолучевого распространения сигналов. Выводы и научные результаты
диссертации заключаются в следующем:
1. Проведен сравнительный анализ существующих методов позиционирования источника
радиоизлучения. Показан количественный выигрыш от использования подвижного пункта
приема на борту БПЛА для позиционирования в условиях горной местности. Предложена
структурная и функциональная схемы в составе наземного и воздушного сегментов для позиционирования ИРИ в условиях неоднородного рельефа местности.
2. Формализована математическая модель РДМ для оценки геометрического фактора снижения точности позиционирования. Выполнена оценка коэффициента GDOP аналитически и
средствами моделирования.
3. Исследовано влияние топологии расположения ПП наземного сегмента на коэффициент GDOP; предложены линейные топологии расположения ПП наземного сегмента с дополнительным подвижным ПП для повышения точности позиционирования.
4. Построена математическая и имитационная модели позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве на основе РДМ с использованием БПЛА и на их основе выполнена оценка
точности позиционирования подвижного и неподвижного источника радиоизлучения в пространстве с использованием БПЛА. Результаты моделирования показали, что использование
БПЛА позволяет повысить точность позиционирования источника радиоизлучения более чем
в 6 раз: с 60 м до 9 м при использовании сценария с пятью стационарными пунктами приема,
из которых три стационарны и два подвижны, в том случае, когда один БПЛА движется по
окружности, а второй – по прямой линии в зоне позиционирования.
5. Разработан и реализован алгоритм и методики идентификации и компенсации источников измерений с отсутствием прямой видимости при позиционировании ИРИ с использованием неподвижных пунктов приема в составе наземного сегмента и подвижных пунктов при-
15
ема на борту БПЛА в составе воздушного сегмента. На основе предложных алгоритма и имитационной модели выполнена оценка точности позиционирования ИРИ в трехмерном пространстве с учетом NLOS.
6. Показано, что дифференциация разностно-дальномерных измерений по комбинациям
и наборам позволяет методом последовательного исключения пунктов приема с высокой вероятностью обнаружить источники NLOS измерений.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК:
[1] Аль-Одхари, A. Х. Исследование влияния геометрического распределения
пунктов
приема и источника радиоизлучения на точность позиционирования / A. Х. Аль-Одхари // Информационные системы и технологии. 2017.  № 6 (104).  С. 5-11.
[2] Аль-Одхари, А. Х. Позиционирование источника радиоизлучения разностно-дальномерным методом с использованием беспилотных летательных аппаратов / А. Х. АльОдхари // Телекоммуникации. Наука и технологии.  2018.  № 3.  С. 29-39.
[3] Аль-Одхари, А. Х. Исследование зависимости геометрического фактора топологии для
разностно-дальномерного метода позиционирования / А. Х. Аль-Одхари, Г. А. Фокин,
С. В. Дворников, И. В. Федоренко // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника и телевидения.  2017.  № 2.  С. 86-93.
[4] Аль-Одхари, А. Х. Позиционирование подвижных источников радиоизлучения разностно-дальномерным методом / Аль-Одхари А. Х., Фокин Г. А. // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.  2017.  Т. 11., № 4.  С. 41-46.
[5] Аль-Одхари, А. Х. Оценка влияния свойств сигнала PRS LTE на точность позиционирования / А. Х. Аль-Одхари, С. В. Дворников, Г. А. Фокин, И. В. Федоренко // Вопросы
радиоэлектроники, сер. Техника и телевидения. – 2017.  №.4.  С. 94-103.
[6] Аль-Одхари, А. Х. Исследование зависимости значения геометрического фактора снижения точности от топологии пунктов приема / А. Х. Аль-Одхари, С. В. Дворников, Г.
А. Фокин, И. В. Федоренко // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника и телевидения.
– 2018.  №.2.  С. 99-105.
Научные статьи, индексируемые в международных базах данных Scopus:
[7] Al-odhari, A. H. Positioning of the radio source based on time difference of arrival method
using unmanned aerial vehicles / A. H. Al-odhari, G. Fokin, A. Kireev // 2018 Systems of
Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, Moscow, Russia.  2018.  PP. 1-5.
[8] Al-odhari, A. H. TDOA positioning accuracy performance evaluation for arc sensor configuration / G. Fokin, A. Kireev, A. H. Al-odhari // 2018 Systems of Signals Generating and
Processing in the Field of on Board Communications, Moscow, Russia.  2018.  PP. 1-5.
[9] Al-odhari, A. H. TOA measurement processing analysis for positioning in NLOS conditions
/ A. Kireev, G. Fokin, A. H. Al-odhari // 2018 Systems of Signals Generating and Processing
in the Field of on Board Communications, Moscow, Russia.  2018.  PP. 1-4.
[10] Al-Odhari, A. Indoor Positioning in Wi-Fi and Nanoloc Networks / Sivers M., Fokin G.,
Dmitriev P., Kireev A., Volgushev D., Al-Odhari A. // Internet of Things, Smart Spaces, and
Next Generation Networks and Systems. 16th International Conference NEW2AN 2016 and
9th Conference ruSMART 2016, Saint-Petersburg, Russia. – Proceedings. Springer, LNCS
9870. –2016. PP. 465-476.
[11] Al-Odhari, A. Wi-Fi Based Indoor Positioning System Using Inertial Measurements / Sivers
M., Fokin G., Dmitriev P., Kireev A., Volgushev D., Al-odhari A. // Internet of Things, Smart
16
Spaces, and Next Generation Networks and Systems. 17th International Conference
NEW2AN 2017 and 10th Conference ruSMART 2017, Saint-Petersburg, Russia. – Proceedings. Springer, LNCS 10531. –2017. PP. 734-744.
Научные статьи в журналах, включенных в РИНЦ:
[12] Аль-Одхари, A. Х. Позиционирование источников радиоизлучения в условиях высокогорья с использованием беспилотных летательных аппаратов / Аль-Одхари А.Х.,
Фокин Г.А. // Труды учебных заведений связи. 2018. Т. 4. № 2. С. 5–17.
Опубликованные доклады (тезисы докладов) в материалах научных конференций:
[13] Аль-Одхари, А. Х. Позиционирование источников радиоизлучения в условиях высокогорья республики Йемен с использованием беспилотных летательных аппаратов / А.
Х. Аль-Одхари // В сборнике V Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». СПб.  2016.  С. 71-76.
[14] Аль-Одхари, A. Х. Локализация объектов в условиях неоднородного рельефа с использованием беспилотных летательных аппаратов / A. Х. Аль-Одхари, Г. А. Фокин //
наука и инновации в технических университетах: Материалы Десятого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. 2016.  С. 7-9.
[15] Аль-Одхари, A. Х. Исследование влияния геометрического фактора снижения точности позиционирования в разностно-дальномерном методе / A. Х. Аль-Одхари // В
сборнике VI Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании». СПб. 
2017.  С. 44-48.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа