Varış zamanları farkı tabanlı ve yüksek doğruluklu yeni konumlandırma yöntemleri

Abstract

Birbirlerinden uzamsal olarak ayrı yerleştirilmiş eş zamanlı alıcılarla elektromanyetik, akustik veya sismik bir kaynağın yeri tespit edilebilmektedir. Vericiden yayılan sinyalin alıcılara ulaşma zamanları arasındaki farklar kullanılarak, hiperbolik konum hatları tanımlanmakta ve hedef bu hatların kesişim noktasında konumlandırılmaktadır. Bu doktora tezinde varış zamanları farkı (VZF) tabanlı ve yüksek doğruluklu yeni konumlandırma yöntemleri önerilmiştir. İlk kısımda varış zamanları farkı ortalama (VZFO) tekniğinde kullanılan katsayı matrisi basit bir çizgeler arası dolaşım algoritması ile yeniden üretilmiş ve katsayı matrisinin sadece üçlü VZF grupları ile değil aynı zamanda dörtlü, beşli ve bunların karışımları/bileşimleri ile de elde edilebileceği gösterilmiştir. İkinci bölümde VZFO tekniği destekli iki yeni algoritma sunulmuştur. İlk yöntemde ortalama tekniği parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO) ile birlikte kullanılarak, konumlandırma hatasında ciddi bir azalma sağlanmış ve tam VZF seti kullanıldığında bağımsız setle hesaplanan Cramer-Rao alt sınırının (CRAS) geçilebileceği gösterilmiştir. İkinci algoritmada ortalama yöntemi doğrusal en küçük kareler (DEKK) ve ağırlıklandırılmış doğrusal en küçük kareler (ADEKK) teknikleriyle birlikte kullanılmış ve bağımsız set ile konum tespitinde geleneksel teorik limit aşılmıştır. Üçüncü kısımda yayılma hızından bağımsız konumlandırma yapan PSO tabanlı yeni bir yöntem önerilmiştir. Önerilen algoritmada zaman farkları birbirlerine bölünerek, yayılma hızı sadeleştirilmiş ve VZF oranları elde edilmiştir. Ardından bu oranlar kullanılarak, verici koordinatları PSO ile hızdan bağımsız olarak bulunmuştur. Dördüncü bölümde konumlandırma doğruluğunu daha da artırmak amacıyla optimum alıcı dizileri hedefin koordinatlarına bağlı olarak, dinamik bir şekilde yönlendirilmiş ve ciddi başarım artışı sağlanmıştır. Son kısımda üç farklı alıcı geometrisi ve altı hedef noktası için akustik bir kaynağın konumu tespit edilmiş ve önerilen yöntemlerin başarımları teorik limitle kıyaslanmıştır.

The position of electromagnetic, acoustic, or seismic source can be determined by spatially separated synchronous receivers. Hyperbolic lines of positions are defined by using the time differences of arrivals of transmitted signals and the target is positioned at the intersection point. In this PhD thesis, high accurate and time difference of arrival (TDOA) based novel positioning methods are proposed. In the first section, the coefficient matrix which is used in time difference of arrival averaging (TDOAA) method is reproduced by a simple graph traversal algorithm and also showed that this matrix can be obtained not only using three TDOA groups but also four, five, and their combinations. In the second section, two novel algorithms based on TDOAA are proposed. In the first method, the averaging is combined with particle swarm optimization (PSO) and a significant decrease obtained in the positioning error by showing that the Cramer-Rao lower bound (CRLB) that is computed by independent set can be passed using the full TDOA set. In the second algorithm, the linear least square (LLS) and weighted linear least square (WLLS) techniques are used together and the traditional theoretical limit is passed by using the independent set. In the third section, a novel positioning method independent of the propagation speed and based on PSO is proposed. In the proposed method, the propagation speed has been canceled out by dividing the time differences each other and the TDOA ratios are obtained. Then, the target coordinates are found independent of the propagation speed by using these coordinates and PSO. In the fourth section, in order to increase the positioning accuracy further, optimum receiver arrays are dynamically oriented regarding to the target coordinates and the significant performance increase has been obtained. In the last section, the position of an acoustic source has been localized and performances of proposed methods compared with theoretical limit by using three different receiver geometries and six target points.