TEZA DE DOCTORAT Rezumat -...

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Geodezie

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Cercetări privind utilizarea unor tehnici

neconvenţionale de poziţionare

Doctorand

Ing. Tudorel Silviu CLINCI

Conducător științific

Prof. univ. dr. ing. Petre Iuliu DRAGOMIR

BUCUREŞTI

2013

U N I V E R S I T A T E A TEHNTCA D E C O N S T R U C T I I BUCURE3T1 T E C H N I C A L U N I V E R S I T Y O F C I V I L E N G I N E E R I N G

O F B U C H A R E S T Bd. L A C U L T E I 124 * Sect. 2 RO-72302 * Bucharest 38 ROMANIA

Tel.:+40-l-242.12.08,TeiyFax:+4O-l-242.07.81

Domnului/doamnei,

Va facem cunoscut ca in ziua de 30.09.2013, ora 10,00, in Sala Multimedia a Facultdtii de Geodezie a Universitatii Tehnice de Constructii Bucure§ti, Bdul. Lacul Tei nr.122-124, sector 2, va avea loc sustinerea publica a tezei de doctoral cu titlul: " Cercetariprivind utilizarea unor tehnici neconventionale de pozifionare", elaboratd de domnul ing. CLINCIC. TudorelSilviu, in domeniul fundamental "!^tiinte inginere§ti", domeniul de doctoral "Inginerie civila", cu urmdloarea componentd:

Pre§edinte Prof.univ.dr.ing. Dumitru

Conducator §tiintific Referenti

ONOSE Prof.univ.dr.ing. Petre luliu DRAGOMIR Prof.univ.dr.ing. lohan NEUNER Conf.univ.dr.ing. Raluca MANEA

Prof.univ.dr.ing. Maricel PALAMARIU

Decan - Facultatea de Geodezie a Universitatii Tehnice de Constructii Bucure§ti Facultatea de Geodezie a Universitatii Tehnice de Constructii Bucure§ti Facultatea de Geodezie a Universitatii Tehnice de Constructii Bucure§li Universilatea de §liinte Agronomice §iMedicind Veterinard din Bucure§ti - Facultatea de Imbundtatiri Funciare §i Ingineria Mediului Universilatea „ 1 Decembrie 1918 " din Alba Julia

Va inaintam aldturat un exemplar din rezumatul tezei de doctoral, rugdndu-vd sa il analizati §i sa intocmiti un referat, in doua exemplare, care sa contina aprecieri generale analitice precum §i concluzii temeinic motivate asupra valorii §i admisibilitdtii sustinerii tezei.

Referalul va fi depus la secretariatul Rectoratului eel tdrziu pdnd la data de 23.09.2013, pe adresa Secrelariatului Rectoratului al U.T.CB., din Bdul. Lacul Tei nr. 122 - 124, sector 2, Bucure§ti.

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de Geodezie

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor

universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse

oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar UTCB, cod

POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional

Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale

Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Univeritatea Tehnică de

Construcții București.

TEZA DE DOCTORAT

Rezumat

Cercetări privind utilizarea unor tehnici

neconvenţionale de poziţionare

Doctorand

Ing. Tudorel Silviu CLINCI

Conducător de doctorat

Prof. univ. dr. ing. Petre Iuliu DRAGOMIR

BUCUREŞTI

2013

Cercetări privind utilizarea unor tehnici neconvenţionale de poziţionare

1

Cuprins 1. Introducere .........................................................................................................................3

2. Transmiterea Semnalelor ....................................................................................................4

2.1 Standarde pentru sisteme de acces pe bandă largă ..........................................................4

2.2 Servicii la transmiterea datelor prin intermediul undelor radio .......................................4

2.3 Tipuri de modulație a semnalelor ..................................................................................5

2.3.1 Modulația în amplitudine ........................................................................................5

2.3.2 Modulația în frecvență ............................................................................................5

2.3.3 Modulația în fază ....................................................................................................5

2.4 Propagarea undelor electromagnetice ............................................................................5

2.4.1 Absorbţia şi reflexia undelor ...................................................................................5

2.4.2 Difracţia undelor .....................................................................................................5

2.4.3 Interferenţa undelor ................................................................................................6

2.4.4 Divergenţa undelor .................................................................................................6

3. Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GNSS .........................................................................6

3.1 Principiul poziţionării absolute cu sisteme GNSS ..........................................................6

3.2 Poziţionarea absolută diferenţială DGNSS ....................................................................6

3.3 Poziţionarea absolută RTK ............................................................................................6

3.4 Poziţionarea absolută PPP .............................................................................................6

3.5 Corecţiile de ceas şi efemeridele sateliţilor ....................................................................6

3.6 Influența atmosferei asupra semnalului satelitar ............................................................6

3.7 Sisteme complementare ale GNSS ................................................................................6

3.7.1 Sisteme spaţiale complementare SBAS ...................................................................6

3.7.2 Sisteme terestre complementare GBAS ...................................................................7

3.7.3 Sistemul EUPOS.....................................................................................................7

3.7.4 Sistemul ROMPOS .................................................................................................7

4. Poziționarea în cadrul rețelelor de telefonie mobilă .............................................................7

4.1 Infrastructura rețelelor de telefonie mobilă ....................................................................7

4.2 Transmiterea semnalului GSM ......................................................................................7

4.3 Tehnici pentru estimarea poziției receptorului mobil .....................................................7

4.3.1 Identificarea celulei în care se află dispozitivul urmărit ...........................................7

4.3.2 Tehnica GSM Fingerprint .......................................................................................8

4.3.3 Poziţionarea GSM pe baza distanţei între emiţător şi receptor .................................8

4.3.4 Poziţionarea pe baza metodei ToA ..........................................................................8

4.3.5 Poziţionarea pe baza metodei TDoA .......................................................................8

4.3.6 Poziţionarea pe baza metodei E-OTD .....................................................................8

4.3.7 Poziţionarea GSM pe baza unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat ...........8

4.4 Poziționarea “Indoor” cu ajutorul dispozitivelor Smartphone........................................8

5. Sisteme de poziţionare utilizate în spaţii acoperite ..............................................................8

5.1 Sisteme de poziţionare care utilizează semnale infraroşii ...............................................9

5.2 Sisteme de poziţionare care utilizează ultrasunete ..........................................................9

5.2.1. Undele acustice ......................................................................................................9

5.2.2 Caracteristici ale sistemelor de poziţionare cu ultrasunete .......................................9

5.2.3 Sistemul Active Bat ................................................................................................9

5.2.4 Sistemul Sonitor ................................................................................................... 10

5.2.5 Sistemul Hexamite ................................................................................................ 10

5.2.6 Sistemul 3D Locus ................................................................................................ 10

5.2.7 Sisteme de poziţionare cu semnale în domeniul audibil ......................................... 10

5.3 Sisteme de poziţionare care utilizează semnale radio ................................................... 10

5.3.1 Sistemul LANDMARK ........................................................................................ 10


2

5.3.2 Sistemul Ubisense ................................................................................................. 10

5.3.3. Sistemul Spot ON ................................................................................................ 10

5.4 Alte sisteme de poziționare care utilizează undele radio .............................................. 11

5.5 Sistemele Wireless LAN ............................................................................................. 11

5.6 Sisteme de localizare magnetică .................................................................................. 11

5.7 Sistemele hibride ......................................................................................................... 11

5.8 Sistemele video ........................................................................................................... 11

5.9 Poziţionarea GNSS în spaţii închise ............................................................................ 11

5.9.1 Sistemele HS-GNSS ............................................................................................. 11

5.9.2 Sistemele A-GNSS ............................................................................................... 11

5.9.3 Sistemele bazate pe Pseudoliți .............................................................................. 11

5.9.4 Sistemele bazate pe repetitoare ............................................................................. 12

5.9.5 Determinarea erorilor de ceas................................................................................ 12

5.9.6 Determinarea pseudodistanţelor ............................................................................ 12

5.9.7 Metoda Two-Band Approach ................................................................................ 12

6. Metode folosite pentru estimarea poziţiei .......................................................................... 12

6.1 Identificarea celulei în care se află dispozitivul urmărit ............................................... 12

6.2 Determinarea poziţiei receptorului pe baza coordonatelor polare ................................. 12

6.3 Metoda RSS ................................................................................................................ 12

6.4 Metoda ToA ................................................................................................................ 12

6.5 Metoda TDoA ............................................................................................................. 12

6.6 Metoda AoA ............................................................................................................... 13

6.7 Metoda Fingerprint...................................................................................................... 13

6.8 Sursele de erori în poziţionare ..................................................................................... 13

6.8.1 Influenţa obstacolelor dintre emiţător şi receptor ................................................... 13

6.8.2 Efectul de multipath .............................................................................................. 13

6.8.3 Efectul de umbrire ................................................................................................ 13

7.Metode spațiale pentru determinarea direcției de incidență a semnalului recepționat .......... 13

7.1 Algoritmul Capon ....................................................................................................... 13

7.2 Algoritmul MUSIC ..................................................................................................... 14

7.3 Algoritmul ESPRIT ..................................................................................................... 14

8. Studiu de caz .................................................................................................................... 15

8.1 Studiu de caz I – Determinarea preciziei de poziţionare a surselor de zgomot cu ajutorul unor sisteme acustice ........................................................................................................ 15

8.1.1 Softul Noise Inspector........................................................................................... 15

8.1.2 Echipamente hardware utilizate ............................................................................ 15

8.1.3 Sistemele acustice pentru detectarea surselor de zgomot ....................................... 15

8.1.4 Interpretarea rezultatelor ....................................................................................... 16

8.2 Studiu de caz II - Determinarea unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat cu ajutorul unui aranjament uniform liniar de antene NI USRP .............................................. 16

8.2.1 Echipamente utilizate ............................................................................................ 17

8.2.2 Softul LabVIEW ................................................................................................... 17

8.2.3 Realizarea VI-urilor aplicaţiei ............................................................................... 17

8.2.4 Realizarea măsurătorilor și interpretarea rezultatelor ............................................. 17

9. Concluzii şi perspective de cercetare ................................................................................. 18

9.1 Consideraţii finale ....................................................................................................... 18

9.2 Concluziile autorului ................................................................................................... 18

9.3 Contribuţii .................................................................................................................. 18

9.4 Perspective de cercetare ............................................................................................. 19


3

1. Introducere Problema poziţionării în spaţiile de exterior sau în mediile cu semnale satelitare

obstrucţionate reprezintă o problemă interdisciplinară de actualitate pentru aplicaţii dintre cele mai variate, care în ciuda evoluţiei tehnologice din ultima perioadă şi a posibilităţilor variate de utilizare a diverselor tehnologii din domeniul infraroşu, ultrasunete şi unde radio, nu au reuşit încă să răspundă aplicaţiilor în care exigenţele privind precizia de determinare a poziţiei sunt foarte ridicate. Această afirmaţie poate fi confirmată şi de faptul că o parte dintre metodele şi sistemele prezentate în cadrul acestei lucrări se află încă în curs de dezvoltare şi perfecţionare.

Precizia ridicată la poziţionare oferită de sistemele GNSS a condus la adoptarea lor la nivel mondial pentru o multitudine de aplicaţii în care obiectivul principal îl reprezintă determinarea poziţiei, totuşi pentru ca un sistem de poziţionare să fie considerat „complet” ar fi necesar să prezinte continuitate atât în mediile de exterior cât şi în medii „Indoor”. Structura tezei de doctorat

Prezenta lucrare este structurată pe nouă capitole. Primul capitol „Introducere” prezintă scopul şi obiectivele tezei de doctorat, un scurt istoric privind descoperirea şi utilizarea undelor electromagnetice, urmat de o descriere asupra evoluţiei primelor sisteme pentru determinarea poziţiei.

În capitolul doi „Transmiterea semnalelor” sunt prezentate metodele utilizate pentru generarea şi transmiterea semnalelor. Capitolul continuă cu o prezentare a standardelor pentru sistemele de acces pe bandă largă, servicii utilizate la transmiterea datelor prin intermediul undelor radio şi principalele tipuri de modulaţii aplicate semnalelor în vederea transmiterii pe canalul de comunicaţie. În finalul acestui capitol sunt prezentate aspecte privind influenţa mediului înconjurător asupra semnalului transmis şi efectele produse de fenomenele de absorbţie, reflexie şi difracţie asupra semnalului transmis.

În capitolul trei intitulat „Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GNSS” sunt prezentate modalităţi de poziţionare prin intermediul tehnologiei GNSS şi noţiuni privind influenţa erorilor de ceas, a efemeridelor sateliţilor şi influenţa ionosferei şi troposferei asupra preciziei de determinare a poziţiei. Capitolul se încheie cu o scurtă descriere a sistemelor complementare terestre GBAS (Ground-Based Augmentation System) sau spaţiale SBAS (Space Based Augmentation Systems) utilizate în scopul îmbunătăţirii preciziei de poziţionare.

În capitolul patru „Poziționarea în cadrul rețelelor de telefonie mobilă” sunt prezentate aspecte privind necesitatea localizării terminalelor în cadrul reţelelor de telefonie mobilă, infrastructura reţelelor de telefonie mobilă necesară şi tehnicile de bază împlementate fie la nivelul reţelei de comunicaţii fie la nivelul terminalului mobil în scopul determinării poziţiei acestuia în cadrul reţelei. Capitolul se încheie cu prezentarea posibilităţilor de poziţionare “Indoor” cu ajutorul dispozitivelor Smartphone.

Având în vedere disponibilitatea limitată privind utilizarea tehnologiei GNSS în mediile cu semnale satelitare obstrucţionate, în cadrul capitolului cinci „Sisteme de

poziţionare utilizate în spaţii acoperite” sunt prezentate alternativele pentru poziţionarea în mediile „Indoor”. În cadrul acestui capitol sunt prezentate sisteme de poziţionare bazate pe tehnologii care operează în domeniul infraroşu, ultrasunete sau al undelor radio, disponibile la momentul de faţă sau aflate în curs de dezvoltare şi perfecţionare. Pentru fiecare dintre aceste sisteme sunt prezentate principalele caracteristici precum: anul apariţiei, precizia oferită, tipul sistemului, frecvenţa utilizată, principiul utilizat la determinarea poziţiei, avantajele oferite de fiecare sistem şi domeniile de utilizare.

După o scurtă clasificare a sistemelor de poziţionare din punct de vedere al infrastructurii şi al locului în care se află amplasate componentele ce permit preluarea şi


4

prelucrarea datelor în vederea determinării poziţiei dispozitivului mobil, în cadrul capitolului şase „Metode folosite pentru estimarea poziţiei” sunt prezentate metodele utilizate în cadrul sistemelor neconvenţionale de poziţionare, principiile care stau la baza acestor metode şi avantajele, respectiv dezavantajele pe care le prezintă fiecare dintre metodele tratate. Capitolul se încheie cu prezentarea surselor de erori în determinarea poziţiei apărute în cadrul poziţionării „Indoor” şi modalităţi de exprimare a preciziei pentru sistemele neconvenţionale de poziţionare.

În capitolul şapte „Metode spațiale pentru determinarea direcției de incidență a

semnalului recepționat” sunt prezentaţi algoritmi matematici utilizaţi pentru determinarea unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat în scopul localizării surselor radiante folosind aranjamente liniare sau neuniforme de senzori. În cadrul acestui capitol este tratat detaliat modelul matematic al algoritmilor Capon, MUSIC (Multiple Signal Classification) şi ESPRIT (Estimation of Signal Parameters by Rotational Invariance Techniques) utilizaţi la prelucrarea datelor din cadrul studiului de caz.

Capitolul opt „Studiu de caz” este format din două părţi distincte. În cadrul primei părţi se urmăreşte determinarea preciziei de poziţionare a surselor de zgomot cu ajutorul unor sisteme acustice, iar în cadrul celei de-a doua părţi se urmăreşte evaluarea posibilităţilor de determinare a unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat cu ajutorul unui sistem NI USRP şi softul LabVIEW în scopul evaluării posibilităţilor de realizare a unui sistem pentru determinarea poziţiei.

Lucrarea se încheie cu capitolul nouă „Concluzii şi perspective de cercetare” în care sunt prezentate consideraţii finale asupra sistemelor de poziţionare neconvenţionale pentru domeniul măsurătorilor terestre, urmat de concluzii şi contribuţiile autorului în prezenta lucrare de doctorat, iar în încheiere sunt prezentate perspectivele de cercetare pentru domeniul studiat. 2. Transmiterea Semnalelor

Semnalul reprezintă o mărime fizică măsurabilă, purtătoare de informaţie, care poate fi transmisă la distanţă, recepţionată şi prelucrată. Semnalele numerice pot fi generate prin două tipuri de operaţii:

- Eşantionarea reprezintă discretizarea timpului cu un anumit pas, numit perioadă de eşantionare.

- Cuantizarea semnalului reprezintă discretizarea amplitudinii eşantioanelor cu un anumit pas de cuantizare.

2.1 Standarde pentru sisteme de acces pe bandă largă Standardele IEEE 802 (Institute of Electrical and Electronic Engineers) constituie un set de protocoale de comunicaţie utilizate în realizarea reţelelor locale de comunicaţie la viteze echivalente reţelelor cu fir. Aceste standarde au în prim plan conexiunile de bandă largă care reprezintă o legătură de capacitate mare între utilizator şi reţeaua de comunicaţie, bidirecţională, care are capacitatea să susţină aplicaţii diverse în timp real, fără o întârziere semnificativă a datelor transmise. Evitarea suprapunerilor pentru diverşi utilizatori pentru folosirea benzilor de frecvenţă constituie obiectul unor reglementări legale la nivel naţional şi a unor acorduri la nivel internaţional.

2.2 Servicii la transmiterea datelor prin intermediul undelor radio Sincronizarea în timp se realizează sub controlul staţiilor bază în scopul de a controla

dacă parametrii îndeplinesc criteriile de acceptare pentru transmiterea la altă staţie. Managementul puterii care se realizează la staţiile de bază în scopul respectării

parametrilor de putere predefiniţi ai reţelei.


5

Autentificarea şi criptarea reprezintă problema cea mai stringentă pentru majoritatea sistemelor de comunicaţie care folosesc mediul radio pentru transmiterea datelor.

2.3 Tipuri de modulație a semnalelor Prelucrarea semnalelor în vederea transmiterii lor presupune o transformare a

semnalului din format analogic în format digital, transformare prin care datele brute ce urmează a fi transmise sunt reprezentate şi transmise ca semnal într-un anumit domeniu de frecvenţă. Modulaţia reprezintă procesul de modificare a anumitor parametrii ai semnalui de bază, în urma căreia se obţine semnalul modulat ce urmează să fie transmis prin canalul de comunicaţie. 2.3.1 Modulația în amplitudine Se realizează prin modificarea amplitudinii semnalului undei purtătoare cu un factor de modulaţie a, ales în funcţie de valoarea cu care se doreşte modificarea amplitudinii semnalului, astfel încât semnalul modulat poate fi descris printr-o relaţie de forma:

(2.3)

2.3.2 Modulația în frecvență Modulaţia semnalului în frecvenţă constă în modificarea frecvenţei undei purtătoare între semnalul ce urmează să fie transmis şi semnalul care parcurge canalul de comunicație pentru a ajunge la receptor. (2.5)

2.3.3 Modulația în fază Semnalele modulate cu deplasare de fază ocupă o bandă mai îngustă comparativ cu semnalele modulate în frecvenţă, amplitudinea undei purtătoare rămâne constantă, iar faza iniţială a semnalului este modificată cu un factor de modulaţie k:

(2.6)

(2.7)

2.4 Propagarea undelor electromagnetice

Undele electromagnetice reprezintă oscilaţii ale câmpului electromagnetic, iar propagarea acestora prin atmosferă este influenţată de o serie de factori ai mediului, efectul fiind în funcţie de frecvenţa undei purtătoare, direcţia de propagare şi de gradul de apropiere al antenelor faţă de anumite obstacole.

2.4.1 Absorbţia şi reflexia undelor

Absorbţia undelor electromagnetice reprezintă un fenomen de interacţiune între unde şi mediul prin care acestea se propagă, iar în cazul undelor radio, scăderea puterii datorită absorbţiei este exponenţială cu distanţa. 2.4.2 Difracţia undelor Difracţia undelor reprezintă fenomenul de abatere a direcţiei de propagare a undei de la linia dreaptă, din alte cauze decât reflexia sau refracţia acestuia.


6

2.4.3 Interferenţa undelor Se produce atunci când la receptor, pe lângă unda directă ajung şi undele reflectate, iar în cazul în care diferenţa de drum pentru undele recepţionate este un număr întreg de lungimi de undă, acestea se suprapun în fază şi se adună, semnalul recepţionat fiind mai puternic. 2.4.4 Divergenţa undelor Cu cât distanţa între emiţător şi receptor creşte, frontul de undă se extinde având ca efect scăderea puterii semnalului la receptor. Puterea recepţionată a semnalului este invers proporţională cu pătratul distanţei dintre emiţător şi receptor:

(2.14)

3. Poziționarea cu ajutorul tehnologiei GNSS Avantajele oferite de tehnologia GNSS (Global Navigation Satellite System) a condus

la necesitatea ca şi în ţara noastră să fie implementate servicii moderne de determinare a poziţiei care oferă utilizatorilor informaţii suplimentare pe lângă cele recepţionate direct de la sateliţii GNSS, pe baza cărora pot fi atinse precizii de poziţionare superioare în timp real. În cadrul acestui capitol sunt tratate principalele tipuri de poziţionare cu tehnologie GNSS: 3.1 Principiul poziţionării absolute cu sisteme GNSS 3.2 Poziţionarea absolută diferenţială DGNSS 3.3 Poziţionarea absolută RTK

3.4 Poziţionarea absolută PPP 3.5 Corecţiile de ceas şi efemeridele sateliţilor

Poziţionarea absolută cu acurateţe ridicată a unui receptor prin intermediul tehnologiei GNSS implică necesitatea ca în prelucrarea măsurătorilor să fie luate în considerare atât erorile de ceas ale sateliţilor datorate nesincronizării oscilatoarelor de la bordul sateliţilor cu timpul GPS adevărat cât şi efemeridele sateliţilor care datorită unor factori perturbatori din atmosferă nu sunt aceleaşi cu efemeridele preconizate.

3.6 Influența atmosferei asupra semnalului satelitar Datorită faptului că semnalele satelitare se propagă prin medii ionizate şi sub influenţa

câmpului magnetic al Pământului, undele electromagnetice sunt supuse anumitor efecte, dintre care pentru poziţionare cel mai mare interes îl reprezintă efectul de întârziere a undelor.

3.7 Sisteme complementare ale GNSS Având în vedere limitările sistemelor GNSS în ceea ce priveşte precizia de poziţionare

şi integritatea semnalului satelitar, pentru obţinerea unor precizii de poziţionare ridicate, se recurge la diverse metode şi tehnologii specifice implementate fie la nivelul receptorului, fie prin crearea unor sisteme complementare terestre GBAS (Ground-Based Augmentation System) sau spaţiale SBAS (Space Based Augmentation Systems) care au ca scop îmbunătăţirea caracteristicilor sistemului în vederea atingerii unui nivel de precizie ridicat.

3.7.1 Sisteme spaţiale complementare SBAS

Conceptul SBAS se bazează pe transmiterea de corecţii diferenţiale şi mesaje de integritate pentru sateliţii de navigaţie situaţi în câmpul de vizibilitate al unei reţele de staţii de referinţă transmise de sateliţi geostaţionari în aceeaşi bandă de frecvenţă ca şi sistemul GNSS pe care aceasta îl completează. Fiecare sistem acoperă o regiune formată din mai multe ţări, iar sistemele se supun aceloraşi standarde astfel încât ele să fie compartibile şi interoprabile.


7

3.7.2 Sisteme terestre complementare GBAS În cadrul sistemelor GBAS rolul de transmitere a corecţiilor diferenţiale, care la

sistemele SBAS era realizat de sateliţi geostaţionari este preluat de staţii amplasate la sol. Ca sisteme GBAS complementare sunt utilizate sistemele LAAS (Local-Area Augmentation System) şi JPALS (Joint Precision Approach and Landing System).

3.7.3 Sistemul EUPOS

Este un sistem terestru complementar regional care are drept scop dezvoltarea unei reţele de staţii permanente de referinţă DGNSS pentru Centrul şi Estul Europei prin instalarea de staţii permanente cu scopul de a crea o infrastructură pentru datele geospaţiale la nivel corespunzător cerinţelor şi necesităţilor actuale. EUPOS utilizează standarde internaţionale de transmitere a corecţiilor diferenţiale în timp real sau pentru poziţionare şi navigaţie precisă.

3.7.4 Sistemul ROMPOS Este un serviciu complementar implementat la nivel naţional, care oferă utilizatorilor

serviciului posibilitatea de a accesa corecţii diferenţiale în timp real sau postprocesare, determinate pe baza utilizării unei reţele de staţii permanente distribuite pe întreaga suprafaţă a ţării.

4. Poziționarea în cadrul rețelelor de telefonie mobilă

Stabilirea poziţiei terminalelor mobile în cadrul reţelei de comunicaţii a fost implementată atât din dorinţa operatorilor de a oferi servicii variate pentru a atrage un număr cât mai ridicat de clienţi, dar şi ca urmare a directivei standard E911 a FCC (Federal Communications Commission) care a demonstrat necesitatea implementării unor servicii la nivel de reţea care să permită posibilitatea determinării rapide a poziţiei terminalelor mobile care efectuează apeluri de urgenţă. 4.1 Infrastructura rețelelor de telefonie mobilă

Din perspectiva utilzării pentru poziţionare, pentru zona pan-europeană sistemul de telefonie mobilă GSM este compus din staţii mobile MS (Mobile Stations) şi staţii de bază, care includ staţiile de emisie-recepţie BTS (Base Transceiver Stations), staţiile de control BSC (Base Station Controller) şi unităţile LMU (Location Measurement Unit) care au rolul de a determina timpul de sosire al semnalului de la o staţie mobilă.

4.2 Transmiterea semnalului GSM

Pentru determinarea poziţiei emiţătorului pe baza timpului parcurs de semnal între emiţător şi receptor, este utilizată tehnica TDMA (Time Division Multiple Access) în care sunt transmise impulsuri cu o durată de 577 µs. Ceasurile staţiei mobile sunt sincronizate cu ceasul celei mai apropiate staţii bază, iar prin compararea decalajului dintre cele două semnale este determinat timpul parcurs de semnal între emiţător şi receptor. 4.3 Tehnici pentru estimarea poziției receptorului mobil

4.3.1 Identificarea celulei în care se află dispozitivul urmărit Metoda se bazează pe determinarea poziţiei receptorului mobil pe baza identificării releului de la care receptorul primeşte semnal, care are o poziţie cunoscută în cadrul reţelei. Precizia de poziţionare este influenţată de densitatea releelor în cadrul reţelei şi de aria de acoperire a fiecărui releu, dar poate fi îmbunătăţită prin utilizarea antenelor direcţionale.


8

4.3.2 Tehnica GSM Fingerprint Metoda Fingerprint pentru poziţionarea în cadrul reţelelor de telefonie mobilă se

pretează pentru poziţionarea în mediile „Indoor” şi se bazează pe măsurarea intensităţii semnalului recepţionat la telefonul mobil. Cu toate că nivelul de putere măsurat cu un telefon mobil în mediile „Indoor” are variaţii care conduc la estimări cu o precizie de 1-10 m, semnalul GSM prezintă o foarte bună stabilitate în timp. 4.3.3 Poziţionarea GSM pe baza distanţei între emiţător şi receptor Determinarea distanţei între emiţător şi receptor pe baza semnalelor GSM ridică probleme destul de delicate, deoarece pe de o parte furnizorii de telefonie mobilă doresc ca locurile de amplasare ale emiţătoarelor să rămână o informaţie confidenţială, iar pe de altă parte este destul de greu de realizat un model adecvat pentru propagarea semnalului în mediile urbane aglomerate. 4.3.4 Poziţionarea pe baza metodei ToA Utilizarea tehnicii ToA (Time of Arrival) pentru determinarea timpului parcurs de semnal între emiţător şi receptor necesită ca terminalele mobile şi staţiile de bază să aibe aceeaşi referinţă de timp, realizată pe baza unui marker de timp transmis de emiţător odată cu semnalul de comunicaţie. 4.3.5 Poziţionarea pe baza metodei TDoA În cadrul acestei metode este necesară sincronizarea între staţiile de bază, care de regulă sunt prevăzute în acest scop cu receptoare GPS pentru asigurarea referinţei de timp, iar poziţionarea se realizează pe baza principiului poziţionării hiperbolice. 4.3.6 Poziţionarea pe baza metodei E-OTD

Este o metodă de poziţionare bazată pe serviciile de reţea în care staţiile mobile transmit mesaje către staţiile fixe învecinate, iar precizia ceasurilor şi puterea de calcul a echipamentelor instalate la nivelul staţiilor fixe este mai mare, permiţând atingerea unei precizii mai bune la poziţionare comparativ cu metoda TDoA. 4.3.7 Poziţionarea GSM pe baza unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat Pentru utilizarea acestei tehnici de poziţionare în reţelele de telefonie mobilă este necesar ca staţiile fixe să fie echipate cu şiruri de antene care au posibilitatea să determine direcţia de sosire a semnalului recepţionat. 4.4 Poziționarea “Indoor” cu ajutorul dispozitivelor Smartphone În timp ce poziţionarea în spaţiile deschise, poate fi realizată cu ajutorul frecvenţelor radio prin instalarea la nivelul echipamentelor smartphone a unor dispozitive precum: receptor GPS, receptor şi transmiţător 3G, bluetooth şi echipamente Wi-Fi, pentru localizarea în mediile „Indoor”, telefoanele trebuie să fie echipate cu dispozitive hardware precum: busolă digitală, giroscop cu trei axe, accelerometru, senzori de lumină şi soluţii software care să permită prelucrarea datelor preluate de aceste echipamente şi conexiunea cu baza grafică reprezentată de releveul incintei în cadrul căreia se realizează poziţionarea. 5. Sisteme de poziţionare utilizate în spaţii acoperite Aceste sisteme de localizare şi poziţionare urmăresc să acopere neajunsul produs de imposibilitatea furnizării de date precise prin intermediul tehnologiei GNSS în spaţiile cu semnale satelitare obstrucţionate.


9

5.1 Sisteme de poziţionare care utilizează semnale infraroşii Principalele caracteristici care au condus la utilizarea pe scară largă a acestei

tehnologii şi integrarea sa pentru o multitudine de sisteme existente la ora actuală pe piaţă a fost în primul rând preţul de cost scăzut al sistemelor care sunt capabile să genereze semnale în acest domeniu de lucru şi posibilitatea ridicată de adaptabilitate a sistemelor pentru aplicaţii variate. Infrastructura acestor sisteme este foarte simplă iar instalarea şi întreţinerea acestora nu sunt costisitoare, însă precizia oferită este mai scăzută comparativ cu sistemele care utilizează ultrasunete sau unde radio. Sistemul Active Badge este un sistem de localizare în mediile „Indoor” în care emiţătorul transmite semnale în domeniul infraroşu la intervale de timp prestabilite, semnale preluate de senzori instalaţi în poziţii cunoscute, conectaţi la un server de reţea la nivelul căruia se realizează localizarea. Semnalul modulat în domeniul infraroşu nu are capacitatea de a pătrunde prin pereţi, fapt ce conduce la necesitatea ca în fiecare cameră a incintei în cadrul căreia se realizează localizarea să existe câte un receptor.

5.2 Sisteme de poziţionare care utilizează ultrasunete Datorită proprietăţilor de propagare a ultrasunetelor, această tehnologie şi-a găsit aplicabilitate într-un spectru foarte larg de aplicaţii, începând de la medicină şi biotehnologie, aplicaţii în domeniul tehnic pentru determinarea unor deplasări liniare de ordinul nanometrilor sau a celor unghiulare în domeniul secundelor, până la aplicaţii pentru cartarea zonelor inaccesibile ale fundului mărilor şi oceanelor şi chiar realizarea unor sisteme pentru determinarea poziţiei unui emiţător într-un sistem local de coordonate. 5.2.1. Undele acustice

Un corp aflat în stare de vibraţie creează o perturbaţie şi transmite o parte din energia de vibraţie mediului cu care acesta se află în contact. Într-un mediu elastic această perturbaţie se transmite din aproape în aproape, formând unde elastice care pot lua forma unei compresiuni sau unei expansiuni. Pentru situaţia în care sursa este situată la distanţă foarte mare, fronturile de undă pot fi asimilate cu unde plane, la care presiunile acustice şi deplasările particulelor într-un plan perpendicular pe direcţia de propagare au aceeaşi fază şi aceeaşi amplitudine. 5.2.2 Caracteristici ale sistemelor de poziţionare cu ultrasunete În funcţie de infrastructura sistemelor de poziţionare cu ultrasunete, acestea pot fi clasificate în sisteme active şi sisteme pasive. În cadrul ambelor tipuri de sisteme poziţia dispozitivului mobil se determină pe baza principiului multilateraţiei, cu deosebirea că la sistemele active emiţătorul este instalat asupra obiectului a cărui poziţie se doreşte determinată, receptoarele sunt instalate în poziţii cunoscute şi interconectate la un server local care face prelucrarea determinărilor pentru calculul poziţiei. În cadrul sistemelor pasive fluxul se realizează în sens invers, emiţătoarele fiind instalate în poziţii cunoscute iar receptoarele instalate asupra obiectului pentru care se doreşte determinarea poziţiei. 5.2.3 Sistemul Active Bat

Sistemul Active Bat este un sistem de poziţionare bazat pe principiul trilateraţiei, iar pentru determinarea distanţelor utilizează tehnologia bazată pe ultrasunete. Transmiţătorul ataşat pe obiectul a cărui poziţie se doreşte determinată emite un semnal, iar receptoarele amplasate în poziţii cunoscute sub forma unui grid pătratic măsoară timpul parcurs de semnal până la fiecare receptor. Cunoscând viteza de propagare a sunetului prin aer, se pot determina distanţele de la emiţător la fiecare dintre receptoare, iar pe baza a minim trei distanţe se poate determina poziţia 3D a emiţătorului.


10

5.2.4 Sistemul Sonitor Sistemul Sonitor IPS reprezintă o soluție implementată pentru multe aplicaţii dar

sistemul este utilizat cu precădere în cadrul spitalelor care necesită urmărirea comportamentului pacienţilor. Sistemul acoperă o distanţă între emiţător şi receptor de 18 m, dar precizia de poziţionare a emiţătorului este mai scăzută comparativ cu sistemul Active Bat.

5.2.5 Sistemul Hexamite Sistemul Hexamite este utilizat pe scară largă în aplicaţii precum: managementul instituţiilor, stabilirea coordonatelor spaţiului obiect pentru filmările 3D, robotică, armată, sport, securitate şi alte domenii, oferind o precizie cuprinsă între 5 şi 9 mm în determinarea poziţiei. 5.2.6 Sistemul 3D Locus Sistemul 3D Locus face parte din categoria sistemelor pasive, în care emiţătoarele instalate în poziţii cunoscute transmit în mod continuu semnale de ultrasunete, iar receptoarele sunt echipate cu sisteme ce permit recepţionarea semnalului şi prelucrarea datelor. Sistemul prezintă avantajul că este un sistem scalabil, nu prezintă riscul suprapunerii de semnal, şi poate atinge o precizie 3D de 1 cm în determinarea poziţiei. 5.2.7 Sisteme de poziţionare cu semnale în domeniul audibil Poziţionarea pe baza undelor sonore care produc senzaţia de auz implică utilizarea unor echipamente specializate foarte costisitoare ce permit preluarea semnalului şi realizarea de analize avansate asupra semnalului recepţionat în domeniul timp-frecvenţă în vederea determinării anumitor parametrii ai semnalului care conduc la determinarea poziţiei sursei de zgomot într-un sistemul de coordonate propriu receptorului. 5.3 Sisteme de poziţionare care utilizează semnale radio Sistemele de poziţionare „Indoor” bazate pe semnale radio prezintă avantajul că acoperă distanţe mari între emiţător şi receptor, iar semnalele transmise sunt capabile să treacă prin obstacolele opace întâlnite în traseul semnalului. 5.3.1 Sistemul LANDMARK Siatemul are la bază tehnologia RFID, şi operează la o frecvenţă de 300 MHz într-un domeniu de lucru de 46 m. Fiecare receptor poate detecta peste 500 semnale într-un interval de 7,5 secunde, într-un spectru de 8 nivele de intensitate a semnalului. Precizia sistemului este dată de numărul de receptoare, de amplasamentul acestora şi de intensitatea de putere a fiecărui receptor, iar principala problemă cu care se confruntă sistemul o reprezintă obstrucţiile care produc atenuarea intensităţii semnalului recepţionat conducând la scăderea preciziei sistemului. 5.3.2 Sistemul Ubisense Sistemul Ubisense permite poziţionarea unui emiţător cu o precizie de 15 cm pentru un prag de încredere de 95%. Poziţia emiţătorului se determină prin combinarea metodei de determinare a unghiului de incidenţă a semnalului recepţionat cu metoda calculării diferenţelor de timp parcurse de semnal între emiţător şi mai multe receptoare instalate în poziţii cunoscute.

5.3.3. Sistemul Spot ON Sistemul Spot ON este un sistem de poziţionare în care distanţa între emiţător şi receptor este determinată pe baza intensităţii semnalului recepţionat. Emiţătorul instalat pe


11

obiectul a cărui poziţie se urmăreşte să fie determinată transmite semnale în domeniul radiofrecvenţei, iar receptoarele instalate în poziţii cunoscute în cadrul unei reţele preiau datele şi le retransmit către un server care monitorizează şi interpretează datele primite pe baza cărora determină poziţia emiţătorului.

5.4 Alte sisteme de poziționare care utilizează undele radio În cadrul acestui subcapitol sunt prezentate o serie de tehnici şi sisteme neconvenţionale utilizate în scopul localizării şi poziţionării în mediile „Indoor” precum: ZigBee, Bluetooth, DECT (Digital Enhanced Cordless Technology), televiziunea digitală, RADAR (Radio Detection And Ranging), FM Radio, Wireless LAN. 5.5 Sistemele Wireless LAN Aceste sisteme sunt preferate datorită preţului scăzut al echipamentelor şi a faptului că punerea în funcţiune a sistemului şi calibrarea acestuia se face cu uşurinţă în comparaţie cu alte tipuri de sisteme. Sistemele Wireless LAN de poziţionare se bazează pe măsurarea intensităţii semnalului recepţionat în punctele de acces, în care fiecare receptor preia informaţii cu privire la intensitatea semnalului recepţionat atât la receptorul respectiv cât şi la receptoarele învecinate, informaţii care ulterior sunt transmise către un server central la nivelul căruia informaţiile sunt centralizate şi prelucrate în scopul determinării poziţiei emiţătorului.

5.6 Sisteme de localizare magnetică Câmpul magnetic terestru a fost utilizat de foarte multă vreme pentru orientare şi navigaţie terestră. În aplicaţiile de poziţionare desfăşurate relativ recent apare conceptul de utilizare a câmpurilor magnetice artificiale generate la trecerea curentului electric printr-un anumit aranjament de conductori, sau a câmpurilor magentice generate de curenţi permanenţi. În cadrul acestui subcapitol sunt prezentate diverse sisteme care utilizează proprietăţile câmpului magnetic produs la trecerea curentului electric prin anumite medii. 5.7 Sistemele hibride

Sistemul Cricket a fost conceput în ideea de a îmbina avantajele produse de utilizarea undelor electromagnetice din domeniul radiofrecvenţei în ceea ce priveşte puterea acestora de a penetra obstacolele opace întâlnite în calea undei pe traseul emiţător-receptor şi avantajele utilizării ultrasunetelor în poziţionare datorită vitezei mici de propagare a acestora în mediul obişnuit.

5.8 Sistemele video Aceste sisteme pot fi utilizate numai pentru situaţiile în care este îndeplinită condiţia de vizibilitate între punctele fixe de coordonate cunoscute şi receptoarele instalate pe obiectul urmărit, condiţie destul de restrictivă în cazul utilizării acestor sisteme în medii închise în care există multe obstacole, totuşi aceste sisteme cunosc o largă aplicabilitate în cadrul unor linii de producţie automatizate. 5.9 Poziţionarea GNSS în spaţii închise

5.9.1 Sistemele HS-GNSS

5.9.2 Sistemele A-GNSS

5.9.3 Sistemele bazate pe Pseudoliți Pentru obţinerea unor precizii satisfăcătoare în cazul poziţionării utilizând pseudoliţi,

principala provocare o constituie sincronizarea precisă între pseudoliţi şi receptor.


12

5.9.4 Sistemele bazate pe repetitoare În cazul utilizării repetitoarelor, infrastructura sistemului este mai simplă în

comparație cu utilizarea sistemelor HS-GNSS sau A-GNSS, dar dificultatea constă în faptul că drumul de propagare al semnalului este artificial curbat la repetitor fapt ce conduce la un timp de propagare al semnalului care nu coincide cu distanţa reală satelit-receptor.

5.9.5 Determinarea erorilor de ceas Eliminarea erorii de ceas a receptorului se realizează prin rezolvarea sistemului de

ecuaţii format pe baza observaţiilor înregistrate de la patru repetitoare instalate în zona de interes astfel încât să fie asigurat criteriul de vizibilitate simultană între receptor şi cele patru repetitoare. 5.9.6 Determinarea pseudodistanţelor

În cadrul acestei abordări sunt utilizate datele brute preluate de la constelaţia satelitară de o antenă montată în exterior, care ulterior sunt distribuite la repetitoarele instalate în poziţii cunoscute. Pseudodistanţa dintre un satelit şi receptor este dată de relaţia: 5.9.7 Metoda Two-Band Approach

Utilizarea separată a celor două benzi de frecvenţă disponibile în cadrul sistemului GNSS conduce la o abordare ce poate conduce la îmbunătăţirea rezultatelor. Dacă repetitoarele R1 și R3 transmit pe frecvenţa L1, iar R2 și R4 pe frecvenţa L2, metoda se bazează pe transmiterea succesivă pe L1 apoi pe L2, iar pentru fiecare frecvenţă poate fi scris câte un sistem de ecuaţii la un moment t pentru L1, respectiv t’ pentru L2. 6. Metode folosite pentru estimarea poziţiei

6.1 Identificarea celulei în care se află dispozitivul urmărit Este o tehnică de estimare a poziţiei în care se află dispozitivul mobil urmărit în raport cu

poziţia cunoscută a unor staţii de referinţă. Precizia de poziţionare la utilizarea acestei metode variază în funcţie de mărimea reţelei, caracteristicile tehnice ale echipamentelor utilizate, dar mai ales în funcţie de densitatea staţiilor de referinţă în cadrul reţelei.

6.2 Determinarea poziţiei receptorului pe baza coordonatelor polare Această metodă de poziţionare poate fi utilizată în cazul în care emiţătorul a cărui poziţie este cunoscută este dotat cu antene direcţionale şi sisteme de măsurare care permit determinarea distanţelor, iar receptorul este dotat cu radiogoniometre ce permit stabilirea orientării razei vectoare descrise între emiţător şi receptor.

6.3 Metoda RSS Metoda se bazează pe faptul că pe măsură ce distanţa între emiţător şi receptor creşte,

frontul de undă se extinde, având ca efect scăderea puterii semnalului la receptor.

6.4 Metoda ToA Metoda se bazează pe determinarea timpului parcurs de semnal pe traseul emiţător-

receptor, pe baza căruia sunt determinate distanţele dintre acestea, iar poziţia receptorului este determinată cu ajutorul principiului trilateraţiei.

6.5 Metoda TDoA Aplicarea metodei TDoA, nu mai necesită cunoaşterea momentului iniţial de

transmitere al semnalului iar sincronizarea este necesară numai între ceasurile receptoarelor


13

instalate în poziţii cunoscute. În cadrul acestei metode la determinarea poziţiei este utilizat principiul poziţionării hiperbolice. 6.6 Metoda AoA

La baza acestei metode stă determinarea unghiului de incidenţă între direcţiile formate de emiţătoarele instalate în poziţii cunoscute şi receptorul a cărui poziţie trebuie determinată. Pentru determinarea acestor unghiuri este necesar ca emiţătoarele să fie dotate cu antene direcţionale, fapt ce conduce la o creştere a complexităţii şi costurilor de realizare a sistemului. 6.7 Metoda Fingerprint

În cadrul acestei metode, poziţionarea dispozitivului mobil se realizează prin integrarea datelor obţinute de la mai multe tipuri de sisteme şi corelarea acetora la nivelul unei baze de date realizate în faza de calibrare a sistemului cu informaţii referitoare la poziţia dispozitivului mobil.

6.8 Sursele de erori în poziţionare

6.8.1 Influenţa obstacolelor dintre emiţător şi receptor Existenţa obstacolelor între emiţător şi receptor influenţează viteza de propagare a semnalului, având şi efect de atenuare a acestuia cu o puternică influenţă asupra rezultatelor obţinute de sistemele bazate pe măsurarea intensităţii semnalului recepţionat.

6.8.2 Efectul de multipath Se produce datorită reflexiilor care intervin asupra semnalului pe traseul său între

emiţător şi receptor şi afectează cu preponderenţă semnalele transmise în medii închise datorită numeroaselor obstacole care apar pe traseul semnalului.

6.8.3 Efectul de umbrire Apare în cazul în care între emiţător şi receptor există obstacole datorită cărora înainte de a ajunge la receptor semnalul transmis este supus unor fenomene de reflexie sau refracţie, suferind astfel o modificare a distanţei parcursă de semnal între emiţător şi receptor, cât şi o modificare a unghiului de incidenţă a semnalului recepţionat. 7.Metode spațiale pentru determinarea direcției de incidență a semnalului recepționat Localizarea surselor radiante folosind aranjamente liniare sau neuniforme de senzori îşi găseşte aplicabilitate într-o gamă foarte variată de aplicaţii care necesită determinarea unor parametrii ai semnalului recepţionat precum: numărul semnalelor recepţionate, direcţia de incidenţă a semnalului recepţionat, intensitatea semnalului recepţionat, polarizarea antenelor, determinarea intensităţii zgomotului, detectarea şi eliminarea interferenţelor. 7.1 Algoritmul Capon

Metoda constă în utilizarea unui filtru trece bandă cât mai îngust, centrat pe o frecvenţă ω, pe baza căreia se determină componentele spectrale ale semnalului. Unghiul de incidenţă al semnalului recepţionat se determină pe baza matricei de corelaţie care descrie dependenţa între semnalele primite de senzori individuali ai receptorului, şi este dat de vârfurile spectrului de putere oferit de relaţia pentru aspectrul Capon, care are forma:

(7.31)


14

7.2 Algoritmul MUSIC Modelul matematic al algoritmului MUSIC (Multiple Signal Classification) porneşte de la un sistem în care undele recepţionate sunt combinaţii liniare între fronturile de undă incidente şi zgomot:

(7.34)

Figura 7.1: Aranjament liniar de senzori

Considerând un set de M senzori receptor ordonaţi sub forma unui aranjament liniar la distanţe reciproc egale, către care sosesc k unde plane de bandă îngustă provenite sub diferite unghiuri Θi, de la emiţătoare care transmit pe aceeaşi frecvenţă, semnalul poate fi scris sub forma:

, i= 1,2, ...., k (7.35)

Matricea de covarianţă are forma:

(7.52)

Spectrul MUSIC este definit de o relaţie de forma următoare, în care valorile de maxim ale raportului corespund unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat:

(7.69)

7.3 Algoritmul ESPRIT Algoritmul ESPRIT (Estimation of Signal Parameters by Rotational Invariance Techniques) permite estimarea direcţiei de sosire a semnalului recepţionat cu ajutorul aranjamentelor neuniforme de senzori receptor. Modelul matematic al algoritmului se bazează pe interpolarea iterativă a datelor în vederea estimării direcţiei de sosire a semnalului recepţionat şi se bazează pe utilizarea perechilor de senzori, cu respectarea condiţiei ca numărul perechilor de senzori să fie mai mare decât numărul surselor de emisie.


15

Figura 7.5: Perechi de senzori dispuşi într-un aranjament aleator

8. Studiu de caz 8.1 Studiu de caz I – Determinarea preciziei de poziţionare a surselor de zgomot cu

ajutorul unor sisteme acustice În prima parte a studiului de caz am utilizat şi testat echipamente şi soluţii software

produse de către compania CAE Software&Systems aflată sub tutela companiei CAE

Engineering und Service GmbH şi care are aplicaţii îndreptate spre consultanţă în acustică, dinamica structurilor, simulare asistată de calculator şi testare fizică. 8.1.1 Softul Noise Inspector

Softul Noise Inspector este conceput în scopul localizării rapide şi precise a surselor de zgomot. Metodele de prelucrare utilizate permit localizarea surselor de zgomot aflate în regim static sau dinamic, atât pentru mediile „Indoor” cât şi în exterior. Pentru procesarea semnalului sunt utilizate metode specifice pentru determinarea parametrilor semnalelor precum: Beamforming, Ortogonal Beamforming, CleanSC, MUSIC, Capon, Damas. Softul permite analize avansate pentru determinarea nivelului de zgomot şi a spectrului de putere, care se face pe baza răspunsului în frecvenţă după filtrarea semnalelor, iar după procesarea semnalului se poate face şi analiza în domeniul timp-frecvenţă.

8.1.2 Echipamente hardware utilizate

Componenta 12S Frontend

Platforma PXI

Păcile de achiziţie integrate

Senzorii pentru recepţia semnalului Microfoanele sunt dispozitive concepute să transforme oscilaţiile de presiune în

semnale electrice care pot fi înregistrate şi analizate pentru a furniza informaţii despre sursa originală de vibraţii sau natura căii de sunet de la sursă la microfon. Ele convertesc astfel energia acustică în energie electrică permit preluarea şi transformarea unei game largi de amplitudini şi frecvenţe. 8.1.3 Sistemele acustice pentru detectarea surselor de zgomot

Conceptul de mapare a sunetului se referă la detectarea surselor de zgomot cu ajutorul unui sistem prin determinarea momentului de sosire al semnalului la fiecare dintre microfoanele matricei receptor. Datele preluate simultan la toate microfoanele matricei sunt înregistrate şi transmise unităţii de calcul pentru a compensa întârzierile datorate diferenţelor de distanţă de la fiecare microfon la punctul de origine reprezentat de centrul fizic al antenei


16

receptor. După sincronizarea în timp, sunetele sunt prelucrate în scopul determinării direcţiei semnalului de presiune acustică maximă. 8.1.4 Interpretarea rezultatelor

În scopul realizării unei analize asupra rezultatelor obţinute, datele au fost preluate la trei rate de frecvenţă diferite 1,6 GHz, 4 GHz şi 10 GHz. Pentru fiecare dintre aceste frecvenţe, asupra înregistrărilor au fost aplicaţi algoritmi diferiţi de post-procesare în scopul identificării preciziei de determinare a poziţiei sursei de zgomot.

Figura 8.33: Variaţia erorii medii pătratice în funcţie de frecvenţă

Considerând S poziţia corectă a sursei de zgomot şi S’ poziţia estimată a sursei, diferenţa între cele două poziţii este dată de vectorul compus din eroarea ɛX de estimare a poziţiei în plan vertical şi eroarea ɛY de estimare a poziţiei în plan orizontal între poziţia corectă a sursei de zgomot şi poziţia estimată. Cele două erori descriu eroarea de estimare a direcţiei de incidenţă a semnalului recepţionat compusă din eroarea de estimare a direcţiei de incidenţă în plan orizintal ɛHz şi în plan vertical ɛV. În finalul acestui capitol au fost întocmite tabele comparative în care se prezintă rezultatele obţinute pentru cele trei frecvenţe utilizate, prin prelucrarea cu fiecare dintre cei patru algoritmi.

8.2 Studiu de caz II - Determinarea unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat cu

ajutorul unui aranjament uniform liniar de antene NI USRP

În cadrul acestei părţi a studiului de caz se urmăreşte determinarea unghiului de

incidenţă a semnalului într-o configuraţie de tip ULA (Uniform Linear Array) formată din trei unităţi USRP folosite pe post de receptor. Semnalul este transmis de o altă unitate USRP mobilă care pe parcursul testelor a ocupat poziţii cunoscute, astfel încât pe baza rezultatelor am putut face câteva comparaţii şi analize privind precizia sistemului de determinare a unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat prin compararea unghiurilor de incidenţă adevărate ale semnalului cu unghiurile de incidenţă furnizate de algoritmul MUSIC programat în mediul LabVIEW. Pentru a putea determina diferenţa de fază între semnalele recepţionate la cele trei receptoare a fost necesară utilizarea unei unităţi USRP suplimentare care a avut atât rol de receptor pentru semnalul transmis de unitatea mobilă, cât şi rol de transmiţător al unui ton de calibrare, astfel încât la nivelul fiecărui receptor, prin compararea tonului de calibrare cu semnalul primit de la emiţător să poată fi determinată diferenţa de fază prin intermediul softului LabVIEW.


17

8.2.1 Echipamente utilizate

Unităţile NI USRP O unitate USRP (Universal Software Radio Peripheral) reprezintă un dispozitiv

periferic, programabil pentru telecomunicaţii în domeniul radiofrecvenţei. Sistemul USRP este practic un „transceiver” de radiofrecvenţă ce permite programarea simplă, iar cu ajutorul mediului de dezvoltare LabVIEW oferă posibilitatea realizării unui prototip real de transmitere şi recepţie de semnale. Echipamentul NI USRP 2922 permite transmisia şi recepţia simultană a semnalelor cu până la 40 MHz lăţime de bandă instantanee şi sincronizare între două dispozitive pe baza tehnologiei MIMO (Multiple Input Multiple Output). Este un sistem care poate transmite semnale modulate în amplitudine şi frecvenţă şi permite reproducerea unor semnale înregistrate anterior. Sistemul permite şi monitorizarea spectrului de unde radio şi determinarea direcţiei de incidenţă a semnalului recepţionat.

8.2.2 Softul LabVIEW Softul LabView este un mediu de programare grafic ce utilizează instrumente şi configuratoare de nivel ridicat prevăzut cu o interfaţă intuitivă şi uşor de utilizat în scopul de a reduce la maximum timpul necesar dezvoltării diverselor aplicaţii. Un instrument virtual al softului LabView, se constituie dintr-un panou frontal unde sunt prezente atât elementele de control ale instrumentului cât fi elementele de prezentare ale datelor și o diagramă bloc formată din obiecte de programare grafică unde este descrisă logica aplicaţiei folosind icoane şi fire de conexiune, care se pot interconecta în scopul obţinerii funcţiilor și performanţelor necesare. 8.2.3 Realizarea VI-urilor aplicaţiei Configurarea VI-ul pentru emiţător

Configurarea VI-ului pentru receptorul care asigură sincronizarea

Configurarea receptoarelor

Cu semnalul de calibrare considerat drept referinţă, poate fi determinat câştigul în fază al semnalului, pe baza căruia prin intermediul algoritmului MUSIC se poate detecta unghiul de incidenţă al semnalului recepţionat. Receptorul USRP 2932 este dotat cu oscilator cu frecvenţa de 10 MHz care are rol de sincronizare între semnalele primite de la unitatea de sincronizare, semnalele primite de la unitatea mobilă şi semnalele celorlalte două receptoare. La nivelul acestei unităţi este aplicată o funcţie de „trigger” ce conţine cod executabil, şi ale cărei funcţii se execută la un interval care poate fi ales de utilizator în panoul de control al aplicaţiei. Aplicarea algoritmului MUSIC la nivelul celor trei receptoare care achiziţionează semnalul

Metoda MUSIC (Multiple Signal Classification) oferă rezultate foarte bune pentru determinarea unghiului de incidenţă ale fronturilor de undă recepţionate de la un dispozitiv mobil la un aranjament liniar de antene. Pentru determinarea unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat se utilizează un model matematic în care undele recepţionate sunt considerate combinaţii liniare între fronturile de undă şi zgomot în ipoteza că semnalele incidente şi zgomotul sunt necorelate.

8.2.4 Realizarea măsurătorilor și interpretarea rezultatelor După transmiterea tonului de calibrare la nivelul receptoarelor, semnalul este

sincronizat iar semnalele primite sunt aliniate în scopul eliminării ambiguităţilor în fază şi determinarea câştigului. În această situaţie algoritmul MUSIC prezintă maxime pe grafic ale căror valori sunt apropiate de valorile adevărate ale unghiului de incidenţă al semnalului recepţionat. După calibrarea sistemului emiţătorul a fost mutat de-a lungul unei linii paralele cu direcţia formată de aranjamentul receptoarelor, la intervale de 0,5 şi respectiv 1 metru,


18

astfel încât a ocupat poziţii cunoscute. Pentru fiecare poziţie ocupată au fost determinate unghiurile de incidenţă ale semnalului recepţionat prin rularea VI-ului pentru algoritmul MUSIC, cu softul LabVIEW. Aranjamentului descris în cadrul acestei părţi a studiului de caz prin utilizarea unităţilor USRP şi a softului de prelucrare LabVIEW îşi demonstrează utilitatea în contextul poziţionării mai ales prin faptul că echipamentele USRP 2932 utilizate în cadrul studiului de caz permit conectarea şi la echipamente dedicate domeniului măsurătorilor topo-geodezice cum ar fi conectarea la antene GPS. 9. Concluzii şi perspective de cercetare 9.1 Consideraţii finale

Pentru ca un sistem de poziţionare „Indoor” să fie fiabil, trebuie să îndeplinească o serie de caracteristici esenţiale precum: scalabilitate, localizare simultană pentru mai multe receptoare, rată de actualizare ridicată, să permită integrarea cu diverse aplicaţii software şi o calibrare uşoară la punerea în funcţiune a sistemului. 9.2 Concluziile autorului

Sistemele de poziţionare prezentate constituie o temă de actualitate şi de interes ştiinţific deschizând o nouă ramură de cercetare în ceea ce priveşte poziţionarea pentru diverse domenii pentru care acest termen prezintă interes. Totodată aceste sisteme constituie un subiect interesant de cercetare interdisciplinară în conextul integrării cu tehnologie de tip GIS şi prezintă un important pas în realizarea de conexiuni între domenii diferite precum: telecomunicaţii, electronică, informatică, mecatronică şi poziţionare.

Având în vedere gradul de popularitate foarte scăzut în ţara noastră al sistemelor prezentate, lucrarea de faţă oferă câteva perspective de implementare a acestor sisteme pentru diverse tipuri de aplicaţii.

Majoritatea sistemelor prezentate în cadrul acestei lucrări permit o precizie de poziţionare modestă din punctul de vedere al specialistului geodez, însă acoperitoare pentru multe domenii conexe în care cerinţele de precizie nu sunt foarte restrictive.

Puterea mare de prelucrare, uşurinţa de programare în cadrul softului LabVIEW, dar şi capacitatea acestuia de a prelucra algritmi dezvoltaţi în diverse limbaje de programare conduce la concluzia că acest soft poate face faţă cu succes prelucrării unui volum mare de date provenite provenite de la senzori dezvoltaţi pentru aplicaţii de poziţionare.

Utilizarea softului LabVIEW în combinaţie cu echipamente National Instruments permite fuzionarea unor tehnologii provenite din domenii diferite precum echipamentele USRP dezvolatate pentru domeniul telecomunicaţiiilor cu echipamente GPS specifice domeniului măsurătorilor terestre, creând astfel premisele pentru dezvoltarea de noi sisteme utilizate pentru determinarea poziţiei. 9.3 Contribuţii În prezenta lucrare de doctorat pot fi apreciate drept contribuţii ale autorului şi următoarele aspecte: - elaborarea unei sinteze de actualitate pentru domeniul cercetat; - realizarea unui studiu comparativ de actualitate asupra sistemelor de poziţionare „Indoor” cu specificarea principalelor caracteristici ale fiecărui sistem precum: tehnologia utilizată, anul apariţiei, aria de acoperire şi principiul utilizat pentru; - testarea capacităţii unor sisteme neconvenţionale pentru domeniul măsurătorilor geodezice inginereşti de determinare a unghiului de incidenţă a semnalului recepţionat în scopul identificării posibilităţilor de realizare a unor noi sisteme pentru determinarea poziţiei. - testearea unor sisteme acustice şi evaluarea preciziei de detactare a surselor de zgomot;


19

- testarea unor soluţii software utilizate în alte domenii pentru evaluarea posibilităţilor de utilizare în aplicaţii de poziţionare. 9.4 Perspective de cercetare

Având în vedere disponibilitatea limitată a datelor furnizate de sistemul GNSS în mediile cu semnale satelitare obstrucţionate, scopul acestei lucrări constă în identificarea unor sisteme neconvenţionale de poziţionare care să răspundă cerinţelor tot mai variate ale utilizatorilor pentru diverse aplicaţii în care subiectul principal îl reprezintă poziţionarea.

După analizarea soluţiilor existente şi cercetări asupra posibilităţilor de poziţionare utilizând proprietăţile de polarizare ale antenelor directive combinate cu algoritmul MUSIC şi tehnicile radar se poate concluziona faptul că utilizarea unor echipamente dedicate altor domenii de lucru precum telecomunicaţii, integrate cu software-ul LabView crează noi perspective de cercetare privind realizarea unor sisteme performante de poziţionare.

Teza de doctorat poate constitui un punct de plecare pentru cercetări de realizare a unor noi sisteme de poziţionare prin integrarea unor echipamente dedicate altor domenii de lucru cu echipamente specifice domeniului măsurătorilor terestre.

Luând în considerare capaciăţile softului LabVIEW de prelucrare şi posibilităţile de interpretare şi analiză avansată a parametrilor semnalului recepţionat în situaţia în care se dispune de echipamente corespunzătoare, utilizarea acestuia poate deveni un subiect de studiu pentru aplicaţii de poziţionare atât cu echipamente neconvenţionale domeniului măsurătorilor terestre, dar şi echipamente dedicate de tip GNSS sau diverşi senzori utilizaţi în poziţionare.

O altă perspectivă de cercetare o poate constitui perfecţionarea tehnicilor de determinare a poziţiei în mediile „Indoor” si analizarea posibilităţilor de îmbunătăţire sistemelor de poziţionare în aceste medii prin integrarea mai multor tehnici de determinare a poziţiei în cadrul unui singur sistem care să ofere o precizie superioară.


20

BIBLIOGRAFIE [1]Amza G. – Ultrasunetele - Aplicaţii active, Editura AGIR, ISBN 973-720-096-9, Bucureşti, 2006, pp.13-17 [2]Arumugam D., Griffin J., Stancil D., Ricketts D. - Higher Order Loop Corrections for Short

Range Magnetoquasistatic Position Tracking, Proceedings of the 2011 IEEE Antennas and Propagation Conference (APURSI), July 2011, pp. 1755–1757

[3]Bensky A. - Wireless Positioning Technologies and Applications, Artech House, ISBN-13: 978-1-59693-130-5, London, 2008 [4]Bogdan I.- Antene și propagare - Tehnici de determinare a poziției utilizatorilor în rețele de

comunicații mobile, Casa de editură Venus, Iași, 2007 [5]El Kassis C., Picheral J., Mokbel C. - Advantages of nonuniform arrays using root MUSIC.Signal

Process, 2010, pp. 689–695 [6]El Kassis C., Picheral J., Fleurz G., Mokbel C. - Direction of Arrival Estimation using EM-

ESPRIT with Nonuniform Arrays, Circuits Syst Signal Process, Springer Science - Business Media, 2012 [7]Figueiras J., Frattasi S. – Mobile Positioning and Tracking from Conventional to Cooperative

Techniques, Wiley( ISBN 978-0-470-69451-0), UK, 2010, [8]FilonenkoV., Cullen C., Carswell J. - Investigating Ultrasonic Positioning on Mobile Phones, Proceedings of the 2010 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN), ETH Zurich, Switzerland, Campus Science City, September 15–17, 2010 [9]Habib T. - A Survey on Location Systems for Ubiquitous Computing, Department of Computer

Science and Engineering, BRAC University, Dhaka, Bangladesh, 2007 [10]Haslett C. - Essentials of Radio Wave Propagation, Cambridge University Press, ISBN-13 978-0-511-37112-7, United Kingdom, 2008 [11]Moghtadaiee V., Dempster, A., Lim S. - Indoor Localization Using FM Radio Signals: A

Fingerprinting Approach”, Proceedings of the 2011 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN), Guimarães, Portugal, September 21–23, 2011 [12]Sahinoglu Z., Gezici S., Guvenc I. - Ultra-wideband Positioning Systems Theoretical Limits,

Ranging Algorithms and Protocols, Cambridge University Press(ISBN-13 978-0-511-43816-5), UK, 2008 [13]Samama N.- Global Positioning Technologies and Performance, Wiley Interscience(ISBN 978-0-471-79376-2), Canada, 2008, pp.309-342 [14]Sanchez A., de Castro A., Elvira S., Glez-de-Rivera G., Garrido J. - Autonomous indoor

ultrasonic positioning system based on a low-cost conditioning circuit, Measurement 45, USA, 2012, pp. 276-283 [15]Sato T., Nakamura S., Terabayashi K., Sugimoto M., Hashizum H. - Design and

Implementation of a Robust and Real‐time Ultrasonic Motion‐capture System, Proceedings of the 2011 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN), in Guimarães, Portugal, September 21–23, 2011 [16]Shen J., Oda Y. - Direction Estimation for Cellular Enhanced Cell‐ID Positioning Using

Multiple Sector Observations, Proceedings of the International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN), ETH Zurich, Switzerland, Campus Science City, September 15–17, 2010 [17]Wan E., Paul A. - A Tag‐free Solution to Unobtrusive Indoor Tracking Using Wallmounted

Ultrasonic Transducers, Proceedings of the 2010 International Conference on Indoor Positioning and Indoor Navigation (IPIN), ETH Zurich, Switzerland, Campus Science City, September 15–17, 2010 [18]Wan X., Zhan X. - The Research of Indoor Navigation System using Pseudolites, Procedia Engineering 15, USA, 2011, pp. 1446-1450 [19] http://sxbluegps.com/technology/sbas-made-easy/ [20] http://ieeexplore.ieee.org/ieee_pilot/articles/96 [21] http://www.sonitor.com/technology/receivers [22] http://www.hexamite.com [23] http://www.i-i-s.net/q-track [24] http://www.cae-systems.de/

TEZA DE DOCTORAT Rezumat -...

Documents

Transcript of TEZA DE DOCTORAT Rezumat -...