Algorithm development for sensor data processing and transmitter position estimation.

Abstract

In the last years, localization has evolved into a topic of increasing scientific interest, since the urge to be able to detect a position at any time has become a matter of prime importance. Many applications nowadays use localization, including GPS positioning, mobile phone technologies and robotics. One of the main methods of localization – and the topic of this thesis – is triangulation. Triangulation is used extensively since it offers an efficient way to determine someone’s position just by taking bearings on them. The current thesis will be conducted on the area of transmitters’ range free localization using triangulation. In a wide area of interest (AOI), where many transmitters may operate, it is important for a Fixed Sensors Network (FSN) to be able to estimate the transmitters’ positions. If more than one transmitter operate in the AOI, then at least three sensors are needed to cover that area. In the case of obstacles/interference in the AOI, more than three sensors are needed for adequate coverage of the area. The sensors are organized over an area of several square kilometers, collecting data in real time. Algorithms need to be developed for the analysis and processing of the collected data, as well as the transmitter’s position estimation and projection on the map. The collected data needs to be analyzed, in order to find all high-intensity bearings corresponding to the transmitter. The data must then be used in triangulation algorithms, in order to find all triangulation areas of the transmitter’s potential position. Finally, using the triangulation areas, the transmitter’s position must be estimated and its geographical position must be projected on the map in real time. Following what has been described, the thesis’ structure is formed by the following stages: a) sensor data analysis/processing, b) triangulation areas’ determination and c) transmitter’s position estimation and its projection on the map.

Τα τελευταία χρόνια, ο εντοπισμός θέσης έχει αναχθεί σε θέμα αυξανόμενου επιστημονικού ενδιαφέροντος, καθώς η ανάγκη για την ανίχνευση θέσης σε οποιαδήποτε στιγμή έχει καταστεί θέμα πρωταρχικής σημασίας. Στις μέρες μας πολλές εφαρμογές χρησιμοποιούν εντοπισμό, όπως το GPS, η κινητή τηλεφωνία και η ρομποτική. Μία από τις κύριες μεθόδους εντοπισμού – και το κύριο θέμα της παρούσας εργασίας – είναι η μέθοδος του τριγωνισμού. Η μέθοδος του τριγωνισμού χρησιμοποιείται εκτεταμένα, καθώς προσφέρει έναν αποτελεσματικό τρόπο για να προσδιορίσουμε την θέση κάποιου, απλά εφαρμόζοντας διοπτεύσεις προς το μέρος τους. Η παρούσα εργασία θα διεξαχθεί στον τομέα του προσδιορισμού θέσης πομπών, με την χρήση μεθόδων τριγωνισμού. Σε μια ευρεία περιοχή ενδιαφέροντος, όπου μπορεί να λειτουργούν πολλοί πομποί, είναι σημαντικό για ένα Δίκτυο Σταθερών Αισθητήρων (Fixed Sensor Network – FSN) να είναι σε θέση να εκτιμήσει/εντοπίσει την θέση των πομπών. Εάν περισσότεροι από ένας πομποί υπάρχουν στην περιοχή ενδιαφέροντος, τότε χρειάζονται τουλάχιστον τρεις (3) αισθητήρες για την επαρκή κάλυψη της περιοχής. Σε περίπτωση εμποδίων/παρεμβολών στην περιοχή, τότε περισσότεροι από τρεις (3) αισθητήρες χρειάζονται για την επαρκή κάλυψη της περιοχής. Οι αισθητήρες είναι οργανωμένοι σε μια περιοχή αρκετών τετραγωνικών χιλιομέτρων, συλλέγοντας δεδομένα σε πραγματικό χρόνο. Για την ανάλυση και την επεξεργασία των δεδομένων, καθώς και για τον προσδιορισμό και την προβολή της θέσης ενός πομπού στον χάρτη, καθίσταται απαραίτητη η ανάπτυξη κατάλληλων αλγορίθμων. Τα δεδομένα που συλλέγονται πρέπει να αναλυθούν, ώστε να εντοπιστούν όλες οι διοπτεύσεις μεγάλης έντασης πεδίου που αντιστοιχούν στον εκάστοτε πομπό. Έπειτα, τα δεδομένα πρέπει να εισαχθούν σε αλγόριθμους τριγωνισμού, έτσι ώστε να εντοπιστούν όλες οι δυνατές περιοχές τριγωνισμού, μέσα στις οποίες ενδέχεται να υπάρχει ο πομπός. Τέλος, χρησιμοποιώντας τις περιοχές τριγωνισμού, πρέπει να εντοπιστεί η γεωγραφική θέση του πομπού και να προβληθεί το γεωγραφικό του στίγμα στον χάρτη σε πραγματικό χρόνο. Ακολουθώντας, λοιπόν, τα όσα διατυπώθηκαν έως τώρα, η δομή της εργασίας διαμορφώνεται στα ακόλουθα στάδια: α) ανάλυση/επεξεργασία δεδομένων των αισθητήρων, β) προσδιορισμός περιοχών τριγωνισμού και γ) προσδιορισμός/εκτίμηση του γεωγραφικού στίγματος του πομπού και προβολή του στον χάρτη.