Надширокосмугова система позиціонування без використання часової синхронізації
Анотація
Актуальність. Сьогодення не можна уявити без широкого використання позиціонування рухомих об’єктів. Глобальні системи позиціонування увійшли практично в усі сфери сучасного життя. Але ці системи також мають свої недоліки, в першу чергу неефективність в умовах щільної забудови, в приміщеннях, при швидкому переміщенні приймачів та чутливість до навмисних завад. Також найбільш поширені системи позиціонування потребують коштовної часової синхронізації найвищої якості усіх передавальних систем. Окрім загальновідомих традиційних вузькосмугових систем, активно розроблюються і вважаються перспективними надширокосмугові системи позиціонування.
Мета роботи. Метою роботи є побудова ефективної та незалежної від часової синхронізації системи позиціонування, яка ґрунтується на кутовій залежності часової форми випроміненої хвилі для імпульсних надширокосмугових антен. Відсутність потреби у жорсткій часовій синхронізації базується на явищі зміни діаграми спрямованості антен від частоти та, відповідно, зміни часової форми випроміненої хвилі. Ці зміни запропоновано виявляти за допомогою штучних нейронних мереж. В даній роботі, на відміну від попередніх, пропонується вирішення проблеми невизначеності часу приходу імпульсу від базової станції.
Матеріали та методи. Електродинамічна частина поставленої задачі розв’язується за допомогою прямого числового методу моделювання у часовому просторі (FDTD). Це дозволяє отримати точні часові форми випромінених антенами хвиль під різними кутами при їх збудженні надкороткими імпульсами. Розпізнавання імпульсів в точці прийому реалізується штучною нейронною мережею в реальному часі без попередньої спектральної обробки, що забезпечує високу швидкість роботи системи.
Результати. Побудована та натренована нова штучна нейронна мережа, яка має можливість надійно розпізнавати прийняті імпульси, навіть якщо точний час їх приходу невідомий. Ця мережа протестована на штучно зашумлених прийнятих сигналах. Знайдений пороговий рівень зашумленості, перевищення якого призводить до суттєвих помилок у визначенні координат приймача.
Висновки. Система позиціонування на імпульсних надширокосмугових хвилях була покращена за рахунок розширеного навчання, що дозволяє набагато менше залежати від часу приходу імпульсу, який теоретично можу бути довільний. Таким чином показано, що запропонована система може не потребувати часової синхронізації передавальних і приймальних пристроїв. Була показана стабільність роботи системи позиціонування до рівня співвідношення енергії сигналу до енергії шуму 20 дБ. Результати розпізнавання можуть бути покращені шляхом використання принципово різних часових залежностей збуджуючих імпульсних сигналів для кожної антени.
Завантаження
Посилання
Fujii A, Sekiguchi H, Asai M, Kurashima S, Ochiai H, R. Kohno. Impulse Radio UWB Positioning System. 2007 Jan 1; https://doi.org/10.1109/RWS.2007.351756
Lin KH, Chen HM, Li GJ, Huang SS. Analysis and Reduction of the Localization Error of the UWB Indoor Positioning System. 2020 Sep 28; https://doi.org/10.1109/ICCE-Taiwan49838.2020.9258017
Kian Meng Tan, Choi Look Law. GPS and UWB Integration for indoor positioning. 2007 Jan 1; https://doi.org/10.1109/ICICS.2007.4449630
Schroeer G. A Real-Time UWB Multi-Channel Indoor Positioning System for Industrial Scenarios [Internet]. IEEE Xplore. 2018 [cited 2023 Apr 21]. p. 1–5. Available from: https://ieeexplore.ieee.org/document/8533792 https://doi.org/10.1109/IPIN.2018.8533792
Nakamura A, Shimada N, Itami M. Performance Analysis of UWB Positioning System at the Crossing. 2018 Nov 1; https://doi.org/10.1109/ITSC.2018.8569309
H. F. Harmuth, “Nonsinusoidal Waves for Radar and Radio Communication,” New York: Academic Press, 1981.
Pochanin GP, Orlenko OA, Ruban VP, Korzh VG, Andreev MV, Drobakhin OO. Antenna pattern measurements: UWB impulse and multifrequency signals comparison. 2017 May 1; https://doi.org/10.1109/ICATT.2017.7972581
Dumin O, Plakhtii V, Persanov I, Cao S. Positioning System Using Classification of Ultra Short Electromagnetic Pulse Forms by ANN. 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). 2020 Feb; https://doi.org/10.1109/TCSET49122.2020.235460
Persanov I, Plakhtii V, Pryshchenko O, Dumin O, Fomin P. Noise Immunity of UWB Positioning System on ANN. 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW). 2020 Sep 21; https://doi.org/10.1109/UkrMW49653.2020.9252637
Dumin O, Plakhtii V, Pryshchenko O, Pochanin G. Comparison of ANN and Cross-Correlation Approaches for Ultra Short Pulse Subsurface Survey. 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET). 2020 Feb; https://doi.org/10.1109/TCSET49122.2020.235459
Persanov I, Dumin O, Plakhtii V, Shyrokorad D. Subsurface Object Recognition in a Soil Using UWB Irradiation by Butterfly Antenna. 2019 XXIVth International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED). 2019 Sep; https://doi.org/10.1109/DIPED.2019.8882577
Wang J, Su Y, Huang C, Lü M, Liu Y. Design of bow-tie antenna with high radiating efficiency for impulse GPR. 2012 Jul 1; https://doi.org/10.1109/IGARSS.2012.6351524
Ahmed El-Rabbany, Introduction to GPS: The Global Positioning System, Second Edition , Artech, 2006.
Elliott Kaplan; Christopher Hegarty, Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, Third Edition , Artech, 2017.
