The ability to find the location of a mobile object and track it in two-dimensional (2D)
and three-dimensional (3D) space is an indispensable feature of wireless
communication systems. These studies have been supported by governments and
businesses since the beginning. In particular, the increase in demand for using self navigation technology in unmanned vehicles is attracting additional attention to this
area of research. The self-location estimation process is an indefeasible capability that
an unmanned vehicle should have. This process requires high accuracy that is hard to
be achieved by mobile devices, usually having limited power and computing
capabilities. The methods and techniques developed for these systems compete in
terms of simplicity, performance, and accuracy. However, the majority of solutions
focus on only one of these performance metrics and are not applicable to the projected
systems.
In this study, two new location estimation solutions that satisfy all three performance
metrics (simplicity, accuracy, and efficiency) are developed. Accordingly, two
accelerated variations of Coordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) algorithms
are used for the first time with line-of-sight (LOS) and single-bounced-scattering non line-of-sight (SBS NLOS) signal arriving approaches in the self-positioning process.
The simplicity of the mathematical operations used, namely binary shift and add
operations, makes our solutions hardware friendly.
The second novelty of the study is the newly developed “Vector Breaking Method”
(VBM) used for estimating the location of mobile objects using the arriving signals
Bbounced from scatters with unknown locations.
Test results using the developed algorithms show that the projected level of accuracy
has been achieved. Furthermore, our solutions have presented better performance than
the solutions currently available in the field.
Keywords: 3D positioning, location estimation, LOS, line of sight, NLOS, non-line
of sight, CORDIC, fast rotation algorithm, AOA, AOD, TOA, TDOA, EOTDO, CID,
eCID, RSS, cellular wireless communication systems, One-bounced-scattering,
hardware-oriented, antenna arrays, mobile object, base station, scatter, ACE algorithm,
fixed angle rotation method, FARM, dynamic angle rotation method, DARM, vector
breaking method, VBM, vector lengthening method, VLM, level of accuracy,
computational cost, accuracy level.
ÖZ:
Kablosuz iletişim sistemleri vasıtasıyla, iki boyutlu ve üç boyutlu uzayda hareket
halindeki cihazların yerlerinin saptanabilmesi, takiplerinin yapılabilmesi son yıllarda
en çok dikkat çeken teknolojilerdendirler. Bunların geliştirilmesine yönelik yapılan
araştırmalar da devletler ve iş dünyası tarafından daha ilk günlerden beri
desteklenmektedirler. Özellikle, insansız hava araçlarının kullanımının oldukça
yaygınlaştığı günümüzde, hareket halindeyken bu araçlara kendi konumunu tespit
edebilme yeteneğini kazandırmaya yönelik araştırmalar oldukça ilgi görmektedirler.
Bugün, kendi konumunu bilerek seyir görevini yapabilmek, yeni nesil tüm insansız
araçların vazgeçilemez bir yeteneği olmuştur. Sınırlı enerji ve işemci gücüne sahip bu
tür hareketli araçlar, yüksek hassasiyet gerektiren bu tür işlemleri yerine getirmekte
oldukça zorlanmaktadırlar. Bu amaçla geliştirilmiş bir çok çözüm yöntemi işlem
basitliği, performans ve hassasiyet kıstaslarına göre birbirleriyle yarışmaktadırlar. Bu
yöntemlerin büyük çoğunluğu aynı anda bu üç kıstası da sağlayamadıklarından, arzu
edilen performansı gösteremiyorlar.
Bu tez çalışmamızda üç boyutlu uzayda hareket eden cihazların konum tespiti ve
takibinde, aynı anda basitlik, hassasiyet ve verimlilik kıstaslarının üçünü de
sağlayabilecek; sınırlı güç ve işlemci kapasitesiyle de kullanılabilecek çözümler
üretmeyi hedefledik. Çözümümüz, yer tayini hesaplarının baz istasyonları üzerinde
değil de hareketli cisim üzerinde yapılacağı şekilde tasarlandı. Bu amaçla, sadece direk
olarak baz istasyonlarından gönderilen sinyallerle (LOS) değil, yeri belli olmayan
engenlere vurup yansıyarak hareketli cihazımıza ulaşan (NLOS) sinyallerin de
kullanılacağı bir grafiksel çözüm yöntemi geliştirildi. Ardından, hesaplarımızda
kullanılması gereken çok fazla işlemci gücü ve enerjisi gerektiren trigonometric
fonksiyonları hızlandırılmış CORDIC algoritmaları ile değiştirerek, çözümlerimizi
normalden daha hızlı ve az işlemci gücü ile de çalışabilmesi sağlandı.
Çalışmamız, CORDIC algoritmalarının ilk kez NLOS sinyalleri ile kullanılmasından
dolayı eşsiz bir çalışma olarak değerlendirilebilir. Çalışmamızdaki ikinci özgünlük ise,
ilk kez çalışmamızda geliştirilmiş ve kullanılmış olan “Vektör Kırma” Metodumuzdur
(VBM). Bu metot yardımıyla, yerleri belli olmayan engellerden yansıyarak hareketli
cismimize ulaşan baz istasyonu sinyallerini kullanılarak hareketli cismin yeri tahmin
edilmektedir.
Çalışmamızda geliştirdiğimiz yer tayin yöntemleri simulasyonlarla test edildi ve
hedeflenen doğrulukta sonuç verdikleri görüldü. Ayrıca, her iki yöntemimiz de, işlem
ve enerji verimliliği konusunda, alanda kabul görmüş rakiplerinden daha iyi
performanslar gösterdiler.
Anahtar Kelimeler: 3B konumlandırma, konum tahmini, direk görüş hattı, , indirek
görüş hattı, CORDIC, hızlı açı döndürme algoritması, sinyal geliş açısı, sinyal
gönderim açısı, sinyal geliş zamanı, sinyal geliş zaman farkı, yayın hücresi kimliği,
hücresel kablosuz iletişim sistemleri, tek sekmeli yansıma, donanım uyumlu, anten
dizisi, hareketli obje, baz ‘stasyonu, engel, ACE algoritması, sabit açılı döndürme
metodu, , değişken açılı döndürme metodu, vektör kırma metodu, vektör uzatma
metodu, doğruluk seviyesi, işlemsel maliyet.
