Помощь студентам в учебе
Разработка алгоритма определения местоположения БПЛА на основе инфраструктуры сотовых сетей
|
ОБОЗНАЧЕНЯ И СОКРАЩЕНИЯ 10
ВВЕДЕНИЕ 11
1 Обзор существующих алгоритмов определения местоположения абонентов в сотовых сетях 14
1.1 Метод принадлежности к соте 14
1.2 Угломерно-дальномерный метод 14
1.3 Угломерный метод 15
1.4 Дальномерный метод 17
1.5 Разностно-дальномерный метод 19
1.6 Вывод по разделу 20
2 Способы измерений расстояний 21
2.1 Метод измерений расстояния по «запросно-ответной» системе 21
2.2 Метод измерений расстояния по энергетическим характеристикам 21
2.3 Метод измерений расстояния по разности набега фаз 22
2.4 Вывод по разделу 22
3 Современное оборудование БС 23
3.1 Антенны базовых станций 24
3.2 Приемо-передатчики базовых станций 25
4 Описание математических алгоритмов в библиотеке функций 26
4.1 Алгоритм расчета дистанции по «запросно-ответной» системе 26
4.2 Алгоритм расчета дистанции по энергетическим характеристикам 27
4.3 Алгоритм расчета углов между точками в пространстве 29
4.4 Алгоритм определения сектора 29
4.5 Алгоритм обработки данных 30
4.6 Алгоритм ОМП дальномерным методом 31
4.7 Алгоритм ОМП разностно-дальномерным методов 33
4.8 Алгоритм ОМП комбинаторным методом 34
4.9 Алгоритм ОМП предлагаемым дальномерным методом 35
4.10 Алгоритм ОМП предлагаемым разностно-дальномерным методом 36
4.11 Вывод по разделу 36
5 Описание программного обеспечения модели 37
5.1 Алгоритм расчета дистанции по «запросно-ответной» системе 37
5.2 Алгоритм расчета дистанции по энергетическим характеристикам 38
5.3 Алгоритм расчета углов между точками в пространстве 40
5.4 Алгоритм определения сектора 42
5.5 Алгоритм обработки данных 43
5.6 Алгоритм ОМП дальномерным методом 44
5.7 Алгоритм ОМП разностно-дальномерным методом 45
5.8 Алгоритм ОМП комбинаторным методом 47
5.9 Алгоритмы ОМП предлагаемыми методами 50
5.10 Выводы по разделу 53
6 Моделирование составляющих частей 54
6.1 Сравнение результатом ОМП МС стандартных и комбинаторных методов 54
6.2 Сравнение результатов ОМП МС без отсеивания и с отсеиванием грубых
погрешностей 56
6.3 Сравнение результатов ОМП МС стандартного и предлагаемого метода при различных МП МС 58
7 Комплексное сравнение алгоритмов ОМП 62
7.1 Описание полученных результатов 64
7.2 Описание полученных результатов по семейству дальномерных методов 70
7.3 Описание полученных результатов по семейству разностно-дальномерных
методов 71
7.4 Выводы по разделу 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 75
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
ВВЕДЕНИЕ 11
1 Обзор существующих алгоритмов определения местоположения абонентов в сотовых сетях 14
1.1 Метод принадлежности к соте 14
1.2 Угломерно-дальномерный метод 14
1.3 Угломерный метод 15
1.4 Дальномерный метод 17
1.5 Разностно-дальномерный метод 19
1.6 Вывод по разделу 20
2 Способы измерений расстояний 21
2.1 Метод измерений расстояния по «запросно-ответной» системе 21
2.2 Метод измерений расстояния по энергетическим характеристикам 21
2.3 Метод измерений расстояния по разности набега фаз 22
2.4 Вывод по разделу 22
3 Современное оборудование БС 23
3.1 Антенны базовых станций 24
3.2 Приемо-передатчики базовых станций 25
4 Описание математических алгоритмов в библиотеке функций 26
4.1 Алгоритм расчета дистанции по «запросно-ответной» системе 26
4.2 Алгоритм расчета дистанции по энергетическим характеристикам 27
4.3 Алгоритм расчета углов между точками в пространстве 29
4.4 Алгоритм определения сектора 29
4.5 Алгоритм обработки данных 30
4.6 Алгоритм ОМП дальномерным методом 31
4.7 Алгоритм ОМП разностно-дальномерным методов 33
4.8 Алгоритм ОМП комбинаторным методом 34
4.9 Алгоритм ОМП предлагаемым дальномерным методом 35
4.10 Алгоритм ОМП предлагаемым разностно-дальномерным методом 36
4.11 Вывод по разделу 36
5 Описание программного обеспечения модели 37
5.1 Алгоритм расчета дистанции по «запросно-ответной» системе 37
5.2 Алгоритм расчета дистанции по энергетическим характеристикам 38
5.3 Алгоритм расчета углов между точками в пространстве 40
5.4 Алгоритм определения сектора 42
5.5 Алгоритм обработки данных 43
5.6 Алгоритм ОМП дальномерным методом 44
5.7 Алгоритм ОМП разностно-дальномерным методом 45
5.8 Алгоритм ОМП комбинаторным методом 47
5.9 Алгоритмы ОМП предлагаемыми методами 50
5.10 Выводы по разделу 53
6 Моделирование составляющих частей 54
6.1 Сравнение результатом ОМП МС стандартных и комбинаторных методов 54
6.2 Сравнение результатов ОМП МС без отсеивания и с отсеиванием грубых
погрешностей 56
6.3 Сравнение результатов ОМП МС стандартного и предлагаемого метода при различных МП МС 58
7 Комплексное сравнение алгоритмов ОМП 62
7.1 Описание полученных результатов 64
7.2 Описание полученных результатов по семейству дальномерных методов 70
7.3 Описание полученных результатов по семейству разностно-дальномерных
методов 71
7.4 Выводы по разделу 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 75
Приложения должны быть в работе, но в данный момент отсутствуют
Выбранная тема выпускной работы является актуальной и востребованной, поскольку в современном мире быстрыми темпами растет количество летательных аппаратов и людям по многим причинам необходимо с большой точностью знать их МП в пространстве.
Объект исследования - алгоритмы ОМП, реализуемые в инфраструктуре сотовых сетей связи.
Предмет исследования - использование возможностей инфраструктуры сотовых сетей связи в алгоритмах ОМП.
Цель исследования - разработка алгоритма ОМП БПЛА, использующего возможности инфраструктуры сотовых сетей и обладающего более высокой точностью по сравнению со стандартными алгоритмами.
Задачи исследования - составление обзора стандартных методов ОМП, разработка и теоретическое исследования алгоритма ОМП, разработка модели системы ОМП, исследования точности алгоритма ОМП на спроектированной модели.
Гипотеза - использование секторных антенн, установленных на БС, в качестве дополнительной логики может помочь в разработке алгоритма ОМП, обладающего более высокой точностью по сравнению со стандартными алгоритмами.
Рассмотренная литература [1-3], использовалась в качестве формирования основ работы алгоритмов ОМП, которые описаны в настоящей работе. Источники [4-6] использовались при формировании математического аппарата моделируемых алгоритмов.
Теоретическая значимость настоящей работы заключается в наглядном сравнении результатов реализованных в рамках модели алгоритмов ОМП и выявлении «сильных» и «слабых» сторон каждого алгоритма.
Практическая значимость определяется повышенной точностью ОМПМС в пространстве в случае использования разработанного алгоритма.
Структура работы представляет собой:
а) введение в тему;
б) обзор существующих алгоритмов ОМП абонентов в сотовых сетях связи;
в) обзор способов измерений расстояний ;
д) обзор современного оборудования базовых станций;
е) описание математических алгоритмов в созданной библиотеке функций;
ж) описание программного обеспечения модели;
й) моделирование составляющих частей;
к) комплексное сравнение алгоритмов определения местоположения ;
л) заключение.
БПЛА - беспилотный летательный аппарат (дрон) представляет собой воздушное судно без пилота, которое выполняет полет без командира воздушного судна на борту и управляется полностью дистанционно, либо запрограммированно и полностью (либо частично) автономно.
В качестве примера БПЛА рассмотрим гражданский мультикоптер - дрон, у которого более одного винта. Одна из разнообразного ряда моделей показана на рисунке 1.
Дроны подобного типа относятся к макро - и мини- БПЛА ближнего радиуса действия, обладая при этом взлётной массой до 5 кг, дальностью действия до 25-40 км, а максимальная высота полета может достигать 5 км.
Популярность и сфера применения гражданских дронов растет с каждым днем. Компактные и маневренные аппараты применяются различными службами для:
а) транспортировки различных предметов, включая медикаменты и предметы первой необходимости;
б) оказания помощи поисково-спасательным командам;
в) охраны национальных границ ;
д) борьбы с преступностью - обеспечение мониторинга в зонах с высоким криминогенным риском;
е) инспекции различных инфраструктур.
Поскольку мультикоптер является важным инструментом, который активно используется в различных сферах жизнедеятельности людей, появляется необходимость точно отслеживать его МП.
В ходе выполнения работы ставится задача разработки алгоритма ОМП, обладающего более высокой точностью по сравнению со стандартными алгоритмами, на основе возможностей инфраструктуры сотовых сетей.
Инфраструктура сотовой сети представляет собой радиотелефонную сеть общего пользования с известной зоной обслуживания. Под зоной обслуживания будем понимать часть поверхности Земли, на которой обеспечивается радиосвязь с заданным качеством. Ключевая особенность сотовой сети заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных многоканальных базовых станций, которые находятся в центре соты и устанавливают связь с абонентом, находящимся в зоне ее действия. Соты частично перекрываются и вместе образуют единую сеть.
Анализ и обработка информационных данных, передаваемых по радиоканалу между базовыми станциями и абонентом сотовой сети, позволяет определить текущее МП БПЛА в пространстве. Точность определения местоположения в больше степени зависит от точности измерения дистанции между БС и БПЛА.
Для определения МП БПЛА в пространстве он должен быть оснащен ОЗМ модулем, как у мобильных телефонов.
Поскольку БПЛА можно рассмотреть в качестве мобильного телефона, находящегося на определенной высоте, то его следует называть общепринятым в радиосообществе понятием - мобильной станцией (далее - МС).
Объект исследования - алгоритмы ОМП, реализуемые в инфраструктуре сотовых сетей связи.
Предмет исследования - использование возможностей инфраструктуры сотовых сетей связи в алгоритмах ОМП.
Цель исследования - разработка алгоритма ОМП БПЛА, использующего возможности инфраструктуры сотовых сетей и обладающего более высокой точностью по сравнению со стандартными алгоритмами.
Задачи исследования - составление обзора стандартных методов ОМП, разработка и теоретическое исследования алгоритма ОМП, разработка модели системы ОМП, исследования точности алгоритма ОМП на спроектированной модели.
Гипотеза - использование секторных антенн, установленных на БС, в качестве дополнительной логики может помочь в разработке алгоритма ОМП, обладающего более высокой точностью по сравнению со стандартными алгоритмами.
Рассмотренная литература [1-3], использовалась в качестве формирования основ работы алгоритмов ОМП, которые описаны в настоящей работе. Источники [4-6] использовались при формировании математического аппарата моделируемых алгоритмов.
Теоретическая значимость настоящей работы заключается в наглядном сравнении результатов реализованных в рамках модели алгоритмов ОМП и выявлении «сильных» и «слабых» сторон каждого алгоритма.
Практическая значимость определяется повышенной точностью ОМПМС в пространстве в случае использования разработанного алгоритма.
Структура работы представляет собой:
а) введение в тему;
б) обзор существующих алгоритмов ОМП абонентов в сотовых сетях связи;
в) обзор способов измерений расстояний ;
д) обзор современного оборудования базовых станций;
е) описание математических алгоритмов в созданной библиотеке функций;
ж) описание программного обеспечения модели;
й) моделирование составляющих частей;
к) комплексное сравнение алгоритмов определения местоположения ;
л) заключение.
БПЛА - беспилотный летательный аппарат (дрон) представляет собой воздушное судно без пилота, которое выполняет полет без командира воздушного судна на борту и управляется полностью дистанционно, либо запрограммированно и полностью (либо частично) автономно.
В качестве примера БПЛА рассмотрим гражданский мультикоптер - дрон, у которого более одного винта. Одна из разнообразного ряда моделей показана на рисунке 1.
Дроны подобного типа относятся к макро - и мини- БПЛА ближнего радиуса действия, обладая при этом взлётной массой до 5 кг, дальностью действия до 25-40 км, а максимальная высота полета может достигать 5 км.
Популярность и сфера применения гражданских дронов растет с каждым днем. Компактные и маневренные аппараты применяются различными службами для:
а) транспортировки различных предметов, включая медикаменты и предметы первой необходимости;
б) оказания помощи поисково-спасательным командам;
в) охраны национальных границ ;
д) борьбы с преступностью - обеспечение мониторинга в зонах с высоким криминогенным риском;
е) инспекции различных инфраструктур.
Поскольку мультикоптер является важным инструментом, который активно используется в различных сферах жизнедеятельности людей, появляется необходимость точно отслеживать его МП.
В ходе выполнения работы ставится задача разработки алгоритма ОМП, обладающего более высокой точностью по сравнению со стандартными алгоритмами, на основе возможностей инфраструктуры сотовых сетей.
Инфраструктура сотовой сети представляет собой радиотелефонную сеть общего пользования с известной зоной обслуживания. Под зоной обслуживания будем понимать часть поверхности Земли, на которой обеспечивается радиосвязь с заданным качеством. Ключевая особенность сотовой сети заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных многоканальных базовых станций, которые находятся в центре соты и устанавливают связь с абонентом, находящимся в зоне ее действия. Соты частично перекрываются и вместе образуют единую сеть.
Анализ и обработка информационных данных, передаваемых по радиоканалу между базовыми станциями и абонентом сотовой сети, позволяет определить текущее МП БПЛА в пространстве. Точность определения местоположения в больше степени зависит от точности измерения дистанции между БС и БПЛА.
Для определения МП БПЛА в пространстве он должен быть оснащен ОЗМ модулем, как у мобильных телефонов.
Поскольку БПЛА можно рассмотреть в качестве мобильного телефона, находящегося на определенной высоте, то его следует называть общепринятым в радиосообществе понятием - мобильной станцией (далее - МС).
При выполнении выпускной квалификационной работы было разработано два алгоритма определения местоположения МС.
Принцип работы первого алгоритма заключается в разделении уравнений БС на комбинаторные ряды и в фильтрации предполагаемых МС по признаку принадлежности к фигуре, образованной путем пересечения секторов антенн БС. Разработанный алгоритм может быть реализован на базе дальномерного метода, что позволит получить видимую прибавку к точности определения местоположения МС.
Результаты комплексного моделирования показали, что при 4 БС разработанный алгоритм имеет СКО дальности местоположения МС относительно начала координат 40,4 метра, в то время как стандартный дальномерный метод 53,9 метра. При 6 БС СКО разработанного алгоритма 29,3 метра, а стандартного дальномерного - 39,2 метра. Таким образом, разработанный алгоритм имеет меньшее СКО при 4 БС на 13,5 метров, а при 6 БС - на 9,6 метров. При этом среднее расстояние от начала координат до истинного местоположения МС составляет 1177 метра.
Что касается количества определенных местоположений МС, разработанный алгоритм определил 371местоположение при 4 БС и 412 при 6 БС. Стандартный дальномерный определил 384 местоположений МС при 4 БС и 410 при 6 БС. Эти цифры демонстрируют работу алгоритма - при большем количестве определенных местоположений МС удалось получить меньшее СКО.
Рассмотрение результатов моделирования в плоскости увеличения погрешности определения времени запаздывания сигнала показало, что и разработанный и стандартный алгоритм при погрешности в 5% имеют практически одинаковое СКО - 11 метров. Но при 35% погрешности СКО разработанного алгоритма 55,1 метра, а СКО стандартного алгоритма - 78,9 метра. Это говорит о том, что разработанный метод более «устойчив» к увеличению погрешности, в связи с применяемой фильтрацией предполагаемых местоположений МС.
По результатам моделирования было выявлено, что использование разработанного алгоритма на базе разностно-дальномерного метода не имеет смысла, в связи с не замкнутостью гиперболоида. Геометрически это объясняется тем, что разработанный алгоритм в рамках комбинаторного перебора находит те решения, которые располагаются далеко в пределах бесконечной зоны пересечения секторов БС. Результаты этих местоположений МС отрицательно влияют на общей точности работы алгоритма.
Второй алгоритм использует комбинаторное вычитание уравнений БС для нахождения дополнительных решений, когда стандартные алгоритмы определения местоположения их не имеют. Данный комбинаторный алгоритм может быть использован на базе и дальномерного и разностно-дальномерного метода. Моделирование показало, что алгоритм может получать дополнительные решения, при этом не значительно теряя в своей точности. Например, при погрешности определения времени запаздывания сигнала в 35% комбинаторный дальномерный алгоритм имеет 428 определенных МП МС, в то время как стандартный - 358. Но в то же время, СКО дальности местоположения МС относительно начала координат у комбинаторного алгоритма 84,5 метра, а у стандартного - 78,9 метра. Таким образом, имея на 70 определенных местоположений МС больше, СКО при этом увеличилось незначительно - на 5,6 метра.
Из проведенного исследования можно сделать вывод, что оба предлагаемых алгоритма могут быть реализованы в инфраструктуре сотовой сети связи. При этом разработанные алгоритмы не требуют никаких дополнительных мер по переоснащению существующего оборудования БС.
Принцип работы первого алгоритма заключается в разделении уравнений БС на комбинаторные ряды и в фильтрации предполагаемых МС по признаку принадлежности к фигуре, образованной путем пересечения секторов антенн БС. Разработанный алгоритм может быть реализован на базе дальномерного метода, что позволит получить видимую прибавку к точности определения местоположения МС.
Результаты комплексного моделирования показали, что при 4 БС разработанный алгоритм имеет СКО дальности местоположения МС относительно начала координат 40,4 метра, в то время как стандартный дальномерный метод 53,9 метра. При 6 БС СКО разработанного алгоритма 29,3 метра, а стандартного дальномерного - 39,2 метра. Таким образом, разработанный алгоритм имеет меньшее СКО при 4 БС на 13,5 метров, а при 6 БС - на 9,6 метров. При этом среднее расстояние от начала координат до истинного местоположения МС составляет 1177 метра.
Что касается количества определенных местоположений МС, разработанный алгоритм определил 371местоположение при 4 БС и 412 при 6 БС. Стандартный дальномерный определил 384 местоположений МС при 4 БС и 410 при 6 БС. Эти цифры демонстрируют работу алгоритма - при большем количестве определенных местоположений МС удалось получить меньшее СКО.
Рассмотрение результатов моделирования в плоскости увеличения погрешности определения времени запаздывания сигнала показало, что и разработанный и стандартный алгоритм при погрешности в 5% имеют практически одинаковое СКО - 11 метров. Но при 35% погрешности СКО разработанного алгоритма 55,1 метра, а СКО стандартного алгоритма - 78,9 метра. Это говорит о том, что разработанный метод более «устойчив» к увеличению погрешности, в связи с применяемой фильтрацией предполагаемых местоположений МС.
По результатам моделирования было выявлено, что использование разработанного алгоритма на базе разностно-дальномерного метода не имеет смысла, в связи с не замкнутостью гиперболоида. Геометрически это объясняется тем, что разработанный алгоритм в рамках комбинаторного перебора находит те решения, которые располагаются далеко в пределах бесконечной зоны пересечения секторов БС. Результаты этих местоположений МС отрицательно влияют на общей точности работы алгоритма.
Второй алгоритм использует комбинаторное вычитание уравнений БС для нахождения дополнительных решений, когда стандартные алгоритмы определения местоположения их не имеют. Данный комбинаторный алгоритм может быть использован на базе и дальномерного и разностно-дальномерного метода. Моделирование показало, что алгоритм может получать дополнительные решения, при этом не значительно теряя в своей точности. Например, при погрешности определения времени запаздывания сигнала в 35% комбинаторный дальномерный алгоритм имеет 428 определенных МП МС, в то время как стандартный - 358. Но в то же время, СКО дальности местоположения МС относительно начала координат у комбинаторного алгоритма 84,5 метра, а у стандартного - 78,9 метра. Таким образом, имея на 70 определенных местоположений МС больше, СКО при этом увеличилось незначительно - на 5,6 метра.
Из проведенного исследования можно сделать вывод, что оба предлагаемых алгоритма могут быть реализованы в инфраструктуре сотовой сети связи. При этом разработанные алгоритмы не требуют никаких дополнительных мер по переоснащению существующего оборудования БС.