IMPROVING LOCATION ESTIMATION ACCURACY BY USING MULTIPLE TDOA/AOA MEASUREMENTS
ÇOKLU TDOA/AOA ÖLÇÜMLERİ KULLANILARAK KONUM KESTİRİMİ DOĞRULUĞU İYİLEŞTİRME
- Tez No: 633655
- Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde sivil ve askeri uygulama alanlarında konumu belirlenmek istenen hedefin konumunun doğruya en yakın şekilde tahmin edilebilmesi çok büyük önem arz etmektedir. Sivil kullanımlarda GPS kullanan araç takip sistemleri buna bir örnek olarak verilebilir. Askeri alandaki kullanım ise sivil kullanıma göre daha yaygın ve oldukça önemlidir. Pasif, yani sadece tespit edilen RF sinyalleri ile aktif yayın yapmadan konum belirleme, elektronik destek sistemleri ve elektronik istihbarat sistemleri gibi birçok alanda önemli problemlerden bir tanesidir. Konum belirleme ile ilgili, geliş zamanı (TOA), geliş zaman farkı (TDOA), geliş açısı (AOA), geliş frekans farkı (FDOA) gibi birçok ölçümün kullanıldığı farklı yöntemler literatürde mevcuttur. Günümüzdeki elektronik harp sistemlerinde genellikle etkin yayılan güç analizi ve kestirim yöntemleri ile konum kestirimi yapılmaktadır. Etkin yayılan güç analizinde hedefin çıkış gücünün doğru olarak bilinmesi ve hedeften alınan yayın yön ve genlik değerlerinin çok doğru olarak ölçülmesi gerekmektedir. Aksi takdirde konum kestirim hatası yüksek olabilmektedir. Kestirim yönteminde de en az 2 ölçüm istasyonun ihtiyaç vardır ve bu iki istasyondan alınacak hatalı ölçümler konum kestiriminin doğruluğunu oldukça düşürebilmektedir. Tipik bir elektronik harp senaryosunda, radarların aydınlatma süreleri birkaç milisaniye mertebesindedir. Aydınlatma süresi radarın hüzme ¸sekliyle ve dönme periyodu ile ilişkilidir. Örneğin hüzme genişliği 1 derece, dönüş periyodu 1 saniye olan bir radarın aydınlatma süresi 2.78ms'dir. Örnek olarak darbe tekrarlama aralıklarının 100 us mertebesinde olduğu düşünülürse, bu radarların tek bir aydınlatmasında elektronik destek sistemi onlarca darbe toplar. Yeni nesil elektronik harp sistemlerinde toplanan her darbe için AOA ve TDOA ölçümü di˘ger parametrelere göre daha hassas olarak yapılabilmektedir. Fakat ölçülen tüm darbeler kullanılarak konum kestirimi genellikle yapılmamaktadır. Dolayısı ile konum bulmak için de sadece bir AOA ve TDOA ölçümü yerine, o tehdit yayına ait olan ve tehdit radarın hareket hızınca belirlenmiş makul bir süre boyunca toplanan tüm AOA ve TDOA ölçümleri birlikte kullanılabilir. Ayrıca, tek bir TDOA ve AOA ölçümü ile konum bulma yapıldığında, AOA ve TDOA ölçümlerinin hatası yüksek ise konum kestirimi doğruluğunun azalmasına sebep olabilecektir. Çoklu TDOA ve AOA ölçümleri kullanıldığında ise, bu ölçümler içinde aykırı olan ölçümler elenerek, daha doğru bir konum kestirimi yapılabilir. Tüm bu sebeplerden dolayı modern elektronik harp sistemlerinde konum bulma işlemi tek bir TDOA ve AOA ölçümünden değil, aynı yayına ait olan ve makul bir süre boyunca biriktirilmiş olan tüm TDOA ve AOA ölçümlerinden yapıldığında daha iyi bir konum kestirimi doğruluğu elde edilebilir. Elimizdeki parametreleri, hata seviyesi yüksek olsa da kullanarak konum doğruluğunu iyileştirmek amacıyla farklı yöntemler geliştirilebilir. Özellikle ölçüm istasyon sayısını arttırmak veya istasyon konumlandırmasını daha doğru bir şekilde gerçekleştirmek konum doğruluğunu iyileştiren yöntemler arasında düşünülebilir. Fakat yine bu durumda da saha koşulları veya elimizde yeterli sayıda ölçüm istasyonu olmaması gibi sebeplerle ölçüm istasyon sayısını arttırmak her durumda mümkün olmayabilir. Bu sebeple özellikle hareketli ölçüm istasyonları kullanılan durumlarda, bu ölçüm istasyonlarını bulunan konuma göre yeniden yönlendirip konum doğruluğu arttırmak bir çözüm yöntemi olarak düşünülebilir. Bu çalışmada ise TDOA ve AOA ölçümleri kullanılarak hedefin konumunu belirleyen bir yöntem ile ilgili araştırma yapılmış ve bu yöntemin belirli koşullarda ve parametre değişimlerindeki verdiği sonuçlar analiz edilmiştir. Ardından çoklu TDOA ve AOA ölçümleri ile ilgili yeni bir yöntem önerilmiş ve bu yöntemin analiz sonuçları paylaşılmıştır. Son olarak hareketli ölçüm istasyonlarının hedefin konumunu daha iyi tahmin edebilecek şekilde yönlendirildikleri yeni bir yöntem önerilmiş ve bu yöntemin analiz sonuçları paylaşılmıştır. Çalışmanın birinci bölümde genel olarak konum bulma yöntemleri ve bu yöntemlerin literatürdeki kullanımları üzerine yapılan araştırmalar paylaşılmış, ardından ikinci bölümde, ilk olarak iki ölçüm istasyonu kullanılarak tek TDOA ve AOA ölçümü üzerinden konum tahmini yapan bir yöntem incelenmiş ve analiz edilmiştir. Analiz sonucunda tek bir TDOA/AOA ölçümü ile hem TDOA hem de AOA ölçümleri üzerindeki hataların hedef için beş bin döngü kullanılarak tahmin edilen konumun RMSE değerini nasıl etkiledi˘gine dair grafikler oluşturulmuş ve incelenmiştir. Ardından yine ikinci bölümde, iki ölçüm istasyonu yerine daha fazla sayıda ölçüm istasyonu kullanarak konum bulma doğruluğunun iyileştirilebileceği üzerine bir çalışma yapılmış ve istasyon sayısı ikiden altıya kadar arttırılmış ve istasyon sayısı arttıkça konum bulma doğruluğunun iyileşme hızının değişimi analiz edilmiştir. Daha sonra istasyon konumlarının yerle¸siminin konum bulma doğruluğu üzerindeki etkisini görebilmek amacıyla bir ölçüm istasyonu sabit iken, diğer ölçüm istasyonuna sabit olan ölçüm istasyonu ile aynı hizadan başlayarak bir daire çizdirilmiştir. Bu durumda iki istasyon arasındaki açının hangi noktadayken konum bulma doğruluğunun en yüksek çıktığı analiz edilmiştir. Üçüncü bölümde ise bir TDOA ve AOA ölçümü ile tahmini konum yapılan yöntem yerine birden fazla sayıda TDOA ve AOA ölçümünü aynı anda kullanarak hedefin konumunun daha doğru bir şekilde tahmin edilebilmesini sağlayan yeni bir yöntem önerilmiştir. Önerilen bu yeni yöntemin ikinci bölüme anlatılan formülasyon ile nasıl birleştirildiği ve nasıl yeniden formüle edildiği anlatılmıştır. Ardından bu yeni yöntem ile konum kestirimi doğruluğun değişimi analiz edilmiştir. Daha sonra yine üçüncü bölümde, konum bulmada bu çoklu ölçümleri kullanan yeni yöntem ile ikinci bölümde anlatılan çoklu ölçüm istasyonlarının kullanımının birleştirilerek kullanılabileceği belirtilmiş ve bu amaçla yapılan analiz sonuçları paylaşılmıştır. Yine bu bölümde, ikinci bölümde de yapıldığı gibi AOA ve TDOA ölçümleri üzerindeki hataların çoklu ölçüm sonucu elde edilen tahmini konum doğruluğunu nasıl etkilediği üzerine analizler yapılmış ve sonuçları paylaşılmıştır. Dördüncü bölümde ise ölçüm istasyonlarının hareketli hava araçları oldukları varsayımı ile iki adet hava aracı ilk konumlarındayken bir TDOA ve AOA ölçümü ile 1 döngülük tahmin edilen hedef konumuna göre etraflarında bir daire çizerek, her biri için bu daire etrafında belirli noktalarda CRLB yöntemi ile analiz yapılmış ve analiz sonucu minimum çıkan noktaya göre ölçüm istasyonlarının yönlendirilmesi yöntemi anlatılmıştır. Bu yöntemde ölçüm istasyonlarının ilk başlangıç noktalarından uzaklaşabilecekleri maksimum mesafe ve yine ölçüm istasyonlarının hedefe yaklaşabilecekleri minimum mesafe limitleri koyulmuş ve yöntem bu limitlere göre çalıştırılmıştır. Bu iki limit için de belirli başlangıç koşullarında yapılan sonuçlar paylaşılmış, istasyonların yönlenmesi ile konum bulmanın ne şekilde iyileştiği ve istasyon yönlenmelerinin nasıl gerçekleştiği grafikler üzerinden gösterilmiştir. Dördüncü bölümde son olarak, ölçüm istasyonu için hava hedefleri kullanıldığı durumda bu ölçüm istasyonlarını yönlendiren yöntem ile yine üçüncü bölümde anlatılan çoklu ölçüm yönteminin birleştirilerek kullanılabileceği ve bu kullanım sonrası yapılan analizlerde çoklu ölçüm ile yapılan yönlendirme sonuçlarının tekli ölçümle yapılan analizlere göre konum doğruluğu olarak daha başarılı olduğuna dair sonuçlar grafikler halinde sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Today, it is of utmost importance to be able to estimate the location of the target that is desired to be determined in civil or military application areas in the most accurate way. Especially military use is more common and quite important than civil use. Passive location determination is one of the most important problems in many areas such as electronic support measures (ESM) systems, electronic intelligence (ELINT) systems, radar systems, sonar systems. There are various methods related to location determination using different measurements types such as time of arrival (TOA), time difference of arrival (TDOA), angle of arrival (AOA), frequency difference of arrival (FDOA) and received signal strength (RSS). AOA and TDOA measurements can be obtained for each collected pulse in new generation electronic warfare (EW) systems. Consequently, instead of a single AOA and TDOA measurement, all AOA and TDOA measurements, belonging to that threat collected during a reasonable time determined by the threat radar's movement speed, can be used together. In addition, when locating with a single TDOA and AOA measurement, the measurement errors on AOA and TDOA values can result in a highly erroneous location estimate. When multiple TDOA and AOA measurements are used, a more accurate position estimation can be obtained by eliminating the out-lier measurements having gross errors. For all these reasons, positioning in modern EW systems should not be utilized from a single TDOA, AOA or FDOA measurement, rather, all TDOA, AOA and FDOA measurements that belong to the same threat and have been accumulated over a reasonable period of time. Parameters such as TDOA, AOA and FDOA, which are used in location estimation methods for accurate location estimation, should also be determined without errors. Although accurate location estimation seems to be possible in theory, in practice it is not possible when considering situations such as calibration errors and error specs of the units used. In EW systems where these parameters are measured, the accuracy of some parameters can be given priority according to certain needs. For example, when the sensitivity is important, that the system is asked to hear broadcasts from the farthest distance by waiving the parameter accuracy. In addition, in some systems, while frequency measurement accuracy is at kHz or MHz, that is, FDOA measurement errors are high, in some systems, direction accuracy is important and errors on AOA measurement can be very small. For systems with different measurement errors for such different parameters, methods that use different parameters have been developed to make location estimation. Increasing the number of measurement stations, will improve the location estimation accuracy. However, generally the number of stations is fixed. If these stations are mobile, they can be guided to better locations for position estimation based on the previous position estimates. This thesis focuses on target location estimation with higher accuracy, using multiple TDOA and AOA measurements. So a new method, which use multiple TDOA and AOA measurements, is proposed and different scenarios are conducted such as iterative measurement stations positioning for improving the location estimation performance. First of all, in Chapter 2, we have analyzed a method, which uses single TDOA and AOA measurements for location estimation. Then, it has been shown that, the error on the AOA measurement is more effective than the error on the TDOA measurement for location estimation accuracy. In addition, the estimated location accuracy has been investigated as a function of the number of measurement stations. Also, measurement stations layout is analyzed in order to obtain better location estimation accuracy. In Chapter 3, we have proposed a new method, that uses multiple TDOA and AOA measurements, rather than a single TDOA and AOA measurement to improve location estimation accuracy. Better location estimation performance compared to single TDOA and AOA measurement case has been observed as expected. Then, it has been shown that, the method based on TDOA and AOA measurements and multiple measurement stations can be combined to obtain better location estimation accuracy. Finally, the effect of high AOA measurement errors on location estimation performance is investigated. Finally, in Chapter 4, we have proposed a new iterative measurement station positioning method for moving measurement stations to improve the location estimation performance. These new positions are computed by minimizing the Cramer Rao Lower Bound (CRLB) computed for the previously estimated target location. In addition, multiple TDOA and AOA measurements method and this iterative method are also deployed for better location estimation accuracy. The thesis is concluded in Chapter 5 by mentioning future directions.
Benzer Tezler
- Ameliyat öncesi hastaların ameliyata ilişkin duyguları, düşünceleri ve bilgi istekleri
The Pre-operative patiensts feelings throughts and information requirements concerning their surgical operations
KADRİYE BULDUKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
HemşirelikCumhuriyet ÜniversitesiHemşirelik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİHA ATALAY
- Ülkemizdeki çeşitli büyüklükteki yerleşim merkezlerinde uygulanabilecek kültür yapısı planlama modeli
The Planning model of the cultural building which applicable at different size of settlement center
MUSTAFA İNCESAKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Şehircilik ve Bölge PlanlamaGazi ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UMUR ERKMEN
- Tren, fren papuçlarının aşınmasının deneysel incelenmesi
Başlık çevirisi yok
RASİM İPEK
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. M. BAKİ KARAMIŞ
- CO2-sodyum silikat bağlı kum sistemlerine etki eden parametrelerin incelenip maça ve kalıp özelliklerinin geliştirilmesi
The Investigation of the parameters effecting the mold and core made of CO2-sodium silicate bonded sands for improving the properties
ORHAN ŞERİF KOMAÇ
- Grup teknolojisi imalat sistemi ve bu sistemin tasarımına yönelik yeni bir metot
Group technology manufacturing systems and a new method oriented to the design of these systems
M. BÜLENT DURMUŞOĞLU