Development of advanced positioning techniques of UWB/Wi-Fi RTT ranging for personal mobility applications
Authors: Περάκης Χαράλαμπος 
Published: August 2023

Ο εντοπισμός οχημάτων, πεζών και αγαθών αποτελεί αντικείμενο ζωτικής σημασίας για την υποστήριξη ενός ευρέος φάσματος λειτουργιών της οικονομίας και της κοινωνίας γενικότερα, οι οποίες καλύπτουν εφαρμογές που εκτείνονται από υπηρεσίες προσωπικής κινητικότητας έως και συστήματα κρίσιμα για την ευημερία και ασφάλεια των πολιτών. Η τρέχουσα τεχνολογική στάθμη προσφέρει διαρκώς αυξανόμενη ποικιλία «έξυπνων» συσκευών, χαμηλού κόστους με προηγμένες δυνατότητες μεταφοράς δεδομένων και τηλεπικοινωνιών. Οι τεχνολογίες δορυφορικού εντοπισμού (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) δύνανται να παρέχουν συνεχή, αυτόνομη και παγκόσμια διαθέσιμη λύση προσδιορισμού θέσης με ικανοποιητική ακρίβεια για ένα μεγάλο πλήθος εφαρμογών σε ανοιχτούς χώρους. Ωστόσο, η απόδοσή τους μειώνεται σημαντικά σε υβριδικά περιβάλλοντα (μετάβαση μεταξύ εξωτερικών και εσωτερικών χώρων), ενώ σε εσωτερικούς χώρους η λειτουργικότητά τους καθίσταται πρακτικά αδύνατη. Στόχο της διδακτορικής διατριβής αποτελεί αφενός, η ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας και την διόρθωση πρωτογενών δεδομένων αποστάσεων, οι οποίες προκύπτουν μέσω καινοτόμων ετερογενών τεχνολογιών ραδιοεντοπισμού και με τη βοήθεια κατάλληλα διαμορφωμένων εμπειρικών μοντέλων. Αφετέρου, η διατριβή στοχεύει στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μεθοδολογίας για τον συνεργατικό εντοπισμό σμήνους κινούμενων κόμβων (πεζών) σε περιβάλλοντα εσωτερικού χώρου μέσω αυτοματοποιημένης διαδικασίας ασύρματης συλλογής δεδομένων αποστάσεων τόσο προς συσκευές υποδομής (π.χ., Wi-Fi Access Points) όσο και προς γειτονικούς κινούμενους κόμβους. Ένα επιπρόσθετο, αλλά εξίσου σημαντικό στόχο της διατριβής, αποτελεί η εφαρμογή κατάλληλων τεχνικών αξιολόγησης της ποιότητας των προτεινόμενων μεθοδολογιών. Η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την διόρθωση πρωτογενών δεδομένων αποστάσεων στηρίζεται σε συμπεράσματα που αντλούνται κατά την αξιολόγηση επιδόσεων των τεχνολογιών ραδιοεντοπισμού δυνάμει πειραματικών δοκιμών σε ελεγχόμενες συνθήκες. Η ενδελεχής στατιστική ανάλυση επιτρέπει το χαρακτηρισμό της φύσης των σφαλμάτων μετρήσεων αποστάσεων που παράγονται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία εντοπισμού υπερ-ευρείας ζώνης (Ultra-Wideband, UWB) υψηλότερης ακρίβειας και την τεχνολογία εντοπισμού χρόνου μετάβασης-επιστροφής Wi-Fi (Wi-Fi Round-Trip Time, Wi-Fi RTT) χαμηλότερης ακρίβειας. Η ανάλυση παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τις δυνατότητες της κάθε τεχνολογίας σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας (π.χ. στατικά ή κινηματικά) και έναντι εμποδίων (π.χ. μετρήσεις μέσω τοιχοποιίας, σκίαση πεζών) που απαντώνται συνήθως σε εσωτερικούς χώρους. Με βάση τα ευρήματα της αξιολόγησης, προτείνονται εναλλακτικές τεχνικές διόρθωσης σφαλμάτων αποστάσεων με την ανάπτυξη και την αξιολόγηση κατάλληλων εμπειρικών μοντέλων διορθώσεων (γραμμικά και επιφανειακά). Η ανάπτυξη μεθοδολογίας συνεργατικού εντοπισμού σμήνους κινούμενων κόμβων (π.χ. πεζών) στηρίζεται στη υβριδική φύση των μετρήσεων αποστάσεων που προσφέρει ο συνδυασμός συστημάτων UWB και Wi-Fi RTT. Αρχικά, ο προτεινόμενος αλγόριθμος υπολογίζει την απόλυτη θέση των εν λόγω κινούμενων κόμβων αξιοποιώντας την συνήθη υπάρχουσα υποδομή επικοινωνίας (Wi-Fi RTT) για τη μέτρηση αποστάσεων Πεζού προς Υποδομή (Pedestrian to Infrastructure, P2I). Στη συνέχεια, η λύση εντοπισμού που υπολογίζεται στο βήμα P2I, χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με ad-hoc UWB μετρήσεις αποστάσεων Πεζού προς Πεζό (Pedestrian to Pedestrian, P2P) ως βάση για την εφαρμογή της κατανεμημένης λύσης συνεργατικού εντοπισμού (Distributed Collaborative Positioning). Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα συνεργατικού εντοπισμού επιτρέπει την βελτίωση της ποιότητας τόσο όσο προς την ακρίβεια αλλά και τη διαθεσιμότητα που παρέχει σε σχέση με την απόλυτη λύση εντοπισμού P2I, μειώνοντας παράλληλα την αναγκαιότητα υψηλής διαθεσιμότητας εξοπλισμού υποδομής. Τα δεδομένα αποστάσεων P2I και P2P αξιοποιούνται μετά από κατάλληλη εφαρμογή των τεχνικών διόρθωσης σφαλμάτων που έχουν αναπτυχθεί. Επιπλέον, η προτεινόμενη μεθοδολογία αξιοποιεί αδρανειακές μετρήσεις σε συνδυασμό με τις μετρήσεις αποστάσεων μέσω παραμετροποίησης της διαδικασίας σύντηξης δεδομένων χαλαρής σύζευξης (loosely-coupled filtering) προκειμένου να αντισταθμιστεί η επίπτωση περιπτώσεων βραχυπρόθεσμης έλλειψης δεδομένων αποστάσεων P2I. Ο έλεγχος ορθής λειτουργίας της προτεινόμενης μεθοδολογίας γίνεται με αξιοποίηση εκτεταμένων δεδομένων προσομοίωσης που παράγονται με χρήση κατάλληλου λογισμικού που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Η δοκιμή των προτεινόμενων μεθοδολογιών αποκαλύπτει τις δυνατότητες βελτίωσης της απόδοσής τους. Η εφαρμογή μοντέλων διόρθωσης αποστάσεων οδηγεί σε βελτίωση της ακρίβειας με χρήση δεδομένων UWB κατά περίπου 74%, ενώ για τα δεδομένα Wi-Fi RTT οδηγεί σε βελτίωση της ακρίβειας έως και 54%. Η εφαρμογή του προτεινόμενου αλγορίθμου εντοπισμού χρησιμοποιώντας τα συνδυαστικά δεδομένα αποστάσεων P2I/P2P παρέχει δυνατότητα βελτίωσης της ακρίβειας της θέσης έως και 10% για συνεχή διαθεσιμότητα κόμβων υποδομής (anchors). Η δυνατότητα επιτυχούς εφαρμογής του προτεινόμενου αλγορίθμου καθίσταται σαφής σε συνθήκες πλήρους απώλειας anchors (μόνο P2P δεδομένα) για σύντομα χρονικά διαστήματα, όπου επιτυγχάνεται βελτίωση της ακρίβειας της θέσης έως και 53%. Συνολικά, οι δείκτες ακρίβειας που εκτιμώνται βάσει των εκτενών δοκιμών αξιολόγησης, καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθοδολογιών.