RF tabanlı hedef konumlandırma sistemleri
RF based target positioning systems
Yazar: MAHMUT GÜLNAZ
Danışman: YRD. DOÇ. YAKUP SABRİ ÖZKAZANÇ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada RF tabanlı pozisyon belirleme sistemleri incelenmiştir. Pozisyon belirleme, bir nesnenin referans pozisyon bilgisine göre yerinin belirlenmesidir. Pozisyon belirleme, birçok haberleşme uygulaması için temel gereksinimlerinden biri olmuştur.
Pozisyon belirleme işlemi, coğrafi olarak farklı noktalara koyulmuş verici ve/veya alıcı istasyonlar yardımıyla toplanan sinyallerin merkezi işlem sunucusunda çözümlenmesiyle gerçekleştirilmektedir. İstasyonlarda yapılan ölçümler, toplanan sinyallerin karakteristiklerine göre yapılmaktadır. Bu ölçümler, sinyalin varış zamanı, sinyalin genliği, Doppler Frekansı, sinyalin varış açısı, sinyalin varış zamanı farkı ve/veya Doppler Farkı ölçümleri olabilmektedir.
Pozisyon belirleme sistemleri, farklı amaçlar için kullanılsa da Navigasyon Sistemleri, Gözetleme Sistemleri ve Pasif Pozisyon Belirleme Sistemleri olarak üç uygulama alanı altında toplanabilmektedir. Tüm bu uygulamalarda Multistatik Radar, Trilaterasyon, Multilaterasyon ve Üçgenleme yöntemleri kullanılmaktadır.
Multistatik radar sistemlerinde vericiden çıkan sinyalin hedeften yansıdıktan sonra alıcıda varış zamanı ölçülmektedir. Trilaterasyon yönteminde alıcıda vericiden yayılan sinyalin varış zamanı ölçülmektedir. Multilaterasyon yönteminde bir istasyon referans seçilerek sinyalin varış zamanı farkı ölçülmektedir. Üçgenleme yönteminde de yön bulucu sistemler yardımıyla sinyalin varış açısı ölçülmektedir. 
Pozisyon belirleme eşitlikleri, analitik, geometrik ve iteratif yöntemlerle çözülebilmektedir. Analitik yöntem, hedefin pozisyon bilgisinin matematiksel işlemler yoluyla çözümüdür. Geometrik çözümde pozisyon eşitliklerinin grafikleri kullanılmaktadır. İteratif çözümde nümerik analiz yöntemleri kullanılmaktadır.
Pozisyon eşitlikleri, doğrusal olmayan eşitliklerdir. Bu nedenle bu eşitliklerin GKF döngüsünde kullanılabilmesi için doğrusallaştırılması gerekmektedir. Bu çalışmada iteratif yöntemlerde pozisyon eşitlikleri çözülmüş olup benzetimlerde Genişletilmiş Kalman Filtre (GKF) kullanılmıştır.
Pozisyon bilgisinin güncel tutulabilmesi için her iterasyonda yeni ölçümler alınmaktadır. Bu ölçümler yardımıyla hedefin pozisyon bilgisi güncellenmektedir. GKF, aynı zamanda hedefin pozisyonunun bir adım sonraki kestirimini de göstermektedir. Bu işlem, hedef takip işlemi olarak bilinmektedir. Hedef takibi için farklı takip modelleri geliştirilmiştir. Bu çalışmada takip modeli olarak Pozisyon – Hız modeli temel alınmıştır.
Pozisyon belirleme sistemlerinde oluşan hataların kaynakları, ölçüm hataları, senkronizasyon hataları, çoklu yansıma etkileri, atmosferik kayıplar ve istasyon geometrileri gibi faktörlerdir. Bu hatalar, pozisyon belirleme kalitesini doğrudan etkilemektedir. İstasyonların hedefe göre geometrik durumları, pozisyon hassasiyet kaybı ile ifade edilmektedir. Ölçüm hataları ve kanal gürültüleri nedeniyle hedefin pozisyonu, hata kovaryans matrisinin belirlediği eliptik bölge içerisinde kestirilmektedir. Bu bölge Olası Eliptik Hata olarak ifade edilmektedir. Olası Eliptik Hata hesabı yerine Olası Dairesel Hata yaklaşımı daha sık kullanılmaktadır. Olası Dairesel Hata, daha kaba sonuç verse de daha kolay hesaplanabilmektedir.


Anahtar Kelimeler: Pozisyon belirleme, Multistatik Radar, Trilaterasyon, Multilaterasyon, Üçgenleme, Genişletilmiş Kalman Filtre, Pozisyon Hassasiyet Kaybı, Olası Dairesel Hata.

Abstract:
In this study, RF based positioning systems are investigated. Positioning is determination of the location of an object relative to the reference position of an object. Positioning is one of the basic requirements for lots of communication applications.
Position determination process is carried out in the central processing server by analyzing the collected signals from the transmitter and/or receiver stations put in different geographical points. The measurements at the stations are made based on the signal characteristics. These measurements can be Time of Arrival, Doppler Frequency, Receiver Signal Strength, Angle of Arrival, Time Difference of Arrival and/or Doppler Difference of Arrival.
Even if the position determination systems are used for different purposes, mainly they can be grouped in three categories, such as Navigation Systems, Surveillance Systems and Passive Positioning Systems. In all of these applications, multistatic radar, trilateration, multilateration and triangulation methods are used.
In multistatic radar systems, Time of Arrival measurements from the transmitter to target and from target echo to receiver are made. In trilateration method, Time of Arrival measurements from transmitters to receiver are made. In multilateration method, one station is selected as reference and Time Difference of Arrival measurements are made. In triangulation method, Angle of Arrival measurements are made by direction finders.
Positioning equations can be solved by analytical, geometric and iterative methods. Analytical method is solution through mathematical operations of the target position information. In the geometric solution, the graphic methods of the position equations are used. In the iterative solution, numerical analysis techniques are used. 
Position equations are nonlinear equations. Therefore, these equations need to be linearized to be used in EKF process. In this study, iterative methods are used to solve the positioning equations and Extended Kalman Filter (EKF) is used in the simulations.
To keep the position information up to date, new measurements are taken at each iteration. The position information is updated with the help of these measurements. EKF also gives the information about the estimation of the target position at the next iteration. This process is known as target tracking. For target tracking, different tracking models have been implemented. In this study, Position – Velocity tracking model is used in EKF to solve the position equations. 
The sources of errors in positioning systems are measurement errors, synchronization errors, multipath effects, atmospheric losses and station geometry factors. These errors directly affect the quality of position determination. The geometric status of stations with the target, is denoted as Dilution of Precision. Because of measurement errors and channel noise, the position of the target is estimated inside the elliptic region which is computed from the error covariance matrix. This region is denoted as Elliptic Error Probable. Instead of Elliptic Error Probable, Circular Error Probable convention is used more often Even if circular error probable give more roughly results, it can be computed more easily.


Keywords: Positioning, Multistatic Radar, Trilateration, Multilateration, Triangulation, Extended Kalman Filter, Dilution of Precision, Circular Error Probable.