Kapalı mekân konum belirlemede mesafe tabanlı yeni bir yöntem önerisi ve doğruluk analizi
An accuracy analysis of a proposed distance-based method for indoor positioning
Yazar: VELİ İLÇİ
Danışman: PROF. DR. VAHAP ENGİN GÜLAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
GNSS ile dış mekânlarda santimetre-milimetre mertebesinde konum doğrulukları elde edilebilmektedir. Ancak, GNSS sinyallerinin kapalı mekâna hiç veya yeterli oranda ulaşamaması sebebiyle bu sistemler kapalı mekânlarda konum belirleme amacıyla kullanılamamaktadır. Günümüzde insanlar başta havaalanları, alışveriş merkezleri, fuar alanları gibi oldukça büyük yapılar olmak üzere zamanlarının önemli bir kısmını kapalı mekânlarda geçirmekte ve dolayısıyla dış ortamlarda GNSS ile elde edilebilen konum bilgisinin kapalı ortamlarda da sağlanmasını talep etmektedirler. Bu amaçla araştırma merkezleri, akademisyenler ve ticari firmalar çeşitli teknoloji, teknik ve algoritmaları kullanılarak kapalı mekânlarda yüksek konum doğruluğu elde etme çalışmaları yürütmektedirler. Bu çalışmaların bazılarında yüksek maliyetli sistemler kullanılarak metre-altı konum doğrulukları elde edilirken, bazılarında ise kullanıcılara hiçbir maliyet sunmadan birkaç metre mertebesinde konum doğrulukları sağlamaktadırlar. Ancak şu ana kadar üzerinde uzlaşılmış ve her mekânda uygulanabilecek bir çözüm elde edilememiştir.
Bu çalışmada sadece bir dizi test çalışması ve yazılım bilgisi gerektirmesi, başka hiçbir donanım ve yazılım maliyetinin olmaması sebebiyle WiFi tabanlı kapalı mekân konum belirleme tercih edilmiştir. Bu çalışma üç temel bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde 2.4 ve 5 GHz WiFi sinyallerinin mesafeye bağlı davranışları araştırılmıştır. 5 GHz sinyallerin 2.4 GHz sinyallere oranla daha kararlı davranış sergiledikleri ve standart sapma değerlerinin daha düşük olduğu belirlenmiştir. Sonrasında sinyallerin mesafeye bağlı davranışları eğri geçirme fonksiyonları kullanılarak modellenmiş ve en uygun eğri geçirme fonksiyonunun logaritmik mesafe fonksiyonu olduğu tespit edilmiştir. 
İkinci olarak 4 erişim noktası (EN) kullanılarak 27 farklı noktada hareketsiz konum belirleme uygulaması gerçekleştirilmiştir. Bu uygulamada üç farklı karşılaştırma yapılmıştır. İlk olarak 2.4 ve 5 GHz sinyallerin hareketsiz konum belirleme performansları karşılaştırılmış ve 5 GHz sinyallerin daha doğru konum doğruluğu sağladığı belirlenmiştir. İkinci olarak Bilaterasyon, Trilaterasyon, iteratif ağırlıklandırılmış en küçük kareler (İAEKK) ve genişletilmiş Kalman filtresi (GKF) metotlarının hareketsiz konum belirleme performansları karşılaştırılmış ve en yüksek konum doğruluğunu Bilaterasyon metodunun sağladığı görülmüştür. Üçüncü olarak International Telecommunication Union (ITU), Logaritmik mesafe, Chipcon ve Mesafe/alınan sinyal gücü (ASG) mesafe belirleme modellerinin konum belirleme performansları karşılaştırılmış ve Mesafe/ASG modelinin en yüksek konum doğruluğunu sağladığı tespit edilmiştir.
Son olarak kapalı mekânda hareket halindeki kişinin konumunu belirlemek amacıyla 6 uygulama gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada Bilaterasyon ve GKF metotlarının birlikte kullanıldıkları yeni bir yöntem önerilmektedir. Bu yöntem ile elde edilen konum doğrulukları Bilaterasyon ve GKF metotlarından elde edilen konum doğruluklarıyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca 2.4 ve 5 GHz sinyallerinin kinematik konum belirleme performansları da değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre önerilen yöntemin 2.4 GHz sinyalleri kullanılarak Bilaterasyon ve GKF metotlarından % 30, 5 GHz sinyaller kullanılarak ise % 50 daha yüksek konum doğruluğu sağladığı görülmektedir. Ayrıca 5 GHz sinyallerinin 2.4 GHz sinyallerden önerilen yöntem ile yaklaşık 1.5 metre, GKF metodu ile yaklaşık 1.3 metre ve Bilaterasyon metodu ile yaklaşık 1 metre daha yüksek konum doğruluğu sağladığı belirlenmiştir.

Abstract:
In outdoor environments, millimeter-centimeter level positioning accuracies can be obtained with GNSS. However, since GNSS signals cannot be received any or limited within indoor areas, these systems are not feasible for use in indoor positioning.  Today, most people spend a considerable amount of their time in indoor spaces, especially in large buildings such as airports, shopping malls, exhibition centers etc.; therefore, there is a demand for the availability of location information in these indoor environments as is available for outdoor spaces through GNSS. For this purpose, research centers, academicians and commercial firms are conducting many researches to obtain accurate position information in indoors using various technologies, techniques and algorithms. In some of these studies, sub-meter level positioning accuracy can be achieved using high-cost systems and others provide a few meters positioning accuracy without offering any cost for the user. However, none of the solutions offered to date has been widely accepted or can be applied to all indoor environments.
In this study, a WiFi-based indoor positioning was chosen because it only requires a series of test runs and software information with no other hardware or software cost. This study was conducted in three main stages: In the first stage, the distance-dependent behaviors of 2.4 and 5 GHz Wi-Fi signals were investigated. It was determined that 5 GHz signals had a more stable behavior and lower standard deviations than 2.4 GHz signals. Then, the behavior of the signals depending on the distance was modeled using curve fitting functions and the optimal function was found to be logarithmic distance.
In the second stage, using four access points (AP), static positioning was performed on 27 different points. In this application, three different comparisons were made. First, the static positioning performances of 2.4 and 5 GHz signals were compared and it was determined that 5 GHz signals provided a better positional accuracy. Secondly, the static positioning performance of the methods of bilateration, trilateration, iterative weighted least squares (İAEKK) and extended Kalman filter (GKF) were compared and the highest position accuracy was obtained from the bilateration method. Thirdly, the positioning performance of different distance determination models; namely, the International Telecommunication Union (ITU), logarithmic distance, Chipcon, and distance/received signal strength (RSS) were compared and the last model provided the highest positioning accuracy.
In the final stage of the study, six experiments were carried out in an indoor space to determine the position of a person in motion. In this study, a new method was proposed which involved the combined use of bilateration and EKF. The positioning accuracy achieved by the proposed method was compared with those obtained by the individual applications of bilateration and EKF. Furthermore, the kinematic positioning performance of 2.4 and 5 GHz signals was evaluated. The results showed that the proposed method provided 30% higher positional accuracy with 2.4 GHz signals and 50% higher positional accuracy using 5 GHz signals compared to the individual applications of bilateration and EKF methods. It was also determined that compared to the 2.4 GHz signals, 5 GHz signals achieved approximately 1.5 meters higher positioning accuracy using the proposed method, about 1.3 meters higher positioning accuracy with the EKF method alone and approximately 1 meter higher accuracy with bilateration alone.