Teknik lokaliserer robotter, soldater i GPS-udfordrede områder

Forskere ved U.S. Army Research Laboratory har udviklet en ny algoritme, der muliggør lokalisering af mennesker og robotter i områder, hvor GPS ikke er tilgængelig.

Ifølge ARL-forskerne Gunjan Verma og Dr. Fikadu Dagefu, hæren skal være i stand til at lokalisere agenter, der opererer i fysisk komplekse, ukendte og infrastrukturfattige miljøer.

"Denne evne er afgørende for at hjælpe med at finde afmonterede soldater og for at mennesker og robotagenter kan slå sig sammen effektivt, " sagde Verma. "I de fleste civile applikationer, løsninger som GPS fungerer godt til denne opgave, og hjælp os, for eksempel, navigere til en destination via vores bil."

Imidlertid, bemærkede forskerne, sådanne løsninger er ikke egnede til det militære miljø.

"For eksempel, en modstander kan ødelægge infrastrukturen (f.eks. satellitter), der er nødvendige for GPS; alternativt, komplekse miljøer (f.eks. inde i en bygning) er svære for GPS-signalet at trænge igennem, " sagde Dagefu. "Dette skyldes, at komplekse og rodede miljøer hindrer den lineære udbredelse af trådløse signaler."

Dagefu sagde, at forhindringer inde i bygningen, især når deres størrelse er meget større end bølgelængden af ​​det trådløse signal, svække signalets kraft (dæmpning) og omdirigere dets flow (kaldet multipath), gør et trådløst signal meget upålideligt til at kommunikere information om placering.

Ifølge forskerne, typiske tilgange til lokalisering, som bruger et trådløst signals strøm eller forsinkelse (dvs. hvor lang tid det tager at nå et mål fra en kilde), arbejde godt i udendørs scener med minimale forhindringer; imidlertid, de klarer sig dårligt i scener med mange forhindringer.

Holdet af ARL-forskere inklusive Dagefu og Verma udviklede en ny teknik til at bestemme ankomstretningen, eller DoA, af en radiofrekvenssignalkilde, som er en grundlæggende muliggører for lokalisering.

"Den foreslåede teknik er robust over for flere spredningseffekter, i modsætning til eksisterende metoder såsom dem, der er afhængige af fasen eller ankomsttidspunktet for signalet til at estimere DoA, " sagde Verma. "Dette betyder, at selv i nærvær af okkludere, der spreder signalet i forskellige retninger, før det modtages af modtageren, den foreslåede tilgang kan nøjagtigt estimere retningen af ​​kilden."

Den underliggende idé er, at gradienten af ​​den rumligt samplede modtagne signalstyrke, eller RSS, bærer information om kilderetningen.

"At uddrage DoA'en kræver en teoretisk funderet analyse for at opnå en robust estimator i nærvær af uønskede udbredelsesfænomener, " sagde Verma. "F.eks. store forhindringer får RSS-prøverne i nærheden til at blive meget korrelerede (såkaldt "korreleret skyggelægning"). Hvis det ikke rettes, denne korrelation kan alvorligt påvirke DoA-estimatet."

Nøgleopfindelsen ifølge forskerne er en algoritme, der statistisk modellerer RSS-gradienten og kontrollerer for rumlige afvigere og korrelationer.

Vigtigt, når signalet er ekstremt støjende, estimatoren udsender korrekt, at der ikke er nogen DoA til stede, snarere end at estimere en vilkårlig retning forkert.

Outputtet er en estimeret DoA og tilhørende usikkerhed.

Forskerne har valideret tilgangen med adskillige offentligt tilgængelige såvel som internt indsamlede måledatasæt på 40MHz og 2,4GHz bånd, samt data fra high fidelity-simuleringer.

Teknikken fungerer under betingelser med tunge multipath, hvor klassiske fase eller ankomsttidsbaserede estimater ville mislykkes.

Ud over ikke at kræve nogen fast infrastruktur, den foreslåede teknik er heller ikke afhængig af tidligere træningsdata, viden om miljøet, flere antenner, eller forudgående kalibrering mellem noder.

Et tidsskriftspapir, der dokumenterer forskningen, er blevet accepteret til offentliggørelse i Institute of Electrical and Electronics Engineers Transaktioner på køretøjsteknologi .