Analytical geolocation and three‐dimensional localisation by time difference of arrival

The cooperative localization of submerged autonomous underwater vehicles (AUVs) using the Time Difference of Arrival (TDOA) measurements of surface AUV sensors is an effective method for many applications of AUVs. Proper positioning of the sensors to maximize the observability of the AUVs is very critical for cooperative localization. In this paper, a novel method for obtaining the optimal formation of sensor AUVs has been presented for the three-dimensional (3D) cooperative localization of targets using the TDOA technique. An evaluation function for estimating the optimal formation has been derived based on Fisher Information Matrix (FIM) theory for a single target as well as multiple-target cooperative localization systems. An iterative stepping algorithm has been followed to solve the evaluation function and obtain the optimal positions of the sensors. The algorithm ensured that the computation complexity should remain limited, even when the number of sensor AUVs is increased. Various simulation examples are then presented to calculate the optimal formation for different systems/situations. The effect of the position of the reference sensor and operating depth of the target AUVs on the optimal formation of the sensors has also been studied, and conclusions are drawn. For implementation of the proposed method for more practical scenarios, a simulation example is also presented for cases when the target’s position is only known with uncertainty.

Download Full-text

3D Tdoa Problem Solution with Four Receiving Nodes

Sensors ◽

10.3390/s19132892 ◽

2019 ◽

Vol 19 (13) ◽

pp. 2892 ◽

Cited By ~ 14

Author(s):

Javier Díez-González ◽

Rubén Álvarez ◽

Lidia Sánchez-González ◽

Laura Fernández-Robles ◽

Hilde Pérez ◽

...

Keyword(s):

Genetic Algorithms ◽

Confidence Interval ◽

Sensor Network ◽

Three Dimensional ◽

Time Difference ◽

Problem Solution ◽

Time Difference Of Arrival ◽

Geometric Properties ◽

Positioning Systems

Time difference of arrival (TDOA) positioning methods have experienced growing importance over the last few years due to their multiple applications in local positioning systems (LPSs). While five sensors are needed to determine an unequivocal three-dimensional position, systems with four nodes present two different solutions that cannot be discarded according to mathematical standards. In this paper, a new methodology to solve the 3D TDOA problems in a sensor network with four beacons is proposed. A confidence interval, which is defined in this paper as a sphere, is defined to use positioning algorithms with four different nodes. It is proven that the separation between solutions in the four-beacon TDOA problem allows the transformation of the problem into an analogous one in which more receivers are implied due to the geometric properties of the intersection of hyperboloids. The achievement of the distance between solutions needs the application of genetic algorithms in order to find an optimized sensor distribution. Results show that positioning algorithms can be used 96.7% of the time with total security in cases where vehicles travel at less than 25 m/s.

Download Full-text

МЕТОД ВИМІРЮВАННЯ ВІДСТАНІ МІЖ ОБ’ЄКТАМИ СЕНСОРНИХ МЕРЕЖ ЗАСОБАМИ МІКРОПРОЦЕСОРНОГО ФАЗОМЕТРА

TECHNICAL SCIENCES AND TECHNOLOG IES ◽

10.25140/2411-5363-2018-2(12)-136-141 ◽

2018 ◽

pp. 136-141

Author(s):

Andrey Dudnik

Keyword(s):

Time Difference ◽

Time Difference Of Arrival

Актуальність теми дослідження. Нині безпровідні сенсорні мережі є важливим інструментом для дослідження фізичного світу. Їхня важливість пов’язана з новими можливостями використання, завдяки таким характеристикам, як відсутність необхідності в кабельній інфраструктурі, мініатюрних вузлах, низькому енергоспоживанні, вбудованому радіоінтерфейсі, досить високій потужності передачі, відносно низькій вартості. Тому існує проблема створення нових засобів, що покращили б ефективність їх використання, що б дало змогу розширити сфери застосування. Постановка проблеми. У процесі розроблення таких систем розробникам доводиться вирішувати суперечність між зниження точності вимірювання відстані, зі зростанням дальності розташування об’єктів, обмеженою потужністю передавачів і дорогою вартістю спеціальних вузлів, що отримують точні координати із супутника. Наявність цих обмежень підвищує імовірність похибок при локалізації об’єктів у безпровідних сенсорних мережах. Аналіз останніх досліджень і публікацій. Були розглянуті останні публікації у відкритому доступі, включаючи існуючі алгоритми вимірювання відстані та задачі енергоефективності передавачів. Виділення недосліджених раніше частин загальної проблеми. Підвищення точності вимірювання відстані заобів, що використовують існуючі алгоритми вимірювання відстані. Постановка завдання. Удосконалення методу вимірювання відстані пристроями безпровідних сенсорних мереж, шляхом застосування мікропроцесорних фазометрів. Виклад основного матеріалу. Локалізація об’єктів відбувається за допомогою методу TDOA (Time Difference of Arrival). Дані, що були одержані після використання цього методу, надсилаються до мікропроцесорного фазометра, який визначає період між фазами радіо- та ультразвукового сигналу, що є пропорційною величиною до відстані між об’єктами. Висновки відповідно до статті. Запропонований метод дозволяє покращити точність процесу локалізації об’єктів у безпровідних сенсорних мережах.

Download Full-text