Development of advanced positioning techniques of UWB/Wi-Fi RTT ranging for personal mobility applications

Abstract

The tracking of vehicles, pedestrians, and assets in any platform mode is crucial for supporting various societal functions, spanning from personal mobility services to safety and well-being. With the rise of affordable "smart" devices, the provision of high-quality positioning services has become essential for a wide range of wirelessly connected devices. While Global Navigation Satellite Systems (GNSS) technologies offer a global solution of satisfactory accuracy outdoors, their performance degrades significantly in hybrid environments and becomes impractical indoors. This doctoral thesis serves two primary objectives. Firstly, it focuses on developing a framework for characterizing and modelling RF-based ranging observables derived from disparate radio localization technologies using empirical models. Secondly, it aims to design a methodology for collaboratively localizing groups of autonomously moving nodes (pedestrians) indoors. This is achieved using data derived between rover units and on-site fixed devices (i.e., Wi-Fi Access Points) as well as among neighboring rovers. This accompanied by the development and implementation of associated assessment procedures for performance evaluation. The thesis evaluates the performance of radio localization technologies through controlled experimental trials. Statistical analysis enables the characterization of range observable errors generated by highly accurate Ultra-Wideband (UWB) and less accurate Wi-Fi Round-Trip Time (Wi-Fi RTT) technologies. Analysis offers valuable insights into each technology's capabilities at various operating conditions (i.e., static or dynamic) and in the presence of obstacles commonly found indoors (walls, pedestrian shadowing, etc.). Furthermore, the thesis proposes alternative techniques for range error mitigation, including the development and evaluation of suitable empirical correction (linear and spatial) models. The methodology applied for collaborative localization of a group of users (e.g., pedestrians) leverages the hybrid nature of the range measurements obtained by UWB and Wi-Fi RTT systems. Firstly, the proposed algorithm calculates the standalone position of the moving nodes using the existing communication infrastructure (Wi-Fi RTT) for Pedestrian to Infrastructure (P2I) ranges. Subsequently, the localization solution obtained in the P2I step is combined with ad-hoc UWB (Ultra-Wideband) Pedestrian to Pedestrian (P2P) ranges and orientation observables (i.e., loosely-coupled filtering scheme) to serve as a baseline for implementing a distributed collaborative position solution. The collaborative positioning system yields an improvement in accuracy and availability compared to the absolute P2I localization solution, while reduces the need for extensive infrastructure equipment. The quality metrics of the localization algorithms are assessed with field as well as simulated datasets generated using in-house developed software. Overall, assessment of the proposed methodologies reveals an improvement in position trueness for UWB and Wi-Fi RTT cases of the order of 74% and 54% respectively. The proposed localization algorithm based on a P2I/P2P configuration provides a potential improvement of position trueness up to 10% for continuous anchor availability. Its full potential is evident for short-duration events of complete anchor loss (P2P-only), where an improvement of up to 53% in position trueness is achieved. Overall, the performance metrics estimated based on the extensive evaluation campaigns, demonstrate the effectiveness of the proposed methodologies.

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.