Mathematical and software support development of a positioning system in a linear network: A case study of the underground

Abstract

Благодаря автономности и оперативности получения пространственных координат, спутниковое позиционирование на сегодняшний день является самым распространенным способом определения местоположения. Однако несмотря на глобальность охвата, ГНСС-технологии не могут применяться повсеместно. Препятствия на пути сигнала, идущего от спутника к приемнику приводят к его переотражению и затуханию , что, в свою очередь, вызывает большие ошибки и потерю сигнала. В связи с этим, в закрытых пространствах используют альтернативные способы локальных систем позиционирования. Применяемые в таких системах подходы, во многом основаны на классических методах определения местоположения. Однако помимо широты охвата с точки зрения разнообразия применяемых технологий, системы используют и новые уникальные методы. Одним из них является метод локализации по шаблону, зарекомендовавший себя как наиболее точный метод позиционирования в закрытых пространствах. Несмотря на стремительное развитие локальных систем позиционирования и их повсеместное внедрение, остаются пространства, где задача определения местоположения по-прежнему актуальна. В качестве примера можно взять сеть метрополитена, сложная архитектура которого заставляет пользоваться средствами навигации не только туристов, но и жителей города. Кроме того, задача актуальна и для аналогичных линейных сетей, начиная от туннелей рудных шахт и заканчивая ускорителями заряженных частиц. В представленной работе рассматривается технология позиционирования в линейной сети метрополитена по методу локализации по шаблону. По причине активного развития сотовой коммуникации в подземном транспорте, в качестве основы для создания базы шаблонов были использованы данные цифровой сотовой сети. Ключевым преимуществом разрабатываемой технологии над аналогичными системами позиционирования на основе беспроводных сетей является учет динамики сигнала, принимаемый от станции сотовой сети в процессе движения объекта. В рамках исследования были обозначены существующие подходы и технологии для решения задачи позиционирования в помещениях. Более подробно изложена методика местоопределения по данным цифровой сотовой сети. В работе описывается процесс подготовки, анализа, обработки и конечного представления пространственной базы данных, а также ключевые моменты разработки и математической оценки точности алгоритма позиционирования. Приводится пример использования веб-гис для визуализации пространственных данных с целью оперативного мониторинга изменений состояния линейной сети. Рассматривается логическая часть мобильного приложения для позиционирования в метрополитене, подводятся промежуточные итоги и поднимаются вопросы дальнейшего совершенствования технологий и их применения в линейных сетях схожего типа.

Inspite of the fact that nowadays Global Positioning System is the most essential method of localization, it still cannot be used in the zones with barriers on the path of the signal from satellite. To eliminate this issue, Local Positioning Systems are developing. In the research, positioning methods in the linear network, particulary in the subway transportation systems, are examined. Among a huge amount of indoor-postitioning approaches, GSM fingerprinting method based on stations’ ID and signal power changes is demonstrated. Use of signal fluctuations dymanic is the key difference of developing positioning system from alternative technologies. In the report, varity of Local Positioning Systems methods are pointed and the method of GSM fingerprinting positioning is described in detail. Preprocessing, analysis, processing and visualization of fingerprints and key points of developing and mathematical estimation of algorithm are pictured out. Web-gis as spatial data visualization way for aim of database modification and algorithmic part of subway positioning mobile application are demonstrated. In conclusion, intermediate results and future assignments are pointed.