Forskare vid U.S. Army Research Laboratory har utvecklat en ny algoritm som möjliggör lokalisering av människor och robotar i områden där GPS inte är tillgängligt.

Enligt ARL-forskarna Gunjan Verma och Dr. Fikadu Dagefu, armén måste kunna lokalisera agenter som verkar i fysiskt komplexa, okända och infrastrukturfattiga miljöer.

"Denna förmåga är avgörande för att hitta avmonterade soldater och för att människor och robotagenter ska kunna samarbeta effektivt, ", sa Verma. "I de flesta civila tillämpningar, lösningar som GPS fungerar bra för denna uppgift, och hjälp oss, till exempel, navigera till en destination via vår bil."

Dock, konstaterade forskarna, sådana lösningar är inte lämpliga för den militära miljön.

"Till exempel, en motståndare kan förstöra infrastrukturen (t.ex. satelliter) som behövs för GPS; alternativt, komplexa miljöer (t.ex. inne i en byggnad) är svåra för GPS-signalen att tränga igenom, ", sa Dagefu. "Detta beror på att komplexa och röriga miljöer hindrar den raka utbredningen av trådlösa signaler."

Dagefu sa att hinder inuti byggnaden, speciellt när deras storlek är mycket större än våglängden för den trådlösa signalen, försvaga signalens kraft (dämpning) och styra om dess flöde (kallas flervägs), gör en trådlös signal mycket opålitlig för att kommunicera information om plats.

Enligt forskarna, typiska metoder för lokalisering, som använder en trådlös signals kraft eller fördröjning (dvs. hur lång tid det tar att nå ett mål från en källa), fungerar bra i utomhusscener med minimala hinder; dock, de presterar dåligt i hinderrika scener.

Teamet av ARL-forskare inklusive Dagefu och Verma utvecklade en ny teknik för att bestämma ankomstriktningen, eller DoA, av en radiofrekvenssignalkälla, vilket är en grundläggande möjliggörare för lokalisering.

"Den föreslagna tekniken är robust för multipla spridningseffekter, till skillnad från befintliga metoder som de som förlitar sig på fasen eller ankomsttiden för signalen för att uppskatta DoA, ", sa Verma. "Detta betyder även i närvaro av ockluderare som sprider signalen i olika riktningar innan den tas emot av mottagaren, det föreslagna tillvägagångssättet kan exakt uppskatta källans riktning."

Den underliggande idén är att gradienten för den spatialt samplade mottagna signalstyrkan, eller RSS, bär information om källans riktning.

"Att extrahera DoA kräver en teoretiskt grundad analys för att erhålla en robust estimator i närvaro av oönskade fortplantningsfenomen, " sa Verma. "Till exempel, stora hinder gör att RSS-proverna i närheten blir högkorrelerade (så kallad "korrelerad skuggning"). Om den lämnas okorrigerad, denna korrelation kan allvarligt påverka DoA-uppskattningen."

Nyckeluppfinningen enligt forskarna är en algoritm som statistiskt modellerar RSS-gradienten och kontrollerar rumsliga extremvärden och korrelationer.

Viktigt, när signalen är extremt brusig, estimatorn visar korrekt att ingen DoA är närvarande, snarare än att felaktigt uppskatta en godtycklig riktning.

Resultatet är en uppskattad DoA och tillhörande osäkerhet.

Forskarna har validerat tillvägagångssättet med flera allmänt tillgängliga såväl som internt insamlade mätdatauppsättningar på 40MHz- och 2,4GHz-banden, samt data från high fidelity-simuleringar.

Tekniken fungerar under förhållanden med tunga flervägar där klassiska fas- eller ankomsttidsbaserade uppskattningar skulle misslyckas.

Förutom att inte kräva någon fast infrastruktur, den föreslagna tekniken förlitar sig inte heller på några tidigare träningsdata, kunskap om miljön, flera antenner, eller tidigare kalibrering mellan noder.

En tidskrift som dokumenterar forskningen har godkänts för publicering i Institute of Electrical and Electronics Engineers Transaktioner på fordonsteknik .