РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ БПЛА НА ОСНОВЕ СЕТЕЙ СОТОВОЙ СВЯЗИ

​DEVELOPMENT OF AN ALGORITHM FOR DETERMINING THE LOCATION OF A UAV BASED ON CELLULAR NETWORKS

Ilya Viktorov

master's student, department of infocommunication technologies and communication systems, Astrakhan State Technical University,

Russia, Astrakhan

Alexey Osovsky

scientific supervisor, associate professor, Astrakhan State Technical University,

Russia, Astrakhan

АННОТАЦИЯ

В работе спроектирован алгоритм определения местоположения беспилотных летательных аппаратов на основе сетей сотовой связи. Анализ и обработка информационных данных, передаваемых по радиоканалу между базовыми станциями и абонентами сети позволяет определять местоположение мобильной станции. В рамках разработанного алгоритма предлагается рассмотреть БПЛА в качестве мобильной станции, находящейся на определенной высоте.

ABSTRACT

In this work, an algorithm for determining the location of unmanned aerial vehicles based on cellular networks has been developed. Analysis and processing of information data transmitted over a radio channel between base stations and network subscribers makes it possible to determine the location of the mobile station. Within the framework of the developed algorithm, it is proposed to consider the UAV as a mobile station located at a certain altitude.

Ключевые слова: мобильные сети связи; базовая станция; мобильная станция; беспилотный летательный аппарат.

Keywords: mobile communication networks; base station; mobile station; unmanned aerial vehicle.

Введение

В современном мире, охваченном разнообразием цифровых технологий активно растет использование беспилотных летательных аппаратов для различных целей. Беспилотники используются для транспортировки различных предметов; для оказания помощи спасательно-поисковым бригадам; для охраны национальных границ; для мониторинга в зонах с высоким криминогенным риском. Также, БПЛА используются для кибер-атак и военных атак на стратегически важные объекты гражданского, военного и промышленного назначений.

Поскольку беспилотники являются важным инфраструктурным объектом радиосети и активно используются в различных сферах жизнедеятельности, появляется необходимость отслеживать их местоположение с высокой точностью.

1. Постановка задачи

В статье поставлена задача изучить дальномерный метод определения местоположения мобильной станции в сетях сотовой связи. Основываясь на исследовании дальномерного метода разработать алгоритм определения местоположения БПЛА.

2. Обзор дальномерного метода

Для определения местоположения объекта в пространстве существует дальномерный метод. В дальномерном методе измеряется расстояние от трех (или более) базовых станций (БС) до мобильной станции (МС) – r₁, r₂, r₃, поскольку меньшее количество БС не сможет определить координаты МС однозначно.

При решении задачи на плоскости, изображенной на рисунке 1, решается задача нахождения точки пересечения окружностей с центрами в известных координатах БС и радиусами, равными измеренному ими расстоянию до МС. Найденная точка является координатами искомой МС.

Рисунок 1. Дальномерный метод на плоскости

При решении задачи в пространстве, изображенной на рисунке 2, решается задача нахождения точки пересечения сфер с центрами в известных координатах БС и радиусами, равными измеренному ими расстоянию до МС. Пересечение двух сфер есть окружность, которая показана пунктиром. Третья сфера при пересечении с этой окружностью дает две точки в пространстве, одна из которых находится под плоскостью местоположения базовой станции, а вторая является координатой искомой мобильной станции.

Рисунок 2. Дальномерный метод в пространстве

Недостатком в реализации дальномерного метода является необходимость синхронизации всех БС во времени. Это обусловлено важностью одновременного измерения расстояния всеми БС, поскольку незначительные отклонения одной или нескольких БС от запланированного времени могут привести к большому отклонению рассчитываемой координаты МС от реального местоположения.

Достоинством дальномерного метода является то, что геометрические фигуры метода – окружность или сфера, являются замкнутыми. Это гарантирует, что решение системы уравнений будет всегда находиться в разумных пределах отклонения от реального местоположения МС.

Минимальное количество БС при реализации метода равно трем.

С точки зрения инфраструктуры сотовой связи дальномерный метод при возможности синхронизации БС по времени и наличию БС в количестве не меньше трех является точным и подходящим решением для определения местоположения, поскольку не требует от БС определений азимута или угла места.

3. Алгоритм определения местоположения дальномерным методом

Назначение алгоритма заключается в определении местоположения путем решения системы линеаризованных уравнений через множество наименьших квадратов. Система уравнений составляется на основе дальномерного метода.

Уравнение каждой БС представлено в формуле (1) и представляет собой сферу, находящуюся в точке местоположения БС и с радиусом r – измеренным расстоянием от БС до МС.

,                                                                           (1)

где i = 1 … количество БС

Для линеаризации уравнения обе части возводятся в квадрат и производится замена, показанная в формуле (2):

,                                                                   (2)

где: .

После преобразования уравнение принимает вид, представленный в формуле (3):

,                                                               (3)

Таким образом решение системы уравнений сводится к решению матричной формы в виде At=b, где A, t, b представляются в формулах (4, 5, 6) соответственно:

,                                                                                 (4)

,                                                                                                 (5)

,                                                                               (6)

Итоговое местоположение мобильной станции (или БПЛА) является решением системы уравнений МНК, приведенной в формуле (7):

,                                                                                      (7)

Заключение

Изучен дальномерный метод поиска местоположения объекта в пространстве, сделан вывод, что у метода высокая точность определения местоположения и он может быть использован для создания алгоритма местоположения БПЛА.

На основе дальномерного метода разработан алгоритм распознавания местоположения БПЛА в пространстве.

Таким образом, можно сделать вывод, что необходимость обнаружения местоположения беспилотных летательных аппаратов на сегодняшний день имеет высокую актуальность ввиду объективных причин и разработанный алгоритм может осуществлять это с высокой точностью и разумным отклонением, при условии количества БС при расчете не меньше трех.

Список литературы:

1. Li B., Jiang Y., Sun J., Cai L., Wen C.-Y. De-velopment and Testing of a Two-UAV Communication Relay System // Sensors 2016, 16, 1696.
2. Ганьшин К.Ю. Проблемы применения технологий беспроводных сетей для организации системы связи с БПЛА // Материалы II всероссийской научно-практической конференции. 2019. С. 21-24.
3. Елисеев А.В., Соколова О.О. Определение местоположения мобильных узлов телекоммуникационной сети связи // Научный Альманах. 2021. № 4-2 (78). С. 70-74.
4. Филимонова М.И., Алзагир А.А., Мутханна А.С.А. Разработка методов применения БПЛА для обеспечения устойчивости сетей связи // Научно-техническая конференция санкт-петербургского нто рэс им. а.с. попова, посвященная дню радио. 2020. № 1 (75). С. 164-165.