Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG CƠ SỞ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUỒN PHÁT XẠ VƠ TUYẾN I CÁC HỆ TỌA ĐỘ DÙNG TRONG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN II CÁC DẠNG HỆ THỐNG HƢỚNG CƠ BẢN 11 Hệ thống định hƣớng kiểu góc 12 Hệ thống định hƣớng kiểu cự li 14 Hệ thống định vị hiệu cự li 15 Hệ thống định vị góc - cự li 17 III SAI SỐ ĐƢỜNG VỊ TRÍ 18 Sai số định hƣớng hệ thống kiểu cự li 20 Hệ định vị kiểu góc 20 Hệ định vị hiệu cự li 21 IV SAI SỐ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUỒN PHÁT XẠ VƠ TUYẾN 22 V MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC THAM SỐ TRƢỜNG ĐIỆN TỪ VỚI CÁC THAM SỐ VỊ TRÍ NGUỒN PHÁT XẠ VÔ TUYẾN 25 CHƢƠNG 28 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ MỤC TIÊU THEO NGUYÊN LÝ TDOA VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG RAĐA THỤ ĐỘNG .28 A PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ MỤC TIÊU THEO NGUYÊN LÝ TDOA 28 I CƠ SỞ TOÁN HỌC XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ MỤC TIÊU THEO NGUYÊN LÝ TDOA .28 II GIẢI BÀI TOÁN TDOA VỚI MÁY THU 31 III GIẢI BÀI TOÁN TDOA VỚI MÁY THU 37 Page1 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động B ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TDOA TRONG HỆ THỐNG RAĐA THỤ ĐỘNG .41 I KHÁI NIỆM CHUNG .41 Khái niệm chung rađa thụ động 41 Khái niệm rađa nhiều vị trí 43 Rađa thụ động nhiều vị trí 43 II PHÂN TÍCH PHƢƠNG ÁN PHÁT HIỆN MỤC TIÊU CỦA RA ĐA THỤ ĐỘNG 46 Khái niệm “phát hiện” lý thuyết đa thụ động 46 Hai phƣơng pháp tính độ khác biệt thời gian (TDOA) 47 Hệ thống tƣơng quan chéo 48 Hệ thống TOA .49 Số lƣợng bố trí đài thu 50 III ĐO TỌA ĐỘ VÀ TÍNH TỐN CỰ LY PHÁT HIỆN MỤC TIÊU CỦA RA ĐA THỤ ĐỘNG 52 Khái niệm “đo toạ độ tốc độ mục tiêu” đa thụ động .52 Thuật toán giai đoạn hai giai đoạn 54 IV RAĐA THỤ ĐỘNG NHIỀU VỊ TRÍ .55 Giới thiệu chung 55 2.Phƣơng pháp định vị mục tiêu hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí .57 2.1 Một số đặc điểm tính chủ yếu đa thụ động nhiều vị trí 57 2.2 Các giải pháp kỹ thuật đa thụ động nhiều vị trí 58 3.Các hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí 65 3.1.Các trạm thu thụ động 65 3.2.Trung tâm xử lý ………… ……………………………………… 66 Độ xác đo tọa độ mục tiêu hệ thống đa thụ động nhiều vị trí sử dụng phƣơng pháp định vị TDOA 68 CHƢƠNG 78 Page2 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU VƠ TUYẾN TRONG RAĐA THỤ ĐỘNG NHIỀU VỊ TRÍ THEO NGUYÊN LÝ TDOA 78 Mô trình định vị mục tiêu đa thụ động vị trí (bài tốn 2D) 78 Mơ q trình định vị mục tiêu đa thụ động nhiều vị trí ( tốn 3D ) 81 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN .89 Những kết đạt đƣợc 89 Hƣớng phát triển luận văn 89 Tài liệu tham khảo 91 Page3 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động LỜI CAM ĐOAN Trƣớc hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô Viện Điện tử viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trƣờng thuận lợi sở vật chất nhƣ chuyên môn q trình tơi thực đề tài Tơi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Và đặc biệt Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Trần Minh Trung tận tình bảo, định hƣớng khoa học hƣớng dẫn, sửa chữa cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hoàn tồn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất đƣợc thực cẩn thận có định hƣớng sửa chữa giáo viên hƣớng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Nguyễn Tiến Thành Page4 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT - TDOA: Time different of arrival - TOA: Time of arrival - U-TDOA: Uplink-Time Difference of Arrival - AOA: angle of arrival - DOA: Direction of angle - ADC: Analog Digital Converter - GPS: Global Positioning System - VHF: Very high frequency - UHF: Ultra high frequency - SIF: Signaling Information Field - TACAN: Tactical Air Navigation - DME: Distance Measuring Equipment - LMUs: Location Measument Units - BTS: Base Tranceiver Station - CS: Center Station - LS: Left Station - RS: Right Station Page5 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Xác định nguồn phát xạ vô tuyến hệ thống định vị góc Hình 1.2 Xác định tọa độ địa tâm nguồn phát xạ hệ thống định hƣớng kiểu góc Hình 1.3 Xác định vị trí nguồn phát xạ hệ thống định vị cự ly Hình 1.4 Xác định tọa độ địa tâm nguồn phát xạ vô tuyến hệ thống định vị cự ly Hình 1.5 Xác định vị trí nguồn phát xạ vơ tuyến hệ thống định vị hiệu cự ly Hình 1.6 Xác định vị trí nguồn phát xạ vơ tuyến hệ thống định vị góc – cự ly Hình 1.7 Xác định tọa độ địa tâm nguồn phát xạ vô tuyến hệ thống định vị góc – cự li Hình 1.8 Các vectơ thành phần đặc trƣng đƣờng vị trí theo kết đo Hình 1.9 Đƣờng vị trí hệ thống định vị góc Hình 1.10 Đƣờng vị trí hệ thống định vị hiệu cự ly Hình 1.11 Sai số xác định vị trí nguồn phát xạ theo kết giao đƣờng vị trí Hình 1.12 Mối liên hệ vectơ từ trƣờng, điện trƣờng vectơ Poitinh Hình 2.1 Xác định vị trí mục tiêu theo phƣơng pháp TDOA Hình 2.2 Dạng mặt hypecbol Hình 2.3 Biểu diễn góc tính toán tọa độ nguồn xạ trạm thu (trƣờng hợp chiều) Hình 2.4 Trƣờng hợp cho nghiệm khó phân biệt mục tiêu thật, giả, nghiệm cho r1, dƣơng r 2, dƣơng Hình 2.5 Đồ thị khảo sát phân bố nghiệm tốn hypebolic Hình 2.6 Xác định tọa độ mục tiêu khơng gian 3D theo phƣơng pháp TDOA Hình 2.7 Sơ đồ khối hệ thống tƣơng quan chéo Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống TOA Hình 2.9 Định vị giai đoạn Hình 2.10 Định vị hai giai đoạn Hình 2.11 Các phát xạ vơ tuyến mục tiêu đa thụ động nhiều vị trí Hình 2.12 Minh hoạ nguyên lý làm việc anten mạng Page6 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Hình 2.13 Minh hoạ phƣơng pháp giao thoa tƣơng quan Hình 2.14 Minh hoạ hệ thống anten mạng để xác định hƣớng mục tiêu Hình 2.15 Hệ thống rađa thụ động hai vị trí Hình 2.16 Minh hoạ hệ thống rađa nhiều vị trí (3 vị trí) để xác định toạ độ mục tiêu Hình 2.17 Minh hoạ nguyên tắc hypecbol đo toạ độ mục tiêu từ ba trạm rađa thụ động Hình 2.18 Minh hoạ hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí Hình 2.19 Đƣờng trực thị thay đổi theo đƣờng đáy Hình 2.20 Cách bố trí đài thu Hình 2.21 Đƣờng cong sai số vị trí đa thụ động TDOA 3D theo cự ly theo độ cao (4 vị trí hình ngơi cánh) Hình 2.22 Đƣờng cong sai số vị trí số đa thụ động TDOA 3D theo cự ly theo độ cao (4 vị trí hình T) Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình mơ q trình định vị mục tiêu sử dụng trạm thu Hình 3.2 Giao diện chƣơng trình mơ q trình định vị mục tiêu sử dụng nhiều trạm thu Page7 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động MỞ ĐẦU Hiện kỹ thuật định vị TDOA đƣợc áp dụng rộng rãi lĩnh vực dân quân Trong định vị thông tin di động, nhà mạng AT&T Mobility T-Mobile Mỹ áp dụng công nghệ định vị U-TDOA Trong lĩnh vực kiểm soát tần số số nhà sản xuất thiết bị(TCI, Agilent,…) phát triển hệ thống định vị TDOA kết hợp công nghệ định vị TDOA AOA nhằm giúp nhà quản lý tần số định vị đƣợc nguồn phát xạ không mong muốn Đặc biệt, lĩnh vực quân kỹ thuật định vị đƣợc áp dụng nhiều hệ thống đa thụ động Ra đa thụ động đƣợc coi loại đa công nghệ tƣơng lai, loại đa tàng hình hồn tồn, sử dụng lƣợng xạ thiết bị đặt mục tiêu lƣợng nguồn khác phản xạ từ mục tiêu để phát nhận dạng xác mục tiêu Với việc khơng phải sử dụng lƣợng phát xạ mà thu nguồn lƣợng mục tiêu phát nên đa thụ động có nhiều ƣu việt Ở nƣớc ta Quân chủng Phịng Khơng Khơng, Qn chủng Hải Qn Cục tác chiến điện tử nhập số tổ hợp đa thụ động số Viện Ra đa triển khai thử nghiệm đề tài nghiên cứu chế thử mẫu trạm đa thụ động Chính thế, việc sâu nghiên cứu vấn đề kỹ thuật định vị TDOA hệ thống đa thụ động cần thiết Trong khuôn khổ luận văn sâu nghiên cứu “ Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống đa thụ động” qua giúp tìm hiểu sâu có nhìn trực quan phƣơng pháp định vị Luận văn đƣợc chia làm chƣơng:  Chƣơng 1: Cơ sở xác định vị trí nguồn phát xạ vơ tuyến  Chƣơng 2: Phƣơng pháp xác định tọa độ mục tiêu theo nguyên lý TDOA ứng dụng hệ thống đa thụ động  Chƣơng 3: Mơ q trình định vị mục tiêu vô tuyến đa thụ động nhiều vị trí theo nguyên lý TDOA  Chƣơng 4: Kết luận Page8 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động CHƢƠNG CƠ SỞ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUỒN PHÁT XẠ VƠ TUYẾN I CÁC HỆ TỌA ĐỘ DÙNG TRONG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN Các hệ tọa độ đƣợc sử dụng xác định vị trí nguồn phát xạ vô tuyến cần phải đảm bảo: - Xác định vị trí với độ xác yêu cầu - Chiếm vùng cần thiết - Thông tin trực quan vị trí nguồn phát xạ vơ tuyến so với điểm gốc - Tính tốn đơn giản tọa độ nguồn phát xạ Trong hệ thống xác định vị trí khác sử dụng hệ tọa độ khác Các hệ tọa độ đƣợc sử dụng rộng rãi: - Hệ tọa độ địa lí - Hệ tọa độ địa tâm - Hệ tọa độ vuông góc Cơ sở hệ tọa độ địa lí lấy mặt cầu ba chiều bao quanh trái đất mặt phẳng mặt phẳng xích đạo Trong trƣờng hợp mặt phẳng trái đất đƣợc coi mặt phẳng hệ trọng lực trùng với mặt đại dƣơng trạng thái tĩnh Tại điểm mặt phẳng mà vng góc với đƣờng nối tâm với điểm Vị trí điểm mặt phẳng trái đất đƣợc xác định kinh độ vĩ độ thiên văn Hệ tọa độ lý phức tạp mà ngƣời ta khơng sử dụng hệ thống định vị Để đơn giản hệ tọa độ này, trái đất đƣợc xem nhƣ khơng phải hình cầu mà elíp xơit trịn xoay Ở nƣớc khác sử dụng mặt elíp xơit khác Ở Nga sử dụng dạng elíp xơit Kpacob Nửa trục lớn trục nhỏ a = 6378,245km b = 6357,863km Trong hệ tọa độ địa tâm vị trí điểm mặt phẳng đƣợc xác định tọa độ kinh - vĩ Vĩ độ điểm hệ tọa độ đƣợc xem góc phƣơng vng góc với elíp xốit điểm mặt phẳng xích đạo Vĩ độ trƣớc tính từ mặt phẳng xích đạo tới cực khoảng từ đến 90, với dấu Page9 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động (+) phía bắc dấu (-) phía nam Kinh độ điểm góc mặt phẳng kinh tuyến với mặt kinh tuyến điểm Trên đồ tơpơ đƣờng kinh tuyến hệ tọa độ địa tâm Hệ tọa độ có mơ tả toán học chặt chẽ, cho phép nhận đƣợc biểu thức giải tích xác định vị trí nguồn phát xạ đƣợc sử dụng hệ thống định vị tự động Trong hệ tọa độ địa tâm elíp xốit trịn xoay đƣợc thay hình cầu với bán kính 6371,11 km giảm đƣợc tính tốn định vị nguồn phát xạ Hệ tọa độ khác hệ tọa độ địa lý phƣơng pháp tính toán vĩ độ Việc đơn giản hoá hệ tọa độ xét dẫn tới việc sử dụng hệ tọa độ địa tâm (với tọa độ cầu bất kỳ) Trong hệ tọa độ mặt phẳng mặt phẳng vịng trịn lớn (xích đạo qui ƣớc - mặt phẳng chính) Khi vĩ độ  điểm mặt cầu góc mặt phẳng xích đạo tới hƣớng bắc khoang từ đến 90° (vĩ độ bắc) từ xích đạo tới phía nam khoảng từ đến -90° (vĩ độ nam) Một trục tọa độ khác đƣờng kinh tuyến qui ƣớc (kinh tuyến kinh tuyến gốc) Kinh độ  góc kinh tuyến mặt phẳng kinh tuyến qua điểm cần xác định Kinh độ thay đổi từ đến 180° Từ kinh tuyến tới phía đơng kinh độ đơng, tới phía tây kinh độ tây Vị trí điểm mặt phẳng (trên đồ) đƣợc xác định đại lƣợng tuyến tính – tọa độ vng góc Hệ tọa độ vng góc sử dụng Nga đƣợc xây dựng nhƣ sau: Elíp xơít trái đất đƣợc chia thành độ đƣờng kinh tuyến Các vùng đƣợc tính từ tây sang đơng kinh tuyến (kinh tuyến gốc) Trong vùng tọa độ xây dựng lƣới tọa độ Các đƣờng ngang bƣớc đƣợc kẻ song song với đƣờng xích đạo, đƣờng thẳng đứng song song với đƣờng kinh tuyến Vị trí điểm hệ tọa độ vng góc đƣợc đặc trƣng bởi: hồnh độ x tăng từ nam lên bắc tung độ y tăng từ tây sang đơng Giá tị hồnh độ X đồ gồm số ngun kilơmét tính từ đƣờng xích đạo tới đƣờng tọa độ qua phía nam điểm cần xác định số kilơmét từ đƣờng tới điểm bên góc vng Tung độ Y khoảng cách từ điểm cần xác Page10 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động - Nghiên cứu, phân tích phƣơng án phát mục tiêu đa thụ động, phƣơng pháp tính độ khác biệt thời gian (TDOA), số lƣợng nguyên tắc bố trí trạm thu - Đo tọa độ tính tốn cự li phát mục tiêu đa thụ động, nghiên cứu thuật toán giai đoạn giai đoạn - Nghiên cứu định hƣớng đo tọa độ mục tiêu hệ thống đa thụ động nhiều vị trí, thành phần hệ thống đa thụ động nhiều vị trí - Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến độ xác q trình định hƣớng đo tọa độ mục tiêu Phần luận văn thực tính tốn mơ trình định vị mục tiêu theo phƣơng pháp TDOA hệ thống đa thụ động nhiều vị trí, từ giúp có nhìn trực quan thực tế phƣơng pháp định vị Page77 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động CHƢƠNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU VÔ TUYẾN TRONG RAĐA THỤ ĐỘNG NHIỀU VỊ TRÍ THEO NGUN LÝ TDOA Mơ q trình định vị mục tiêu đa thụ động vị trí (bài tốn 2D) Nhƣ phân tích chƣơng 2, hệ thống rađa thụ động định vị mục tiêu phƣơng pháp hypecbol, trình định vị mục tiêu nhƣ sau: + Các trạm thu: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ mục tiêu phát truyền trung tâm xử lý với thông tin thời gian + Trung tâm xử lý: Có nhiệm vụ sau: - Thực phân loại tín hiệu, xác định tín hiệu mục tiêu phát - Tính tốn sai lệch thời gian tới tín hiệu từ mục tiêu đến trạm thu khác nhau, từ dùng phƣơng pháp hypecbol để định vị mục tiêu Trên thực tế hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí sử dụng số lƣợng trạm thu lớn phƣơng pháp định vị phức tạp Với mục đích mơ phƣơng pháp định vị hypecbol, phần em thực mô hoạt động định vị mục tiêu mặt phẳng sử dụng trạm thu Gồm có mơđun sau: +) trạm thu thụ động: Gồm có: trạm bên trái (LS: Left Station), trạm trung tâm (CS: Center Station), trạm bên phải (RS: Right Station), trạm cách có trạm trung tâm đặt gốc toạ độ, toạ độ trạm mặt phẳng là: CS (0,0), LS (-a,0), RS (a,0) + Mục tiêu: Mục tiêu chƣơng trình mơ hình máy bay chuyển động từ bên trái hình sang bên phải hình theo quỹ đạo tốc độ bay xác định trƣớc + Quá trình quan sát, phát định vị mục tiêu Page78 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Do độ phức tạp toán rađa thụ động nhiều vị trí mà bƣớc phát phân loại tín hiệu mục tiêu coi nhƣ đƣợc thực Chƣơng trình thực cơng việc sau: Tính tốn thời gian tới tín hiệu tới trạm rađa: thực tế thời gian tới tín hiệu đƣợc ghi lại, cịn chƣơng trình mơ tính tốn thời gian trễ tín hiệu q trình lan truyền từ mục tiêu tới trạm thu, thời gian trễ đƣợc tính tốn dựa cự ly từ vị trí mục tiêu đến trạm thu hình đồ hoạ chƣơng trình theo cơng thức sau:  tr  R c (3.1) Trong đó: R: cự ly từ mục tiêu đến trạm thu (đƣợc đo dựa vào vị trí điểm hình đồ hoạ chƣơng trình) c  3.10 (m / s ) - tốc độ ánh sáng (tốc độ truyền tín hiệu với tốc độ ánh sáng)  tr : thời gian trễ tín hiệu truyền từ mục tiêu đến trạm thu Nhƣ thời điểm xét, mục tiêu có toạ độ (x,y) thời gian trễ tín hiệu truyền từ mục tiêu đến trạm thu trái, trung tâm phải lần lƣợt là: L  C  ( x  a)  y RL  c c RC  c x2  y2 c (3.2) ( x  a)  y RR R   c c Sau có thơng tin thời gian trễ tín hiệu so với trạm thu, chƣơng trình thực việc tính tốn sai lệch thời gian tới tín hiệu từ mục tiêu từ trạm trái, trạm phải so với trạm trung tâm, từ lập đƣợc hệ phƣơng trình sau: Page79 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động tL   L  C  ( x  a)  y x2  y2  c c ( x  a)  y x2  y2 tR   R  C   c c (3.3) Đo đƣợc sai lệch thời gian t L , t R biết trƣớc khoảng cách trạm thu (biết a), ta hồn tồn giải đƣợc hệ phƣơng trình (3.3) để tìm đƣợc toạ độ xác mục tiêu (x,y) Ngồi để minh hoạ phƣơng pháp hypecbol, vào hiệu thời gian giữ chậm tín hiệu tới trạm thu chƣơng trình thực vẽ hypecbol tƣơng ứng Cụ thể sau tính đƣợc hiệu  L   C , cách vẽ tất điểm hình đồ hoạ có toạ độ (x,y) thoả mãn: ( x  a)  y  x  y  c( L   C ) (3.4) Vế trái phƣơng trình 3.4 hiệu khoảng cách từ điểm có toạ độ (x,y) tới trạm thu bên trái LS(-a,0) với trạm thu trung tâm CS(0,0), vế phải phƣơng trình 3.4 hiệu cự ly từ mục tiêu tới trạm thu bên trái trạm thu trung tâm tính đƣợc nhờ vào sai lệch thời gian tới tín hiệu Tập hợp điểm có toạ độ (x,y) thoả mãn phƣơng trình 3.4 tạo thành hypecbol có tiêu điểm trạm thu trung tâm trạm thu bên trái Chƣơng trình thực tìm tất điểm (x,y) hình đồ hoạ thoả mãn phƣơng trình 3.4 sau nối tất điểm với để vẽ đƣờng hypecbol Hồn tồn tƣơng tự sau tính đƣợc hiệu  R   C cách vẽ tất điểm có toạ độ (x,y) hình đồ hoạ có toạ độ thoả mãn: ( x  a)  y  x  y  c( R   C ) (3.5) Và nối tất điểm hình thoả mãn phƣơng trình (3.5) ta nhận đƣợc hypecbol có tiêu điểm trạm thu trung tâm trạm thu bên phải Do mục tiêu luôn chuyển động nên giá trị thời gian giữ chậm thay đổi hypecbol ln thay đổi, nhƣng giao điểm hypecbol trùng với toạ độ mục tiêu Page80 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Chƣơng trình mơ đƣợc viết ngơn ngữ Visual C#, giao diện chƣơng trình mơ chạy nhƣ sau: Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình mơ trình định vị mục tiêu sử dụng trạm thu Mơ q trình định vị mục tiêu đa thụ động nhiều vị trí ( tốn 3D ) Tính tốn: Vấn đề trƣớc tiên tính tốn khoảng cách hai điểm R  ( x2  x1 )  ( y  y1 )  ( z  z1 ) (3.6) Khoảng cách mục tiêu trạm thu đƣợc xác định gián thời gian truyền tín hiệu từ trạm thu đến mục tiêu Ta cần tính tốn giá trị tọa độ chƣa biết x, y, z mục tiêu Do đó, biểu thức (1) đƣợc mở rộng thành biểu thức vị trí trạm thu i, j, k đƣợc xác định ct i  Ri  ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z ) ct j  R j  ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z ) ct k  Rk  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z ) (3.7) (3.8) (3.9) Trong đó, xi, yi, zi, xj, yj, zj xk, yk, zk vị trí trạm thu i, j, k tƣơng ứng vị trí thay đổi theo thời gian Page81 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Việc giải phƣơng trình cho biến khơng có lời giải thỏa mãn có chứa bậc Một giải pháp đơn giản đƣa thêm trạm thu l, từ nhận thêm biểu thức Thêm vào đó, độ xác tọa độ mục tiêu đƣợc cải thiện biểu thức đƣợc sử dụng Bốn phƣơng trình đƣợc kết hợp để hình thành biểu thức hiệu khoảng cách Rij, Rik, Rkj Rkl Ri  R j  Rij  ( xi  x )  ( yi  y )  ( zi  z )  ( x j  x )  ( y j  y )  ( z j  z ) (3.10) Ri  Rk  Rik  ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z ) (3.11) Rk  R j  Rkj  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z ) Rk  Rl  Rkl  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  ( xl  x)  ( yl  y)  ( zl  z ) (3.12) (3.13) Chuyển vế số hạng bậc 2: Rij  ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )   ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z ) Rik  ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )   ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z ) (3.14) (3.15) Rkj  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )   ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z ) Rkl  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )   ( xl  x)  ( yl  y)  ( zl  z ) Bình phƣơng vế phƣơng trình: Rij2  2Rij ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )  ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )   ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z) (3.18) Rik2  2Rik ( xi  x)  ( yi  y)  ( zi  z )  ( xi  x)  ( yi  y)  ( zi  z )   ( x k  x)  ( y k  y )  ( z k  z ) (3.19) Rkj2  2Rkj ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )   ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z) (3.20) Rkl2  2Rkl ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  Page82 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 (3.16) (3.17) Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động  ( xl  x )  ( y l  y )  ( z l  z ) (3.21) Khai triển số hạng bình phƣơng: Rij2  Rij ( xi  x )  ( yi  y )2  ( zi  z )2  xi2  xi x  x  yi2  yi y  y  zi2  zi z  z   x 2j  2x j x  x  y 2j  y j y  y  z 2j  2z j z  z (3.22) Rik2  2Rik ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )  xi2  xi x  x  yi2  yi y  y  z i2  z i z  z   x k2  x k x  x  y k2  y k y  y  z k2  z k z  z (3.23) Rkj2  2Rkj ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  xk2  xk x  x  y k2  y k y  y  z k2  z k z  z   x 2j  2x j x  x  y 2j  y j y  y  z 2j  2z j z  z (3.24) Rkl2  2Rkl ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  xk2  xk x  x  y k2  y k y  y  z k2  z k z  z   xl2  xl x  x  y l2  y l y  y  z l2  z l z  z (3.25) Triệt tiêu x2, y2, z2 vế: Rij2  2Rij ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )  xi2  xi x  yi2  yi y  z i2  z i z   x 2j  2x j x  y 2j  y j y  z 2j  2z j z (3.26) Rik2  2Rik ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )  xi2  xi x  yi2  yi y  z i2  z i z   x k2  x k x  y k2  y k y  z k2  z k z (3.27) Rkj2  2Rkj ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  xk2  xk x  y k2  y k y  z k2  z k z   x 2j  2x j x  y 2j  y j y  z 2j  2z j z (3.28) Rkl2  2Rkl ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z )  xk2  xk x  y k2  y k y  z k2  z k z   xl2  xl x  y l2  y l y  z l2  z l z (3.29) Chuyển vế số hạng sang phải nhóm số hạng giống nhau: ( xi  x)  ( y i  y )  ( z i  z )   [Rij2  xi2  x 2j  yi2  y 2j  zi2  z 2j  2x j x  2xi x  y j y  yi y  2z j z  2zi z] / 2Rij (3.30) ( xi  x)  ( y i  y )  ( z i  z )   [ Rik2  xi2  x k2  y i2  y k2  z i2  z k2  x k x  xi x  y k y  y i y  z k z  z i z ] / Rik Page83 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 (3.31) Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động ( x k  x)  ( y k  y )  ( z k  z )   [Rkj2  xk2  x 2j  yk2  y 2j  z k2  z 2j  2x j x  2xk x  y j y  yk y  2z j z  2z k z] / 2Rkj (3.32) ( x k  x)  ( y k  y )  ( z k  z )   [ Rkl2  x k2  xl2  y k2  y l2  z k2  z l2  xl x  x k x  y l y  y k y  z l z  z k z ] / Rkl (3.33) Đặt xji = xj – xi, yji = yj – yi, nhận đƣợc: ( xi  x)  ( y i  y )  ( z i  z )   [ Rij2  xi2  x 2j  yi2  y 2j  zi2  z 2j  2x ji x  y ji y  2z ji z] / 2Rij (3.34) ( xi  x)  ( y i  y )  ( z i  z )   [ Rik2  xi2  x k2  y i2  y k2  z i2  z k2  x ki x  y ki y  z ki z ] / Rik (3.35) ( x k  x)  ( y k  y )  ( z k  z )   [Rkj2  xk2  x 2j  yk2  y 2j  z k2  z 2j  2x jk x  y jk y  2z jk z] / 2Rkj (3.36) ( x k  x)  ( y k  y )  ( z k  z )   [ Rkl2  x k2  xl2  y k2  y l2  z k2  z l2  xlk x  y lk y  z lk z ] / Rkl (3.37) Các phƣơng trình (3.10)–(3.13) đƣợc biến đổi thành dạng thuận tiện Các phƣơng trình (3.34)–(3.37) bình phƣơng hyperbol giao Thay (3.34) vào (3.35), ta nhận đƣợc phƣơng trình tuyến tính có dạng y = Ax + By + C [Rij2  xi2  x 2j  yi2  y 2j  zi2  z 2j  2x ji x  y ji y  2z ji z] / 2Rij   [ Rik2  xi2  x k2  y i2  y k2  z i2  z k2  x ki x  y ki y  z ki z ] / Rik (3.38) Rik [Rij2  xi2  x 2j  yi2  y 2j  zi2  z 2j ] /  Rij [Rik2  xi2  xk2  yi2  yk2  zi2  z k2 ] /   Rij [ x ki x  y ki y  z ki z ]  Rik [ x ji x  y ji y  z ji z ] (3.39) x[ Rij x ki  Rik x ji ]  y[ Rij y ki  Rik y ji ]  z[ Rij z ki  Rik z ji ]   Rik [Rij2  xi2  x 2j  yi2  y 2j  zi2  z 2j ] /  Rij [Rik2  xi2  xk2  yi2  yk2  zi2  z k2 ] / Phƣơng trình (3.40) phƣơng trình tuyến tính có dạng: y  Ax  Bz  C (3.41) Page84 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 (3.40) Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Ở đây:  Rik x ji  Rij x ki  A   Rij y ki  Rik y ji  (3.42)  Rik z ji  Rij z ki  B   Rij y ki  Rik y ji  (3.43) C Rik [ Rij2  xi2  x 2j  yi2  y 2j  z i2  z 2j ]  Rij [ Rik2  xi2  xk2  yi2  y k2  z i2  z k2 ] 2[ Rij y ki  Rik y ji ] (3.44) Tƣơng tƣ, thay phƣơng trình (3.36) vào (3.37) nhận đƣợc phƣơng trình tuyến tính có dạng: y  Dx  Ez  F  Rkl x jk  Rkj xlk D  Rkj y lk  Rkl y jk (3.45)    (3.46)  Rkl z jk  Rkj z lk  E   Rkj y lk  Rkl y jk  (3.47) F Rkl [ Rkj2  xk2  x 2j  y k2  y 2j  z k2  z 2j ]  Rkj [ Rkl2  xk2  xl2  y k2  yl2  z k2  z l2 ] 2[ Rkj ylk  Rkl y jk ] (3.48) Thay (3.41) vào phƣơng trình (3.45), nhận đƣợc phƣơng trình x theo biến z: Ax  Bz  F  Dx  Ez  F (3.49) x  Gz  H (3.50) EB A D (3.51) F C A D (3.52) G H Thay (3.50) vào (3.41), nhận đƣợc phƣơng trình tuyến tính y theo biến z: y  A(Gz  H )  Bz  C (3.53) y  Iz  J (3.54) I  AG  B (3.55) Page85 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động J  AH  C (3.56) Thay (3.50) (3.54) vào phƣơng trình (3.35), nhận đƣợc phƣơng trình cho biến z: 2Rik ( xi  (Gz  H ))  ( yi  ( Iz  J ))  ( z i  z )   [ Rik2  xi2  x k2  y i2  y k2  z i2  z k2  x ki (Gz  H )  y ki ( Iz  J )  z ki z ] (3.57) 2Rik G z  2Gz( xi  H )  ( xi  H )  I z  2Iz( yi  J )  ( yi  J )  z  zi z  zi2   Lz  K (3.58) Trong đó: K  Rik2  xi2  x k2  y i2  y k2  z i2  z k2  x ki H  y ki J (3.59) L  2[ x kiG  y ki I  z ki ] (3.60) Rik2 (G z  I z  z  2Gz ( xi  H )  Iz ( y i  J )  z i z  ( xi  H )  ( y i  J )  z i2 )   L2 z  2KLz  K (3.61) Rik2 [G  I  1]z  Rik2 [G ( xi  H )  I ( y i  J )  z i ]z  Rik2 [( xi  H )  ( y i  J )  z i2 ]   L2 z  2KLz  K (3.62) Biến đổi (3.62) dạng phƣơng trình bậc 2: Mz  Nz  O  (3.63) với: M  Rik2 [G  I  1]  L2 (3.64) N  8Rik2 [G ( xi  H )  I ( y i  J )  z i ]  KL (3.65) O  Rik2 [( xi  H )  ( y i  J )  z i2 ]  K (3.66) Giá trị z là: N O  N  z     2M M  2M  (3.67) Tọa độ z đƣợc thay vào phƣơng trình (3.50) (3.54) nhận đƣợc tọa độ x y Page86 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Sai số mục tiêu vùng tới hạn: Khi mục tiêu vùng tới hạn (vùng gần trạm thu nằm phía đối diện so với trạm cịn lại) Khi khơng tồn hyperbol thỏa mãn giá trị hiệu khoảng cách Đồng thời khoảng cách từ trạm thu i tới mục tiêu nhỏ dễ dẫn đến sai số Do đó, phƣơng pháp hiệu khoảng cách xét mục tiêu khơng có ý nghĩa Khi đó, sai số lớn (xét mục tiêu gần trạm thu i): [ ( xi  x)  ( yi  y)  ( z i  z )  ( x j  x)  ( y j  y)  ( z j  z ) ]  Rˆ ij [ ( xi  x)  ( yi  y)  ( zi  z )  ( xk  x)  ( y k  y)  ( z k  z ) ]  Rˆ ik (với Rˆ ij Rˆ ik , giá trị đo thực tế) Khi đó, khơng nên đƣa thơng tin trạm thu gần mục tiêu vào tính tốn Ta phải thay trạm thu khác Bài tốn mơ đƣợc thiết lập nhƣ sau: - Nền đồ đƣợc lấy từ sở liệu đồ google map, em lấy đồ khu vực đại học bách khoa hà nội - Thiết lập trạm thu vị trí ( tọa độ) đƣợc xác định trƣớc - Tạo đƣờng bay cho mục tiêu: q trình mơ đƣờng bay( hành lang bay) đƣợc tạo trƣớc Tại điểm đƣờng bay ta tính tốn khoảng cách đến điểm thu dùng thuật toán TDOA để đƣa kết tọa độ mục tiêu Khi mục tiêu di chuyển đến đâu hình theo đƣờng bay tạo chƣơng trình xác định tọa độ mục tiêu điểm đó( kinh độ, vĩ độ, độ cao) Nếu mục tiêu di chuyển đƣờng bay vẽ chứng tỏ thuật tốn TDOA ta Nếu mục tiêu di chuyển không đƣờng bay ban đầu, chứng tỏ thuật tốn TDOA có sai số Chƣơng trình mơ đƣợc viết ngơn ngữ Visual C++, giao diện chƣơng trình mơ chạy nhƣ sau: Page87 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Hình 3.2 Giao diện chƣơng trình mơ q trình định vị mục tiêu sử dụng nhiều trạm thu Kết luận chƣơng Trong chƣơng ba, luận văn thực nội dung sau: -Tính tốn, tạo chƣơng trình mơ kỹ thuật định vị TDOA với máy thu ( toán 2D) giúp cho có nhìn trực quan hơn, cụ thể kỹ thuật định vị TDOA -Tính tốn, tạo chƣơng trình mơ cho hệ thống đa thụ động nhiều vị trí (bài tốn 3D) sử dụng kỹ thuật định vị TDOA, giúp kiểm chứng thuật tốn TDOA có nhìn thực tế việc xác định tọa độ mục tiêu bay hệ thống đa thụ động Page88 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN Những kết đạt đƣợc: Hiện kỹ thuật định vị TDOA đƣợc sử dụng nhiều quân sự, đặc biệt hệ thống đa thụ động Chính qua thời gian nghiên cứu đề tài “ Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống đa thụ động” đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo hƣớng dẫn, giúp đỡ thầy cô khoa, luận văn em hoàn thành đạt đƣợc số kết sau: - Nghiên cứu phƣơng pháp định hƣớng mục tiêu vô tuyến - Đi sâu nghiên cứu, phân tích kỹ thuật định vị TDOA bao gồm: sở toán học, giải toán với máy thu máy thu - Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến kết định vị mục tiêu từ làm sở cho trình triển khai hệ thống định vị thực tế - Nghiên cứu hệ thống đa thụ động việc ứng dụng kỹ thuật định vị TDOA hệ thống - Tiến hành mơ q trình định vị mục tiêu vơ tuyến với tốn máy thu (2D) toán nhiều máy thu (3D) từ giúp cho có nhìn trực quan thực tế phƣơng pháp định vị TDOA Hƣớng phát triển luận văn: Về bản, kết đạt đuợc đề tài đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ban đầu việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển luận văn có ý nghĩa thực tế khơng lĩnh vực quân mà lĩnh vực dân - Tiếp tục nghiên cứu việc ứng dụng kỹ thuật định vị việc định vị thuê bao di động, tần số vô tuyến không cho phép dựa hệ thống trạm BTS (Base Tranceiver Station) sẵn có Các BTS đóng vai trị nhƣ trạm cảm biến để phân tách tín hiệu tính tốn khác biệt thời gian đến nguồn phát xạ đến trạm BTS cách tích hợp thêm thiết bị LMUs (Location Measument Units) Các số liệu sau đƣợc truyền trung tâm để tính tốn xác định vị trí nguồn phát xạ Page89 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động - Trong thời gian tới số đơn vị qn đội: Viện kỹ thuật - Phịng khơng - Không quân, Viện đa, Cục Tác chiến điện tử triển khai thử nghiệm đề tài nghiên cứu chế thử mẫu trạm đa thụ động, hội tốt cho thân em tham gia đề tài ứng dụng nghiên cứu luận văn vào thực tiễn Do thời gian kiến thức cịn hạn chế nên q trình thực nội dung luận văn tránh khởi thiếu sót, kính mong đƣợc đóng góp thầy giáo để luận văn em đƣợc hoàn thiện Page90 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống rađa thụ động Tài liệu tham khảo Tiếng việt Nguyễn Văn Hậu (2009), Sự ảnh hƣởng vị trí hình học trạm thu đến sai số đo tọa độ mục tiêu hệ thống đa thụ động làm việc theo nguyên lý TDOA, Học viện KTQS, Hà Nội Nguyễn Thu Phong (2005), Cơ sở lý thuyết đa thụ động, Viện KHCNQS, Hà Nội Hoàng Thọ Tu (2005), Cơ sở xây dựng đài đa cảnh giới, Học viện KTQS, Hà Nội Tiếng Anh Huai-Jing Du and Jim P.Y Lee (2004), Simulation of Multi-Platform Geolocation using a Hybrid TDOA/AOA Method, Defence R&D Canada – Ottawa Muhammad Aatique (1997), Evaluation of TDOA techniques for position location in CDMA systems, The Virginia Polytechnic Institute and State University Rahman I Reza (2000), Data Fusion For Improved TOA/TDOA Position Determination in Wireless Systems, The Virginia Polytechnic Institute and State University Page91 Nguyễn Tiến Thành – CB130617 .. .Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống ra? ?a thụ động B ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TDOA TRONG HỆ THỐNG RA? ?A THỤ ĐỘNG .41 I KHÁI NIỆM CHUNG .41 Khái niệm chung ra? ?a thụ động. .. CB130617 Kỹ thuật định vị TDOA ứng dụng hệ thống ra? ?a thụ động MƠ PHỎNG Q TRÌNH ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU VÔ TUYẾN TRONG RA? ?A THỤ ĐỘNG NHIỀU VỊ TRÍ THEO NGUYÊN LÝ TDOA 78 Mơ q trình định vị mục tiêu đa thụ. .. ra? ?a thụ động nhiều vị trí Đƣợc phát triển từ ra? ?a thụ động, hệ thống ra? ?a thụ động nhiều vị trí với ƣu điểm trở thành hƣớng phát triển mạnh kĩ thuật ra? ?a Xu hƣớng sử dụng hệ thống ra? ?a thụ động