Khảo sát sai số định vị mục tiêu trong sonar thụ động sử dụng phương pháp tam giác

Bài viết khảo sát sai số định vị nguồn thủy âm sử dụng phương pháp tam giác trong sonar thụ động. Trong phương pháp tam giác, sai số định vị phụ thuộc rất nhiều vào sai số đo góc DOA. Vì vậy, nhóm tác giả của bài báo đã thực hiện đo khảo sát sai số góc DOA trong môi trường bể thí nghiệm thủy âm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khảo sát sai số định vị mục tiêu trong sonar thụ động sử dụng phương pháp tam giácKỹ thuật điều khiển & Điện tử KHẢO SÁT SAI SỐ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU TRONG SONAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAM GIÁC Đoàn Văn Sáng1, Trần Quý Dân1, Trần Công Tráng1*, Trần Văn Hùng2, Nguyễn Thanh Hùng1 Tóm tắt: Bài báo khảo sát sai số định vị nguồn thủy âm sử dụng phương pháp tam giác trong sonar thụ động. Trong phương pháp tam giác, sai số định vị phụ thuộc rất nhiều vào sai số đo góc DOA. Vì vậy, nhóm tác giả của bài báo đã thực hiện đo khảo sát sai số góc DOA trong môi trường bể thí nghiệm thủy âm. Góc DOA của tín hiệu được xác định dựa vào đo độ trễ thời gian của sóng âm thu được ở hai anten thu thụ động. Hàm tương quan kết hợp với bộ lọc tần số có băng thông 4 kHz được sử dụng để cải thiện độ chính xác khi đo độ lệch thời gian. Đo khảo sát nhận được kết quả với độ chính xác ước lượng góc DOA và định vị nguồn phát tương đối cao. Cụ thể, sai số đo góc DOA là 0,5o. Vị trí của nguồn phát được xác định với sai số tuyệt đối không quá 5 cm theo trục x và 9 cm theo trục y.Từ khóa: Sonar thụ động, Phương pháp tam giác, Góc DOA, Độ lệch thời gian, Sai số đo góc. 1. MỞ ĐẦU Sonar thụ động đóng một vai trò vô cùng quan trọng trên các tàu chiến đấu của Hảiquân; đặc biệt là trên tàu ngầm do có ưu việt về tính bí mật khi hoạt động. Có nhiều thuậttoán định vị mục tiêu được áp dụng trong sonar thụ động, điển hình như: phương pháp tamgiác, phương pháp hyperbol, ...[1]. Mỗi phương pháp được áp dụng cho các thiết bị vàđiều kiện đo cụ thể. Phương pháp tam giác phù hợp cho việc xác định đa mục tiêu, sửdụng tối thiểu hai trạm thu đặt cách nhau một khoảng cách nhất định [2]; phương pháphyperbol cho độ chính xác cao hơn, nhưng cần tối thiểu ba trạm thu đặt cách nhau hàngkilomet, yêu cầu cao về độ chính xác đo thời gian, không phụ thuộc vào dải tần sóng đến,khó áp dụng với tín hiệu liên tục [3]. Về nguyên lý, phương pháp tam giác cho phép xác định tọa độ đỉnh của một tam giáckhi biết trước tọa độ hai đỉnh còn lại và độ dài cạnh đối diện của đỉnh cần tìm. Như vậytrong lĩnh vực sonar thụ động, để định vị được nguồn thủy âm cần phải có tối thiểu haimáy thu đặt cách nhau một khoảng đã biết. Các máy thu có nhiệm vụ xác định góc hướngđến DOA (Direction Of Arrival) của tín hiệu từ nguồn phát. Đến nay, đã có nhiều nghiêncứu và ứng dụng phương pháp tam giác vào các hệ thống sonar và radar. Năm 2006, mộthệ thống ước lượng khoảng cách nguồn tín hiệu dưới nước được phát triển bởi tác giảTurgut; hệ thống này sử dụng hai máy thu đặt tại hai điểm tách biệt; từ việc ước lượng gócDOA bằng độ rộng cánh sóng kết hợp với phương pháp tam giác mà hệ thống có thể xácđịnh được vị trí nguồn phát [4]. Trong một nghiên cứu khác, kỹ thuật xác định vị trí nguồntín hiệu thủy âm trong không gian ba chiều sử dụng 5 phần tử được đề xuất và đăng kýbằng sáng chế [5]; hệ thống này cũng sử dụng phương pháp tam giác để định vị mục tiêu,và sử dụng búp sóng để ước lượng góc đến của tín hiệu. Hai hệ thống vừa nêu có hạn chếvề độ chính xác, bởi vì chúng đều dùng giản đồ cánh sóng thu để xác định góc DOA. Songsong với phương pháp ước lượng góc DOA bằng cánh sóng còn có các phương pháp ướclượng bằng việc đo độ lệch pha (PD – Phase Difference) hoặc độ lệch thời gian đến(TDOA - Time Difference Of Arrival). Bằng việc áp dụng đo TDOA của sóng đến từ cácanten mà José và cộng sự đã thiết kế mô hình đo thực nghiệm cho hệ thống định vị nguồntín hiệu thủy âm [6]; hệ thống này cho kết quả định vị mục tiêu với sai số 1,5 m.58 Đ. V. Sáng, …, N. T. Hùng, “Khảo sát sai số định vị mục tiêu … phương pháp tam giác.”Nghiên cứu khoa học công nghệ Mục đích của bài báo là khảo sát sai số định vị nguồn thủy âm sử dụng phương pháptam giác trong sonar thụ động. Sai số định vị phụ thuộc rất nhiều vào sai số đo góc DOA.Vì vậy, nhóm tác giả của bài viết đã thực hiện đo kiểm chứng sai số góc DOA trong môitrường bể thí nghiệm thủy âm. Góc DOA của tín hiệu được xác định dựa vào đo độ trễ thờigian của sóng âm thu được từ hai anten thu thụ động. Hàm tương quan kết hợp với bộ lọctần số có băng thông 4 kHz được sử dụng để nâng cao độ chính xác của TDOA. 2. MÔ HÌNH ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAM GIÁC 2.1. Mô hình chung Để định vị được nguồn phát thủy âm bằng phương pháp tam giác, cần tối thiểu haitrạm thu tín hiệu đặt cách nhau một khoảng cách d nhất định, d được gọi là đường cơ sở,đơn vị [m]. Giả thiết rằng, có hai trạm thu thủy âm đã biết tọa độ đặt cách nhau mộtkhoảng d. Để đơn giản hóa bài toán, có thể đưa trạm 1 về gốc tọa độ, ký hiệu T1(0, 0),trạm 2 nằm trên trục hoành có tọa độ T2(d, 0). Nguồn phát tín hiệu thủy âm có tọa độ N(x,y), ở đây tọa độ x, y là giá trị cần phải tìm. Các đơn vị đo độ dài đều tính bằng mét. Bàitoán được mô hình hóa như trên hìn ...