Thuật toán tối ưu hóa phân bố vị trí trạm thu của hệ thống ra đa thụ động sử dụng nguyên lý TDOA

Bài báo trình bày phân bố N vị trí trạm thu trong hệ thống rađa thụ động TDOA, đồng thời phân tích ảnh hưởng của nó tới độ chính xác định vị mục tiêu trong không gian hai chiều. Trên cơ sở đó đề xuất thuật toán tối ưu hóa phân bố vị trí trạm thu và lựa chọn tiêu chuẩn cho quá trình tối ưu hóa một cách thích hợp có kiểm chứng với dữ liệu của hệ thống rađa TDOA thực.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thuật toán tối ưu hóa phân bố vị trí trạm thu của hệ thống ra đa thụ động sử dụng nguyên lý TDOA Nghiên cứu khoa học công nghệ THUËT TO¸N TèI ­U HãA PH©N Bè VÞ TRÝ TR¹M THU CñA HÖ Thèng RA®A THô ®éng Sö DôNG NGUYªN Lý TDOA PHẠM QUYẾT THẮNG*, NGUYỄN ĐỨC MINH**, TRẦN VŨ HỢP***, TRẦN PHÚ NINH**** Tóm tắt: Bài báo trình bày phân bố N vị trí trạm thu trong hệ thống rađa thụ động TDOA, đồng thời phân tích ảnh hưởng của nó tới độ chính xác định vị mục tiêu trong không gian hai chiều. Trên cơ sở đó đề xuất thuật toán tối ưu hóa phân bố vị trí trạm thu và lựa chọn tiêu chuẩn cho quá trình tối ưu hóa một cách thích hợp có kiểm chứng với dữ liệu của hệ thống rađa TDOA thực. Từ khóa: Rađa thụ động, Thuật toán định vị, Sai số, Sai số định vị, TDOA 1. GIỚI THIỆU Hệ thống rađa thụ động TDOA được ứng dụng rộng rãi trong quân sự cũng như dân sự. Định vị theo nguyên lý TDOA là một nội dung lớn được chỉ ra trong các công trình [1][2][3][4]. Vấn đề tối ưu hóa bố trí các trạm thu và thuật toán xử lý TDOA đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu là những nội dung quan trọng được đề cấp đến trong [1][2][4] tuy nhiên vẫn chưa được giải quyết trọn vẹn, nhất là với điều kiện địa hình phức tạp ở Việt Nam. Bài báo này mô tả thuật toán định vị, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác định vị và đề xuất một thuật toán tối ưu hóa bố trí các trạm thu nhằm nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu. Thuật toán này được thực hiện phép lặp tính chỉ tiêu sai số dựa trên các tập hợp (mẫu) vị trí các trạm thu được “gieo” ngẫu nhiên bằng phương thức “Monte-Carlo” [5]. 2. MÔ TẢ BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ Mô hình hệ thống định vị mục tiêu theo nguyên lý TDOA như sau [1] [4]: - Mục tiêu được đặc trưng bởi vec-tơ tọa độ vị trí ba chiều Rt = [xt, yt, zt] trong hệ tọa độ Đê-cac {x, y, z} và vận tốc mục tiêu ; - Hệ thống rađa thụ động tổng quát N trạm thu được đặc trưng bởi vec-tơ vị trí của trạm thu thứ i: Ri = [xi, yi, zi], trong đó, i = 1.. N;∆ ( , ) là thờigian trễ của tín hiệu thu được tại trạm thứ i. Định vị mục tiêu có thể xem là quá trình ước lượng (do có nhiễu trong tín hiệu thu được và các yếu tố ngẫu nhiên khác) vec-tơ tọa độ vị trí R∗ dựa trên những giá trị tọa độ trạm thu đã biết R1…Rk, và sai lệch thời gian tới của tín hiệu đến các trạm thu theo hệ phương trình sau. ‖ − ‖ ‖ − ‖ = − = − ⋮ (1) ‖ − ‖ ‖ − ‖ = − = − Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 37  Ra đa z [ , , ] [ , , ] =‖ − ‖ [ , , ] [ , , ] [0,0] y [ , , ] x Hình 1. Phân bố trạm thu hệ thống rađa thụ động N vị trí. 3. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG PHÂN BỐ VỊ TRÍ CÁC TRẠM THU THỤ ĐỘNG ĐẾN SAI SỐ ĐỊNH VỊ Khoảng không gian phát hiện và định vị mục tiêu [6] được mô tả như hình 2. Theo nguyên tắc hoạt động thì điều kiện để một nguồn phát xạ có thể được phát hiện và định vị là nó phải nằm trong vùng quan sát chung của ít nhất 3 trạm thu có liên kết thông tin với nhau [1][4].Khi chọn vị trí các trạm thu cho hệ thống định vị TDOA thì điều kiện trên phải được thỏa mãn. Hình2. Ví dụ về không gian bám và khả năng phát hiện mục tiêu. Định vị theo nguyên lý TDOA về bản chất là tìm giao điểm các đường (mặt) hypecbol nên còn được gọi là định vị theo phương pháp hypecbolic. Độ cong các đường (mặt) hypecbol không cố định nên sai số xác định giao điểm cũng không là hằng số. Sự phân bố vị trí các trạm thu, do đó, ảnh hưởng đáng kể đến sai số định vị [6]. Hơn nữa, khi bổ sung thêm một trạm thu vào hệ thống thì sẽ tạo nên trường quan sát mới cho hệ thống và sẽ làm cho sai số định vị thay đổi. Sai số xác định thời gian tới của tín hiệu cần phát hiện στ gây ra bởi tham số kỹ thuật của hệ thống thu và đo, tham số tín hiệu cần phát hiện (các sườn xung trước, sau và 38 P. Q. Thắng, N. Đ.Minh,T.V.Hợp, N.P.Ninh “Thuật toán tối ứu hóa phân bố... TDOA.” Nghiên cứu khoa học công nghệ độ ổn định của chúng) và các tham số đường truyền sóng trong môi trường bất đồng nhất (khí quyển) như hệ số khúc xạ, tán xạ,... Hoạt động thực tế của các hệ thống TDOA chỉ ra rằng sai số này có thể được chia thành hai thành phần: sai số hệ thống στ,S và sai số ngẫu nhiên στ,N: σ = σ , + σ , . Theo [6] sai số định vị trong mặt phẳng hai chiều (XOY): σ = σ2 + σ2 = f(x, y) (2) Từ (2) ta thấy σ phụ thuộc vào sai số đo tọa độ x và y của mục tiêu. Do đó, với một sai số = , sẽ vẽ được một đường cong trên mặt phẳng XOY. Tập hợp các đường cong ứng với các giá trị σ khác nhau sẽ tạo thành họ đường cong sai số đo tọa độ của mục tiêu trong mặt phẳng hai chiều. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của việc phân bố vị trí các trạm thu của hệ thống, hãng ERA đã bố trí hệ thống Vera-NG theo cấu hình 3D gồm bốn trạm thu (trạm trung tâm và ba trạm bên) với các đường truyền tốc độ cao để kết nối các trạm bên với trạm trung tâm. Bốn trạm thu của phiên bản 3D được đặt ở bốn vị trí thích hợp với các tọa độ đã biết trên thực địa. Khoảng ...