CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỊNH VỊ ĐÀI PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN Chương này giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật định hướng và định vị đài phát vô tuyến điện phổ biến hiện nay trên thế giới và cũng như ở Việt Nam. Định hướng phát xạ vô tuyến điện: là việc xác định hướng tới (góc phương vị) của phát xạ so với hướng tham chiếu. Mục đích của việc định hướng phát xạ vô tuyến điện: Thu thập thông tin giúp tìm ra các nguồn phát xạ đang quan tâm (nguồn phát xạ gây nhiễu, nguồn phát xạ trái phép, nguồn phát xạ đang cần kiểm chứng …). Các kỹ thuật định hướng phát xạ vô tuyến điện gồm AOA, giao thoa pha, giao thoa pha tương quan, Doppler và Pesudo Doppler [4], [12].
Định vị phát xạ vô tuyến điện: là việc xác định vị trí của một nguồn phát xạ vô tuyến điện. Các kỹ thuật định vị phát xạ vô tuyến điện gồm kỹ thuật định vị sử dụng phương pháp giao nhau của hai hoặc nhiều tia định hướng hay góc tới AOA của phát xạ; phương pháp định vị trạm đơn SSL; các kỹ thuật định vị tiên tiến như TDOA, FDOA, POA, FDOA/TDOA kết hợp [12], [4], [13]. Kỹ thuật định hướng AOA Định hướng góc tới (AOA) là một phương pháp truyền thống và phổ biến để định đài phát bằng cách xác định hướng lan truyền của sóng tới trên các chấn tử ăng ten định hướng trong các tình huống khác nhau. Có nhiều kỹ thuật để tìm góc tới, chẳng hạn như giao thoa pha, giao thoa pha tương quan.
Để xác định vị đài phát, cần kết hợp các kết quả từ hai hoặc nhiều trạm định hướng khác nhau. - Một phương pháp đơn giản để xác định góc tới của phát xạ (AOA) là sử dụng ăng ten quay. Phương hướng khác nhau. Một hệ thống tự động sẽ gồm một bộ điều khiển ăng ten quay và máy thu sẽ giúp ta thu được đồ thị về mức theo góc phương vị của ăng ten.
- Để cải thiện kết quả định hướng, người ta có thể sử dụng hai ăng ten giống nhau lắp trên cùng một trục quay, sau đó dùng tổng hoặc giá trị tuyệt đối của hiệu hai Luan van 4 mức tín hiệu thu được từ hai ăng ten. Phương pháp dùng tổng có độ nhạy cao hơn, còn phương pháp dùng hiệu có độ chính xác về định hướng tốt hơn.1 thể hiện phương pháp định hướng sử dụng ăng ten quay. Trong đó hình (a) là trường hợp sử dụng tổng mức thu, hình (b) là trường hợp sử dụng giá trị tuyệt đối của hiệu hai mức thu, hình (c) là thể hiện giản đồ ăng ten trên bản đồ thực tế. - Ưu điểm là có thể giúp định hướng khi có nhiều đài phát đồng kênh và định hướng được cả tín hiệu phân cực đứng và phân cực ngang.
-Nhược điểm là không định hướng được các tín hiệu có thời gian tồn tại ngắn. các tín hiệu có mức biên thiên; Không phù hợp với dải tần thấp dưới 80MHz do kích thước vật lý của ăng ten sẽ lớn. Định hướng sử dụng ăng ten quay Spectrum-4. Kỹ thuật định hướng giao thoa pha Phương pháp giao thoa pha như một phương tiện để đo góc phương vị LoB tức thời, rất chính xác.
Hệ thống này sử dụng phép đo pha giữa ít nhất hai ăng-ten độc lập. Yếu tố quan trọng của hệ thống loại này là bộ tách pha, trả về ước tính độ trễ pha giữa hai tín hiệu nhận được. Sử dụng độ trễ này, góc tới tín hiệu có thể được ước tính. Có thể sử dụng kết hợp 3, 4, 5 ăng-ten hoặc nhiều hơn để được góc nhìn 360 ° mà không cần xoay ăng-ten.
Cấu hình tam giác hữu ích với dải tần định hướng dưới 30 MHz, ở dải tần số cao hơn, các mảng hình tròn được ưu tiên hơn. Hệ thống nhận đa kênh và chuyển mạch ăng-ten đã được sử dụng thành công như một phương tiện đo đầu vào từ một số ăng-ten.2 cho thấy sự lệch pha khi một mặt sóng tới đến với góc θ trên hai ăng ten, cách nhau một khoảng “d” và Bảng 1. Đặc điểm kỹ thuật giao thoa pha [4] Luan van 5 Hình 1. Nguyên lý giao thoa pha Bảng 1.
Đặc điểm kỹ thuật giao thoa pha Phép đo bộ anten Các phép đo sai khác pha giữa một tập hợp con của các cặp ăng-ten định hướng có thể có trong bộ ăng-ten Chuyển đổi kết Góc định hướng được tính toán bằng cách kết hợp thông tin về bộ quả đo sang giá trị ăng-ten với các phép đo sai pha thu được đối với các cặp ăng-ten góc định hướng trong bộ. Các phép đo pha cho một cặp cụ thể có thể được sử dụng để tính toán góc tới Độ chính xác ≤ 10 r.s Độ nhậy Cao Độ dài tối thiểu 10ms; 1ms (hệ thống sử dụng bộ chuyển mạch anten cho một cặp của tín hiệu kênh đo lường tương quan. Thời gian xuất hiện tín hiệu nhỏ nhất có thể ngắn hơn nếu một bộ thu được sử dụng cho mỗi phần tử anten và tất cả các phép đo được thực hiện song song Khả năng chống Chức năng tuyến tính phân cực của phần tử anten chỉ khi không thể lại khử cực sử dụng các thuật toán bù phân cực; sai số khử cực điển hình thấp đối với độ nghiêng phân cực lên đến 60 ° và trở nên lớn đối với độ nghiêng phân cực lớn hơn Khả năng chống Cao khi sử dụng bộ anten có độ mở rộng lại mặt sóng méo Khả năng chống Có thể phân tách bằng kỹ thuật biểu đồ đối với các tín hiệu trùng hợp lại nhiễu đồng không theo thời gian; đối với tín hiệu trùng thời gian, chỉ tín hiệu kênh mạnh hơn từ 3 đến 5 dB mới có thể được đánh giá Luan van 6 1. Kỹ thuật định hướng giao thoa tương quan Giao thoa tương quan sử dụng thông tin về biên độ và pha của tín hiệu.
Xây dựng bảng tham chiếu sai pha, biên độ: Dùng nguồn tín hiệu chuẩn phát vào ăng ten định hướng từ tất cả các hướng (step tương ứng với độ phân giải định hướng, thường là 0,1 độ).Tại mỗi lần phát, sự sai khác về pha, biên độ giữa từng chấn tử khi so với chấn tử tham chiếu sẽ được ghi lại thành một vector hay một mảng hay một cột trong bảng tham chiếu ứng với góc đang phát tín hiệu chuẩn. Khi thu một tín hiệu thực tế: - Ghi lại sự sai khác về pha, biên độ của tín hiệu thu được giữa các chấn tử khi so với chấn tử tham chiếu, ta sẽ thu được một mảng sai pha, biên độ. -Tính hệ số tương quan giữa mảng sai pha, biên độ này với từng mảng sai pha, biên độ trong bảng tham chiếu. Mảng sai pha, biên độ tham chiếu nào có hệ số tương quan lớn nhất khi so với mảng sai pha, biên độ của tín hiệu thực tế thu được thì góc ứng với mảng sai pha, biên độ tham chiếu đó chính là góc tới của tín hiệu và hệ số tương quan chính là chất lượng định hướng hay còn gọi là độ tin cậy định hướng.
Định hướng giao thoa tương quan Luan van 7 Ưu điểm: Độ chính xác định hướng rất cao (nhỏ hơn 1 độ với môi trường thoáng, không có vật cản che chắn), phù hợp với dải V/UHF, khi sử dụng chấn tử có góc mở rộng thì có thể hạn chế được ảnh hưởng của hiện tượng mặt sóng méo. Nhược điểm: Không thể dùng để định hướng khi có nhiều đài phát cùng tần số, không phù hợp cho dải tần HF vì đòi hỏi kích thước chấn tử lớn dẫn đến kích thước ăng ten lơn, nếu bộ định hướng ít kênh thì thời gian xử lý định hướng có thể bị chậm. Kỹ thuật định hướng Doppler và Pesudo Doppler Phương pháp định hướng Doppler gồm phương pháp Doppler trực tiếp và phương pháp giả Doppler (pseudo-Doppler): Cả hai phương pháp ứng dụng hiệu ứng dịch tần Doppler, khi nguồn phát và ăng ten thu dịch chuyển gần lại nhau thì tần số tăng lên, dịch chuyển xa nhau ra thì tần số giảm đi. Phương pháp Doppler trực tiếp thực hiện quay ăng ten thu và đo độ dịch tần Doppler để xác định hướng tới của tín hiệu.
Do tốc độ quay ăng ten bị hạn chế nên phương pháp này không khả thi với các dải tần từ VHF trở xuống (Tần số càng thấp thì phải quay ăng ten càng nhanh). Phương pháp định hướng Doppler trực tiếp Phương pháp giả Doppler sử dụng một mảng ăng ten lắp cố định thành hình tròn và thực hiện chuyển mạch để thu tín hiệu từ các ăng ten lần lượt theo chiều của vòng tròn. Ưu điểm của phương pháp này là có độ nhạy cao. Luan van 8 Nhược điểm: Độ chính xác định hướng thấp.
Để có kết quả định hướng chấp nhận được thì khoảng cách giữa hai chấn tử liền kề cần nhỏ hơn nửa lần bước sóng của tín hiệu tới, trong thực tế thường chọn khoảng cách là 1/3 bước sóng. Phương pháp định hướng giả Doppler Cũng chính vì yêu cầu này mà phương pháp này không phù hợp với tín hiệu dải tần cao (thường chỉ dùng với dải tần dưới 1GHz). Do các chấn tử thường có phân cực đứng nên phương pháp này chỉ dùng để định hướng tín hiệu phân cực đứng. Kỹ thuật định vị POA Kỹ thuật POA sử dụng tỉ lệ công suất thu được của tín hiệu tại nhiều điểm thu để tính toán, ước lượng vị trí nguồn phát của tín hiệu.
Trong không gian tự do thì công suất tín hiệu thu được tại máy thu suy giảm với bình phương khoảng cách từ nguồn phát tới máy thu (1/r2). Đối với môi trường trong nhà thực tế thì giá trị đó nằm giữa (1/r3) và (1/r4). Tỷ lệ công suất tín hiệu đo được ở hai máy thu khác nhau sẽ tạo ra được một đường tròn của vị trí. Các vòng tròn vị trí từ nhiều cặp máy thu (trong hoàn cảnh lý tưởng) sẽ giao nhau tại một điểm duy nhất.
Điều này thể hiện trên hình 1. Các kỹ thuật POA hay kỹ thuật tương tự là RSS hoặc GROA rất phù hợp với môi trường trong nhà (đa đường cao, triển khai gần). Nó cũng phù hợp với các tín hiệu không điều chế hoặc tín hiệu băng thông hẹp. Do đó POA, RSS, GROA là sự bổ sung cần thiết cho kỹ thuật TDOA.
Thực tế hiện nay các hệ thống kiểm soát, định vị TDOA của các hãng thường kết hợp cả 2 kỹ thuật TDOA và POA trong hệ thống để bổ trợ, cải thiện hiệu quả của hệ thống. Luan van 9 Hình 1. Nguyên lý kỹ thuật định vị POA POA là một phương pháp định vị có tính hiệu quả kinh tế cao vì nó không yêu cầu cao về phần cứng máy thu kiểm soát.