Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9520203) của nghiên cứu sinh Nguyễn Tuấn Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Thanh Hải và TS Nguyễn Trọng Lưu tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự (Hà Nội, năm 2020), mang tiêu đề: "Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến".
Về tính cấp thiết, bài toán định hướng nguồn bức xạ vô tuyến giữ vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như ra đa, giám sát vô tuyến, quản lý phổ tần số, cứu hộ cứu nạn, hàng không vũ trụ, tối ưu hóa mạng thông tin liên lạc và tác chiến điện tử. Tác giả luận án xác định các khoảng trống và hạn chế kỹ thuật còn tồn tại qua các công trình công bố:
- Thứ nhất, các phương pháp định hướng có độ chính xác và độ phân giải cao thường đòi hỏi số lượng mẫu tín hiệu thu ($L$) phải đủ lớn. Điều này kéo theo việc gia tăng tốc độ lấy mẫu, tăng dung lượng bộ nhớ lưu trữ và thời gian tính toán, dẫn đến suy giảm khả năng đáp ứng trong các hệ thống xử lý thời gian thực.
- Thứ hai, chất lượng của thuật toán định hướng chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), các dạng nhiễu phức tạp (nhiễu phi tuyến, nhiễu màu) và tính tương quan cao giữa các nguồn bức xạ do hiện tượng truyền sóng đa đường.
- Thứ ba, bài toán ước lượng hướng sóng tới hai chiều (2D) trong điều kiện bất định thông tin tiên nghiệm về số lượng nguồn bức xạ vô tuyến vẫn chưa đạt được hiệu quả mong muốn.
- Thứ tư, việc mở rộng ứng dụng kết quả định hướng vào bài toán định vị nguồn phát trong môi trường thực tế gặp khó khăn khi xuất hiện hiện tượng che khuất tầm nhìn thẳng (NLOS).
Luận án xác lập 03 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Nghiên cứu các phương pháp, thuật toán và các mô hình dàn ăng ten để tìm ra các giải pháp định hướng có độ chính xác cao, độ phức tạp tính toán thấp cũng như có khả năng làm việc với SNR nhỏ.
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp, kỹ thuật xử lý tín hiệu trong môi trường bị ảnh hưởng của nhiễu màu và bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ vô tuyến.
- Nghiên cứu đề xuất giải pháp định vị trên cơ sở ứng dụng kết quả định hướng.
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
- Phân tích tổng quan tình hình nghiên cứu, tìm hiểu một số phương pháp, thuật toán điển hình áp dụng trong định hướng và định vị nguồn bức xạ vô tuyến.
- Nghiên cứu thuật toán PM cải tiến, mô hình tín hiệu áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA và ULA trong giải bài toán định hướng nhanh.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiễu màu, mô hình tín hiệu áp dụng cho dàn ăng ten chữ L và ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong giải bài toán định hướng 2D nguồn bức xạ vô tuyến tương quan.
- Nghiên cứu đề xuất mô hình định vị trên cơ sở kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là bài toán định hướng nguồn bức xạ vô tuyến được nghiên cứu trên cơ sở các công cụ toán học, các cấu trúc dàn ăng ten, các thuật toán xử lý tín hiệu, cùng giải pháp kết hợp giữa cấu trúc dàn ăng ten và thuật toán xử lý tín hiệu.
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn theo các điều kiện kỹ thuật:
- Xét bài toán định hướng và định vị trong điều kiện gần như bất định thông tin tiên nghiệm về nguồn bức xạ vô tuyến.
- Quá trình thông tin véc tơ chỉ phương là quá trình dừng trong khoảng thời gian quan sát (bất biến theo thời gian).
- Các thuật toán dựa trên đánh giá phổ tín hiệu và được thực thi ở băng tần cơ sở.
- Số lượng nguồn bức xạ vô tuyến ($p$) thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn số phần tử ăng ten ($M$), các phần tử ăng ten là đồng nhất và vô hướng.
- Các nguồn bức xạ vô tuyến độc lập về phân bố không gian, thỏa mãn điều kiện "trường xa" và có dạng tín hiệu băng hẹp.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan lịch sử nghiên cứu định hướng vô tuyến bắt đầu từ các công trình ban đầu của Robert Watson-Watt (giai đoạn 1925–1931, ứng dụng năm 1943) và kỹ thuật định hướng Doppler (1941). Sự phát triển của các thuật toán xử lý tín hiệu mảng được văn bản hệ thống hóa qua các giai đoạn:
- Phương pháp đánh giá phổ dựa trên cực đại Entropy (MEM) và mô hình tối ưu hóa phi tuyến: Khởi xướng bởi Burd (1967), phát triển bởi Lang và McClellan (1982) cùng các mô hình tự hồi quy (AR), trung bình trượt (MA), tự hồi quy trung bình trượt (ARMA). Nhóm phương pháp này đạt độ phân giải cao nhưng đòi hỏi thời gian tính toán lớn và độ ổn định thấp.
- Phương pháp phân tích không gian con tín hiệu: Schmidt (1980) đề xuất thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification), phân tách không gian tín hiệu và không gian nhiễu dựa trên phép khai triển giá trị riêng (EVD) ma trận hiệp phương sai. Tiếp theo là các biến thể Root-MUSIC, phương pháp đáp ứng góc thích nghi AAR (Borgitti, Kaplan; Lagunas-Hernandez, Gasull-Lampllas) và thuật toán tạp nhiệt TNA (Gabriel). Roy và Kailath (1989) đề xuất thuật toán ESPRIT và phiên bản tổng bình phương cực tiểu TLS-ESPRIT, khai thác thuộc tính dịch chuyển bất biến của hai dàn ăng ten con để loại bỏ bước quét phổ không gian.
- Phương pháp xử lý nguồn bức xạ tương quan: Kỹ thuật làm mịn không gian (SS) của Kailath và làm mịn không gian thuận ngược (FBSS) của Kwon phân chia dàn ăng ten thành các mảng con nhằm khôi phục hạng ma trận hiệp phương sai, song làm tăng độ phức tạp tính toán và làm giảm khẩu độ hiệu dụng của dàn ULA.
- Phương pháp định hướng tốc độ cao và số mẫu nhỏ: Ganmacher (1960), Pereira (1990) và Adve phát triển thuật toán Matrix Pencil cho môi trường đa đường với một mẫu tín hiệu nhưng độ phân giải thấp ở SNR nhỏ. Delisle đề xuất phương pháp dùng ma trận tương quan chéo; Benidir đề xuất thuật toán phương pháp hàm truyền (PM - Propagator Method) nhằm loại bỏ phép khai triển giá trị riêng EVD, tuy nhiên thuật toán PM truyền thống chỉ hoạt động tốt trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian và SNR lớn.
- Các hướng nghiên cứu từ năm 2000 đến thời điểm tác giả thực hiện luận án:
- Al-Jabr áp dụng ma trận Hermitian Toeplitz cho thuật toán UCA-ESPRIT và UCA-Root-MUSIC trên dàn ăng ten tròn đều (UCA). Naraghi-Pour áp dụng ma trận Hermitian Toeplitz định hướng nhanh trên dàn thẳng cách đều (ULA). Các giải pháp này chủ yếu giải quyết bài toán một chiều (1D) trên mặt phẳng phương vị.
- Hongshu Liao (2011) công bố thuật toán 2D-ESPRIT sử dụng hai dàn ULA song song. Jianfeng Chen (2011) phát triển thuật toán PM cải tiến trên dàn ULA cho môi trường nhiễu phi tuyến nhưng yêu cầu số mẫu tín hiệu lớn.
- Yuexian Wang và Matthew Trinkl (2013) sử dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến trên dàn UCA đối xứng.
- Yasser Albagory và Amira Ashour (2013) đề xuất giải pháp định hướng 2D kết hợp dàn ULA-UCA dùng thuật toán MUSIC, song khối lượng tính toán EVD còn lớn.
- Yang-Yang Dong (2017) nghiên cứu dàn ăng ten chữ L dựa trên tính chất đối xứng liên hợp và phương trình tỷ số Rayleigh. Khmou đề xuất thuật toán PM cải tiến cho dàn UCA dưới tác động của nhiễu trắng Gaussian và nhiễu màu Toeplitz đối xứng nhưng vẫn phải thực hiện quét phổ góc ngẩng.
- Tại Việt Nam, các hướng tiếp cận tiêu biểu gồm nghiên cứu tổng hợp dữ liệu mảng ULA, UCA và dải rộng (năm 2012); ước lượng tham số CFO, FDOA, DOA, Doppler và trễ truyền sóng (năm 2012); cấu trúc Asym-AWPC kết hợp MUSIC và lấy mẫu nén CS cho tín hiệu tương quan (năm 2013); các giải pháp đơn kênh PLL-DOA và đa kênh TFBMP một mẫu tín hiệu (năm 2015).
- Về thiết bị thực tế, văn bản điểm lại các hệ thống: PSI-1850 (Thomson - Pháp), DDP-5900 (Doppler System - Mỹ), WD-3000 (Winradio - Canada), DFR-1000B (RDF Products - Mỹ), DDF-195 (Rohde & Schwarz - Đức).
- Về bài toán định vị, các phương pháp kinh điển gồm giao hội góc (AOA), cự ly (TOA), hiệu cự ly (TDOA), RSSI, pha sóng mang (CP). Công trình của Yue Wang (2015) giải bài toán AOA bằng phương trình giả tuyến tính khi có sai số máy thu.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết bao gồm:
- Giảm thiểu độ phức tạp tính toán của thuật toán phân định hướng bằng cách cải tiến thuật toán PM, loại bỏ hoàn toàn phép khai triển giá trị riêng EVD, giảm số mẫu tín hiệu thu ($L$) xuống mức tối thiểu (thậm chí $L=1$), đồng thời bảo đảm khả năng hoạt động ở mức SNR thấp.
- Khắc phục sự suy giảm chất lượng định hướng 2D trong điều kiện đồng thời xuất hiện hiện tượng tương quan tín hiệu, nhiễu màu Toeplitz đối xứng và tình trạng bất định thông tin tiên nghiệm về số lượng nguồn bức xạ vô tuyến.
- Giải quyết bài toán định vị nguồn phát trong môi trường che khuất bằng cách kết hợp góc tới đo được với mô hình dữ liệu địa hình 3D thông qua thuật toán dò tia Ray-Tracer.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án vận dụng hệ thống lý thuyết kỹ thuật điện tử và xử lý tín hiệu:
- Lý thuyết ăng ten và truyền sóng vô tuyến: Mô hình hóa tín hiệu trường xa băng hẹp thu tại phần tử ăng ten thứ $i$ với tọa độ không gian $(x_i, y_i, z_i)$ thông qua độ trễ thời gian $\tau_i$ và độ dịch pha $\zeta_i = -\omega \tau_i = -\frac{2\pi}{\lambda}(x_i \sin\theta \cos\phi + y_i \sin\theta \sin\phi + z_i \cos\theta)$, với $\theta$ là góc ngẩng và $\phi$ là góc phương vị.
- Mô hình toán học mảng tín hiệu: Biểu diễn tổng quát véc tơ dữ liệu mảng tại băng tần cơ sở:
$$\mathbf{x}(t) = \mathbf{A}(\theta, \phi)\mathbf{s}(t) + \mathbf{n}(t)$$
Trong đó $\mathbf{A}(\theta, \phi) = [\mathbf{a}(\theta_1, \phi_1), \dots, \mathbf{a}(\theta_p, \phi_p)]$ là ma trận chỉ phương kích thước $M \times p$, $\mathbf{s}(t)$ là véc tơ nguồn bức xạ, $\mathbf{n}(t)$ là véc tơ tạp âm. Ma trận hiệp phương sai của dữ liệu thu nhận qua $L$ mẫu được ước lượng theo công thức:
$$\hat{\mathbf{R}} = \frac{1}{L} \sum_{k=1}^L \mathbf{x}(t_k)\mathbf{x}^H(t_k)$$
- Cơ sở toán tử hàm truyền (PM): Ma trận $\hat{\mathbf{R}}$ được phân rã thành các khối $\hat{\mathbf{R}} = [\mathbf{G} \quad \mathbf{H}]$, trong đó $\mathbf{G}$ có kích thước $M \times p$ và $\mathbf{H}$ có kích thước $M \times (M-p)$. Toán tử truyền lan tuyến tính $\mathbf{F}$ thỏa mãn $\mathbf{G}\mathbf{F} = \mathbf{H}$ được ước lượng bằng phương pháp bình phương cực tiểu: $\mathbf{F} = (\mathbf{G}^H\mathbf{G})^{-1}\mathbf{G}^H\mathbf{H}$. Ma trận trực giao với không gian tín hiệu được thiết lập: $\mathbf{E} = [\mathbf{F}^T \quad -\mathbf{I}{M-p}]^T$, từ đó xác định phổ không gian mà không cần phân tích EVD:
$$P{PM}(\theta, \phi) = \frac{1}{\mathbf{a}^H(\theta, \phi)\mathbf{E}\mathbf{E}^H\mathbf{a}(\theta, \phi)}$$
Phương pháp nghiên cứu thực hiện là nghiên cứu lý thuyết kết hợp tính toán mô phỏng số:
- Phương pháp phân tích giải tích: Xây dựng mô hình toán học của tín hiệu mảng, biến đổi đại số tuyến tính trên ma trận hiệp phương sai, khai thác cấu trúc Toeplitz và tính chất đối xứng không gian của dàn ăng ten để khử thành phần nhiễu màu và giải tương quan tín hiệu.
- Phương pháp mô phỏng định lượng: Thiết lập các kịch bản mô phỏng thống kê Monte Carlo với số lần thử độc lập $N$, khảo sát sai số căn quân phương RMSE đối với góc ngẩng và góc phương vị theo sự thay đổi của tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và số mẫu tín hiệu thu ($L$).
- Công cụ mô phỏng: Phần mềm tính toán kỹ thuật Matlab.
- Nguồn tư liệu và dữ liệu: Tín hiệu băng tần cơ sở mô phỏng số theo các góc tới giả định; các mô hình nhiễu trắng Gaussian, nhiễu phi tuyến và nhiễu màu tương quan có cấu trúc ma trận Toeplitz đối xứng; dữ liệu mô hình địa hình 3D với 4 dạng tham số địa hình lý thuyết được thiết lập để kiểm chứng thuật toán định vị.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về định hướng nguồn bức xạ vô tuyến
Chương 1 trình bày cơ sở lý luận về hệ thống định hướng vô tuyến, cấu trúc phần cứng và các thuật toán ước lượng góc tới kinh điển:
- Phân loại kiến trúc hệ thống:
- Hệ thống đơn kênh: Dùng chung một máy thu qua bộ chuyển mạch cao tần, thuật toán tiêu biểu gồm Watson-Watt, Doppler, giả Doppler, vòng khóa pha (PLL). Cấu trúc nhỏ gọn nhưng độ chính xác trung bình và chuyển mạch đòi hỏi tốc độ cao.
- Hệ thống đa kênh: Mỗi phần tử ăng ten kết nối với một máy thu riêng biệt đóng vai trò tiền xử lý, cho phép xác định đồng thời nhiều hướng sóng tới với độ chính xác và độ phân giải cao.
- Tiêu chuẩn và yếu tố kỹ thuật: Văn bản hệ thống hóa 6 tiêu chí đánh giá chất lượng (Độ chính xác qua RMSE, Độ phân giải, Tốc độ hoạt động, Khả năng định hướng trong môi trường đa đường, Độ nhạy theo SNR, Độ loại trừ nhiễu tạp) cùng 5 yếu tố ảnh hưởng chính (Số lượng phần tử ăng ten $M$, số mẫu tín hiệu $L$, tỷ số SNR, khoảng cách giữa các phần tử $d=0,5\lambda$, và mức độ tương quan tín hiệu).
- Các thuật toán xử lý tín hiệu mảng điển hình:
- Thuật toán MUSIC: Khai triển EVD ma trận hiệp phương sai $\mathbf{R} = \mathbf{A}\mathbf{R}_s\mathbf{A}^H + \sigma^2\mathbf{I}$, phân tách không gian nhiễu $\mathbf{E}n$, xác định phổ cực đại qua hàm $P{MUSIC}(\theta) = \frac{1}{\mathbf{a}^H(\theta)\mathbf{E}_n\mathbf{E}_n^H\mathbf{a}(\theta)}$. Khi tín hiệu tương quan, áp dụng ma trận hoán vị $\mathbf{J}$ để tạo ma trận hiệp phương sai hiệu chỉnh $\mathbf{R}' = \mathbf{R} + \mathbf{J}\mathbf{R}^*\mathbf{J}$.
- Thuật toán ESPRIT: Phân chia dàn ULA thành hai dàn con tịnh tiến (dạng xếp chồng hoặc không xếp chồng), sử dụng phép quay không gian con $\Phi$ và kỹ thuật bình phương cực tiểu tổng thể (TLS) để tính toán trực tiếp góc tới mà không cần quét phổ.
- Thuật toán PM: Xây dựng toán tử truyền tuyến tính $\mathbf{F}$ phân tách ma trận con của $\mathbf{R}$, giảm thiểu khối lượng tính toán do không phải thực hiện EVD.
- Các kỹ thuật khác: Thuật toán véc tơ tương quan (CV) dựa trên cơ sở dữ liệu véc tơ quét thực nghiệm/lý thuyết; thuật toán Barlett, Capon, MEM, MLM.
- Các nguyên lý định vị cơ bản: Giao hội góc (AOA), cự ly (TOA), hiệu cự ly (TDOA), và kết hợp góc - cự ly.
Chương 2: Đề xuất giải pháp định hướng sử dụng thuật toán PM cải tiến
Chương 2 tập trung giải quyết bài toán giảm độ phức tạp tính toán và nâng cao tốc độ định hướng thông qua thuật toán PM cải tiến áp dụng cho hai dạng cấu trúc mảng:
1. Định hướng 2D các nguồn bức xạ không tương quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA
- Mô hình cấu trúc dàn: Kết hợp một dàn ULA đặt thẳng đứng vuông góc tại tâm pha của một dàn UCA nằm ngang. Cấu trúc này cho phép tách biệt việc ước lượng góc ngẩng $\theta$ (thực hiện qua mảng ULA) và góc phương vị $\phi$ (thực hiện qua mảng UCA), chuyển đổi bài toán quét phổ hai chiều phức tạp thành hai bài toán ước lượng một chiều độc lập.
- Kết quả mô phỏng: Tác giả kiểm chứng giải pháp với hai nguồn bức xạ tại các góc tới $(25^\circ, 70^\circ)$ và $(80^\circ, 310^\circ)$, cũng như trường hợp hai nguồn có cùng góc ngẩng $(25^\circ, 70^\circ)$ và $(25^\circ, 310^\circ)$ trong môi trường nhiễu trắng Gaussian và nhiễu phi tuyến.
- Phân tích đồ thị RMSE góc ngẩng và góc phương vị theo số mẫu tín hiệu $L$ và theo SNR cho thấy thuật toán PM cải tiến đạt độ chính xác cao ngay cả khi SNR nhỏ.
Bảng dữ liệu trích xuất từ văn bản luận án về độ phân giải của cấu trúc ULA-UCA:
| Bảng trích xuất |
Điều kiện tạp âm khảo sát |
Cấu trúc dàn ăng ten áp dụng |
Nội dung đánh giá |
| Bảng 2.1 |
Nhiễu trắng Gaussian |
ULA-UCA |
Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất |
| Bảng 2.2 |
Nhiễu phi tuyến |
ULA-UCA |
Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất |
2. Định hướng nhanh 1D các nguồn bức xạ tương quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA
- Mô hình và giải pháp: Xây dựng mô hình xử lý nhanh trên dàn ULA kết hợp thuật toán PM cải tiến nhằm phá vỡ sự suy giảm hạng của ma trận hiệp phương sai khi có tín hiệu đa đường tương quan hoàn toàn.
- Kết quả mô phỏng:
- Với 3 nguồn không tương quan tại các góc $[100^\circ, 120^\circ, 140^\circ]$, giải pháp đề xuất cho phổ công suất sắc nét chỉ với $L = 1$ mẫu tín hiệu tại mức $\text{SNR} = [0, 0, 0]\text{ dB}$. Trong khi đó, phương pháp TLS và thuật toán ESPRIT phải cần tối thiểu $L = 5$ mẫu mới phân tách được các đỉnh phổ.
- Với 3 nguồn tương quan hoàn toàn tại các góc $[60^\circ, 75^\circ, 95^\circ]$, tại $\text{SNR} = [5, 5, 5]\text{ dB}$, giải pháp đề xuất phân tách chính xác các hướng sóng tới với duy nhất $L = 1$ mẫu tín hiệu. Ngược lại, thuật toán Matrix Pencil và phương pháp TLS cho đỉnh phổ bị nhòe hoặc phân giải kém hơn ở cùng điều kiện $L = 1$ mẫu.
- Khảo sát đường cong RMSE theo SNR xác nhận giải pháp đề xuất với $L = 1$ mẫu đạt sai số tương đương hoặc vượt trội so với ESPRIT và TLS khi các thuật toán này sử dụng $L = 10$ mẫu tín hiệu.
Bảng dữ liệu trích xuất từ văn bản luận án về độ phân giải trên dàn ULA:
| Bảng trích xuất |
Tính chất nguồn bức xạ |
Cấu trúc dàn ăng ten |
Nội dung đánh giá |
| Bảng 2.3 |
Nguồn bức xạ không tương quan |
ULA |
Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất |
| Bảng 2.4 |
Nguồn bức xạ tương quan |
ULA |
Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất |
Chương 3: Đề xuất giải pháp định hướng 2D trong điều kiện nhiễu màu, bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ và giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng
Chương 3 giải quyết các bài toán định hướng 2D trong điều kiện môi trường truyền sóng phức tạp và xây dựng mô hình định vị:
1. Định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten chữ L trong điều kiện nhiễu màu Toeplitz đối xứng
- Mô hình và giải pháp: Sử dụng dàn ăng ten chữ L gồm hai nhánh ULA trực giao. Tác giả khai thác cấu trúc vi sai ma trận hiệp phương sai nhằm triệt tiêu hoàn toàn thành phần nhiễu màu có dạng Toeplitz đối xứng mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc pha của các nguồn bức xạ.
- Kết quả mô phỏng: Thực hiện ước lượng đồng thời 6 nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn theo từng cặp có góc tới $[(12^\circ, 10^\circ), (65^\circ, 65^\circ), (20^\circ, 85^\circ), (75^\circ, 30^\circ), (125^\circ, 90^\circ), (95^\circ, 150^\circ)]$. Giải pháp đề xuất chỉ cần $L = 10$ mẫu tín hiệu để định hướng chính xác cả góc ngẩng và góc phương vị, trong khi thuật toán MUSIC đòi hỏi tới $L = 200$ mẫu tín hiệu mới đạt được độ phân giải tương đương.
2. Định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong điều kiện bất định thông tin tiên nghiệm số lượng nguồn bức xạ
- Mô hình và giải pháp: Thiết kế cấu trúc dàn gồm hai mảng ULA trực giao chia sẻ cùng một tâm pha đối xứng. Giải pháp kỹ thuật xử lý ma trận cho phép ước lượng góc tới 2D dưới tác động của nhiễu màu tương quan ngay cả khi không biết trước số lượng nguồn phát $p$.
- Kết quả mô phỏng: Thử nghiệm với 3 nguồn bức xạ tại các tọa độ góc $[(17^\circ, -43^\circ), (45^\circ, 25^\circ), (5^\circ, 60^\circ)]$ và trường hợp $[(17^\circ, -43^\circ), (17^\circ, 25^\circ), (55^\circ, 60^\circ)]$, trong đó nguồn thứ hai và thứ ba tương quan hoàn toàn. Kết quả mô phỏng cho thấy phổ không gian xác định rõ ràng 3 đỉnh góc tới; RMSE góc ngẩng và phương vị giảm nhanh theo sự gia tăng của SNR và số mẫu tín hiệu.
Bảng dữ liệu trích xuất từ văn bản luận án về định hướng 2D và so sánh phương pháp:
| Bảng trích xuất |
Điều kiện khảo sát |
Nội dung bảng trong luận án |
| Bảng 3.1 |
Nhiễu màu tương quan |
Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA-ULA |
| Bảng 3.2 |
Tổng hợp kỹ thuật |
Tổng hợp khả năng định hướng của một số phương pháp |
3. Mô hình định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình
- Cơ sở xây dựng mô hình: Giải quyết tình huống tín hiệu bị che khuất tầm nhìn thẳng, chỉ thu được các tia sóng phản xạ phi tầm nhìn thẳng (xét trường hợp 2 tín hiệu NLOS và 3 tín hiệu NLOS). Mô hình định vị kết hợp kết quả đo góc ngẩng, góc phương vị với cơ sở dữ liệu độ cao địa hình 3D và sử dụng thuật toán dò tia Ray-Tracer để xác định ngược vị trí nguồn phát xạ.
- Khảo sát thực nghiệm số trên 4 dạng địa hình: Luận án thiết lập 4 bảng thông số hình học cho 4 dạng địa hình lý thuyết:
Danh mục các bảng tham số địa hình và sai số đo đạc trích xuất từ luận án:
| Ký hiệu bảng trong luận án |
Nội dung tham số thống kê |
| Bảng 3.3 |
Bảng tham số dạng địa hình 1 |
| Bảng 3.4 |
Bảng tham số dạng địa hình 2 |
| Bảng 3.5 |
Bảng tham số dạng địa hình 3 |
| Bảng 3.6 |
Bảng tham số dạng địa hình 4 |
| Bảng 3.7 |
Bảng sai số giới hạn phương pháp đo |
- Đánh giá ảnh hưởng của các nguồn sai số: Luận án phân tích định lượng ảnh hưởng của các thành phần sai số đo đạc đến độ chính xác định vị mục tiêu cuối cùng:
- Sai số tọa độ vị trí trạm thu: sai số theo trục $x_{Rx}$ và theo trục $y_{Rx}$.
- Sai số tọa độ điểm phản xạ trên bề mặt địa hình: sai số theo $x_{Px1}$.
- Sai số góc đo đạc hướng sóng tới: sai số góc phương vị $\phi_1$ và góc ngẩng $\alpha_1$.
- Kết quả ước lượng tọa độ nguồn bức xạ được thể hiện qua các biểu đồ phân tán sai số, khẳng định tính hội tụ của giải pháp định vị dựa trên mô hình địa hình 3D.
Kết quả và những đóng góp mới
Căn cứ nội dung tự công bố trong phần mở đầu và kết luận của luận án, các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn bao gồm:
Đóng góp mới về mặt lý luận
- Đề xuất giải pháp định hướng 2D sử dụng thuật toán PM cải tiến áp dụng cho dàn ăng ten ULA-UCA đối với các nguồn bức xạ không tương quan. Giải pháp tách rời quá trình ước lượng góc ngẩng và góc phương vị, loại bỏ hoàn toàn phép khai triển giá trị riêng (EVD), giúp giảm đáng kể độ phức tạp tính toán so với thuật toán 2D-MUSIC truyền thống.
- Đề xuất giải pháp định hướng nhanh 1D sử dụng thuật toán PM cải tiến áp dụng cho dàn ăng ten ULA. Giải pháp có khả năng phân tách chính xác các nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn trong điều kiện chỉ sử dụng duy nhất một mẫu tín hiệu quan sát ($L = 1$) tại mức SNR thấp ($0\text{ dB} - 5\text{ dB}$).
- Đề xuất giải pháp định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten chữ L trong điều kiện nhiễu màu có ma trận hiệp phương sai dạng Toeplitz đối xứng. Giải pháp định hướng thành công các nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn theo từng cặp chỉ với $L = 10$ mẫu tín hiệu (so với $L = 200$ mẫu của MUSIC).
- Đề xuất giải pháp định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng, giải quyết bài toán định hướng góc ngẩng và góc phương vị trong điều kiện đồng thời có nhiễu màu tương quan và bất định thông tin tiên nghiệm về số lượng nguồn bức xạ vô tuyến.
- Xây dựng mô hình định vị mục tiêu kết hợp kết quả đo góc tới 2D với thông tin tiên nghiệm địa hình 3D thông qua thuật toán dò tia Ray-Tracer, cho phép ước lượng vị trí nguồn phát trong điều kiện truyền sóng đa đường bị che khuất tầm nhìn thẳng (NLOS).
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kiến nghị
- Ý nghĩa thực tiễn: Các giải pháp đề xuất giải quyết các bài toán kỹ thuật trọng yếu như giảm thời gian xử lý, giảm tốc độ lấy mẫu và dung lượng bộ nhớ lưu trữ, đồng thời nâng cao độ chính xác khi tỷ số tín hiệu trên tạp âm nhỏ. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp trong công tác thiết kế, chế thử các hệ thống định hướng, trinh sát vô tuyến, dẫn đường và định vị mục tiêu có tính thời gian thực, phục vụ quốc phòng - an ninh và kinh tế quốc dân.
- Kiến nghị ứng dụng: Ứng dụng các thuật toán trên các nền tảng phần cứng xử lý số hiện đại như máy thu định nghĩa bằng phần mềm (SDR), tích hợp vào các hệ thống giám sát và trinh sát vô tuyến mặt đất và trên các phương tiện cơ động.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Văn bản luận án xác định các điều kiện biên và giới hạn nghiên cứu:
- Về đặc tính tín hiệu: Toàn bộ các thuật toán và mô hình chỉ áp dụng cho các nguồn bức xạ vô tuyến có dạng tín hiệu băng hẹp được xử lý tại dải tần cơ sở; chưa mở rộng cho các dạng tín hiệu băng rộng.
- Về cấu trúc phần tử mảng: Các phần tử ăng ten được giả định là đồng nhất, đẳng hướng, vô hướng và đặt trong điều kiện trường xa; chưa tính toán đến đặc tính phân cực của sóng, sai số ghép tương hỗ giữa các phần tử và sự không đồng nhất về biên độ - pha của các kênh máy thu thực tế.
- Về tính chất môi trường: Quá trình truyền lan sóng và véc tơ chỉ phương được giả thiết là quá trình dừng (bất biến theo thời gian) trong suốt khoảng thời gian quan sát; chưa giải quyết bài toán khi nguồn phát di chuyển với vận tốc cao gây ra hiệu ứng dịch tần Doppler lớn.
- Về số lượng nguồn phát: Số lượng nguồn phát bức xạ vô tuyến bắt buộc phải nhỏ hơn số lượng phần tử ăng ten của dàn ($p < M$).
- Về phương pháp thực nghiệm: Luận án chủ yếu thực hiện các phân tích lý thuyết giải tích và kiểm chứng bằng công cụ mô phỏng số trên phần mềm Matlab; chưa triển khai đo đạc thực nghiệm trên phần cứng và môi trường thực địa.
Hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:
- Mở rộng nghiên cứu thuật toán định hướng đối với tín hiệu vô tuyến băng rộng.
- Khảo sát ảnh hưởng của tính hướng và đặc tính phân cực của các phần tử ăng ten thực tế.
- Nghiên cứu các giải pháp bám sát, định hướng và định vị cho các nguồn phát xạ di động trong không gian 3 chiều.
- Triển khai chế thử phần cứng thử nghiệm trên công nghệ máy thu SDR để đánh giá sai số thực nghiệm.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo trong các lĩnh vực:
- Đối tượng nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật viễn thông, Xử lý tín hiệu, Kỹ thuật Ra đa tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật quân sự, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ - ĐHQGHN, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội...).
- Đối với cán bộ nghiên cứu và kỹ sư thiết kế: Các viện nghiên cứu chuyên ngành điện tử - viễn thông, các nhà máy công nghiệp quốc phòng, các trung tâm tác chiến điện tử và quản lý tần số vô tuyến điện.
- Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
- Phương pháp xây dựng toán tử truyền tuyến tính $\mathbf{F}$ trong thuật toán PM cải tiến nhằm thay thế phép phân tích EVD đắt đỏ về mặt tính toán.
- Kỹ thuật tách biến góc ngẩng và góc phương vị trên cấu trúc dàn kết hợp ULA-UCA.
- Các kỹ thuật vi sai và ma trận Toeplitz áp dụng cho dàn ăng ten chữ L và ULA-ULA đối xứng nhằm khử nhiễu màu và giải quyết tình trạng bất định số lượng nguồn phát.
- Giải thuật kết hợp dữ liệu góc tới với thuật toán Ray-Tracer trên bản đồ địa hình 3D trong bài toán định vị phi tầm nhìn thẳng.
Câu hỏi thường gặp
1. Thuật toán PM cải tiến đề xuất cho dàn ăng ten ULA trong Chương 2 đạt được kết quả như thế nào về số mẫu tín hiệu thu?
Trong kịch bản mô phỏng 3 nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn tại các góc tới $[60^\circ, 75^\circ, 95^\circ]$ với mức $\text{SNR} = [5, 5, 5]\text{ dB}$, thuật toán PM cải tiến đề xuất cho dàn ULA phân tách chính xác các đỉnh phổ chỉ với $L = 1$ mẫu tín hiệu quan sát. Kết quả này vượt trội so với các thuật toán TLS và ESPRIT (yêu cầu từ 5 đến 10 mẫu tín hiệu) và cho độ phân giải đỉnh phổ sắc nét hơn thuật toán Matrix Pencil ở cùng điều kiện $L = 1$ mẫu.
2. Dàn ăng ten chữ L trong Chương 3 giải quyết bài toán định hướng 2D trong điều kiện nhiễu màu Toeplitz đối xứng có ưu thế gì so với thuật toán MUSIC?
Khi định hướng đồng thời 6 nguồn bức xạ tương quan hoàn toàn theo từng cặp dưới tác động của nhiễu màu Toeplitz đối xứng, giải pháp đề xuất trên dàn ăng ten chữ L chỉ cần $L = 10$ mẫu tín hiệu để ước lượng chính xác cả góc ngẩng và góc phương vị. Trong khi đó, thuật toán MUSIC truyền thống phải cần tới $L = 200$ mẫu tín hiệu mới đạt được kết quả phân giải tương đương.
3. Cấu trúc dàn ăng ten kết hợp ULA-UCA trong Chương 2 được thiết kế nhằm mục đích gì?
Dàn ăng ten ULA-UCA được thiết kế gồm một dàn ULA đặt thẳng đứng vuông góc ngay tại tâm của một dàn UCA nằm ngang. Cấu trúc này cho phép tách bài toán ước lượng 2 chiều phức tạp thành hai bước ước lượng 1 chiều độc lập: dàn ULA được sử dụng để ước lượng góc ngẩng $\theta$, sau đó dàn UCA được sử dụng để ước lượng góc phương vị $\phi$, từ đó loại bỏ bước tìm kiếm phổ 2 chiều đồng thời và giảm đáng kể thời gian xử lý.
4. Dàn ăng ten ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong Chương 3 giải quyết vấn đề kỹ thuật nào?
Cấu trúc dàn ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng kết hợp với giải pháp xử lý ma trận đề xuất được sử dụng để giải quyết bài toán định hướng 2D (góc ngẩng và góc phương vị) trong điều kiện môi trường đồng thời chịu ảnh hưởng của nhiễu màu tương quan và bất định thông tin tiên nghiệm về số lượng nguồn bức xạ vô tuyến ($p$).
5. Thuật toán định vị đề xuất ở cuối Chương 3 hoạt động dựa trên nguyên lý nào khi mất tầm nhìn thẳng (NLOS)?
Khi đường truyền trực tiếp bị che khuất và chỉ thu được các tín hiệu phản xạ (xét 2 hoặc 3 tín hiệu NLOS), mô hình định vị đề xuất kết hợp kết quả đo góc tới 2D (góc ngẩng và góc phương vị) với mô hình số hóa độ cao địa hình 3D. Thông qua thuật toán dò tia Ray-Tracer, hệ thống lần ngược các đường truyền sóng phản xạ từ các bề mặt địa hình để xác định giao điểm và ước lượng tọa độ vị trí của nguồn bức xạ.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tuấn Minh đã giải quyết bài toán nâng cao chất lượng định hướng và định vị nguồn bức xạ vô tuyến thông qua việc nghiên cứu kết hợp giữa cấu trúc hình học dàn ăng ten (ULA-UCA, ULA, dàn chữ L, ULA-ULA trực giao đối xứng) và các thuật toán xử lý tín hiệu mảng cải tiến (PM cải tiến, xử lý ma trận Toeplitz). Các đóng góp học thuật cốt lõi tập trung vào việc giảm độ phức tạp tính toán (loại bỏ phép khai triển giá trị riêng EVD), giảm thiểu số mẫu tín hiệu thu ($L=1$ hoặc $L=10$), hoạt động ổn định ở mức SNR thấp, đồng thời triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu màu và khắc phục tình trạng bất định số lượng nguồn phát. Bên cạnh đó, mô hình định vị kết hợp góc tới 2D với thuật toán dò tia Ray-Tracer trên bản đồ địa hình 3D đã mở rộng khả năng định vị nguồn phát trong môi trường che khuất phi tầm nhìn thẳng. Các kết quả nghiên cứu được kiểm chứng định lượng qua hệ thống mô phỏng số, cung cấp luận cứ kỹ thuật phục vụ việc thiết kế các hệ thống trinh sát và giám sát vô tuyến thời gian thực.
