Luận văn: Kỹ thuật định vị TDOA và ứng dụng trong hệ thống ra đa thụ động

Luận văn phân tích sâu kỹ thuật định vị TDOA và ứng dụng thực tiễn trong hệ thống ra đa thụ động, bao gồm cơ sở toán học và mô phỏng chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Tiên Thành
• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử / Xử Lý Tín Hiệu
• Đề tài: Kỹ Thuật Định Vị TDOA Và Ứng Dụng Của Nó Trong Hệ Thống Rađa Thụ Động
• Loại tài liệu: Luận Văn

Tóm tắt

I. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật định vị TDOA

Kỹ thuật định vị TDOA (Time Difference of Arrival) là phương pháp xác định vị trí nguồn phát xạ vô tuyến dựa trên sự khác biệt thời gian tới của tín hiệu. Trong hệ thống rađa thụ động, TDOA được sử dụng để xác định tọa độ mục tiêu thông qua việc đo độ chênh lệch thời gian giữa các trạm thu khác nhau nhận được tín hiệu từ cùng một nguồn phát. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc tín hiệu từ một nguồn sẽ đến các trạm thu tại những thời điểm khác nhau, tùy thuộc vào khoảng cách từ nguồn đến từng trạm. Bằng cách tính toán các sai khác thời gian này, hệ thống có thể xác định được vị trí chính xác của mục tiêu mà không cần biết tín hiệu phát đi từ đâu.

1.1. Cơ sở toán học của TDOA

Cơ sở toán học của phương pháp TDOA dựa trên phương trình hyperbol. Khi biết được sai khác thời gian tới giữa hai trạm thu, chúng ta có thể xác định một đường hypecbol là quỹ tích các điểm có sai khác thời gian bằng nhau. Với 3 trạm thu trở lên, ta có thể xác định giao điểm của các hyperbol này, từ đó suy ra vị trí chính xác của mục tiêu. Công thức tính khoảng cách dựa trên sai khác thời gian: Δd = c × Δt, trong đó c là tốc độ ánh sáng và Δt là sai khác thời gian giữa các trạm.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống rađa thụ động

Trong rađa thụ động nhiều vị trí, kỹ thuật TDOA cho phép xác định vị trí mục tiêu mà không cần phát tín hiệu. Hệ thống sử dụng nhiều trạm thu được bố trí ở các vị trí khác nhau để thu nhận tín hiệu phát xạ từ các nguồn. Thông qua việc tương quan chéo giữa các tín hiệu và xử lý độ chênh lệch thời gian, hệ thống có thể tính toán chính xác tọa độ của mục tiêu vô tuyến. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc phát hiện và theo dõi các tín hiệu không hợp tác.

II. Giải pháp kỹ thuật chính trong TDOA

Để triển khai hiệu quả kỹ thuật định vị TDOA, hệ thống rađa thụ động sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến. Các phương pháp tính độ chênh lệch thời gian bao gồm hệ thống tương quan chéo và hệ thống TOA (Time of Arrival). Hệ thống tương quan chéo được sử dụng rộng rãi để xác định sai khác thời gian giữa các tín hiệu thu được tại các trạm khác nhau. Điều này yêu cầu sự đồng bộ hóa chính xác giữa các đồng hồ tại các trạm thu. Ngoài ra, số lượng và bố trí các đài thu cũng ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của định vị. Việc chọn vị trí trạm và số lượng trạm là những yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống.

2.1. Hệ thống tương quan chéo

Hệ thống tương quan chéo là công cụ chính để xác định sai khác thời gian giữa hai tín hiệu. Phương pháp này tính toán hàm tương quan chéo giữa tín hiệu thu tại hai trạm khác nhau, từ đó xác định độ trễ thời gian. Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu, mức nhiễu và băng thông tín hiệu. Các hệ thống hiện đại sử dụng xử lý tín hiệu số để cải thiện độ chính xác.

2.2. Bố trí và số lượng trạm thu

Số lượng trạm thu tối thiểu là 3 để xác định tọa độ 2D và 4 trạm cho bài toán 3D. Bố trí các trạm nên được lựa chọn sao cho hình học định vị tối ưu. Khoảng cách giữa các trạm, hướng bao và độ co dãn của hệ hyperbol là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị TDOA. Bố trí tam giác hoặc tứ giác thường được ưa chuộng.

III. Độ chính xác của định vị TDOA

Độ chính xác của phương pháp định vị TDOA bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Sai số đo thời gian là nguồn sai số chính, bao gồm sai số của thiết bị đo lường và sai số đồng bộ hóa giữa các trạm. Ngoài ra, sai số mô phỏng do giả định không chính xác về mô hình truyền sóng cũng ảnh hưởng đáng kể. Mức nhiễu của tín hiệu, độ phân giải thời gian của hệ thống và các hiện tượng như phản xạ đa đường cũng làm giảm độ chính xác. Để cải thiện độ chính xác, cần triển khai các thuật toán lọc và ước lượng tiên tiến như bộ lọc Kalman hoặc các phương pháp ước lượng khả năng cực đại.

3.1. Nguồn sai số trong TDOA

Sai số định vị TDOA xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau. Sai số đồng bộ hóa giữa các đồng hồ tại các trạm là yếu tố quyết định, vì sai số nhỏ cũng dẫn đến sai số vị trí lớn. Sai số đo lường của thiết bị tương quan chéo, sai số mô hình truyền sóng khi không xem xét phản xạ đa đường. Ngoài ra, nhiễu nhiệt và nhiễu giao thoa từ các tín hiệu khác cũng làm giảm độ tin cậy.

3.2. Phương pháp cải thiện độ chính xác

Để nâng cao độ chính xác định vị, cần sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Bộ lọc Kalman giúp loại bỏ nhiễu và cải thiện ước lượng vị trí. Sử dụng tần số cao và băng thông rộng giúp tăng độ phân giải thời gian. Hiệu chuẩn định kỳ hệ thống, đồng bộ hóa chính xác và mô hình hóa chính xác môi trường truyền sóng cũng rất quan trọng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng phát triển

Kỹ thuật định vị TDOA có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong các lĩnh vực quốc phòng, an ninh và dân sự. Trong hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí, TDOA được sử dụng để phát hiện, xác định vị trí và theo dõi các nguồn phát xạ vô tuyến như máy bay, tàu, hoặc các trạm truyền thông không hợp tác. Ứng dụng trong tìm kiếm và cứu nạn, giám sát an toàn bay, và phòng chống tần số cũng rất phổ biến. Triển vọng phát triển của TDOA bao gồm sử dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa bố trí trạm, machine learning để cải thiện thuật toán xác định vị trí, và tích hợp với các công nghệ định vị khác như GPS để tăng độ tin cậy. Hướng phát triển tiếp theo cũng hướng tới miniaturization của các trạm thu và giảm chi phí hệ thống.

4.1. Các ứng dụng chính của TDOA

Phương pháp TDOA được ứng dụng rộng rãi trong rađa thụ động để phát hiện máy bay quân sự và dân sự. Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, hệ thống TDOA giúp xác định vị trí các tín hiệu không hợp tác. Ứng dụng dân sự bao gồm tìm kiếm tín hiệu SOS, định vị các tàu thuyền, và giám sát môi trường. Trong viễn thông, TDOA được sử dụng để xác định vị trí của người gọi trong trường hợp khẩn cấp.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Tương lai của công nghệ TDOA hướng tới sự tích hợp với AI và machine learning để tối ưu hóa thuật toán. Sử dụng mạng lưới trạm thông minh với khả năng tự điều chỉnh bố trí. Kết hợp TDOA với công nghệ 5G mở ra những khả năng mới. Ngoài ra, phát triển các cảm biến nhỏ gọn và giải pháp chi phí thấp sẽ mở rộng ứng dụng thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong tác chiến điện tử hiện đại và quản lý không gian vô tuyến thế kỷ 21, kỹ thuật trinh sát thụ động đóng vai trò sống còn đối với an ninh quốc phòng và hạ tầng viễn thông. Các hệ thống rađa chủ động truyền thống với công suất phát sóng từ 50 kW đến hơn 500 kW ngày càng dễ bị đối phương phát hiện, gây nhiễu điện tử và tiêu diệt bởi các dòng tên lửa chống bức xạ diệt rađa thế hệ mới. Trước thách thức đó, công nghệ định vị hiệu thời gian đến TDOA (Time Difference of Arrival) trong hệ thống rađa thụ động nổi lên như một giải pháp đột phá, cho phép phát hiện và bám bắt mục tiêu bay mà không cần phát xạ sóng điện từ.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung giải quyết bài toán định vị nguồn bức xạ vô tuyến trong dải tần số từ 30 MHz đến 18 GHz bằng phương pháp TDOA. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng cơ sở toán học chặt chẽ, phát triển thuật toán giải tọa độ mục tiêu trong không gian 2D với hệ 3 máy thu và không gian 3D với hệ 4 máy thu, đồng thời khảo sát định lượng sai số định vị dựa trên các mô hình bố trí đài thu thực tế.

Về mặt phạm vi, đề tài được triển khai nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng thuật toán số liệu trong chu kỳ 24 tháng, hướng tới ứng dụng trực tiếp cho Quân chủng Phòng không - Không quân, Quân chủng Hải quân và Cục Tác chiến Điện tử Việt Nam. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kỹ thuật then chốt: triệt tiêu hoàn toàn 100% bức xạ lộ tín hiệu của đài quan sát, đồng thời duy trì sai số định vị mục tiêu ở mức dưới 50 m trong bán kính tác chiến hiệu dụng từ 100 km đến 300 km.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của hai lý thuyết cốt lõi: Lý thuyết điện động lực học vi ba mô tả sự tương tác giữa trường điện từ với vectơ Poynting, và Lý thuyết xử lý tín hiệu thống kê với trọng tâm là hàm tương quan chéo (Cross-Correlation) đo độ lệch thời gian truyền sóng. Về mô hình hình học, đề tài tích hợp hệ tọa độ địa tâm elip xôit Krasovsky có bán trục lớn a = 6.378,245 km, bán trục nhỏ b = 6.357,863 km cùng hệ tọa độ cầu bán kính 6.371,11 km nhằm chuyển đổi chính xác tọa độ trắc địa sang hệ tọa độ phẳng phục vụ tính toán tự động.

Hệ thống khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm:

• TDOA (Time Difference of Arrival): Kỹ thuật định vị dựa trên hiệu thời gian lan truyền tín hiệu từ nguồn phát xạ đến các cặp đài thu riêng biệt, tạo ra các mặt hyperbol giao nhau trong không gian.
• TOA (Time of Arrival) và AOA (Angle of Arrival): Các phương pháp định vị đo thời gian đến tuyệt đối và góc tới của chùm sóng vô tuyến.
• GDOP (Geometric Dilution of Precision): Hệ số suy giảm độ chính xác hình học, phản ánh mức độ ảnh hưởng của vị trí tương quan giữa các đài thu và mục tiêu đến sai số định vị.
• Rađa thụ động nhiều vị trí (Multistatic Passive Radar): Hệ thống gồm từ 3 đến 4 trạm thu bố trí phân tán, không có máy phát, xử lý dữ liệu tập trung tại trạm trung tâm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng số học Monte Carlo chuyên sâu với bộ dữ liệu kiểm thử gồm 5.000 kịch bản ngẫu nhiên. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo cự ly từ 20 km đến 250 km và phân tầng theo độ cao bay từ 1.000 m đến 10.000 m được áp dụng nhằm bao phủ toàn diện các tình huống thực tế của mục tiêu trên không và trên biển.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp thuật toán tối ưu phi tuyến hai giai đoạn là vì phương pháp này cho phép giải quyết triệt để phương trình hypecbol phi tuyến bậc cao với thời gian tính toán thực nghiệm dưới 15 ms, đáp ứng yêu cầu xử lý tín hiệu thời gian thực. Toàn bộ quy trình mô phỏng thuật toán và đối soát lý thuyết được thực hiện liên tục trong khung thời gian 24 tháng nghiên cứu học thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và mô phỏng thực nghiệm mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

• Thứ nhất, trong không gian 2D với hệ thống 3 trạm thu gồm trạm trung tâm, trạm trái và trạm phải có khoảng cách đường đáy 30 km, thuật toán TDOA xác định tọa độ nguồn bức xạ với sai số cự ly trung bình chỉ 32,5 m ở cự ly 60 km, đạt độ tin cậy trên 95%.
• Thứ hai, khi mở rộng bài toán sang không gian 3D với 4 đài thu, bố trí đài thu theo cấu hình hình ngôi sao 3 cánh gồm một trạm trung tâm và 3 trạm vệ tinh lệch góc 120 độ giúp giảm hệ số sai số hình học GDOP khoảng 28,4% so với cấu hình hình chữ T ở các hướng góc tà thấp.
• Thứ ba, thuật toán hai giai đoạn đã giải quyết triệt để bài toán đa nghiệm của phương trình hyperbol, loại bỏ hoàn toàn 100% nghiệm ảo dựa trên việc kiểm tra điều kiện vật lý bán kính truyền sóng dương, giữ lại nghiệm thực duy nhất với độ lệch chuẩn nhỏ hơn 0,5%.
• Thứ tư, với bộ chuyển đổi tương tự - số ADC có tần số lấy mẫu từ 100 MHz và độ phân giải thời gian đạt 10 ns, độ chính xác đo hiệu cự ly vi sai lý thuyết đạt mức 3 m, chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng phần cứng thương mại sẵn có.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu sai số được trực quan hóa thông qua hệ thống biểu đồ đường cong đẳng sai số vị trí (Isoline CEP) 3D theo cự ly và độ cao. Biểu đồ chỉ ra rằng khi cự ly mục tiêu tăng từ 100 km lên 250 km, sai số vị trí tăng tuyến tính từ 45 m lên 148 m do hiệu ứng suy giảm hình học góc giao nhau giữa các nhánh hyperbol. Kết quả cũng được hệ thống hóa qua bảng so sánh độ lệch chuẩn RMS giữa cấu hình hình sao và hình chữ T trên 8 hướng phương vị chính gồm Bắc, Đông Bắc, Đông, Đông Nam, Nam, Tây Nam, Tây và Tây Bắc, thể hiện tính đồng đều vượt trội của mô hình hình sao.

So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm về hệ thống đo góc tới AOA truyền thống, phương pháp TDOA trong luận văn loại bỏ được nhu cầu sử dụng hệ thống anten mảng quay phức tạp, giảm chi phí phần cứng ước tính khoảng 40% trong khi tăng độ ổn định chống nhiễu phản xạ đa đường lên 2,5 lần. Điều này khẳng định luận văn đã cung cấp một luận cứ khoa học tin cậy cho việc phát triển các tổ hợp trinh sát vô tuyến nội địa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả giải tích và mô phỏng, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm hiện thực hóa công nghệ TDOA vào thực tiễn:

• Triển khai chế tạo và thử nghiệm phần cứng khối máy thu siêu cao tần đa kênh: Cần tối ưu hóa độ nhạy máy thu đạt mức -115 dBm và tích hợp mạch xử lý ADC tốc độ cao 200 MSPS nhằm nâng cao độ phân giải thời gian TDOA xuống dưới 5 ns. Thời gian thực hiện mục tiêu trong vòng 12 đến 18 tháng, do các Viện nghiên cứu chuyên ngành thuộc Bộ Quốc phòng chủ trì.
• Nâng cấp thuật toán tích hợp bộ lọc Kalman mở rộng (EKF): Nhóm nghiên cứu xử lý tín hiệu cần phát triển module phần mềm bám bắt quỹ đạo mục tiêu cơ động cao, nâng độ chính xác dự báo tọa độ lên thêm 30% và xử lý đồng thời từ 50 đến 100 mục tiêu trong thời gian 9 tháng.
• Thiết lập hệ thống đồng bộ thời gian độ chính xác pico-giây: Cục Tác chiến Điện tử cùng các đơn vị tác chiến cần trang bị module đồng bộ thời gian kép qua tín hiệu vệ tinh GPS kết hợp chuẩn đồng hồ nguyên tử Rubidium, bảo đảm sai số lệch pha giữa các trạm thu độc lập nhỏ hơn 2 ns trong điều kiện bị gây nhiễu định vị vệ tinh, hoàn thành trong 18 tháng.
• Mở rộng ứng dụng công nghệ TDOA trong quản lý tần số dân sự: Cục Tần số Vô tuyến điện cùng các doanh nghiệp viễn thông lớn cần xây dựng mạng lưới trạm định vị TDOA cố định tại các đô thị lớn, mục tiêu phát hiện 99% nguồn phát sóng lậu và can nhiễu trái phép trong dải 800 MHz đến 2.600 MHz trước năm 2028.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang giá trị học thuật và thực tiễn cao, là tài liệu chuyên khảo đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư và chuyên gia nghiên cứu tác chiến điện tử tại các Viện Ra đa, Viện Kỹ thuật Quân sự: Tận dụng trực tiếp các phương trình toán học giải TDOA 3D và thuật toán khử nghiệm ảo để thiết kế, chế tạo trạm trinh sát thụ động thế hệ mới phục vụ bảo vệ vùng trời và vùng biển.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Kỹ thuật Vô tuyến: Sử dụng tài liệu làm giáo trình tham khảo chuẩn về nguyên lý định vị vô tuyến, lý thuyết tương quan chéo và phương pháp mô phỏng hình học không gian 3D trên máy tính.
• Kỹ sư quy hoạch và tối ưu hóa mạng thông tin di động: Áp dụng các giải pháp định vị U-TDOA đa trạm để nâng cao độ chính xác dịch vụ định vị thuê bao (LBS) và hỗ trợ công tác cứu hộ cứu nạn khẩn cấp với độ chính xác vị trí trong phạm vi dưới 20 m.
• Cán bộ quản lý và kiểm soát phổ vô tuyến điện tại các cơ quan quản lý tần số: Ứng dụng quy trình bố trí đài thu 3 trạm và 4 trạm để xây dựng hệ thống giám sát tự động, định vị chính xác nguồn can nhiễu trong dải tần VHF/UHF tại các khu công nghiệp và đô thị đông đúc.

Câu hỏi thường gặp

• Kỹ thuật định vị TDOA khác biệt như thế nào so với TOA và AOA? Kỹ thuật TOA yêu cầu biết chính xác thời điểm nguồn phát bắt đầu phát tín hiệu, trong khi AOA đòi hỏi hệ thống anten mảng quay phức tạp để đo góc tới. TDOA chỉ đo độ chênh lệch thời gian đến giữa các trạm thu cố định, không cần đồng bộ với nguồn phát, giảm độ phức tạp phần cứng khoảng 40% mà vẫn đạt độ chính xác cao dưới 35 m.

• Tại sao rađa thụ động TDOA lại có khả năng chống tên lửa diệt bức xạ? Tên lửa diệt bức xạ như AGM-88 hoạt động dựa trên nguyên lý bám theo chùm sóng vô tuyến do đài phát rađa chủ động phát ra. Rađa thụ động TDOA chỉ hoạt động ở chế độ thu tín hiệu với mức bức xạ công suất bằng 0 kW, khiến các loại vũ khí tự dẫn chống bức xạ hoàn toàn mất mục tiêu tấn công.

• Cần tối thiểu bao nhiêu trạm thu để định vị chính xác mục tiêu trong không gian 3D? Hệ thống cần tối thiểu 4 trạm thu độc lập không cùng nằm trên một mặt phẳng để tạo ra 3 phương trình hiệu cự ly hyperbol độc lập. Cấu hình này cho phép giải đồng thời 4 ẩn số gồm tọa độ không gian 3 chiều x, y, z và thời điểm phát xạ ban đầu của mục tiêu.

• Bố trí đài thu theo cấu hình hình sao 3 cánh mang lại ưu thế gì so với hình chữ T? Mô phỏng cho thấy cấu hình hình sao 3 cánh với các đài thu cách đều 120 độ tạo ra vùng phủ đồng đều đa hướng. Hệ số suy giảm độ chính xác hình học GDOP của cấu hình này thấp hơn khoảng 28% so với bố trí chữ T, hạn chế tối đa các vùng mù định vị ở rìa trinh sát.

• Sai số đồng bộ thời gian giữa các trạm ảnh hưởng như thế nào đến độ chính xác định vị? Trong không gian tự do, sóng điện từ truyền với tốc độ ánh sáng xấp xỉ 300.000 km/s. Do đó, sai số đồng bộ thời gian chỉ 10 ns sẽ tạo ra sai số hiệu cự ly tương ứng là 3 m. Vì vậy, hệ thống bắt buộc phải sử dụng bộ đồng bộ vệ tinh GPS hoặc đồng hồ nguyên tử để duy trì sai số pha dưới 2 ns.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 5 đóng góp học thuật và công nghệ tiêu biểu:

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết xác định vị trí vô tuyến trên các hệ tọa độ địa lý, địa tâm elip xôit Krasovsky và hệ tọa độ phẳng vuông góc.
• Phát triển và hoàn thiện thuật toán giải tích TDOA 2D với 3 trạm và 3D với 4 trạm, xử lý triệt để bài toán khử nghiệm ảo với độ chính xác đạt trên 95%.
• Xây dựng thành công mô hình mô phỏng số học định lượng khảo sát sai số GDOP theo cự ly từ 20 km đến 250 km và độ cao từ 1.000 m đến 10.000 m.
• Chứng minh tính ưu việt của cấu hình đài thu hình ngôi sao 3 cánh giúp giảm 28,4% sai số hình học so với cấu hình chữ T.
• Đề xuất lộ trình tích hợp công nghệ phần cứng ADC tốc độ cao và đồng bộ thời gian nano-giây phục vụ hiện đại hóa khí tài quân sự và quản lý phổ tần số.

Về kế hoạch phát triển tiếp theo, công trình định hướng hoàn thiện mô hình thử nghiệm thực địa trên phần cứng nhúng DSP/FPGA trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Quý độc giả và các nhà khoa học quan tâm hãy nghiên cứu sâu toàn văn công trình để ứng dụng hiệu quả các thuật toán định vị TDOA vào các dự án công nghệ vô tuyến tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ NGUÒN PHÁT XẠ VÔ TUYẾN I. CAC HE TOA DO DUNG TRONG DINH VI VO TUYẾN Các hệ tọa độ được sử dụng khi xác định vị trí nguồn phát xạ vô tuyển cần phải đảm bảo: ~ Xác định vị trí với độ chỉnh xác yêu cầu ~ Chiểm một vùng cân thiết ~ Thông tin trực quan về vị trí nguồn phát xạ vô tuyến so với điểm gốc ~ Tính toán đơn giản tọa độ các nguồn phat xạ Trong các hệ thông xác định vị trí khác nhau có thể sử dụng các hệ tọa độ khác nhau. Các hệ tọa độ được sử dụng rộng rãi: ~ Hệ tọa độ địa lí ~ Hệ tọa độ địa tâm - Hệ tọa độ vuông góc Cơ sở trong hệ tọa đô địa lí là lấy mặt cầu ba chiều bao quanh trái đất còn mặt phẳng cơ bản là mặt phẳng xích đạo. Trong trường hợp nay mat phẳng trải đất được coi là mặt phẳng thể năng hệ trọng lực trủng với mặt đại dương ở trạng thái tĩnh.

Tại mỗi điểm mặt phẳng mà vuông góc với đường nỏi tâm của nó với điểm ay Vị trí điểm trên mặt phẳng trải đất được xác định bằng kinh độ vả vĩ độ thiên văn. Hệ tọa độ này vi lý do phức tạp của nó mà người ta không sử dụng trong các hệ thống định vị. Dé đơn giản hệ tọa độ nảy, trái đất được xem như không phải hình cau ma 1a một elip xôit tròn xoay. Ở những nước khác nhau sử dụng các mặt elip xôit khác nhau.

Ở Nga sử dụng dạng elip xôit Kpacob. Nửa trục lớn vả trục nhỏ của nỏ bằng a = 6378,245km va b = 6357,863km. Trong hệ tọa độ địa tâm vị trí điểm trên mặt phẳng được xác định bằng tọa độ kinh - vĩ. Vĩ độ của điểm trong hệ tọa độ này được xem là góc giữa phương vuông góc với elip xóit tại điểm ay và mặt phẳng xích đạo.

Vĩ độ trước tỉnh từ mặt phẳng xích đạo tới 2 cực trong khoảng từ 0 đến 90°, với dâu Paged Nguyễn Tiên Thành — CB130617 Ky thuat dinh vi TDOA và ứng dị của nó trong hệ théng rada thu déng DANH MUC CAC HINH VE Hình 1. Xác định nguồn phát xạ vô tuyển trong hê thông định vị góc. Xác định tọa đô địa tâm nguồn phát xạ trong hệ thông định hưởng kiểu góc. Xác định vị trí nguồn phát xạ trong hệ thống định vị cự ly.

Xác định tọa độ địa tâm nguồn phát xạ vô tuyến trong hệ thông định vị cự ly Hình 1. Xác định vị trí nguồn phát xa vô tuyên trong hệ thông định vị hiệu cự ly Hình 1. Xác định vị trí nguồn phát xa võ tuyên trong hệ thông định vị góc — cự ly. Xác định tọa độ địa tâm nguôn phát xạ vô tuyến trong hệ thống định vị góc — cự li Hình 1.

Các vectơ thành phân đặc trưng đường vị trí theo kết quả đo. Đường vị trí trong hệ thông định vị góc Hình 1. Đường vị trí trong hệ thông định vị hiệu cự ly. Sai số xác định vị trí nguồn phát xạ theo kết quả giao nhau của 2 đường, vị trí Hình 1.

Môi liên hệ giữa các veetơ tử trường, điện trường và vecto Poitinh Hình 2. Xác định vị trí mục tiêu theo phương pháp TDOA. Dạng các mặt hypecbol Hình 2. Biểu diễn các góc trong tính toán tọa độ nguồn bức xạ đổi với 3 trạm thu (trường hợp 2 chiều), Hình 2.

Trường hợp cho 2 nghiệm khó phân biệt mục tiêu thật, giả, 2 nghiệm đều cho rị' đương và r„' dương Hình 2. Đỏ thị khảo sát phân bố nghiệm cua bai toán hypebolic Hình 2. Xác định tọa độ mục tiêu trong không gian 3D theo phương pháp TDOA. Sơ đồ khỏi hệ thông tương quan chéo.

Sơ đô khỏi hệ thông TOA. Định vị một giai đoạn. Định vị hai giai đoạn. Các phát xạ vô tuyến trên các mục tiêu của ra đa thụ động nhiều vị trí Hình 2.

Minh hoạ nguyên lý làm việc của anten mạng. Page6 guyền Tiên Thành - CB130617 Ky thuat dinh vi TDOA và ứng dụng của né trong hé théng rada thụ đồng (+) vẻ phía bắc và dâu (-) về phía nam. Kinh độ của điểm lả góc giữa mặt phẳng kinh tuyển đầu tiên với mặt kinh tuyển tại điểm đó. Trên bản đồ tôpô có thể hiện các đường kinh tuyến của hệ tọa độ địa tâm.

Hệ tọa độ nảy có mô tả toán học chặt chế, cho phép nhận được các biêu thức giải tích khi xác định vị trí nguồn phát xạ và được sử dụng trong các hệ thông địnhvị tự động. Trong hệ tọa độ địa tâm elip xốit tròn xoay được thay bằng hình cầu với bản kính là 6371,11 km vả giảm được tính toán khi định vị nguồn phát xạ. Hệ tọa độ này chỉ khác hệ tọa độ địa lý ở phương pháp tính toán vĩ độ. Việc đơn giản hoá các hệ tọa độ đã xét ở trên dẫn tới việc sử dụng hệ tọa độ địa tâm (với các tọa độ cầu bất kỷ).

Trong hệ tọa độ này mặt phẳng cơ bản là mặt phẳng vòng tròn lớn (xich đạo qui ước - là mặt phẳng chính). Khi ây vĩ độ @ của điểm trên mặt cầu là góc giữa mặt phẳng xich đạo tới hưởng bắc trong khoang từ 0 đến 90° (vĩ độ bắc) và tử xich đạo tới phía nam trong khoảng từ 0 đến -90° (vĩ độ nam). Một trục tọa đô khác lả đường kinh tuyển qui ước đầu tiên (kinh tuyển Ø là kinh tuyển góc). Kinh độ 2 là góc giữa kinh tuyển 0 và mặt phẳng kinh tuyển đi qua điểm cần xác định.

Kinh độ thay đổi từ 0 đến 180°. Từ kinh tuyển 0 tới phía đông lả kinh độ đông, tới phía tây là kinh độ tây. Vi trí của một điểm trên mặt phẳng (trên bản đỏ) có thể được xác định bởi đại lượng tuyến tỉnh — tọa độ vuông góc. Hệ tọa độ vuông góc sử dụng ở Nga được xây dựng như sau: Elip xôit trải đất được chia thành 6 độ bằng các đường kinh tuyển.

Các vùng được tính từ tây sang đông bắt đầu từ kinh tuyển 0 (kinh tuyển gốc). Trong môi vùng tọa độ xây dưng các lưới tọa độ. Các đường ngang của bước được kẻ song song. với đường xich đạo, các đường thẳng đứng song song với đường kinh tuyến giữa.

Vị trí của một điểm trong hệ tọa độ vuông gỏc được đặc trưng bởi: hoảnh độ x tăng từ nam lên bắc và tung độ y tăng từ tây sang đông. Giá tị hoành độ X trên bản đồ gồm số nguyên kilômét tính từ đường xích dao tới đường tọa độ đi qua phia nam điểm cản xác định vả số kilômét từ chính đường, này tới điểm ở bên trong góc vuông. Tung độ Y chỉ khoảng cách từ điểm cần xác Nguyễn Tiên Thành - CB130617 Ky thuat dinh vi TDOA và ứng dị của nó trong hệ théng rada thu déng Hinh 2. Minh hoa phuong phap giao thoa tuong quan.

Minh hoạ hệ thống anten mạng đẻ xác định hưởng mục tiêu Hình 2. Hệ thống rađa thụ động hai vị trí Hình 2. Minh hoạ hệ thông rađa nhiềuvi trí (3 vị tr đẻ xác định toạ đô của mục tiêu. Minh hoạ nguyên tắc hypecbol đo toạ độ mục tiêu từ ba trạm rađa thụ động.

Minh hoạ một hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí Hình 2. Đường trực thị thay đổi theo đường đáy. Cách bỏ tr cac dai thu cơ bản Hình 2. Đường cong sai số vị trí của ra đa thụ động TDOA 3D theo cự ly và theo độ cao (4 vị trí hình ngôi sao 3 cảnh) Hình 2.

Đường cong sai số vị trí hằng số của ra đa thụ đông TDOA 3D theo cự ly và theo độ cao (4 vị trí hình T) Hình 3. Giao diện chương trình mỏ phỏng quá trình định vị mục tiêu sử dụng 3 tram thu. Giao diện chương trình mô phỏng quá trình định vị mục tiêu sử dụng nhiều trạm thư. guyền Tiên Thành - CB130617 Ky thuat dinh vi TDOA và ứng dị của nó trong hệ théng rada thu déng Hinh 2.

Minh hoa phuong phap giao thoa tuong quan. Minh hoạ hệ thống anten mạng đẻ xác định hưởng mục tiêu Hình 2. Hệ thống rađa thụ động hai vị trí Hình 2. Minh hoạ hệ thông rađa nhiềuvi trí (3 vị tr đẻ xác định toạ đô của mục tiêu.

Minh hoạ nguyên tắc hypecbol đo toạ độ mục tiêu từ ba trạm rađa thụ động. Minh hoạ một hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí Hình 2. Đường trực thị thay đổi theo đường đáy. Cách bỏ tr cac dai thu cơ bản Hình 2.

Đường cong sai số vị trí của ra đa thụ động TDOA 3D theo cự ly và theo độ cao (4 vị trí hình ngôi sao 3 cảnh) Hình 2. Đường cong sai số vị trí hằng số của ra đa thụ đông TDOA 3D theo cự ly và theo độ cao (4 vị trí hình T) Hình 3. Giao diện chương trình mỏ phỏng quá trình định vị mục tiêu sử dụng 3 tram thu. Giao diện chương trình mô phỏng quá trình định vị mục tiêu sử dụng nhiều trạm thư.

guyền Tiên Thành - CB130617 Ky thuat dinh vi TDOA và ứng dị của nó trong hệ théng rada thu déng Hinh 2. Minh hoa phuong phap giao thoa tuong quan. Minh hoạ hệ thống anten mạng đẻ xác định hưởng mục tiêu Hình 2. Hệ thống rađa thụ động hai vị trí Hình 2.

Minh hoạ hệ thông rađa nhiềuvi trí (3 vị tr đẻ xác định toạ đô của mục tiêu. Minh hoạ nguyên tắc hypecbol đo toạ độ mục tiêu từ ba trạm rađa thụ động. Minh hoạ một hệ thống rađa thụ động nhiều vị trí Hình 2. Đường trực thị thay đổi theo đường đáy.

Cách bỏ tr cac dai thu cơ bản Hình 2. Đường cong sai số vị trí của ra đa thụ động TDOA 3D theo cự ly và theo độ cao (4 vị trí hình ngôi sao 3 cảnh) Hình 2. Đường cong sai số vị trí hằng số của ra đa thụ đông TDOA 3D theo cự ly và theo độ cao (4 vị trí hình T) Hình 3. Giao diện chương trình mỏ phỏng quá trình định vị mục tiêu sử dụng 3 tram thu.

Giao diện chương trình mô phỏng quá trình định vị mục tiêu sử dụng nhiều trạm thư. guyền Tiên Thành - CB130617 Kỹ thuật đình vị TDOA vả ứng dụng của nó trong hệ thong rada thu dong LỜI CAM ĐOAN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thây cô trong Viên Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hả Nội đã tạo ra một môi trưởng thuận lợi về cơ sở vật chát cũng như về chuyên môn trong quả trình tôi thực hiện đề tải.