Thông tin định vị trên biển sử dụng sóng vô tuyến điện ứng dụng trong vùng biển Việt Nam

Thông tin định vị trên biển sử dụng sóng vô tuyến điện ứng dụng trong vùng biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ….…………… LÂM HỒNG THẠCH THÔNG TIN ĐỊNH VỊ TRÊN BIỂN SỬ DỤNG SĨNG VƠ TUYẾN ĐIỆN ỨNG DỤNG TRONG VÙNG BIỂN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2009 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Việt nam nước ven biển thuộc khu vực khí hậu nhiết đới gió mùa, hàng năm chịu ảnh hưởng trực tiếp đến 10 bão Bão gây nhiều thiệt hại người của, đặc biệt tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ Theo báo cáo ngành Thuỷ sản, có tới 2/3 số tàu thuyền gắn máy có đăng ký (trên 40.000 chiếc) có cơng suất vừa nhỏ (dưới 45 mã lực) hoạt động vùng biển A1, xa bờ khoảng 70 km, thiếu trang bị thiết bị thông tin liên lạc định vị cứu hộ Đây nguyên nhân gây thiệt hại ngư dân có bão Bộ Thuỷ sản trước Bộ Nơng nghiệp phát triển nơng thơn tích cực triển khai đề tài Thông tin cứu hộ biển nhằm xây dựng hệ thống thông tin định vị cứu hộ cho tàu thuyền đánh cá Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án góp phần tìm phương pháp khả thi xác định đồng thời vị trí nhiều tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ hoạt động vùng biển Việt nam, phục vụ công tác cứu hộ Nghiên cứu đặc biệt hướng đến giải pháp nhằm nâng cao số lượng tàu thuyền định vị đồng thịi khả tách biệt mục tiêu định vị có bão tàu thuyền thường co cụm lai Đây nội dung hướng tới chủ đề Thông tin cứu hộ biển cho ngành Thuỷ sản Việt nam Đối tượng phạm vi nghiên cứu Luận án đề xuất giải pháp trang bị cho tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ phao vơ tuyến thị vị trí khẩn cấp EPIRB (Emergency Position Indicating Radio Beacon) có thêm tần số làm việc 8,5MHz Vị trí phao vơ tuyến anten thơng minh đặt trạm bờ xác định theo phương pháp sóng mặt Thuật tốn MUSIC (Multiple Signal Classification) nghiên cứu áp dụng để ước lượng vị trí tàu thuiyền.theo hướng sóng tới (Direction of Arrival – DOA) ước lượng đồng thời hướng sóng tới DOA thời gian lan truyền sóng (Time of Arrival – TOA) theo phương pháp đa tần Phương pháp nghiên cứu kết cấu luận án 4.1 Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp mô ước lượng hướng sóng tới thời gian lan truyền sóng theo thuật tốn MUSIC để xác định vị trí tàu thuyền - Sử dụng phương pháp thống kê với mẫu mô phỏng, xây dựng đồ thị quan hệ số nguồn phát tối đa xác định số tần số phát phương pháp đa tần 4.2 Kết cấu luận án: Luận án dài 112 trang, bao gồm phần mở đầu, bốn chương, phần cuối kết luận chung, tài liệu tham khảo phụ lục Mở đầu: Trình bày vắn tắt tính cấp thiết đề tài, mục đích, đối tượng phương pháp nghiên cứu, cuối ý nghĩa khoa học thực tiễn Chương Tổng quan thông tin định vị tàu thuyền đánh cá biển Việt nam Trình bày đặc điểm vùng biển Việt nam ảnh hưởng bão Nêu tình trạng thiếu trang thiết bị thông tin dẫn tới thiệt hại bão khó khăn cơng tác cứu hộ Chỉ ưu điểm hạn chế hai kỹ thuật định vị tàu thuyền thông dụng sử dụng rađa vệ tinh để thấy tính cấp thiết cần xây dựng phương pháp định vị cho tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ hoạt động vùng biển Việt nam Chương II Giải pháp định vị cứu hộ tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ hoạt động vùng biển Việt nam Nghiên cứu phương thức truyền sóng biển, từ đề xuất giải pháp sử dụng phao vơ tuyến có thêm tần số 8,5MHz để định vị tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ theo phương pháp sóng mặt Chương III Sử dụng anten thông minh định vị tàu thuyền biển Giới thiệu kỹ thuật định dạng búp sóng kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới để định vị mục tiêu anten thơng minh Trình bày thuật tốn MUSIC, thuật tốn ước lượng có độ phân giải cao xây dựng toán định vị tàu thuyền anten thơng minh sử dụng thuật tốn MUSIC Nghiên cứu xác định giới hạn hướng sóng tới đề xuất giải pháp phân biệt nguồn phát gần mà thơng thường thuật tốn MUSIC khơng xác định Chương IV Phương pháp đa tần định vị đồng thời nhiều tàu thuyền biển Trình bày phương pháp đa tần định đồng thời vị trí nhiều nguồn phát nghiên cứu tác giả nhằm xác định giới hạn số lượng nguồn phát đồng thời định vị Trên sở kết mô phỏng, tác giả xây dựng đồ thị biểu thị mối quan hệ số nguồn phát tối đa xác định số tần số phát phương pháp đa tần, đề xuất hai giải pháp góp phần nâng cao khả làm việc hệ thống định vị Phần kết luận chung kiến nghị Phần kết nghiên cứu công bố Tài liệu tham khảo Phần phụ lục: - Các bảng biểu phạm vi hoạt động tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ biển Việt nam, tần số quy định quốc tế dành cho cứu hộ - Chương trình MATLAB mơ ước lượng hướng sóng tới thời gian lan truyền sóng theo thuật tốn MUSIC Ý nghĩa khoa học thực tiễn Bản luận án trình bày đề xuất sử dụng phao vơ tuyến phát sóng cấp cứu có thêm tần số phát 8,5MHz để định vị theo phương pháp sóng mặt anten thơng minh đặt trạm bờ, cho phép mở rộng phạm vi định vị tàu thuyền tới cự ly 100 km Việc áp dụng phương pháp đa tần thuật tốn phân loại tín hiệu MUSIC cho phép cần dàn anten thông minh đặt trạm bờ định vị đồng thời nhiều phao vô tuyến, mở khả năng, với số khơng lớn trạm bờ, đáp ứng yêu cầu định vị cứu hộ đồng thời hàng trăm tàu thuyền bị nạn có bão Bằng phương pháp mô phỏng, tác giả nghiên cứu đề xuất hai phương pháp phân biệt nguồn phát gần mà thuật tốn MUSIC thơng thường khơng phát được, cho phép xác định xác số tàu thuyền cần cứu hộ có bão tàu thuyền đánh cá thường co cụm lại gần Dựa việc thống kê kết mô phỏng, tác giả xây dựng đồ thị quan hệ số nguồn phát tối đa xác định số tần số phát phương pháp đa tần, từ đó, đề xuất ý kiến chia nhóm tần số phát cấp cho phao vô tuyến, cho phép với dàn anten ta định vị đồng thời nhiều nguồn phát Đây đóng góp vào vấn đề Thơng tin cứu hộ biển cho ngành Thuỷ sản Việt nam CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN ĐÁNH CÁ TRÊN BIỂN VIỆT NAM Chương trình bày ba vấn đề chính: 1.Đặc điểm kinh tế biển Việt nam ảnh hưởng bão Việt nam nước ven biển với bờ biển dài 3000 km vùng đặc quyền kinh tế biển rộng triệu km2 Đây lợi lớn để phát triển ngành Thuỷ sản Theo báo cáo ngành Thuỷ sản, tính đến tháng 10 năm 2007., nước ta có nửa triệu lao động làm nghề cá với khoảng 95.000 tàu thuyền đánh cá, hoạt động suốt từ vĩ tuyến 60 độ vĩ Bắc đến vĩ tuyến 210 độ vĩ Bắc Năm 2006 tổng sản lượng thuỷ sản đạt 3,6 triệu kim ngạch xuất thuỷ sản đạt 3,31 tỷ đôla Mỹ Do nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nên năm nước ta phải hứng chịu từ 10 đến 12 bão Theo thống kê, năm 2006, có 10 bão, có bão mạnh, bão Chanchu (5/2006), Xangsane (10/2006), gây thiệt hại nặng nề cho tàu thuyền đánh cá Khó khăn thơng tin cứu hộ tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ Theo số liệu thống kê ngành Thuỷ sản, có tới 40.000 tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ (công suất 45 mã lực) hoạt động xa bờ khoảng 70 km, thiếu trang bị thiết bị thông tin liên lạc cứu hộ, phần thu nhập bình quân lao động làm nghề cá thấp, khoảng triêu đông/người/năm, phần đặc tính sản xuất nhỏ lẻ ngư dân Các hệ thống định vị tàu thuyền đánh cá biển Luận án trình bày hai kỹ thuật định vị tàu thuyền phổ biến, kỹ thuật định vị mặt đất sử dụng rađa kỹ thuật định vị vệ tinh Rađa hệ thống bao gồm thiết bị phát sóng, thiết bị thu sóng, thiết bị xử lý, phân tích tín hiệu hình hiển thị Đối tượng định vị chủ động phát đáp tín hiệu liên lạc với rađa, đơn phản xạ tín hiệu Tín hiệu thu rađa xử lý, so sánh với tín hiệu chuẩn từ hiển thị kết khoảng cách, vị trí hay vận tốc đối tượng Các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu xây dựng nhằm cung cấp khả định vị không gian ba chiều, cung cấp thông tin, giá trị vận tốc thời gian cho đối tượng sử dụng với độ xác cao Trong đó, hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh Các vệ tinh phân phối thành nhóm bay mặt phẳng quỹ đạo Các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng góc 55 độ so với mặt phẳng xích đạo trái đất nằm độ cao khoảng 20.200 km so với mặt đất Cách bố trí vệ tinh đảm bảo điểm mặt đất thường xuyên quan sát đồng thời vệ tinh suốt thời gian 24 ngày Với phương trình thu được, thiết bị GPS mặt đất tính tốn vị trí Hai hệ thống định vị tàu thuyền biển trình bày có hạn chế định áp dụng cho cứu hộ tàu thuyền loại vừa nhỏ Hệ thống định vị mặt đất sử dụng rađa cần có kích thước lớn để búp sóng hẹp cịn hệ thống định vị vệ tinh lại u cầu chặt chẽ tính đồng có giá thành cao KẾT LUẬN CHƯƠNG Yêu cầu cấp thiết ngành Thuỷ sản sớm xây dựng hệ thống thơng tin định vị, cần nghiên cứu phương pháp định vị phù hợp, phục vụ công tác cứu hộ tàu thuyền loại vừa nhỏ (có tới 40.000 chiếc, chiếm 2/3 số tàu thuyền gắn máy có đăng ký), hoạt động cự lý xa bờ tới 70 km Thiết bị định vị đặt tàu thuyền phải đơn giản, dễ sử dụng (do mặt dân trí người lao động chưa cao) vừa phải rẻ tiền để ngành Thuỷ sản trang bị hàng loạt cho tàu thuyền Trong chương luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp định vị sóng mặt sử dụng phao vơ tuyến thị vị trí khẩn cấp, giải pháp đáp ứng yêu cầu CHƯƠNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CỨU HỘ TÀU THUYỀN LOẠI VỪA VÀ NHỎ HOẠT ĐỘNG TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM Phần đầu chương trình bày bốn phương pháp truyền sóng biển truyền sóng bề mặt, truyền sóng trực tiếp tầm nhìn thẳng, truyền sóng gián tiếp phản xạ tầng điện ly truyền sóng khơng gian nhờ sử dung vệ tinh Phương pháp truyền sóng bề mặt lựa chọn có ưu điểm quan trọng cự ly truyền sóng đảm bảo cho tàu thuyền loại vừa nhỏ hoạt động xa nằm tầm quản lý trạm bờ anten thu trạm bờ đặt thấp Trên sở đó, luận án đề xuất việc trang bị cho tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ phao vơ tuyến thị vị trí khẩn cấp (EPIRB) có thêm tần số làm việc 8,5 MHz trình bày kỹ thuật xác định vị trí phao vơ tuyến theo hướng sóng tới sóng lan truyền theo phương pháp bề mặt Trong trường hợp cự ly định vị ngắn, ta coi mặt biển phẳng, sóng truyền lan trực tiếp từ tàu thuyền vào bờ theo đường thẳng tới anten (hình 2.1) Bắc y T1(x1 , y1) y” y1 β y0 02 (x0 , y0) x' Đông α1 01 (0,0) x0 x1 x Hình 2-1 Trạm bờ xác định vị trí tàu thuyền biển Ta sử dụng phương pháp xác định hướng sóng tới để định vị tàu thuyền Ta lựa chọn hệ toạ độ Đềcác xoy, với gốc toạ độ 01 (0,0) gắn với trạm thu thứ bờ hình vẽ Toạ độ trạm bờ thứ hai 02 (x0 , y0 ) biết Giả sử trạm bờ thứ nhận tín hiệu tàu bị nạn với góc tới α1 , trạm bờ thứ hai nhận tín hiệu tàu bị nạn với góc tới β1 Ta cần xác định toạ độ tàu bị nạn, ký hiệu T1 (x1 , y1 ) biết hướng sóng tới trạm thu bờ (α1, β1) Ta có phương trình đường thẳng qua toạ độ trạm bờ (0,0) toạ độ tàu bị nạn T1 (x1 , y1 ): (2-1) y = x.tgα1 Và phương trình đường thẳng qua toạ độ trạm bờ thứ hai (x0 , y0 ) toạ độ tàu bị nạn T1 (x1 , y1 ): y’= x’ tgβ1 (Viết hệ toạ độ x’o’y’) (2-2a) hay y+ y0 = (x1+x0) tgβ1 (Viết hệ toạ độ xoy ) (2-2b) Hai đường thẳng có phương trình (2-1) (2-2) cắt vị trí toạ độ tàu bị nạn Ta có hai phương trình: y1 = x1.tgα1 (2-3) (2-4) y1 + y0 = (x1+x0) tg β1 Từ hai phương trình (2.3) (2-4) nhận toạ độ tàu bị nạn T1 (x1 , y1 ): (2-5) x1 = (x0tgβ1- y0) / ( tgα1- tg β1) y1 = (x0tgβ1- y0) tgα1/ ( tgα1- tg β1) (2-6) Trường hợp tàu thuyền cần định vị xa, sóng phát từ phao vơ tuyến lan truyền cong theo mặt biển có toán xác định giao điểm hai đường cong mặt cầu có bán kính bán kính trái đất Ta có hai cách để xác định Cách thứ nhất, sử dụng phép chiếu hình học, chuyển tốn khơng gian sang toán mặt phẳng, Cách thứ hai, vào tọa độ điểm theo sô liệu cung cấp, quy đổi từ tọa độ cầu sang hệ tọa độ hải đồ theo WGS84 tiến hành so sánh đồ thị để tính khoảng cách thực tế hải lý KẾT LUẬN CHƯƠNG Việc sử dụng phao vơ tuyến thị vị trí khẩn cấp EPIRB có thêm tần số làm việc 8,5 MHz, với phương thức truyền lan sóng mặt để xác định vị trí tàu thuyền có sở kỹ thuật với khó khăn giải Ưu điểm phương pháp định vị sóng mặt so với phương pháp sử dụng rađa cự ly định vị lớn hơn, so với định vị vệ tinh phương pháp sóng mặt khơng u cầu tín hiệu nguồn phát phải đồng với phía thu Đây giải pháp phù hợp cho công tác định vị cứu hộ tàu thuyên đánh cá loại vừa nhỏ hoạt động biển Việt nam Vị trí phao vô tuyến xác định nhờ anten thông minh đặt trạm bờ, sử dụng thuật toán ước lượng MUSIC, trình bày CHƯƠNG ANTEN THƠNG MINH ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN TRÊN BIỂN 3.1 Cấu tạo dàn anten Một anten thông minh dàn anten gồm nhiều phần tử vi xử lý Ở ta sử dụng dàn đồng dạng tuyến tính ULA, (Uniform Linear Array) gồm phần tử giống nhau, đặt thẳng hàng cách với khơng gian, hình 3-1 Hướng sóng đến từ phao vô tuyến (nguồn phát) z θ M x y ϕ Hình 3-1 Dàn anten nhận sóng tới từ phao vơ tuyến theo hướng (θ, ϕ) Trên hình 3-1, sóng phẳng, phát từ nguồn phát, tới dàn anten từ hướng (θ, ϕ) Trong θ góc ngẩng cịn ϕ gọi góc phương vị Do khoảng cách từ tàu thuyền đến trạm bờ lớn nhiều so với khoảng cách chấn tử nên, với nguồn phát, coi tia sóng đến song song biên độ tín hiệu tới dàn Sóng truyền lan theo phương thức sóng mặt nên xem θ = 00 Có hai phương pháp để xác định DOA dàn anten ULA, phương pháp định dạng búp sóng phương pháp ước lượng hướng sóng tới Hạn chế phương pháp định dạng búp sóng độ rộng đồ thị phương hướng mức nửa cơng suất thay đổi theo hướng sóng tới, mở rộng góc sóng tới giảm độ xác giảm góc sóng tới nhỏ 3.2 Phương pháp ước lượng hướng sóng tới Giả sử ta cần xác định cách đồng thời hưóng sóng tới từ K nguồn phát sóng độc lập Ta sử dụng dàn anten thu ULA có M phần tử, với điều kiện M > K (hình 3-2) Trên máy thu ta nhận K tín hiệu sóng tới nhiễu: K um(t)=Σam(φk).sk(t)+nm(t), với k = 1, 2, 3, K k=1 (3-1) Gọi U(t) tổng tín hiệu nhận đầu dàn, bao gồm nhiễu, ta có: K K U(t) = ΣA(φk).Sk(t)+N(t) k=1 (3-2a) xk (t) xk(t) x1 (t) x1 (t) xk(t) x1 (t) xk(t) x1 (t) φ φ d x k1(t) x k2(t) x k m(t) x k M (t) R x1 Rx2 R xm R xM u k1 (t) u k 2(t) u k m(t) u k M(t) U(t) Hinh 3-2 Dàn anten có M phần tử với K sóng tới Hay : U(t) = A(φ).S(t)+N(t) U(t) = A.S + N (3-2b) Trong đó: U(t) - ma trận biểu thị đáp ứng đầu M cổng máy thu A(φ) - ma trận cỡ MxK mang thơng tin góc pha tín hiệu sóng tới S(t) - ma trận hàm chứa biên độ đường bao phức K tín hiệu đầu N(t) - véctơ nhiễu (M chiều) nhận M cổng máy thu 3.3 Kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới theo thuật tốn MUSIC 3.3.1 Cơ sở xây dựng thuật toán MUSIC MUSIC thuật tốn phân loại tín hiệu có độ phân giải cao Cơ sở xây dựng thuật toán dựa liệu tín hiệu thu nhận đầu dàn anten (3-2) Trước tiên ta xây dựng ma trận hiệp phương sai (covariance matrix) ma trận tín hiệu thu U(t) theo (3-2) Ruu = E U (t ).U H (t ) (3-3a) [ Ruu = ] [ ] L ∑ U (t ).U H (t ) L t =1 (3-3b) Ở UH(t) – Phép biến đổi chuyển vị + liên hiệp phức) ma trận U(t) L – số mẫu lấy chu kỳ tín hiệu 11 Như vậy, ta phân loại tín tín hiệu nhiễu thu hai không gian - Khơng gian tín hiệu có kích thước K, tương ứng K tín hiệu thu được, xắp xếp theo thứ tự biên độ giảm dần - Không gian nhiễu, có kích thước M – K, có mức cơng suất σ2 (giả thiết cơng suất tạp âm có biên độ nhỏ biên độ tín hiệu yếu λK) Ta nhận thấy để tồn không gian nhiễu cần có điều kiện M > K Đó điều kiện để xây dựng thuật toán MUSIC Do số nguồn tối đa xác định DOA là: (3-6) K M = (M-1) Hình 3-4 sơ đồ khối bước thực trình ước lượng hướng sóng tới theo thuật tốn MUSIC, Rxx ma trận hiệp phương sai xây dựng từ ma trận véctơ đáp ứng đầu M cổng thu U(t) 3.3.2 Kết mô Trên sở ta xây dựng tốn mơ phỏng:giả sử tín hiệu độc lập phát từ tàu thuyền tới dàn anten thích nghi đồng dạng tuyến tính ULA với góc tới - 60°, - 40°, 10°, 30° 50° Tần số sóng mang tín hiệu 8,5 MHz tỷ số tín hiệu tạp âm SNR 10 dB Ta tính tốn viết chương trình mơ với trường hợp dàn anten thu có phần tử (M > K), khoảng cách hai phần tử kề d = λ/2 Phần mềm mô viết theo chương trinh MATLAB với số mẫu quan sát L = 200 Các góc sóng tới φ1, φ2, φ k Ma trận biên độ S(t) Ma trận hướng A(φ k) Ma trận nhiễu N(t) Véctơ đáp ứng đầu M cổng thu U(t) = A(φ).S(t) + N(t) Tính Rxx ước lượng góc sóng tới theo thuật tốn MUSIC Hình 3-4 Sơ đồ thực mô ước lượng hướng sóng tới 12 Hình 3-5a số nguồn xấp xỉ theo chuẩn đánh giá MDL Cột tín hiệu có mức thấp tương ứng với số lượng nguồn phát K (trong trường hợp K = 5) M function DL 50 45 40 Pseudo-Spectrum (dB) K=5 35 [dB] 30 25 20 15 10 -1 0 Number of signals -2 -80 -60 -40 -20 20 AOA (degrees) 40 60 80 Hình 3-5a Số nguồn xấp xỉ Hình 3-5b Kết xấp xỉ góc sóng tới theo chuẩn đánh giá MDL tín hiệu -60o,-40o, 10o, 30o 50o Hình 3.5b kết ước lượng góc sóng tới tín hiệu theo MUSIC Có thể nhận thấy năm tín hiệu xấp xỉ góc sóng tói cách xác với giá trị là: –59.5o, - 39.5o, 9.6°, 30° 50.4° 3.4 Khả phân biệt hướng sóng tới phương pháp DOA sử dụng thuật tốn MUSIC Bằng phương pháp mơ luận án xây dựng mối quan hệ góc giói hạn phân biệt hướng sóng tới số phần tử dàn anten ước lượng theo thuật tốn MUSIC Trên hình 3-6 kết mô với dàn anten 16 phần tử ước lượng 15 hướng sóng tới cách 70 với tỉ số S/N 30dB số mẫu quan sát L= 2000 (tăng S/N L để có góc giới hạn phân biêt DOA nhỏ nhất) Đồ thị hình 3-7 cho ta thấy góc giói hạn phân biệt hướng sóng tới (hay khả phân biệt hai nguồn phát gần định vị DOA) phụ thuộc vào số phần tử dàn anten định vị M 13 Mức phổ giả ngẫu nhiên, dB 7 20 Độ 4 3 12 2 1 0 -1 -1 -2 -2 -100 P s e u d o -S p e c t ru m (d B ) 15 -80 -60 -40 -20 20 DOA 20 -20 (degrees) -100 -80 -60 -40 DOA ( độ ) 40 60 80 100 40 60 80 100 M 34 12 16 24 32 40 Hình 3-6 Dàn anten 16 phần tử ước Hình 3-7 Mối quan hệ góc giới hạn lượng 15 hướng sóng tới cách 70 phân biệt hướng sóng tới số phần tử dàn Mức phổ giả ngẫu nhiên (dB) Pseudo-Spectrum (dB) Với trường hợp nguồn phát gần ( tàu thuyền co cụm để tránh bão), luận án đề xuất phương pháp ước lượng DOA hai lần Kết quả, dàn anten có 16 phần tử phân biệt ba hướng sóng tới cách 10 từ hướng 400, 410 420,hình 3-8 Thơng thường dàn 16 phần tử phân biệt góc sóng tới cách 70, (hình 3-6 3-7), vậy, cách này, ta làm tăng khả phân biệt hướng sóng tới gần 5.5 4.5 3.5 2.5 39 39.5 40 40.5 41 41.5 DOA (degrees) 42 42.5 43 40 40,5 41 41,5 42 42,5 43 43,5 44 Hình 3-8 Dàn 16 phần tử phân biệt góc sóng tới cách 10 KẾT LUẬN CHƯƠNG - Việc sử dụng anten thông minh, ước lượng hướng sóng tới theo thuật tốn MUSIC cho phép định vị phao vơ tuyến với độ xác cao - Giới hạn phân biệt hướng sóng tới phụ thuộc vào số phần tử dàn anten - Hạn chế phương pháp phải sử dụng trạm thu khắc phục phương pháp định vị đa tần trình bày chương 14 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐA TẦN ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN TRÊN BIỂN 4.1 Phương pháp đa tần định vị đồng thời nhiều nguồn phát Phương pháp ước lượng hướng sóng tới sử dụng thuật tốn MUSIC trình bày phần có hạn chế số nguồn phát K (ví dụ số tàu thuyền) cần xác định toạ độ phải nhỏ số phần tử hệ thống anten định vị M Điều hạn chế khả xác định số lượng mục tiêu cách đồng thời Trong nghiên cứu mình, chúng tơi đề xuất phương pháp đa tần nấc: Mỗi nguồn phát cần định vị phát đồng thời nhiều tần số khác dải tần Ta khảo sát trường hợp định vị hướng sóng tới từ K nguồn phát sóng độc lập Mỗi nguồn phát sóng N tần số sóng mang, theo nấc, tần số: f1 , f2 , f3 , … fN = f1 , f1 +Δf, f1 +2Δf , … f1+ (N-1).Δf Phía thu ta sử dụng dàn anten thơng minh đồng dạng tuyến tính ULA, gồm M phần tử có hệ số tăng ích nhỏ, đặt thẳng hàng, cách với không gian với khoảng cách d nửa bước sóng làm việc, trình bày chương 3, hình 3-1 3-2 Giả sử thời điểm t nguồn phát thứ k phát tín hiệu hai tần số sóng mang fi fj , tín hiệu nhận phần tử (ví dụ phần tử thứ nhất) dàn anten là: xi,1(t) = si (t).e− j2π fi τk +ni (t) = si (t).eΨ.i +ni (t) − j 2π f j τk xj,1(t) = s j (t).e Ψ + nj (t) = s j (t).e j + nj (t) (4-1a) (4-1b) Coi tác động môi trường đến hai sóng truyền đồng thời nhau: si(t) = sj(t), ni(t) = nj(t) máy thu ta xác định được: (4-2) Δψ=Ψi–Ψj=2.π.τk.(fi–fj) Hai tần số sóng mang fi fj biết, ta hoàn toàn xác định thời gian lan truyền sóng τk từ nguồn phát sóng thứ k tới dàn anten Khi tín hiệu nhận phần tử dàn (phần tử lấy làm chuẩn) tần số thứ i viết sau: K xi,1 (t ) = ∑ S k (t ).e − j 2π f i τ k + ni (t ) k =1 (4-3) 15 Ở đây: fi = f1 + (i − 1)Δf , i = 1, N S k(t) tín hiệu truyền tới thứ k tần số f i τk thời gian lan truyền (hay TOA) tín hiệu truyền từ nguồn phát thứ k đến phần tử dàn (phần tử lấy làm chuẩn) ni(t) nhiễu cộng (thêm vào) máy thu tần số fi Thời gian trễ lan truyền tín hiệu hai phần tử kề dàn anten (các phần tử đặt cách dọc theo dàn) nên thời gian trễ lan truyền (của tín hiệu nguồn phát thứ k) từ phần tử chuẩn đến phần tử thứ m dàn bằng: d.sinθk (4-4) τ D, m (θk ) = (m - 1) v (4-5) Ở đây: m = 1, 2,…, M v tốc độ lan truyền sóng d khoảng cách hai phần tử kề θk DOA tín hiệu thứ k Do tín hiệu nhận phần tử thứ k dàn anten tần số fi : K x i, m ( t ) = ∑ k =1 S k ( t ).e - j2 π f i τ k e - j2 π f i τ D m (θ k ) + n i (t ) (4-6) 4.2 Xây dựng ma trận tín hiệu thu Bằng cách đo tín hiệu nhận tất phần tử dàn anten tất tần số dải tần, nhận đầu dàn anten liệu viết dạng ma trận đây: (4-7) x(t) = A.s(t) + n(t) Ở đây: x(t) véctơ cỡ 1x Q (Q = M x N) nhận cửa dàn anten x(t)=[x1(t),x2(t)….,xM(t)]T (4-8) Do nguồn phát N tần số nên tín hiệu nhận đầu máy thu phần tử thứ m dàn anten là: (4-9) xm(t)=[x1,m(t),x2,m(t),…xi,m(t), xN,m(t)] Ma trân hiệp phương sai liệu thu theo cơng thức (4-7) viết sau: R x = E {x(t).x(t) H } (4-10) Ở H ký hiệu ma trận chuyển vị liên hiệp phức Từ ma trận hiệp phương sai Rx ta tính giá trị riêng véctơ riêng để 16 thực chương trình ước lượng hướng sóng tới DOA thời gian lan truyền sóng TOA theo thuật toán MUSIC Ở thuật toán MUSIC ước lượng TOA miền tần số Sự phụ thuộc cơng suất tín hiệu thu vào giá trị (DOA, TOA) cho phép ta xác định vị trí nguồn phát (ứng với đỉnh công suất) H ( ) ( ) Pmusic (θ , τ ) = a θ, τ α θ, τ H a (θ , τ )E N Ε N a (θ , τ ) H (4-11) Trong a(θ,τ) véc tơ hướng tín hiệu cịn EN biểu thị giá trị riêng khơng gian nhiễu ma trận hiệp phương sai Rx 4.3 Bài tốn mơ xác định đồng thời nhiều hướng sóng tới Trong chương trình mơ này, phao vơ tuyến phát tín hiệu dải tần từ 8,3 MHz đến 8,7 MHz, với 100 tần số sóng mang (bước nhảy tần Δf = 40KHz) Trạm bờ sử dụng dàn anten thông minh gồm phần tử để ước lượng TOA DOA tín hiệu Hình 4-1 Kết mơ xác định vị trí tàu thuyền phát tín hiệu Trên hình 4-1 trình bày kết mơ ước lượng DOA TOA, viết theo chương trình Matlab trường hợp có tàu thuyền sử dụng phao vơ tuyến phát tín hiệu cấp cứu với thời gian trễ (TOA) 5µs, 15µs, 26µs, 35µs, 44µs, 65µs, góc sóng tới (DOA) tương ứng 28o, 21o, 11o, 11o, -21o, -28o 17 Chúng ta nhìn thấy hình 4-1 vị trí sáu nguồn tín hiệu ước lượng cách xác với TOA µs, 15 µs, 25 µs, 35 µs, 45 µs, 65 µs DOA 29.5o, 22o, 9o, -9o, -22o, -29.5o Thơng thường, thuật tốn MUSIC truyền thống khơng đưa kết số nguồn phát (số phao vô tuyến, trường hợp 6) lớn số máy thu (hay số phần tử anten thu, trường hợp 4) Ở đây, phương pháp đa tần, cách kết hợp ước lượng đồng thời DOA TOA, giải thành công hạn chế 4.4 Ảnh hưởng số tần số phát đến kết định vị theo phương pháp đa tần Phương pháp ước lượng DOA sử dụng thuật toán MUSIC có hạn chế số nguồn phát K cần xác định phải nhỏ số phần tử hệ thống anten định vị Phương pháp đa tần mở rộng ứng dụng thuật toán cách sử dụng thời gian lan truyền sóng TOA thơng số thứ hai Khi thuật tốn MUSIC ước lượng hướng sóng tới DOA thời gian lan truyền sóng TOA Nói cách khác tốn định vị lúc trải mặt phẳng, vừa có chiều khơng gian (DOA) vừa có chiều thời gian (TOA) Mỗi “chỗ” xắp xếp lúc cặp giá trị (DOA,TOA), TOA thực miền tần số Từ biểu thức (4-8) trên, tín hiệu thu nhận đầu dàn anten là: x(t) = [x1(t), x2(t), …., xm(t), xM(t)]T Do nguồn phát sóng N tần số nên tín hiệu nhận đầu máy thu phần tử thứ m dàn anten biểu thị theo công thức (4-9): xm(t) = [x1, m(t), x2, m(t), …xi, m(t), xN, m(t)] Như vậy, liệu tín hiệu thu x(t) ma trận cột cỡ 1x Q với (Q = M x N), thuật toán MUSIC dành vị trí trục M cho khơng gian nhiễu số “chỗ”dành cho khơng gian tín hiệu (hay số nguồn phát tối đa định vị được) là: KMN=(M-1)*N (4-12) Hình 4-2 mơ tả vị trí “chỗ”cịn lại dành cho khơng gian tín hiệu với dàn anten phần tử nguồn phát (cần đinh vị) phát tín hiệu tần số sóng mang Như vậy, theo cơng thức (4-12), với cỡ dàn (M không đổi), số nguồn phát tối đa mà dàn anten định vị tỉ lệ thuận (bậc nhất) với số tần số phát N 18 M=4 (DOA) “chỗ” dành cho nhiễu N=8 (TOA) Hình 4-2 Có tối đa 24 “chỗ”dành cho khơng gian tín hiệu dàn anten thu có phần tử nguồn phát tín hiệu tần số sóng mang Bằng phương pháp mô phỏng, xem xét lại điều với thực tế nguồn phát (phao vô tuyến) làm việc tần số trung tâm 8,5MHz, dải tần B=400KHz, bước nhảy tần Δf = 10KHz (do B = N.Δf nên Nmax = 40) , tỉ số tín hiệu tạp đầu thu tốt, S/N = 30dB Ta giả sử nguồn phát đặt vị trí thuận lợi để khả phân biệt tốt Với cỡ dàn, ta tăng dần số tần số phát N xác định giới hạn số nguồn phát tối đa mà thuật tốn MUSIC cịn ước lượng tốt Phần mềm mô viết theo chương trinh MATLAB với số mẫu quan sát L = 100 (phụ lục 2) Ta chọn cửa sổ quan sát kết sau: - Trục x biểu thị thời gian lan truyền sóng từ nguồn phát đến dàn anten, đơn vị μs, từ 1μs, (ứng với khoảng cách 300m), đến 125μs (ứng với khoảng cách 40km) - Trục y biểu thị DOA, từ - 900 đến 900 (tương ứng nửa mặt phẳng hướng biển, hướng 00 ứng với hướng vng góc với dàn anten định vị) - Trục z biểu thị mức phổ giả ngẫu nhiên, đo dB, đỉnh phổ tương ứng vị trí nguồn phát sóng theo cơng thức (4-11) Trước tiên, ta xét trường hợp dàn anten có phần tử (M=2), nguồn phát tần số (N=2) Hình 4-3 kết mô trường hợp định vị nguồn phát (K=2), sóng tới từ hướng -200 200 , với thời gian lan truyền sóng tương ứng 50μs 30μs Ta thấy kết mô phù hợp 19 P u o S e m(d ) se d p ctru B -1 50 -5 DoA (degrees) -50 x 10 Time Delay (s) Hình 4.3 Kết mơ định vị nguồn dàn phần tử Sóng tới từ hướng -200, 200 , với thời gian lan truyền tương ứng 50μs,30μs, phù hợp Với dàn anten phần tử (M=2), tiếp tục mô tăng số tần số phát sóng N lên 4, 10, 20, 50, 100 ta xây dựng đồ thị biểu thị mối quan hệ số tần số phát N giới hạn số nguồn phát định vị cách rõ ràng (hình 4-4) 30 KMN (30) 24 (21) 20 18 (13.5) 14 10 (10) (2) N 10 20 50 100 Hình 4.4 Đồ thị biểu thị mối quan hệ số tần số phát N giới hạn số nguồn phát định vị KMN dàn anten phần tử Các số ngoặc giá trị KMN tính theo cơng thức 4-12 4-13 20 Ta thấy đồ thị biểu thị mối quan hệ số tần số phát N giới hạn số nguồn phát KMN đoạn đầu (N < 10) đường thẳng theo hàm số : N < = 10 (4-12) KMN = (M-1)*N, N>10 đồ thị có dạng đường cong bậc hai: KMN = (M+1)*sqrt N, N > 10 (4-13) (Trên hình 4.4 số ngoặc giá trị KMN tính theo (4-12) (4-13)) Từ kết thực 200 mơ với dàn anten có phần tử, phần tử, phần tử 16 phần tử nhận đồ thị biểu diễn mối quan hệ số tần số phát N số nguồn phát tối đa định vị KMN phương pháp đa tần, hình 4-5 K MN 35 M = 16 30 M=8 24 M=4 20 M=2 15 10 K MN =( M+1)*sqrt (N) 02 10 15 20 30 40 50 N Hình 4-5 Mối quan hệ số tần số phát N số nguồn phát tối đa định vị phương pháp đa tần, với số phần tử dàn M 2,4,8,16 Với kết khảo sát, ta có kết luận vai trị số tần số phát N bước nhảy tần Δf đến kết định vị sau: 1- Số tần số phát N hai thông số quan trọng định số nguồn phát tối đa định vị KMN Với cỡ dàn (M không đổi), số lượng nguồn phát (K khơng đổi), số tần số phát N lớn độ phân biệt vị trí tín hiệu cao (thuật tốn MUSIC ước lượng xác) 21 Với dải tần làm việc anten (B không đổi), số nguồn phát (K không đổi), bước nhảy tần Δf nhỏ độ phân biệt vị trí tín hiệu cao (thuật tốn MUSIC ước lượng xác) Trong phương pháp đa tần, với dàn anten có M phần tử, ta xác định vị trí (M-1) nguồn có hướng sóng tới DOA với số tần số phát N ta xác định vị trí (N-1) nguồn phát có thời gian lan truyền sóng TOA 3.5 Giải pháp đề xuất Dựa kết mô thể đồ thị hình 4-4 hình 4-5 ta thấy N thay đổi phạm vi từ đến 10 thi số nguồn phát tối đa định vị KMN tăng tuyến tính, sau KMN tăng chậm dần lại (theo hàm số mũ 1/2), sở luận án đề xuất việc chia nhóm tần số phát Với tốn trên, ta có tần số làm việc f0 = 8,5MHz, độ rộng dải tần B = 400KHz, bước nhảy tần số Δf = 10 KHz (số tần số phát cực đại, N = 40), Theo đồ thị hình 4-5, với dàn anten phần tử (M=8) với N=40 ta xác định tối đa 28 nguồn phát độc lập cách rõ ràng Nếu ta chia thành nhóm, nhóm có tần số (N = 5) cách 10KHz - Nhóm (8310, 8320, 8350)KHz, - Nhóm (8650, 8660,… 8700)KHz Theo đồ thị hình 4-5, dàn anten phần tử với N=5 xác định tối đa 10 nguồn phát độc lập Với nhóm ta được: K = 8*10 = 80 Như vậy, đề xuất chia nhóm tần số giúp cho số nguồn phát xác định tối đa phương pháp đa tần tăng gấp gần ba lần Cũng từ kết mô phỏng, luận án đề xuất thực thuật tốn MUSIC hai lần, lần đầu ước lượng “thô” với cửa sổ quan sát rộng để phát có nguồn phát (tàu thuyền bị nạn) hay không lần sau với cửa sổ quan sát hẹp hơn, để xác định vị trí tàu thuyền Trên hình 4-6 kết mơ định vị 35 nguồn phát dàn anten 16 phần tử Các nguồn phát xắp xếp cách 40, từ hướng -680 đến 680, với thời gian lan truyền tương ứng từ 72μs đến 4μs cách 2μs Trong ta nhấc nguồn vị trí (-280, 52μs), đặt vào vị trí (280, 56μs) Do nguồn phát lúc gần nhau, (40, 2μs) nên nguồn bị che khuất, khó quan sát xác định vị trí Đây bước ước lượng “thơ”, góc quan sát DOA từ -900 đến 900 22 Nguồn phát bị che khuất, khó quan sát P e d S e tru (d ) s uo pc m B -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 100 50 -50 -100 DoA (degrees) 0.2 0.4 0.8 0.6 -4 x 10 Time Delay (s) Hình 4-6 Dàn 16 phần tử định vị 35 nguồn, nguồn phát 40 tần số, hướng sóng tới cách 40 thời gian lan truyền cách 2μs Ta thực tiếp lần mô thứ hai Để xác định vị trí nguồn phát bị che khuất ta thay đổi cửa sổ quan sát, hướng quan sát (DOA) từ góc 200 đến 400 , hình 4-7 Nguồn phát bị che khuất, quan sát P u oS e m(d ) se d p ctru B -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 40 35 30 25 DoA (degrees) 20 -5 x 10 Time Delay (s) Hình 4-7 Dàn 16 phần tử định vị 35 nguôn Với cửa sổ quan sát hẹp, từ góc 200 đến góc 400 ta đọc vị trí nguồn cần xác định (300, 60μs) Như việc ước lượng lần giúp ta xác định vị trí nguồn phát xác hơn, đặc biệt với nguồn phát bị che khuất lần quan sát thứ 23 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày phương pháp đa tần định vị đồng thời nhiều nguồn phát sử dụng thuật toán MUSIC nghiên cứu, đề xuất tác giả ứng dụng phương pháp việc định vị cứu hộ tàu thuyền ven biển với dàn anten thông minh làm việc tần số trung tâm 8,5 MHz 1/ Phương pháp đa tần nấc cho phép định vị đồng thời nhiều phao vơ tuyến phát sóng với dàn anten thu bờ 2/ Dựa phương pháp mô phỏng, tác giả xây dựng đồ thị mối quan hệ số lượng nguồn phát tối đa định vị KMN số số tần số phát N : 3/ Với cỡ dàn, dải tần B, số nguồn phát K N lớn hay bước nhảy tần Δf nhỏ độ phân biệt vị trí tín hiệu cao (thuật tốn MUSIC ước lượng xác) 4/ Trên sở tác giả đề xuất hai ý kiến cụ thể góp phần nâng cao khả làm việc hệ thống: - Đề xuất thứ việc chia nhóm tần số phát, cho phép dàn anten định vị đồng thời nhiều nguồn phát - Đề xuất ước lượng MUSIC hai lần nhằm xác định nguồn phát có vị trí gần nhau, khó phân biệt bị che khuất KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CÁC KẾT LUẬN 1/ Xây dựng phương pháp định vị phao vô tuyến có thêm tần số phát dải tần số (8,3-8,7)MHz để dàn anten thông minh đặt trạm bờ xác định vị trí theo phương pháp đa tần áp dụng cho công tác cứu hộ tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ ngành Thuỷ sản Việc sử dụng định vị sóng mặt cho phép định vị tàu thuyền xa bờ đến 100km, bao quát toàn phạm vi hoạt động tàu thuyền đánh cá loại Phương pháp định vị đa tần sử dụng thuật toán ước lượng MUSIC, xây dựng luận án, cho phép dùng dàn anten thông minh đặt trạm bờ định vị đồng thời nhiều tàu thuyền Điều mở khả với số trạm bờ khơng lớn tham gia định vị cứu hộ đồng thời hàng trăm tàu thuyền bị nạn có bão 24 2/ Xây dựng chương trình mơ kết hợp đồng thời ước lượng hướng sóng tới DOA thời gian lan truyền sóng TOA mở rộng khả ứng dụng thuật tốn phân loại tín hiệu đa đường MUSIC, cho phép định vị số nguồn phát K lớn số phần tử dàn anten M Kết mô cho thấy khả phân biệt hướng sóng tới sử dụng thuật toán ước lượng MUSIC tăng lên tăng số phần tử dàn anten M Kết luận với định vị đa tần, với cỡ dàn anten M, dải tần làm việc anten B, số lượng nguồn phát K, tăng số tần số phát N khả phân biệt mục tiêu tăng thực ước lượng hai lần, tác giả đề xuất, khả phân biệt nguồn phát gần tốt 3/ Dựa kết mô phỏng, tác giả xây dựng đồ thị biểu thị mối quan hệ số nguồn phát tối đa định vị số tần số phát trường hợp định vị sóng mặt tần số 8,5MHz., từ có kết luận: - Trong phương pháp đa tần, với dàn anten có M phần tử, ta xác định vị trí (M-1) nguồn có hướng sóng tới DOA với số tần số phát là.N ta xác định vị trí (N-1) nguồn phát có thời gian lan truyền sóng TOA - Trong phương pháp đa tần, số lượng tối đa nguồn phát định vị phụ thuộc vào số tần số phát theo hàm số mũ Do chia nhóm tần số phát, dàn anten, ta định vị đồng thời nhiều tàu thuyền Đây hướng suy nghĩ hoàn toàn PHẦN KIẾN NGHỊ Giải pháp chế tạo phao vơ tuyến phát sóng cấp cứu có thêm tần số 8,5MHz, sử dụng định vị sóng mặt, khơng mở rộng khoảng cách định vị, mà, với việc áp dụng phương pháp đa tần, sử dụng thuật tốn ước lượng MUSIC cịn cho phép định vị đồng thời nhiều tàu thuyền đánh cá Đây phương pháp mang tính kinh tế - kỹ thuật, hy vọng ứng dụng cho hệ thống thông tin cứu hộ ngành Thuỷ sản Việt nam HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Trong luận án, xây dựng phương pháp đa tần, tần số thay đổi nấc Tuy nhiên, tần số thay đổi cách liên tục Đây hướng nghiên cứu tiếp để phương pháp thêm hoàn thiện 25 in nhiỊu mỈt : 24,1,22,3,18,7,16,9,14,11 in mau 20,5 in nhiỊu mỈt : 2,23, 4,21,6,19,8,17,10,15,12,13 in nhiỊu qun cïng lóc : MỈt 1: 24,1,22,3,18,7,16,9,14,11 in mau: 20,5 MỈt 2: 2,23,4,21,6,19,8,17,10,15,12,13 ... Thơng tin cứu hộ biển cho ngành Thuỷ sản Việt nam 4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN ĐÁNH CÁ TRÊN BIỂN VIỆT NAM Chương trình bày ba vấn đề chính: 1.Đặc điểm kinh tế biển Việt nam. .. phương pháp định vị sóng mặt sử dụng phao vơ tuyến thị vị trí khẩn cấp, giải pháp đáp ứng yêu cầu CHƯƠNG GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CỨU HỘ TÀU THUYỀN LOẠI VỪA VÀ NHỎ HOẠT ĐỘNG TRÊN VÙNG BIỂN VIỆT NAM Phần... hai kỹ thuật định vị tàu thuyền thông dụng sử dụng rađa vệ tinh để thấy tính cấp thiết cần xây dựng phương pháp định vị cho tàu thuyền đánh cá loại vừa nhỏ hoạt động vùng biển Việt nam Chương II