Xây dựng hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm

Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm. Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu. Mời các bạn tham khảo!

Kỹ thuật điện tử XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TDOA SĨNG ÂM Phạm Văn Hòa*, Trần Quang Huy, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Cơng Thìn Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa dựa nguyên lý TDOA sóng âm Bằng việc sử dụng sensor thu âm đặt vị trí khác nhau, hệ thống xác định độ trễ thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát tiếng nổ tới sensor thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu Giải pháp kiểm tra, thử nghiệm máy tính cho số kết khả quan, làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa phục vụ an ninh quốc phòng Từ khóa: Súng bắn tỉa, Hỏa lực bắn tỉa, Định vị sóng âm, TDOA, Định vị Hypebolic MỞ ĐẦU Nhiều năm gần đây, hệ thống định vị hỏa lực nhiều nước giới đầu tư phát triển, đứng đầu Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nga với nhiều chương trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng khác hoạt động quân an ninh Các hệ thống đặt cố định mặt đất, tòa nhà, cơng xe chiến đấu, máy bay, tàu chiến Hầu hết hệ thống định vị hỏa lực dựa nguyên lý định vị thụ động để xác định vị trí tiếng đạn nổ Bằng việc sử dụng sensor thu âm đặt vị trí khác nhau, hệ thống xác định độ trễ thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát tiếng nổ tới sensor để định vị hỏa lực cự ly từ vài chục đến hàng nghìn mét Một số hệ thống tích hợp thêm kính ngắm, camera để quan sát mục tiêu tự động truyền thông số định vị cho lực lượng hỏa lực tiêu diệt mục tiêu cách nhanh chóng Bài báo trình bày số nội dung việc xây dựng hệ thống tự động phát định vị hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý sai lệch thời gian đến TDOA (Time Differences Of Arrival) kết hợp với quang - điện tử PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA BẰNG SÓNG ÂM 2.1 Đặc trưng sóng âm đạn Khi viên đạn bắn từ súng, có dạng sóng âm khác phát hình gồm: tiếng nổ đầu nòng (Muzzle Blast) sóng xung kích (Shock Wave) Sóng xung kích tạo viên đạn bay khơng khí với tốc độ siêu âm, sóng âm có dạng hình nón dọc theo quỹ đạo đạn, suy giảm nhanh mơi trường khơng khí, thời gian tồn ngắn (< 200s), tần số đặc trưng cho loại đầu đạn thường nằm dải từ 1-4kHz Tiếng nổ đầu nòng âm có cường độ lớn, vượt trội so với âm từ mơi trường xung quanh, sóng lan truyền có dạng hình cầu, tỏa hướng có tần số tập 88 P.V Hòa, Tr.Q Huy, N.V Hiếu, Tr C Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ trung dải 100-500Hz [2,3,4] Do đó, hệ thống cần phải nhận dạng loại đạn, việc sử dụng sóng xung kích có lợi hơn, đòi hỏi phải có đủ thơng tin thống kê số đặc trưng loại đạn Với hệ thống cần xác định vị trí hỏa lực việc thu xử lý tiếng nổ đầu nòng giải pháp đơn giản mà đạt yêu cầu độ xác thời gian xử lý [4] Hình Dạng tín hiệu sóng âm đạn [2] 2.2 Ngun lý TDOA định vị hỏa lực sóng âm Trong toán định vị thụ động, nguyên lý TDOA sử dụng rộng rãi, định vị với độ xác cao Với hệ thống định vị hỏa lực, sensor thu âm đặt vị trí cho cự ly đến điểm đặt hỏa lực khác nhau, thời điểm sóng âm truyền tới sensor khác hình Hình Lan truyền tiếng đạn nổ đến sensor [5] Bên cạnh đó, hiệu cự ly R12 biểu diễn qua tọa độ điểm M, S1 S2 Do ta có phương trình [1,5]: Vat t12  2  x1  x    y1  y    z1  z   2  x2  x    y2  y    z2  z  (1) Phương trình (1) gọi phương trình TDOA Trong khơng gian chiều, để tìm tọa độ (x, y, z) nguồn âm, cần tối thiểu phương trình TDOA độc lập tuyến tính, tương ứng cần có sensor khơng nằm mặt phẳng Khi đó, hệ phương trình TDOA cho sensor có dạng [1,5]: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 89 Kỹ thuật điện tử  V t  x  x  y  y  z  z  x  x  y  y  z  z 1    1         at 12  2 2 2 (2) Vat t23   x2  x    y2  y    z2  z    x3  x    y3  y    z3  z    Vat t34  ( x3  x)  ( y3  y )  ( z3  z )  ( x4  x)  ( y4  y )  ( z4  z )  đó: (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), (x4, y4, z4) tương ứng tọa độ sensor S1, S2, S3 S4 Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình TDOA (2) trình bày nhiều tài liệu, [5] cho thấy, hệ phương trình TDOA thường có nghiệm Do đó, tốn định vị theo nguyên lý TDOA xác định điểm, có điểm ảo Để loại trừ nghiệm ảo, sử dụng thơng tin tiên nghiệm vị trí nguồn âm cần có thêm hay nhiều trạm thu âm hoạt động Với hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa, nguyên lý TDOA mang lại nhiều ưu điểm như: thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ triển khai, lắp đặt sử dụng, giá thành thấp phương pháp khác, lại có khả phát hiện, tính tốn định vị nhanh, không cần biết thời điểm đạn nổ Ngồi ra, phương pháp định vị TDOA khử nhiễu sai số sensor gây sử dụng phép hiệu (-) Một số hệ thống định vị đặc biệt cần phải kết hợp thêm số phương pháp khác như: định vị laser, ống nhòm, camera HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA 3.1 Mơ hình hệ thống Hình Mơ hình hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa Mơ hình hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa trình bày hình 3, gồm: Trạm định vị Trung tâm xử lý Tại trạm định vị, cụm sensor gồm sensor thu âm bố trí đỉnh tứ diện (bảo đảm sensor 90 P.V Hòa, Tr.Q Huy, N.V Hiếu, Tr C Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ không đồng thời nằm mặt phẳng), tín hiệu sóng âm từ tiếng đạn nổ sensor thu nhận đưa tới khối thực giải toán định vị với tọa độ trạm máy thu GPS cung cấp Thơng tin từ Trạm định vị đóng gói truyền Trung tâm xử lý qua hệ thống thơng tin vơ tuyến Tại đây, máy tính trung tâm xác định tham số định vị xác, hiển thị đồ số, đồng thời lệnh điều khiển camera nhanh chóng quay hướng mục tiêu, hiển thị hình ảnh mục tiêu hình quan sát 3.2 Sơ đồ chức hệ thống tự động phát định vị hỏa lực bắn tỉa 3.2.1 Sơ đồ chức Trạm định vị Sơ đồ chức trạm định vị xây dựng hình 4, cụm sensor thiết kế gồm tạo cặp TDOA độc lập với Sensor trạng thái máy thu GPS cho biết thơng tin vị trí hướng đặt cụm sensor, từ xác định tọa độ sensor Tín hiệu sóng âm từ tiếng nổ đầu nòng sensor thu thời điểm khác Do đặc tính tín hiệu tiếng nổ đầu nòng đạn, khâu lọc thông dải 100-500Hz ngăn chặn làm suy hao tín hiệu khơng có ích Tín hiệu tiếp tục đưa tới khối phát ngưỡng để xác định thời điểm xuất tín hiệu tiếng nổ Bộ ADC thực biến đổi tín hiệu thành tín hiệu số, thuận tiện cho thuật tốn xử lý nhận dạng tín hiệu Khối lọc tương quan xác định mối tương quan cặp tín hiệu thu cặp sensor tương ứng, nhằm bảo đảm tín hiệu thu tín hiệu sóng âm đạn nổ Hình Sơ đồ chức Trạm định vị Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 91 Kỹ thuật điện tử Thời điểm đến tín hiệu sensor với tọa độ sensor tham số quan trọng hệ phương trình TDOA Kết việc giải hệ phương trình TDOA xác định tọa độ (x, y, z) điểm nổ Thông tin định vị mặt hiển thị chỗ, đồng thời đóng gói truyền Trung tâm xử lý qua thiết bị thông tin vô tuyến 3.2.2 Sơ đồ chức Trung tâm xử lý Hình mơ tả sơ đồ chức Trung tâm xử lý Thông tin định vị nhận từ Trạm định vị qua thiết bị thông tin vô tuyến khối Điều khiển trung tâm tách gồm: tọa độ Trạm định vị, tọa độ điểm nổ truyền tới Máy tính trung tâm Tại đây, phần mềm máy tính loại bỏ tọa độ ảo, xác hóa tọa độ định vị, lưu trữ hiển thị đồ số, đồng thời đưa tới khối Điều khiển trung tâm thực điều khiển hệ thống camera quan sát quay vị trí đặt hỏa lực Bàn điều khiển sử dụng trường hợp cần thiết lập chế độ làm việc hệ thống camera, thiết bị ghi hình, chế độ hiển thị tay Tín hiệu video từ camera quan sát đưa tới thiết bị ghi hình hiển thị hình Hình Sơ đồ chức Trung tâm xử lý 3.3 Một số kết tính tốn đánh giá Phần mềm máy tính trung tâm xây dựng ngơn ngữ Visual Basic có giao diện hình 6, thực số chức sau: - Phân tích thơng tin từ Trạm định vị để loại bỏ tọa độ ảo (do tính chất hệ phương trình TDOA trình bày trên), xác hóa tọa độ điểm nổ; - Hiển thị thông tin định vị đồ số, lưu trữ thông tin hoạt động, điều khiển hệ thống camera để quan sát mục tiêu 92 P.V Hòa, Tr.Q Huy, N.V Hiếu, Tr C Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ - Mơ việc giải tốn định vị TDOA dựa thông tin lưu trữ thực tế lựa chọn giả định Hình Giao diện phần mềm kết tính tốn Một chức mô phần mềm cho phép kiểm nghiệm thuật tốn giải hệ phương trình TDOA máy tính phục vụ cho việc thiết kế Trạm định vị Với tính chất tốn định vị hỏa lực bắn tỉa (phạm vi phát từ 50300m), hoàn tồn giả thiết sóng âm lan truyền điều kiện bình thường (Vat  340m/s) Trên sở tọa độ (kinh độ, vĩ độ độ cao) cụm sensor điểm nổ giả định chọn tùy ý đồ số (trong phạm vi 50-300m), phần mềm xác định TDOA cho cặp sensor, thực giải hệ phương trình TDOA để xác định tọa độ điểm nổ tính tốn Bảng thể số kết tính tốn theo hai tham số (cự ly phương vị) với nhiều vị trí cụm sensor điểm nổ giả định khác nhau, với cự ly từ 50-300m góc phương vị khác So sánh số liệu tính tốn giả định cho thấy, sai số cự ly đạt < 8,5x10-6 %, sai số phương vị < 1.21x10-9 độ Bảng Kết tính tốn so với số liệu giả định T T Điểm nổ giả định Điểm nổ tính tốn Cự ly (m) Phương vị (độ) Cự ly (m) 51.762943 92.68174088 51.762943 _869 _269 _867 115.925808 72.68380902 115.925808 _595 _206 _600 138.485462 228.20927897 138.485462 _350 _249 _348 146.214732 46.14386406 146.214732 _918 _616 _928 Phương vị (độ) 92.68174088 _277 72.68380902 _227 228.20927897 _209 46.14386406 _736 Sai số tính tốn Cự ly (%) Phương vị (độ) 0.0000001 0.00000000008 0.0000004 0.00000000022 0.0000002 0.00000000041 0.0000009 0.00000000121 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 93 Kỹ thuật điện tử 150.766555 _425 161.648744 _130 179.669738 _487 192.080619 _609 231.133410 _617 245.304790 _075 314.57483415 _390 155.84464429 _037 0.93385212 _290 272.00608146 _709 88.85643503 _732 335.54465811 _701 150.766555 _416 161.648744 _134 179.669738 _481 192.080619 _560 231.133410 _702 245.304790 _067 314.57483415 _508 155.84464428 _989 0.93385212 _290 272.00608146 _736 88.85643503 _755 335.54465811 _764 0.0000009 0.00000000118 0.0000004 0.00000000048 0.0000006 0.00000000000 0.0000049 0.00000000028 0.0000085 0.00000000023 0.0000008 0.00000000063 KẾT LUẬN Bài báo trình bày số kết việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý định vị TDOA sóng âm kết hợp với camera quan sát Trong trường hợp thông số đầu vào đủ xác, kết giải tốn định vị TDOA máy tính cho thấy: sai số tính tốn khơng đáng kể, thời gian tính tốn nhanh Đây kết quan trọng, làm tiền việc nghiên cứu chế tạo hệ thống tự động phát định vị hỏa lực bắn tỉa phục vụ an ninh quốc phòng ứng dụng khác Tuy nhiên thực tế, độ xác máy thu GPS tính thời gian trễ truyền sóng ln có sai số, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ảnh hưởng không nhỏ đến độ xác định vị hệ thống hướng cần nghiên cứu giải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Anish Chandak, “Sound Localization Using Microphone Arrays”, The University of North Carolina at Chapel Hill, USA, 2006 [2] David Lindgren, Olof Wilsson Fredrik, Gustafsson, Hans Habberstad, “Shooter Localization in Wireless Sensor Networks”, Swedish Defence Research Agency, Linkăoping, Sweden, 2010 [3] Gregory L Duckworth, James E Barger, Douglas C Gilbert, “Acoustic counter-sniper system”, United States Patent, 2001 [4] Janos Sallai, Peter Volgyesi, Ken Pence and Akos Ledeczi, “Fusing Distributed Muzzle Blast and Shockwave Detections”, 14th International Conference on Information Fusion Chicago, Illinois, USA, 2011 [5] Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from four stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA, 2002 94 P.V Hòa, Tr.Q Huy, N.V Hiếu, Tr C Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT BUILDING THE SYSTEM DETECTING AND POSITIONING THE SNIPER RIFLES BASED ON PRINCIPLE TDOA OF SOUND WAVES The article presents some results in researching and building the system detecting and positioning the sniper rifles based on principle TDOA of sound waves By using the acoustic sensors set in different locations, the system determines the delay time of sound waves transmited from the acoustic source to the sensors to position the rifles, and control camera to observe the target The solution was been tested and experimented on the computer and archieved some positive results, this is as the premise for researching and manufacturing the systems detecting and positioning the sniper rifles for the security and defense activities Keywords: Sniper shooter, Sniper rifles, Acoustic position, TDOA, Hypebolic position Nhận ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: Viện Điện tử/ Viện KH-CN quân * Email: phamhoa.vdt@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 95 ... như: định vị laser, ống nhòm, camera HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA 3.1 Mơ hình hệ thống Hình Mơ hình hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa Mơ hình hệ thống phát định vị hỏa lực bắn. .. nghiên cứu xây dựng hệ thống phát định vị hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý định vị TDOA sóng âm kết hợp với camera quan sát Trong trường hợp thông số đầu vào đủ xác, kết giải tốn định vị TDOA máy... toán định vị thụ động, nguyên lý TDOA sử dụng rộng rãi, định vị với độ xác cao Với hệ thống định vị hỏa lực, sensor thu âm đặt vị trí cho cự ly đến điểm đặt hỏa lực khác nhau, thời điểm sóng âm