Giải pháp định vị theo bản đồ địa hình cho máy bay không người lái sử dụng radar trên khoang

Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng giải pháp tự động định vị theo bản đồ địa hình cho máy bay không người lái sử dụng radar trên khoang. Trên cơ sở sử dụng phương pháp tương quan cực trị giữa mảng cường độ tín hiệu phản xạ của địa hình quan sát hiện tại và trên bản đồ địa hình chuẩn, bộ định vị trên khoang sẽ xác định tọa độ của máy bay không người lái với độ chính xác cao, làm thông tin hiệu chỉnh cho hệ thống dẫn đường INS.

Cơng nghệ thơng tin & Khoa học máy tính GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI SỬ DỤNG RADAR TRÊN KHOANG Phạm Văn Hòa*, Lê Kỳ Biên Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết việc nghiên cứu xây dựng giải pháp tự động định vị theo đồ địa hình cho máy bay khơng người lái sử dụng radar khoang Trên sở sử dụng phương pháp tương quan cực trị mảng cường độ tín hiệu phản xạ địa hình quan sát đồ địa hình chuẩn, định vị khoang xác định tọa độ máy bay không người lái với độ xác cao, làm thơng tin hiệu chỉnh cho hệ thống dẫn đường INS Từ khóa: Máy bay khơng người lái, Định vị theo địa hình, Radar khoang, Tương quan cực trị MỞ ĐẦU Hiện nay, máy bay không người lái (MBKNL) trở thành phương tiện tác chiến lợi hại, việc tự động định vị cho MBKNL đóng vai trò định đến độ xác dẫn đường hoạt động MBKNL Hầu hết hệ thống dẫn đường cho MBKNL sử dụng thông tin từ định vị vệ tinh (GPS, GLONASS…) để hiệu chỉnh cho hệ thống dẫn đường quán tính INS (Inertial Navigation Systems) Tuy nhiên tác chiến đại, đối phương thường sử dụng hệ thống chế áp tác chiến điện tử, gây nhiễu làm sai lệch vô hiệu hóa hệ thống định vị vệ tinh, khiến cho hoạt động UAV trở nên khó khăn [2,4,5] Bài báo trình bày số kết việc nghiên cứu xây dựng giải pháp tự động định vị cho MBKNL theo đồ địa hình sử dụng radar khoang Trên sở sử dụng phương pháp tương quan cực trị, định vị khoang thực so ghép tìm mức độ giống mảng giá trị cường độ tín hiệu phản xạ địa hình quan sát với mảng chuẩn tương ứng nạp trước máy tính khoang để xác định tọa độ MBKNL với độ xác cao, làm thơng tin hiệu chỉnh cho hệ thống INS cho phép UAV định vị bám theo mục tiêu mặt đất KHẢ NĂNG PHẢN XẠ TÍN HIỆU RADAR TỪ ĐỊA HÌNH MẶT ĐẤT 2.1 Diện tích phản xạ hiệu dụng địa hình mặt đất Xét radar đặt điểm O khoang MBKLN bay độ cao H, có độ rộng búp sóng theo phương ngang  (thường nhỏ), độ rộng xung phát , chiếu xạ mặt đất khu vực với góc nâng anten  hình 1a Khi đó, cự ly đến tâm vùng chiếu xạ liên hệ với độ cao bay R  H / sin  (do kích thước vùng chiếu xạ thường nhỏ so với cự ly) Với xung phát gặp địa hình 104 Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên, “Giải pháp định vị theo đồ … radar khoang.” Nghiên cứu khoa học công nghệ mặt đất, đặc trưng diện tích phản xạ hiệu dụng , tín hiệu phản xạ trở lại anten tới máy thu radar sau khoảng thời gian ttr  2.R / c , với c  3.108 m/s a) Sơ đồ chiếu xạ radar khoang b) Vùng chiếu xạ Hình Sơ đồ chiếu xạ radar khoang lên bề mặt trái đất [1,3,5] Tuy nhiên, theo lý thuyết radar, phần tử phân giải radar vùng chiếu xạ thực tế có dạng hình quạt với kích thước R B tương ứng độ phân giải cự ly phương vị (hình 1b), tính theo cơng thức [1,3,5]:  R  c. / (2 cos  )  (1)     R / sin  R  B   Để thuận tiện tính tốn, xấp xỉ hóa phần tử phân giải radar thực tế mặt đất thành dạng hình chữ nhật có diện tích tương đương [1,3,5]: R. c. S '   R  B  (2) cos  Do đó, diện tích vùng tiết diện với mặt cắt búp sóng radar [1,3,5]: R. c. tg  (3) S  S '.sin   Gọi  hệ số phản xạ vùng chiếu xạ mặt đất, đặc trưng cho khả phản xạ sóng radar lớp phủ chất liệu bề mặt, diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS-Radar Cross Section)  vùng chiếu xạ tính theo công thức [1,3,5]:  R. c. tg   H  c. cos  (4)    S   2 Như vậy, với bề mặt trái đất cụ thể (tương ứng với hệ số phản xạ ), hồn tồn xác định  theo tham số biết gồm: , , R (hoặc H)  2.2 Phương trình radar yếu tố suy giảm cường độ tín hiệu phản xạ Phương trình radar dạng phổ biến có dạng [1,3,5]: ( SNR) o  Pр G   (4 )3 k Te B.F Ls R  Pр G   sin  (4 )3 k Te B.F Ls H Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 (5) 105 Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính Phương trình (5) mối liên hệ tham số bao gồm: - Cường độ tín hiệu đầu máy thu radar: xác định tỷ số tín hiệu tạp âm (SNR-Signal to Noise Ratio) đầu máy thu ( SNR)o  So / N o ; - Các tham số cho trước radar: cơng suất phát đỉnh Pp, tăng ích anten G (dùng chung cho thu phát), bước sóng radar , băng thông máy thu radar B = 1/, đặc tính nhiễu radar F (RNF - Radar Noise Figure); - Các tham số môi trường: số Boltzman k = 1.38×10−23 [J/K], nhiệt độ làm việc radar Te tính theo oK, tổng suy giảm tín hiệu Ls; - Các tham số vùng chiếu xạ: RCS vùng chiếu xạ mặt đất  tính theo (4), cự ly R từ radar đến vùng chiếu xạ (hoặc biểu diễn qua độ cao bay H) Trong thực tế, tác động mơi trường truyền sóng (mưa, khí quyển), đặc tính bề mặt vùng chiếu xạ, tín hiệu radar ln chịu nhiều tác động làm suy hao thăng giáng ngẫu nhiên, đặc trưng hệ số tổng suy giảm Ls (giá trị trung bình thống kê khoảng 21dB) Các yếu tố suy hao cố định gồm: giản đồ búp sóng anten, khối máy thu máy phát radar, phần môi trường truyền sóng hấp thụ sóng bề mặt trái đất Sự thăng giáng tín hiệu (fading) đặc trưng tham số Lf (thường dải ±4.2dB tùy theo bước sóng radar cự ly) gây truyền sóng đa đường hấp thụ, tán xạ khơng ổn định mơi trường truyền sóng bề mặt địa hình trái đất [3,5,6] Các nội dung phân tích kỹ ảnh hưởng yếu tố đến chất lượng định vị khoang theo đồ địa hình, từ đưa số khuyến nghị việc lập tốn bay lựa chọn tham số thích hợp cho định vị GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH 3.1 Bài tốn định vị theo đồ địa hình cho MBKNL Bài tốn định vị cho MBKNL theo đồ địa hình đặt với giả thiết: - MBKNL trạng thái bay ổn định, tham số radar khoang xác định; - Radar cung cấp tham số đủ xác tức thời, gồm: cự ly, phương vị, góc nâng anten, cường độ tín hiệu phản xạ từ địa hình mặt đất; - Việc phân tích tín hiệu phản xạ xử lý thơng tin định vị xem q trình dừng so với tốc độ tính tốn Nhiệm vụ cần giải bao gồm: - Lựa chọn tham số radar khoang cụ thể, xây dựng đồ địa chình chuẩn vùng địa hình quan sát thực tế mặt đất khu vực bay; - Sử dụng thuật toán tương quan cực trị để xác định vị trí tâm vùng quan sát đồ chuẩn, từ xác định tọa độ MBKNL; - Mơ phỏng, phân tích số yếu tố (kích thước vùng quan sát, suy hao cố định, thăng giáng tín hiệu…) tác động đến chất lượng định vị khoang 106 Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên, “Giải pháp định vị theo đồ … radar khoang.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 3.2 Bản đồ địa hình theo cường độ tín hiệu phản xạ radar Trong tốn định vị cho MBKNL theo đồ địa hình, có hai loại đồ địa hình cần xác định tương ứng với loại radar sử dụng (có tham số radar xác định cụ thể) cự ly tới vùng địa hình bay (hay độ cao bay, góc nâng anten xác định) là: đồ địa hình chuẩn đồ địa hình quan sát thực tế Cả hai loại đồ có dạng lưới liên tiếp phân bố theo trục (x,y) với đặc điểm sau: - Kích thước lưới kích thước phần tử phân giải radar mặt đất xác định theo biểu thức (1), RCS phần tử phân giải tính theo (4) hệ số phản xạ  chuẩn hóa theo 14 mức giá trị (xấp xỉ hóa khả phản xạ địa hình mặt đất thành 14 mức cố định) - Có màu biểu diễn theo giá trị (SNR)o xác định theo biểu thức (5) tương ứng với xung chiếu xạ radar phần tử phân giải Trong đó, đồ địa hình chuẩn xác định trước thực hành bay, vùng bao phủ địa hình bay dự kiến, có kích thước M x N lưới Giá trị cường độ tín hiệu phản xạ ô lưới xác định điều kiện khảo sát (suy hao không đổi độ cao bay xác định) Do với dải độ cao bay khác nhau, đồ chuẩn tương ứng xác định biểu diễn dạng mảng chuẩn chiều АCh gồm M x N phần tử, nạp vào định vị khoang trước bay Hình ví dụ minh họa cho đồ địa hình chuẩn (diện tích 1.2x2.2km) khu vực sân bay Cát Bi (Hải Phòng) độ cao bay H=300m (kích thước phần tử phân dải 16x16m) mảng chuẩn АCh có 14x27 phần tử (hình 2b) a) Bản đồ chuẩn 14 mức kích thước 14x27 phần tử phân giải Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 107 Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính -14.1,-14.1,-13.5,-14.1,-14.1,-16.5,-16.5,-16.5,-14.8,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-16.5,-17.8,-15.6,-13.5,-14.1,-14.1,-14.8,-16.5,-13.5,-15.6,-15.6  -14.1,-14.1,-14.1,-13.5,-14.1,-15.6,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-14.1,-14.1,-14.1,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5    -14.1,-14.1,-14.1,-14.1,-16.5,-17.8,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.1,-13.5,-14.1,-15.6,-17.8,-16.5,-14.8,-16.5,-15.6    -14.1,-14.1,-14.8,-14.8,-16.5,-16.5,-17.8,-14.8,-15.6,-17.8,-17.8,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.8,-14.1,-14.1,-14.8,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-16.5  -14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-14.1,-14.8,-15.6    -16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-14.8,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6  -16.5,-15.6,-14.8,-14.8,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6    -16.5,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-14.8,-15.6,-14.8,-16.5,-14.8,-14.1,-14.1,-14.1,-14.1,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-17.8  -16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-13.5,-13.5,-13.5,-13.5,-14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.8,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5    -16.5,-16.5,-14.8,-14.8,-14.1,-14.1,-14.8,-15.6,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5    -16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-17.8,-16.5,-15.6,-14.8,-14.8,-15.6,-16.5,-14.8,-16.5  -17.8,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-17.8,-17.8,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-16.5    -16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-17.8,-17.8,-17.8,-17.8,-17.8,-16.5,-14.8,-15.6,-16.5,-14.8,-14.1,-16.5,-16.5,-14.8  -15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5,-16.5,-17.8,-17.8,-16.5,-15.6,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6  b) Mảng chuẩn 14 mức kích thước 14x27 phần tử Hình Bản đồ địa hình chuẩn khu vực sân bay Cát Bi độ cao bay 300m (với tham số radar: Pp=100W, G=12dB, =3cm, =0.1µm (B=10MHz), F=7dB, =3o, =23o, Te=290oK, Ls=21dB) Bản đồ địa hình quan sát vùng hẹp nằm địa hình bay, xác định quỹ đạo bay định vị khoang mở để định vị cho MBKNL, có dạng n x n lưới liên tiếp (với n