Giải pháp nâng cao độ chính xác định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình

Bài viết trình bày giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng góc phương vị và các tham số địa hình. Giải pháp này phù hợp trong môi trường truyền dẫn chỉ có các tín hiệu phản xạ tới máy thu.

Nghiên cứu khoa học công nghệ GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN KẾT QUẢ ĐỊNH HƯỚNG VÀ THƠNG TIN TIÊN NGHIỆM ĐỊA HÌNH Lê Thanh Hải, Nguyễn Tuấn Minh* Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp định vị dựa kết định hướng góc phương vị tham số địa hình Giải pháp phù hợp môi trường truyền dẫn có tín hiệu phản xạ tới máy thu Thơng tin tiên nghiệm địa hình mơ hình hố dựa tham số mặt phản xạ Bên cạnh đó, báo trình bày mơ hình định vị 3D áp dụng giải pháp thực tế đề xuất giải pháp nâng cao độ xác định vị dựa giới hạn sai số phép đo Hiệu giải pháp đề xuất kiểm chứng phần mềm Matlab Từ khóa: LOS; NLOS; Góc phương vị; Mặt phản xạ; Trung bình cực tiểu MỞ ĐẦU Trong tốn định vị, tín hiệu đặc trưng xét đến LOS NLOS Các phương pháp, thuật tốn sử dụng tín hiệu LOS nghiên cứu nhiều như: RSSI [1]; AOA [2, 3], TOA [4]; TDOA [5]; RSSI-DOA [6] Theo đó, mơi trường truyền tín hiệu phải đáp ứng điều kiện khơng có vật cản nguồn xạ máy thu ảnh hưởng vật cản lên tín hiệu vơ tuyến không đáng kể Trong trường hợp NLOS, kết định vị khơng đảm bảo độ xác ảnh hưởng vật cản đến cường độ tín hiệu lớn Đã có số cơng trình nghiên cứu nhằm giải tốn định vị địa hình có tín hiệu LOS NLOS [7, 8] Với địa hình có tín hiệu NLOS, phần lớn tín hiệu thu máy thu tượng phản xạ Phương pháp định vị sử dụng tín hiệu phản xạ đề cập nghiên cứu [9], sử dụng mơ hình truyền tín hiệu kết hợp với kỹ thuật đo số cường độ tín hiệu (RSSI) theo độ suy hao tín hiệu (Pathloss) Trong thực tế, thông tin tiên nghiệm công suất phát, tần số hoạt động dạng điều chế tín hiệu nguồn xạ khơng biết trước nên việc định vị dựa vào tham số khó khăn lớn Với bối cảnh đó, báo trình bày giải pháp định vị dựa kết định hướng thông tin tiên nghiệm địa hình đề xuất giải pháp nâng cao độ xác định vị NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1 Xây dựng lý thuyết Hình biểu diễn dạng mơ hình truyền tín hiệu bị che khuất hồn tồn yếu tố địa hình hệ tọa độ oxy với véc tơ ox đường phương vị chuẩn (có góc phương vị khơng) chung tất góc Xét nguồn xạ đặt vị trí cố định Tx có tọa độ (xTx, yTx) phát tín hiệu tới hai bề mặt phản xạ tương ứng với hai góc phương vị β1 β2 Giả thiết bề mặt phản xạ phẳng có kích thước đủ lớn để thỏa mãn điều kiện phản xạ [9, 10] tín hiệu tới máy thu đến từ nguồn xạ Ngoài ra, phạm vi nghiên cứu xét đến trường hợp lần phản xạ tín hiệu Gọi α1 α2 là góc phương vị véc tơ pháp tuyến n1 n2 Giả sử máy thu vị trí Rx có tọa độ (xRx, yRx) thu nhận tối thiểu hai tín hiệu đến từ hai bề mặt phản xạ với góc phương vị tương ứng ϕ1 ϕ2 Gọi PPx1 PPx2 hai điểm phản xạ có tọa độ (xPx1, yPx1) (xPx2, yPx2) Khi đó: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 139 Kỹ thuật điện tử ( ) (1) ( (2) ) β1 PPx1 n1 α1 ϕ1 Rx y β1 Tx ϕ2 α2 n2 x β2 o β2 PPx2 Hình Mơ hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ hai Hệ phương trình (1) (2) gồm hai tham số chưa biết nên tìm nghiệm Tuy nhiên, với thơng tin tiên nghiệm địa hình biết hồn tồn xác định tham số α1 α2 Tuỳ theo vị trí mặt phản xạ so với đường phương vị chuẩn có dạng địa hình tương ứng khác nhau, miêu tả hình 1, 2, 3, β1 PPx1 β2 PPx2 n2 y ϕ2 Rx ϕ1 n1 α2 α1 β2 β1 x o Tx Hình Mơ hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với hai mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ β1 PPx1 n1 α1 ϕ1 Rx y ϕ2 x o β1 Tx α2 β2 n2 PPx2 β2 Hình Mơ hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ ba 140 L T Hải, N T Minh, “Giải pháp nâng cao độ xác … tiên nghiệm địa hình.” Nghiên cứu khoa học công nghệ β1 PPx1 β2 β1 β2 PPx2 n2 n1 ϕ2 α2 ϕ1 y Tx α1 Rx o x Hình Mơ hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ tư Khi xem xét với tất trường hợp địa hình ta thu kết tổng quát sau: (3) (4) Do đó: ( ) (5) ( ) (6) Thực biến đổi phương trình (5) (6) thu được: Ax = B Trong đó: [ ( ( [ [ ] ( ( (8) ) ) ) ) (7) ] (9) ] (10) Với: ( )( (11) ) ( )( (12) ) Nhận thấy rằng, tọa độ nguồn xạ phụ thuộc vào tham số ( , , , , , , , ) Trong đó: xác định nhờ sử dụng máy thu định hướng; xác định nhờ sử dụng thiết bị định vị; - , , , xác định dựa mơ hình địa hình cụ thể Trong trường hợp có nhiều hai tín hiệu phản xạ tới máy thu miêu tả hình tọa độ nguồn xạ giao hội ba đường thẳng Khi đó, toạ độ nguồn xạ ba điểm A, B C nên khơng thể định vị xác Để giải tượng đa trị thường có giải pháp sau: - Sử dụng thông tin nghiệm vị trí nguồn xạ; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 141 Kỹ thuật điện tử - Sử dụng phương pháp dự đốn để loại trừ tọa độ khơng phù hợp mơ hình địa hình phương pháp lấy trọng tâm điểm để xác định tọa độ gần PPx1 PPx2 y Rx A x o C B PPx3 Hình Mơ hình địa hình có ba tín hiệu NLOS 2.2 Mơ hình định vị 3D dựa kết định hướng thông tin tiên nghiệm địa hình Hình miêu tả mơ hình tổng qt ngun lý định vị sử dụng mơ hình địa hình 3D Việc kết hợp thơng tin tọa độ máy thu, góc phương vị tín hiệu tới mơ hình địa hình 3D cho phép xác định đối tượng phản xạ Sử dụng phương pháp nội suy để trích xuất thơng tin liên quan đến đối tượng phản xạ như: Tọa độ điểm phản xạ, góc phương vị pháp tuyến bề mặt phản xạ Qúa trình thực thực theo hai cách thông thường sau: Sử dụng thuật toán Ray-Tracer [11] phần mềm Google Earth Mơ hình địa hình 3D với hệ tọa độ GPS Xác định đối tượng phản xạ Tọa độ máy thu góc phương vị tín hiệu tới Trích xuất thơng tin đối tượng phản xạ: Tọa độ, góc pháp tuyến, góc lệch Sử dụng giải pháp định vị đề xuất Tọa độ nguồn xạ Hình Giải pháp định vị dựa mơ hình địa hình 3D - Giải pháp định vị tự động sử dụng thuật toán dị tia Ray-Tracer Khi đó, tín hiệu giả định tia sáng đặt vị trí máy thu với góc phương vị góc tia Thuật tốn Ray-Tracer minh họa hình thực theo trình tự bước sau: (1) Tọa độ: Xác định tọa độ máy thu Rx (xRx, yRx); (2) Tạo tia: Gốc tia tọa độ máy thu, hướng tia góc phương vị tín hiệu tới máy thu; 142 L T Hải, N T Minh, “Giải pháp nâng cao độ xác … tiên nghiệm địa hình.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ (3) Xác định đối tượng: Việc xác định đối tượng phản xạ dựa hàm xác định giao điểm tia vật thể, hàm tính véc tơ trực chuẩn điểm vật thể; (4) Danh sách đối tượng: Bao gồm tất đối tượng phản xạ xác định được; (5) Các thông tin đối tượng sử dụng mơ hình địa hình 3D để xác định tham số đối tượng dạng bề mặt phản xạ, tọa độ điểm phản xạ góc phương vị pháp tuyến bề mặt phản xạ Tọa độ Xác định đối tượng Tạo tia Danh sách đối tượng Các thơng tin đối tượng Hình Mơ hình sử dụng thuật toán Ray-Tracer - Giải pháp định vị phần mềm Google Earth: Đây phần mềm mô địa hình trái đất khơng gian ba chiều với hướng Bắc chọn hướng phương vị chuẩn Những tính sẵn có phần mềm cho phép xác định thơng tin địa tọa độ, độ cao, chiều dài hai điểm, kích thước góc phương vị pháp tuyến bề mặt cụ thể, 2.3 Đề xuất giải pháp nâng cao độ xác định vị dựa kết định hướng thông tin tiên nghiệm địa hình Trong thực tế, tham số để xác định tọa độ nguồn xạ xác định sau: (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) Trong đó: , góc phương vị thực pháp tuyến mặt phản xạ 2; , góc phương vị thực hai tín hiệu phản xạ tới máy thu; , tọa độ thực điểm phản xạ 2; , tọa độ thực máy thu; , sai số phương vị pháp tuyến n1 n2; , sai số tọa độ điểm phản xạ 2; , sai số kết định hướng; , sai số tọa độ máy thu Khi đó, tọa độ nguồn xạ Tx’( , ) xác định phương trình sau: A’x’ = B’ (21) Ở đây: [ [ [ ] (22) [( ) ( )] [( ) ( )] ] [( ) ( )]( ) [( ) ( )]( ) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 (23) ] (24) 143 Kỹ thuật điện tử Với: ( ( )[( )[( ) ) ( ( )] )] (25) (26) Nhận thấy rằng, kết định vị phụ thuộc nhiều vào sai số bề mặt phản xạ, sai số xác định hướng tín hiệu phản xạ tới máy thu sai số toạ độ máy thu Các sai số đại lượng ngẫu nhiên nên sai số tọa độ nguồn xạ ngẫu nhiên MƠ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1 Số liệu đầu vào Giả thiết mơ hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với hai mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ có giá trị bảng sai số giới hạn phép đo bảng Bảng Bảng tham số tương ứng với mơ hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với hai mặt phản xạ nằm góc phần tư thứ Tham số ϕ1 ϕ2 α1 α2 xPx1 xPx2 (xRx, yRx) Giá trị 17,5 44,3 11 15,5 18,2 (0,8; 0,5) Ý nghĩa Góc phương vị máy thu (độ) Góc phương vị máy thu (độ) Góc phương vị pháp tuyến n1 (độ) Góc phương vị pháp tuyến n2 (độ) Tọa độ theo phương x điểm phản xạ (km) Tọa độ theo phương x điểm phản xạ (km) Tọa độ máy thu (km) Bảng Bảng sai số giới hạn phương pháp đo Tham số , , , , Giá trị ± 0,5 Ý nghĩa Sai số giới hạn góc pháp tuyến bề mặt phản xạ (độ) ± 0,2 Sai số giới hạn góc phương vị (độ) ± 40 Sai số giới hạn tọa độ phản xạ (m) ± 0,5 Sai số giới hạn tọa độ máy thu (m) 3.2 Phương pháp, công cụ mô Trong thực tế, sai số giới hạn phương pháp đo đại lượng ngẫu nhiên Do đó, báo thực mơ phần mềm Matlab theo phương pháp Monter – Carlo với nhiều lần thử độc lập tương ứng với mẫu địa hình khác 3.3 Kết mơ bình luận Kết mơ hình biểu diễn kết định vị tương ứng với 200 mẫu địa hình ngẫu nhiên Nhận thấy rằng, tọa độ nguồn xạ tập hợp điểm có phân bố rải rác rộng không gian Khi khơng thể xác định tọa độ nguồn xạ Để 144 L T Hải, N T Minh, “Giải pháp nâng cao độ xác … tiên nghiệm địa hình.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ giải vấn đề này, báo đề xuất sử dụng phương pháp trung bình cực tiểu theo phương trình sau: ∑ () (27) ∑ () (28) Trong đó, N số lần thử độc lập, L số mẫu địa hình ( trị tọa độ tương ứng với dạng địa hình i ( ), ( )) giá Hình Kết định vị xét đến ảnh hưởng sai số phép đo Hình biểu diễn kết mô tọa độ thực tọa độ định vị với L = 200 mẫu địa hình ngẫu nhiên Mỗi địa hình thực N = 1000 lần thử độc lập khác Quan sát cho thấy kết định vị xác với sai số theo 322,5m 81,1m Dựa kết thu cho thấy, giải pháp đề xuất xác định thành công tọa độ nguồn xạ điều kiện biết sai số giới hạn phép đo Hình Kết ước lượng tọa độ nguồn xạ vơ tuyến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 145 Kỹ thuật điện tử KẾT LUẬN Bài báo trình bày giải pháp định vị dựa kết định hướng thông tin tiên nghiệm địa hình điều kiện có tín hiệu NLOS Giải pháp áp dụng dựa mơ hình 3D sử dụng thuật tốn Ray-Tracer phần mềm Google Earth Bên cạnh đó, báo đề xuất giải pháp nâng cao độ xác định vị dựa giới hạn sai số phép đo sử dụng phương pháp trung bình cực tiểu Các kết thu cho thấy giải pháp đề xuất xác định thành công tọa độ nguồn xạ vô tuyến Trong thực tế, để cải thiện độ xác định vị cần sử dụng thiết bị định hướng tiếp tục nghiên cứu xây dựng mơ hình liệu tham số địa hình có độ xác cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Konrad L and Matt W (2007), “A Robust, decentralized approach to RFBased Location Tracking”, Personal and Ubiquitous Computing, vol 11, no 6, pp 489-503 [2] Evans J E., Johnson J R., Sun D F (1981), “High Resolution Angular Spectrum Estimation Techniques for Terrain Scattering Analysis and Angle of Arrival Estimation”, Proceedings 1st ASSP Workshop Spectral Estimation, pp 134–139 [3] Girod L., Lukac M., Trifa V and Estrin D (2006), “The Design and Implementation of a Self-Calibrating Distributed Acoustic Sensing Platform”, Proc Fourth Int’l Conf Embedded Networked Sensor Systems, pp 71-84 [4] Goud P., Sesay A and Fattouche M (1991), “A Spread Spectrum Radiolocation Technique and Its Application to Cellular Radio”, Proc IEEE Pacific Rim Conf Comm., Computers and Signal Processing, vol 2, pp 661-664 [5] Jin B., Xu X and Zhang T (2018), “Robust Time-Difference-of-Arrival (TDOA) Localization Using Weighted Least Squares with Cone Tangent Plane Constraint”, Sensors, 18, 778 [6] Dai F., Liu Y and Chen L (2012), “A Hybrid Localization Algorithm for Improving Accuracy Based on RSSI/AOA in Wireless Network”, International Conference on Computer Science & Service System (CSSS) [7] Schroeder J., Galler S., Kyamakya K and Jobmann K (2007), “NLOS detection algorithms for ultra-wideband localization”, 4th Workshop on Positioning, Navigation and Communication, pp 159 –166 [8] Venkatraman S and Caffery J (2002), “Location using LOS range estimation in NLOS environments”, Vehicular Technology Conference, IEEE 55th, vol 2, pp 856 – 860 [9] Wielandt S and Strycker L (2017), “Indoor Multipath Assisted Angle of Arrival Localization”, Sensors [10] Popovic Z B and Popovic B D (2000), “Introductory Electromagnetics”, Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, USA [11] Yun Z and Iskander M.F (2005), “Characterization of angle of arrival based on ray-tracing for an indoor wireless communications environment”, IEEE/ACES International Conference on Wireless Communications and Applied Computational Electromagnetics, pp 736–739 146 L T Hải, N T Minh, “Giải pháp nâng cao độ xác … tiên nghiệm địa hình.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ ABSTRACT SOLUTIONS TO IMPROVE THE ACCURACY OF RADIO SOURCE NAVIGATION BASED ON DIRECTION FINDING RESULTS AND A-PRIORI INFORMATION OF TOMOGRAPHY In this paper, a radio source navigation solution based on azimuth and topographic parameters is presented The approach is suitable for the transmission environment with only reflected signals to the receiver The apriori information of tomography is modeled based on reflective surface parameters In addition, a 3D positioning model allowing the application of this solution in practice and propose a solution to improve the positioning accuracy based on the measurement of error limits is also presented in the paper The effectiveness of the proposed solution is verified using Matlab simulation Keywords: LOS; NLOS; Azimuth; Reflective surface; Minimum average Nhận ngày 29 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 30 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học Cơng nghệ qn *Email: ntminh.telecom@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 147 ... Mơ hình định vị 3D dựa kết định hướng thơng tin tiên nghiệm địa hình Hình miêu tả mơ hình tổng qt ngun lý định vị sử dụng mơ hình địa hình 3D Việc kết hợp thông tin tọa độ máy thu, góc phương vị. .. xuất thơng tin đối tượng phản xạ: Tọa độ, góc pháp tuyến, góc lệch Sử dụng giải pháp định vị đề xuất Tọa độ nguồn xạ Hình Giải pháp định vị dựa mơ hình địa hình 3D - Giải pháp định vị tự động sử... xác định vị dựa kết định hướng thơng tin tiên nghiệm địa hình Trong thực tế, tham số để xác định tọa độ nguồn xạ xác định sau: (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) Trong đó: , góc phương vị