Ứng dụng phương pháp TDOA để xác định tọa độ phương tiện bay không người lái siêu nhẹ flycam

Việc sử dụng Radar chủ động để đo đạc các tham số tọa độ các phương tiện bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) như các Flycam thường gặp phải tình huống là ở cự ly xa do diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) rất nhỏ (chỉ từ 0.01m2 đến 0,05m2 ) nên việc phát hiện là khó khăn và bị hạn chế khi gặp các vật cản che khuất, do đó, rất khó có thể đo liên tục được.

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TDOA ĐỂ XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI SIÊU NHẸ FLYCAM Nguyễn Huy Hồng1*, Nguyễn Lê Cường2, Trần Vũ Kiên2 Tóm tắt: Việc sử dụng Radar chủ động để đo đạc tham số tọa độ phương tiện bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) Flycam thường gặp phải tình cự ly xa diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) nhỏ (chỉ từ 0.01m2 đến 0,05m2) nên việc phát khó khăn bị hạn chế gặp vật cản che khuất, đó, khó đo liên tục Trong đó, phương tiện bay khơng người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) thường truyền liệu xuống thiết bị điều khiển qua sóng vơ tuyến (RF), đó, cách đo thời gian tới tín hiệu ăng ten thu sau sử dụng phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA) xác định tọa độ PTBKNLSN khơng gian Từ khóa: Phương tiện bay không người lái siêu nhẹ; Phương pháp TDOA ĐẶT VẤN ĐỀ Việc xác định toạ độ nguồn phát xạ vô tuyến đặt PTBKNLSN hệ thống nhiều vị trí thụ động thực sử dụng phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA: Time Difference Of Arrival) hay gọi phương pháp hypecbol [1, 2] Trong phương pháp này, vào sai lệch thời gian tới tín hiệu (truyền liệu hình ảnh) xạ từ PTBKNLSN tới trạm thu thụ động người ta xây dựng hypecbol có tiêu điểm vị trí trạm thu này, giao điểm hypecbol vừa dựng cho ta toạ độ xác nguồn phát xạ vơ tuyến hay nói cách khác tọa độ PTBKNLSN Hình Phương pháp định vị sử dụng ngun lý TDOA Trên hình mơ tả việc xác định tọa độ nguồn xạ phương pháp TDOA, đó, R1, R2, R3, R4 máy thu giám sát vơ tuyến, vị trí nguồn phát xạ vô tuyến điểm S xác định giao đường hypecbol XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ PTBKNLSN TRONG KHÔNG GIAN VỚI BỐN TRẠM THU Xét hệ vị trí thu đặt mặt đất, gồm trạm: Trạm trùng với trạm trung tâm tọa độ 0(0, 0, 0), trạm tọa độ T2(x2, y2, 0), trạm tọa độ T3(x3, y3, 0), trạm tọa độ T4(x4, y4, 0), hình (thơng thường, người ta bố trí trạm cho bỏ qua độ cong trái đất, coi chúng nằm mặt phẳng) Các trạm bố trí cách trạm trung tâm với khoảng cách L1, L2, L3với: 166 Li  xi2  yi2 (L1, L2, L3 đường đáy) N H Hoàng, N L Cường, T V Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Xác định tọa độ mục tiêu không gian 3D theo phương pháp TDOA Giả sử mục tiêu nằm khơng gian có tọa độ M(x, y, z), thời gian trễ tín hiệu truyền từ mục tiêu đến trạm 2, trạm trạm so với trạm trung tâm là: dt1, dt2, dt3, tương ứng với khoảng cách d1, d2, d3 Ta có: di  c.dti Với tốc độ ánh sang là: 3.108m/s Cự ly, phương vị góc tà mục tiêu so với trung tâm (điểm 0(0, 0, 0)), tính sau [1]:  r  L2i  di2  sin i    Li i 1 (1) di sin i Li i 1 2 c12  c22  2c1c2 cos3 sin 3 c cos  c2 cos1 c1 cos3  c3 cos1 c2 cos3  c3 cos tg     c2 sin 1  c1 sin  c3 sin 1  c1 sin 3 c3 sin   c2 sin 3 cos   (2) (3) Trong đó: Li đường đáy; αi góc phương vị trạm so với phương Bắc 1  3   ,2  1  3 ,3    1 ci   d1 L2i  di2  Li 2.r.Li Tương tự, ta tìm toạ độ (x, y, z) mục tiêu Từ hệ phương trình: d1  c.dt1  ( x  x2 )2  ( y  y2 )2  z  x2  y  z (4) d2  c.dt2  ( x  x3 )2  ( y  y3 )2  z  x  y  z (5) d3  c.dt3  ( x  x4 )2  ( y  y4 )2  z  x2  y  z (6) XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG Thách thức hệ thống PTBKNLSN hoạt động môi trường lẫn với tín hiệu Wifi khác Tham khảo nghiên cứu trước việc xây dựng hệ thống phát hiệnPTBKNLSN [4, 5], nhóm tác giả thiết kế hệ thống thu thụ động để xác định Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 167 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường tọa độ PTBKNLSN hình Hệ thống bao gồm bốn thu để xác định tọa độ nguồn phát xạ vô tuyến đặt PTBKNLSN xuất khu vực giám sát Mỗi vị trí triển khai thu hệ thống giám sát bao gồm ăng ten vô hướng để phát diện tín hiệu PTBKNLSN hệ tám ăng ten định hướng để thu tín hiệu downlink PTBKNLSN Hệ thống chuẩn thời gian GPS Hình Sơ đồ khối trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN Cấu hình 01 trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN hệ thống để xác định hướng PTBKNLSN dựa việc đo thời gian đến ăng ten đặt góc tín hiệu downlink minh họa hình Mỗi hướng thu tín hiệu từ PTBKNLSN phát dựa ăng ten định hướng để xác định góc tới Kết hợp tín hiệu thu thời gian khác từ ăng ten thu trạm tọa độ biết trạm thu, đó, nguyên lý TDOA cài đặt máy tính chủ đặt 04 trạm thu tọa độ PTBKNLSN tính tốn cho kết Mơ-đun phân tích tín hiệu PTBKNLSN sử dụng để phát diện xác định vị trí Mơ-đun gồm máy thu RF kết nối với ăng ten đa hướng thụ động để thu thập tín hiệu PTBKNLSN giao tiếp điều khiển kênh RF Khi mẫu RF thu thập, khối xử lý phân tích tín hiệu thu sử dụng biến đổi Fourier nhanh [4, 5] để xác định xem có tín hiệu PTBKNLSN hay không Khi PTBKNLSN phát hiện, đầu FFT chứa tín hiệu thu thập PTBKNLSN sau sử dụng làm mẫu để nhận diện ln 168 N H Hoàng, N L Cường, T V Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm khu vực bay khuôn viên bãi đất trống để xác nhận tính khả thi phương pháp Có bốn trạm triển khai thời gian thử nghiệm cách theo khoảng cách 250m Mỗi thiết lập trạm cảm biến minh họa hình a) b) Hình Cấu hình bố trí trạm thu (a) Ngơi (b) Hình chữ T Hệ thống đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN bao gồm 04 máy tính dạng Box, 04 bo mạch USRP B210, 04 điều khiển ăng ten định hướng (hình vẽ ăng ten định hướng), ăng ten vơ hướng (9dBi) Máy tính xách tay làm máy trung tâm có CPU i7 chạy hệ điều hành Ubuntu 18.04 LTS cài đặt GNURadio 3.7.12 sử dụng trình thử nghiệm Hệ 08 ăng ten định hướng điều khiển mô-đun chuyển mạch để điều khiển ăng-ten quay hướng để tìm kiếm tín hiệu PTBKNLSN Trong thử nghiệm báo loại Phantom DJI điều khiển bay độ cao 20m, 50m 100m với góc phương vị góc ngẩng cho trước, khoảng cách từ PTBKNLSN đến máy thu gần 200m Máy bay không người lái DJI hoạt động tần số 2,4065 GHz, công suất phát thiết bị RF máy bay 100mW thiết kế lại thay đổi lại theo mức % công suất khác Do thí nghiệm tiến hành khu vực gần khu dân cư nên thử nghiệm có ảnh hưởng Wi-Fi 4.1 Kết thực nghiệm Bảng Kết xử lý tín hiệu Flycam Phantom khoảng cách 200m so với trạm gần nhất, với số lượt thử 10 lần, công suất phát 30% Sai số Ảnh hưởng % Góc phương vị Góc ngẩng Cự ly nhiễu đến chất lượng thu tín Độ cao hiệu *(35,6 - 38,4)% *(37,5- 41,3)% *(31,2-35,5)% Do gần mặt đất 20m có nhiều ảnh **(37,2-40,1)% **(39,2-43,1)% **(33,3-38,1)% hưởng nhiễu Wifi 50m *(29,4- 33,5)% *(27,3-31,7)% *(18,5-29,2)% Đã bớt ảnh hưởng nhiễu **(31,2-35,6)% **(29,1-40,5)% **(19.8-31.5)% Wifi 100m *(15,2-20,6)% *(9,5- 11,3)% *(3,7-10,5)% Đã bớt ảnh hưởng nhiễu **(17,5-22,4)% **(12,1-15,5)% **(5,3-12,1)% Wifi Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 169 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Bảng Kết xử lý tín hiệu đối Flycam Phantom với khoảng cách 200m so với trạm gần nhất, với số lượt thử 10 lần , công suất phát 50% Sai số % Ảnh hưởng Góc phương vị Góc ngẩng Cự ly nhiễu đến Độ cao chất lượng thu tín hiệu *(25,3 - 28,7)% *(23,2- 27,5)% *(21,3-25,7)% Do gần mặt đất có 20m nhiều ảnh hưởng **(28,5-31,2)% **(25,7-30,8)% **(23,7- 29,5)% nhiễu Wifi 50m *(21,5- 23,7)% *(20,3-24,2)% *(12,2-19,7)% Đã bớt ảnh hưởng nhiễu Wifi **(24,3-27,5)% **(23,5-28,5)% **(15,5-21,2)% 100m *(10,5-15,2)% *(6,3- 11,3)% *(2,5-8,2)% Đã bớt ảnh hưởng nhiễu Wifi **(14,2-18,5)% **(8,7-15,5)% **(4,8-11,5)% Sai % Độ cao 20m 50m 100m Bảng Kết xử lý tín hiệu Flycam Phantom khoảng cách 200m so với trạm gần nhất, với số lượt thử 10 lần, công suất phát 100% số Ảnh hưởng Góc phương vị Góc ngẩng Cự ly nhiễu đến chất lượng thu tín hiệu *(12,6 - 18,4)% *(17,5- 21,3)% *(21,5-25,2)% Do gần mặt đất có nhiều ảnh hưởng **(15,2-21,7)% **(19,3-23,5)% **(23,3-29,7)% nhiễu Wifi *(5,4- 8,5)% *(4,5-7,2)% *(4,5-7,2)% **(7,5-11,3)% **(7,2-10,3)% **(6,3-10,7)% *(4,2-7,6)% *(3,5- 6,3)% *(3,7-6,5)% **(7,5-9,8)% **(5,2-9,7)% **(5,3-8,7)% Đã bớt ảnh hưởng nhiễu Wifi Đã bớt ảnh hưởng nhiễu Wifi Ghi chú: * trạm thu bố trí hình sao, ** trạm thu bố trí hình chữ T 4.2 Sai số phép đo thời gian đến tín hiệu PTBKNLSN Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sai số đo thời gian hệ thống TDOA: đồng thời gian trạm thu Trong hệ thống TDOA, việc đồng phải đảm bảo gắn thời gian cho trình phát nguồn xạ vơ tuyến, để xác định phương vị nguồn xạ cách nhận dạng tín hiệu từ nguồn xạ vơ tuyến, giải hệ thống phương trình theo độ trễ tín hiệu từ nguồn xạ vô tuyến đến trạm trung tâm trạm bên Hệ thống thu thụ động TDOA báo thực hợp thông tin thị tần Tại trạm thu sử dụng máy thu GPS chuyên dụng, máy thu có xung tần số 1Hz dao động chuẩn 50MHz đồng với Dao động chuẩn 50MHz đồng thời làm xung Clock cho ADC tín hiệu thị tần đầu trạm Như vậy, chu kỳ dao động chuẩn 50MHz (tương ứng với 20ns) yếu tố quan trọng định đến sai số hệ thống việc đo thời gian Rõ ràng, muốn giảm sai số đo thời gian cho hệ thống phải tăng tần số dao động chuẩn Tuy nhiên, khơng thể tăng tùy ý phải tính đến dung lượng nhớ tốc độ tính tốn hệ thống KẾT LUẬN Trên sở xây dựng hệ thống đo thời gian tới tín hiệu cảm ứng ăng ten trạm thu truyền trạm xử lý trung tâm, đây, tiến hành tính tốn theo ngun 170 N H Hoàng, N L Cường, T V Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ lý TDOA kết cho thấy việc đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN phụ thuộc vào cách bố trí trạm thu (trong trường hợp trạm thu bố trí hình cho sai số định vị nhỏ bố trí hình chữ T), tỷ số tín/tạp máy thu, độ cao khác PTBKNLSN, việc thiết kế hệ 08 ăng ten định hướng góp phần nâng cao chất lượng xác định tọa độ so với hệ dùng 04 ăng ten Để tăng độ xác hãng chế tạo giới sử dụng hệ 16 ăng ten, nhiên, điều địi hỏi phải có phần cứng xử lý mạnh theo phải trả giá giá thành cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Huy Hồng, “Cơ sở định vị vơ tuyến”, Nhà xuất quân đội nhân dân, Năm 2018 [2] Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from four stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA, 2002 [3] David L Adamy, “A Second Course in Electronic Warfare”, ISBN 1-58053-686-7 [4] P Nguyen, H Truong, M Ravindranathan, A Nguyen, R Han, and T Vu Matthan: “Drone Presence Detection by Identifying Physical Signatures in the Drone’s RF Communication” In Proceedings of the 15th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services, MobiSys ’17, pages 211–224, New York, NY, USA, 2017 ACM event-place: Niagara Falls, New York, USA [5] P Nguyen, H Truong, M Ravindranathan, A Nguyen, R Han, and T Vu “CostE !ective and Passive RF-Based Drone Presence Detection and Characterization” GetMobile: Mobile Comp and Comm., 21(4):30–34, Feb 2018 ABSTRACT MEASURING THE ARRIVAL TIME OF SIGNAL TO DETERMINE COORDINATES OF ULTRA-LIGHT DRONE The use of the active radar to measure the coordinates of ultra-light drones is frequently difficult due to long distance, absolutely small radar cross section (RCS) and obstacles Since ultra-light drones are usually controlled by the radio frequency (RF), a method to measure the coordinates of ultra-light drones in the space based on the arrival time of signal at receiving antennas and the time difference of arrival (TDOA) is proposed in the paper The experimental results demontrasted that the proposed method is potential and high accurate Keywords: Ultra-light drone; TDOA Nhận ngày 14 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự; Đại học Điện lực * Email: huyhoangvtdt686@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 171 ... H Hoàng, N L Cường, T V Kiên, ? ?Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ lý TDOA kết cho thấy việc đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN phụ thuộc vào cách...Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Xác định tọa độ mục tiêu không gian 3D theo phương pháp TDOA Giả sử mục tiêu nằm không gian có tọa độ M(x, y, z), thời gian trễ tín hiệu truyền từ... PTBKNLSN hay không Khi PTBKNLSN phát hiện, đầu FFT chứa tín hiệu thu thập PTBKNLSN sau sử dụng làm mẫu để nhận diện ln 168 N H Hồng, N L Cường, T V Kiên, ? ?Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam. ”