Các công nghệ định hướng, định vị và ứng dụng trong kiểm soát tần số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN KHẮC HUỲNH CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƢỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN KHẮC HUỲNH CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƢỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SỐT TẦN SỐ NGÀNH: CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN MINH TUẤN HÀ NỘI – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Các công nghệ định hướng, định vị ứng dụng kiểm soát tần số ” sản phẩm thực hướng dẫn PGS.TS.Trần Minh Tuấn Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014 TÁC GIẢ Nguyễn Khắc Huỳnh LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tận tình chu tơi có mơi trường tốt học tập nghiên cứu Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Trần Minh Tuấn người trực tiếp hướng dẫn, bảo tơi tận tình suốt q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn Một lần tơi xin gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ thời gian vừa qua Tơi xin kính chúc thầy cô giáo, anh chị bạn mạnh khỏe hạnh phúc Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014 TÁC GIẢ Nguyễn Khắc Huỳnh LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƢỚNG NGUỒN PHÁT XẠ 1.1 Định hƣớng sử dụng anten có hƣớng tính cao 1.2 Ứng dụng hiệu ứng Doppler 10 1.3 Nguyên lý Watson-Watt 12 1.4 Nguyên lý so pha 18 1.5 Nguyên lý so pha tƣơng quan 19 CHƢƠNG II: ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT XẠ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ 34 2.1 Ứng dụng ịnh hƣớng ngu n ph t v n iện i so t tần s 34 2.2 Kỹ thuật ịnh vị thủ c ng 34 2.3 Kỹ thuật ịnh vị triangulation 35 2.4 Định vị TDOA 36 CHƢƠNG III: ĐỊNH HƢỚNG ĐỊNH VỊ NGUỒN GÂY NHIỄU TRONG THỰC TẾ 41 3.1 Đ nh gi ph vi ảnh hƣởng ngu n nhiễu c ng suất thấp 41 3.2 Định hƣớng, ịnh vị ngu n nhiễu thi t bị so pha tƣơng quan 42 3.3 Định vị TDOA 53 3.4 Nhận ét 58 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng anh TDOA Time Difference of Arriv AOA Angle of Arrival VHF Very High Frequency UHF Ultra High Frequency DF Direction Finding RMS root mean square value ADC analog digital converter ITU International Telecommu DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Kết định hướng Thành phố Vinh 44 Bảng 3.2: Kết định hướng Thành phố Cần Thơ 47 Bảng 3.3: Kết định hướng Thành phố Long Xuyên – An Giang 50 Bảng 3.5: Tổng kết thử nghiệm định vị TDOA 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Thiết bị định hướng theo nguyên lý cực đại Hình 1.2: Tạo giản đồ hướng cực tiểu từ việc cộng giản đồ hướng anten Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler Hình 1.4: Mơ tả qua trình qt anten dạng sóng sin Doppler thu Hình 1.5: Sơ đồ khối đơn giản máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler Hình 1.6: Máy định hướng Watson-Watt với anten vòng chéo Hình 1.7: Anten Adcock Hình 1.8: Phân tích ngun tắc tạo tín hiệu mang thơng tin góc phương vị anten Adcock Hình 1.10: Cấu hình định hướng đại vận hành theo nguyên lý WatsonWatt Hình 1.11: Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha Hình 1.12 So pha tương quan Hình 1.13 : Thiết bị so pha với N Hình 1.14: Xác định biên độ phức lượng trường điện từ mảng anten có n phần tử Hình 1.15: Giao thoa so pha với hệ thống anten phần tử Hình 1.16: Thiết bị giao thoa tương quan Hình 1.17: Phổ tín hiệu vơ tuyến điện thu đồng thời máy thu dải rộng o Hình 1.18: Sơ đồ búp sóng, góc ngẩng 60 Hình 1.19: Sự phụ thuộc búp sóng mảng anten phần tử vào góc ngẩng RES:(a) β = 0; (b) β = 30◦; (c) β = 60◦ Hình 1.20: Sự phụ thuộc búp sóng mảng anten phần tử vào góc ngẩng RES với f = 250 MHz (trái) f = 500 MHz (phải): (a) β = , (b) β = 30◦ , (c) β = 60◦ Hình 1.21: Sơ đồ vector tín hiệu Hình 1.22: Máy thu so pha tương quan kênh Hình 2.1 Định vị sử dụng thiết bị định hướng cầm tay Hình 2.2 Định vị triangulation Hình 2.3: Định vị TDOA Hình 2.4: Thuật toán TDOA Hình 2.5: Sơ đồ tính tốn TDOA Hình 2.6: Ước tính vị trí định vị TDOA Hình 3.1: Mô nguồn gây nhiễu băng VHF Hình 3.2: Mơ nguồn gây nhiễu băng UHF Hình 3.3: Định hướng Vinh Hình 3.4 Cơng cụ tính tốn góc Azimuth Hình 3.5 : Phần mềm Scorpior Client Hình 3.6: Định hướng Cần Thơ Hình 3.7: Định hướng An Giang Hình 3.8: Định hướng Kiên Giang Hình 3.9: Vị trí điểm đặt sensor (hình vng màu vàng) điểm phát dùng đàm cầm tay Hình 3.10: Định vị đài FM 100MHz Hình 3.11: Sai số định vị đài FM 100MHz Hình 3.12: Định vị đài phát hình 770MHz Hình 3.13: Kết định vị đài phát hình 770MHz Hình 3.14: Định vị đài Taxi Sao Việt 167.725Mhz Hình 3.15: Sai số định vị đài Taxi Sao Việt 57 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với bùng nổ truyền dẫn vô tuyến, tần số vô tuyến điện trở thành nguồn tài nguyên hữu hạn vô quý giá, ngày trở nên chật hẹp, cần sử dụng cách hiệu Với việc ngày có nhiều nguồn phát vơ tuyến dẫn tới việc xuất ngày nhiều nguồn gây nhiễu tiềm tàng (máy phát phát không tần số cấp phép, phát sản phẩm hài, phát xạ băng… gây can nhiễu tới hệ thống thông tin vô tuyến khác) Bên cạnh đó, với phát triển truyền dẫn thơng tin số, việc giải điều chế tín hiệu vơ tuyến để từ nội dung đó, truy tìm nguồn nhiễu không khả thi, cần định hướng, định vị nguồn phát Từ yêu cầu thực tế trên, luận văn “Các công nghệ định hướng, định vị ứng dụng kiểm soát tần số” thực với mục đích nghiên cứu, giới thiệu cơng nghệ, kỹ thuật định hướng, định vị có việc ứng dụng công nghệ vào công tác kiểm soát tần số Điểm phát Điểm 10N 05'07.26'' 105E 44' 34.95'' K/C: 2.652 km Điểm 10N 05' 43.32'' 105E 43' 17.36'' K/C:5.57 km Điểm 10N 06' 03.69'' 105E 42' 19.52'' K/C: 7.375 km Điểm 10N 01' 21.78'' 105E 44' 38'' K/C: 5.057 km Điểm 10N 00' 17.94'' 105E 43' 22.44'' K/C: 7.892 km Điểm 09N 59' 53.77'' 105E 42' 58.41'' K/C: 8.902 km Sai số RMS kết định hướng : 0.898 độ Thực định hướng kiểm chứng tương tự với địa điểm tại: TP Long Xuyên -An Giang: 10N 26' 28'' Toạ độ trạm: 105E23' 28.2'' Bộ đàm VHF: Tấn số 151.625 MHz (5W) Bộ đàm UHF: Tần số 438 MHz(5W) Thực phát thử tín hiệu điểm 49 Bảng 3.3: K t Frequency (MHz) 151.625 151.625 151.625 151.625 151.625 438 438 438 438 438 151.625 151.625 151.625 151.625 151.625 438 438 438 438 438 151.625 151.625 151.625 151.625 151.625 438 438 438 438 438 151.625 151.625 151.625 151.625 151.625 438 438 438 438 438 151.625 151.625 151.625 151.625 151.625 438 438 438 438 438 151.625 151.625 151.625 151.625 151.625 438 438 438 438 438 Sai số RMS kết định hướng : 1.04 độ Thực định hướng kiểm chứng tương tự với địa điểm tại: TP Rạch Giá - Kiên Giang: 10N 26' 28'' Toạ độ trạm: 105E23' 28.2'' Bộ đàm VHF: Tấn số 151.625 MHz (5W) Bộ đàm UHF: Tần số 438 MHz(5W) Thực phát thử tín hiệu điểm 52 Hình 3.8: Định hướng Kiên Giang Kết định hướng nhìn chung tương đồng với hướng tín hiệu tới, nhiên chưa xác tuyệt đối, có sai lệch so với góc tới tín hiệu thực tế yếu tố che chắn môi trường gây tín hiệu đa đường, ảnh hưởng tới kết 3.3 Định vị TDOA Có sensor đặt vị trí nội thành Hà nội (một điểm Cục tần số) điểm lại đặt nhà dân với chiều cao từ mặt đất tới điểm đặt ăng ten – sân tầng – khoảng 10m (Hà Đơng, Hồng Sâm, Xã Đàn) Máy chủ đặt cục tần số, kết nối với điểm thu cịn lại thơng qua mạng ADSL (cụ thể có ADSL modem đồng thời có chức VPN router) Hệ thống thử nghiệm để thu định vị trạm phát tín hiệu Phát thanh, Truyền hình, hãng taxi đàm cầm tay 53 Hình 3.9: Vị trí điểm đặt sensor (hình vng màu vàng) điểm phát dùng đàm cầm tay Kết Thu định vị hệ thống phát thanh, truyền hình Thu đài FM 100MHz Đài phát FM đặt khu vực Mễ trì với vị trí đánh dấu chữ A hình vẽ (đây vị trí xác định tọa độ Kinh độ, vĩ độ sở liệu đăng ký với Cục tần số) Vị trí sau xác định thuật toán Hybrid tạo liệu định vị vị trí tự động kích hoạt phần mềm Google Earth để hiển thị vị trí trực quan hình vẽ Trong hình vẽ có vòng tròn màu đen (Estimated Position) vùng màu sắc khác nhau, tương ứng với xác suất xác định cao hay thấp (giảm dần từ màu đỏ, sang màu vàng,…) 54 Hình 3.10: Định vị đài FM 100MHz Vị trí sau xác định so sánh với vị trí thực tế điểm phát tín hiệu để tính sai số (là khoảng cách từ điểm phát thực tế so với điểm tính tốn hệ thống cảm biến).Như hình vẽ cho thấy, đài phát FM thực tế nằm vùng màu đỏ (là vùng ước lượng hệ thống) với khoảng cách tương đối đến tâm 160m Hình 3.11: Sai số định vị đài FM 100MHz 55 Thu Đài truyền hình tần số 770MHz số 05 Huỳnh Thúc Kháng Kết thu đài truyền hình cho thấy điểm phát thực tế nằm vùng màu đỏ thuật toán ước lượng, với sai số tương đối đến tâm 230m Hình 3.12: Định vị đài phát hình 770MHz Thu định vị hãng taxi Thu định vị trạm phát hãng Taxi Group, tan so 444.525 MHz Hình vẽ cho thấy vị trí điểm đặt sensor điểm định vị vùng màu sắc xác định xác suất phát 56 Hình 3.13: Kết định vị đài phát hình 770MHz Kết bên sai số tương đối tính từ vị trí đặt trạm phát với tâm vùng phát (240m), thấy điểm phát thực tế nằm vùng màu đỏ Hình 3.14: Định vị đài Taxi Sao Việt 167.725Mhz Thu định vị trạm phát hãng Taxi Sao Việt 167.725MHz Số 30 Ngụy Như Kon Tum Hãng taxi có tần suất hoạt động thấp cơng suất phát nhỏ (25W), kết định vị cho thấy điểm phát thực tế nằm phạm vi vùng phát màu đỏ với sai số ước lượng 560m Hình 3.15: Sai số định vị đài Taxi Sao Việt Định vị đàm cầm tay Kết thử nghiệm thực với đàm với công suất khác nhau: đàm to 45W hoạt động dải tần số UHF đàm cầm tay 5W hoạt động dải tần VHF với kênh tần số lệch 200kHz 57 Trong trình thử nghiệm, với mục đích xác định tín hiệu phát với cơng suất nhỏ nên nhóm thử nghiệm tập trung vào việc định vị đàm nhỏ cầm tay Kết thử nghiệm biểu diễn hình vẽ dưới, vị trí có hình vẽ gồm vị trí xác định sai số tương đối Tần Bộ đàm (M Big C 410 154 410 154 154 420 410 Mễ Trì Keangnam 154 154 420 154 154 Cầu giấy Thanh xuân 154 154 154 Mỗ Lao 3.4 Nhận ét Việc thử nghiệm với điều kiện tín hiệu phát khác tính chất (băng thông, tần số, công suất) cho kết thấy hệ thống hoạt động tốt thu tín hiệu phát thanh, truyền hình, taxi với sai số khoảng 200-300m Tuy nhiên có mức sai số khác thu máy đàm cầm tay khó khăn q trình lắp đặt vị trí điểm thu không tối ưu Tuy nhiên điểm phát nằm trung tâm điểm thu, khả định vị tốt ( sai số 200m), cho dù công suất băng thông nhỏ Khi điểm phát nằm vị trí khơng thuận lợi( vùng biên khu vực đặt sensor), khả định vị chưa tốt ( sai số 1km) Vị trí điểm đặt sensor khơng thuận lợi khơng tìm tịa nhà cao, thống nên phải đặt nhà dân, ăng ten GPS khơng đặt không gian mở 100%, ăng ten RF phải đặt nhà, sân thượng tòa nhà tầng (cao khoảng 10 ~ 12m), xung quanh bị che chắn nhiều nên khả thu tín hiệu khơng tốt Sai số phát đài phát FM, đài truyền hình, trạm phát hãng taxi với sai số khoảng ~300m Sai số phát máy đàm công suất nhỏ (5W) vị trí điểm phát nằm trung tâm điểm đặt sensor, 200m~500m, nhiên điểm phát nằm xa, 58 đặc biệt không hướng thu ăng ten RF (do bị che chắn tòa nhà xung quanh khu nhà dân đặt sensor) khả định vị không tốt 59 KẾT LUẬN Luận văn “Các công nghệ định hướng, định vị ứng dụng kiểm soát tần số” giới thiệu kỹ thuật định hướng, định vị ứng dụng rộng rãi giới Việt Nam Luận văn nghiên cứu sở lý thuyết công nghệ định hướng, định vị cổ điển công nghệ định vị TDOA xu hướng giới Hướng nghiên cứu tiếp theo: Sau hoàn thành nghiên cứu kỹ thuật định hướng, định vị có, hướng nghiên cứu luận văn đánh giá ưu nhược điểm công nghệ định hướng, định vị trên, nghiên cứu kỹ thuật định vị Hybrid AOA TDOA, ứng dụng thuật tốn MUSIC, ESPRIT để tăng độ xác phép định hướng, định vị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng anh [1] Denisowki, Rohder & Schwarz – Comparison of Radio Direction Finding Technologies [2] Rohder & Schwarz – Direction Finding and Radio Location Basics [3] Rohder & Schwarz – Introduction into Theory of Direction Finding [4] IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs) TDOA Localization Techniques [5] Wikipedia – TDOA Geometry [6] Agilent Tecnology - Agilent N6854A RF Geolocation Server Software 61 ... định vị ứng dụng kiểm sốt tần số? ?? thực với mục đích nghiên cứu, giới thiệu công nghệ, kỹ thuật định hướng, định vị có việc ứng dụng cơng nghệ vào cơng tác kiểm sốt tần số CHƢƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ... TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN KHẮC HUỲNH CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƢỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60 52 02... 19 CHƢƠNG II: ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT XẠ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ 34 2.1 Ứng dụng ịnh hƣớng ngu n ph t v n iện i so t tần s 34 2.2 Kỹ thuật ịnh vị thủ c ng