Bằng tính toán lý thuyết, xây dựng mô hình và mô phỏng đánh giá kết quả, tác giả đã đề xuất giải pháp xác định tọa độ mục tiêu không tiếp xúc trên biển sử dụng máy đo xa Laser và hệ th[r]
(1)GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU TRÊN BIỂN SỬ DỤNG MÁY ĐO XA LASER VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
Lê Thanh Hải*
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc xác định tọa độ mục tiêu biển sử dụng máy đo xa laser hệ thống định vị tồn cầu (GPS) thơng qua nghiên cứu lý thuyết mô đánh giá kết Kết nghiên cứu xây dựng được sơ đồ chức hệ thống xác định tọa độ mục tiêu biển sử dụng máy đo xa laser, GPS thuật toán xác định tọa độ mục tiêu Trên sở đó, đánh giá được hiệu mơ hình có sai số định vị sai số đo cự ly, qua đề xuất giải pháp tính gần tọa độ mục tiêu thực tế Đây mơ hình có tính khả thi cao phục vụ an ninh, quốc phòng kinh tế quốc dân
Từ khóa: Định vị mục tiêu, GPS, Máy đo xa laser БД-1
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong năm gần đây, toán định vị mục tiêu biển phục vụ cứu hộ, cứu nạn, phòng chống buôn lậu, xâm nhập trái phép đặc biệt toán định vị nhanh mục tiêu di động khó tiếp cận giàn khoan trái phép, tàu thăm dò, tàu trinh sát đối phương phục vụ an ninh, quốc phòng đặt nhu cầu lớn cho nhà nghiên cứu Trong thực tế, để định vị mục tiêu biển sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: Phương pháp kết hợp đa quan sát biển, GPS, đồ số; Phương pháp giao hội Tuy nhiên, chưa có trang thiết bị với tính Do vậy, tác giả đề xuất giải pháp định vị mục tiêu biển sử dụng máy đo xa laser GPS nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách phục vụ an ninh, quốc phòng lĩnh vực khác
2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ 2.1 Một số vấn đề máy đo xa laser
Máy đo xa laser thiết bị dùng để đo cự ly từ nơi đặt máy đến điểm cần đo tín hiệu laser (thường với bước sóng 1,06μm 1,54μm) Có nhiều phương pháp đo xa laser bản, người ta thường sử dụng phương pháp đo khoảng thời gian phát xạ - phản xạ xung tín hiệu để xác định khoảng cách theo công thức [1]:
. c
r (1)
Trong đó: r khoảng cách cần đo; τ thời gian đi-về tín hiệu; c tốc độ lan truyền tín hiệu khơng gian (trong khơng khí c≈3.108m/s)
Độ xác máy đo xa laser khác đạt từ cm đến hàng chục
(2)2.2 Sơ lược hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System-GPS) hệ thống tự động xác định vị trí dựa quỹ đạo vệ tinh nhân tạo theo nguyên tắc: thời điểm, vị trí mặt đất xác định khoảng cách đến ba vệ tinh (số vệ tinh tối thiểu) tính tọa độ vị trí Trước đây, hệ thống định vị toàn cầu Hoa Kỳ (Hệ thống NAVSTAR) thiết kế quản lý Bộ Quốc phịng sau phủ Hoa Kỳ cho phép người sử dụng với độ xác thấp theo mã dân dụng Các nước liên minh Châu Âu xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính giống NAVSTAR Hoa Kỳ Bên cạnh Nga bước hoàn thiện đưa vào sử dụng hệ thống định vị Glonass (Глобальная Навигационная Спутниковая
Система - ГЛОНАСС), Trung quốc xây dựng hệ thống có tên
Bắc Đẩu cho riêng [2,3,5,6] Do tính phổ cập hệ thống NAVSTAR nên báo tác giả đề cập sử dụng đến chủng loại gọi tắt GPS hàm ý nói NAVSTAR Hiện GPS có sẵn thị trường có độ xác đạt cỡ 5m, tốc độ cập nhật thông tin định vị giây với giao tiếp đa dạng chuẩn RS232, RS485 USB tiện dụng
2.3 Sơ đồ khối chức thuật toán xác định tọa độ mục tiêu
Như trình bày trên, máy đo xa laser cho số liệu khoảng cách từ vị trí đến mục tiêu ri, GPS cho số liệu tọa độ xi,yi(hoặc kinh độ, vĩ độ) Bài toán đặt cần đo ba lần với ba tham số khác
(ri,xi,yi)với i=1 3, ta xác định tọa độ mục tiêu xmt,ymt (hoặc kinh độ, vĩ độ
mục tiêu) Trong đó, khoảng cách tàu có đặt hệ thống thiết bị đo đến mục tiêu nhỏ 20 Km nên sai số mặt cong trái đất bỏ qua toán xác định tọa độ mục tiêu quy mặt phẳng với giả thiết tọa độ mục tiêu không thay đổi lần đo Sơ đồ khối chức hệ thống mô tả hình Mơ hình q trình đo đạc xác định nhanh tọa độ mục tiêu mô tả hình
GPS xi,yi Trung tâm xử lý tính tốn ri Máy đo xa laser
xmt,ymt
Khối cung cấp nguồn
Hình 1. Sơ đồ khối chức hệ thống
y
x
(0,0)
VT2
VT1
VT3 Mục tiêu
d1
d2
r1
r3
r2
(x1,y1) (x2,y2)
(x3,y3) (xmt,ymt)
(3)Các điểm cách vị trí VTi, i =1,2,3 khoảng ri thỏa mãn hệ phương trình sau: , , ) ( )
( 2
i
r y y x
xmt i mt i i
(2)
Trong đó: ri,(xi,yi), i=1,2,3- cự ly đo tới mục tiêu tọa độ vị trí lần đo thứ i d1,d2,d3 khoảng cách vị trí lần đo, điều kiện cần thỏa mãn d1,
d2,d3≠0 (x1≠x2 ≠x3, y1≠y2 ≠y3).
Như trình bày trên, cự ly ri do máy đo xa laser cung cấp, tọa độ (xi,yi) GPS cung cấp từ ta có tọa độ mục tiêu xác định cách giải hệ phương trình (2)[4]:
1
1
1
1
1 * * * * * ) ( * x x y y x x y y N y y M y y xmt
(3)
1
1
1
1
1 * * * * * ) ( * y y x x y y x x N x x M x x ymt
(4)
Trong đó: M r12 r22y12 y22x12x22; N r12 r32 y12 y32x12x32
2.4 Mô đánh giá kết
-10 -5 10 15 20 -15 -10 -5 10 15
-10 -5 10 15 20 25
-10 -5 10 15
-5 10 15 20 25 -10 -8 -6 -4 -2 10
0 10 12 14
0
Hình 3.Kết tìm tọa độ mục tiêu với (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng
-5,5,5; 0,-3,8; 8,5,8) cóxmt=0;ymt=5
Hình 4.Kết tìm tọa độ mục tiêu với (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng 0,0,7;
7,1,6; 15,7,8) cóxmt=7;ymt=7
Hình 5.Kết tìm tọa độ mục tiêu với (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3tương ứng
0,0,5; 4,0,3; 1,3,0) cóxmt,ymt đa nghiệm
Hình 6.Kết tìm tọa độ mục tiêu với (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng
(4)Kết mô thực qua phần mềm Matlab Phương thức thực sau: nhập tham số (ri,xi,yi)với i=1 3, tính xmt,ymt theo cơng thức (3) (4) tương đương với việc tìm giao điểm ba đường tròn tương ứng với (ri,xi,yi)
với i=1 đã chọn Trong hình 5, điều kiện cần thỏa mãn d1,d2,d3≠0, (x1≠x2 ≠x3,
y1≠y2 ≠y3) không đạt nên nghiệm đa trị
ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ SAI SỐ DO MÁY ĐO LASER ẢNH HƯỞNG TỚI KẾT QUẢ ĐỊNH VỊ VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC
Trong nội dung trên, báo trình bày mơ hình lý thuyết thuật tốn định vị mục tiêu khơng tiếp xúc sử dụng máy đo xa laser GPS, nhiên, kết định vị GPS đo cự ly máy đo xa laser tồn sai số, sau đánh giá ảnh hưởng sai số máy đo xa laser gây ảnh hưởng tới kết định vị (yếu tố ảnh hưởng sai số GPS tương tự sai số máy đo xa laser) Như trình bày, giải hệ phương trình (2) ta có tọa độ mục tiêu theo (3), (4) với điều kiện phép đo khơng có sai số thay (3), (4) vào hệ phương trình (2) phải thỏa mãn, đồng nghĩa với việc ba đường tròn
(ri,xi,yi) với i=1 3, sẽ giao điểm (xmt,ymt) Trong thực tế tồn
sai số phép đo cự ly máy đo xa Laser nên kết đo là: (r1r1;
2
2 r
r ;r3r3), lúc này, kết định vị có nghiệm hệ phương trình:
, ,
) (
) (
)
( 2
i
r y y x
xmt i mt i i ri
(5)
Tuy nhiên, hệ phương trình (5) vơ nghiệm, ba đường tròn (ri ri,xi,yi) với
i=1 3, khơng giao (xmt,ymt), từ cho kết luận rằng: thực
tế, tồn sai số phép đo cự ly máy đo xa Laser (hoặc sai số GPS) giải pháp nêu không khả thi Để khắc phục vấn đề ta cần sử dụng giải pháp tính gần tọa độ mục tiêu cách xét nghiệm cặp phương trình riêng rẽ hệ (5) Nếu sai số phép đo cự ly lớn, cặp phương trình hệ (5) vơ nghiệm có nhiều nghiệm nên khơng thể xác định gần tọa độ mục tiêu Trong thực tế, máy đo xa Laser đo cự ly lớn (r đạt 10÷20 Km) có sai số cỡ 0,002.r, khả đồng thời cặp phương trình hệ (5) vơ nghiệm nhỏ, xác suất tính gần tọa độ mục tiêu cao Để tính gần tọa độ mục tiêu ta xét số trường hợp có tính tổng qt sau
(5)2 ,
2
31 21 ' 31 21
' y y
y x x
xmt mt (6)
Trường hợp có cặp phương trình vơ nghiệm, cặp có nghiệm (x21,y21) và cặp cịn lại có hai nghiệm (x31,y31), (x32,y32) Tính khoảng cách
d điểm nghiệm cặp phương trình (x21,y21) với điểm (x31,y31), (x32,y32) là nghiệm phương trình cịn lại theo cơng thức:
2 31 21 31 21 31
21 (x x ) (y y )
d (7)
2 32 21 32 21 32
21 (x x ) (y y )
d (8)
Chọn hai nghiệm (x31,y31), (x32,y32) có giá trị d nhỏ theo (7 8), ví dụ d2131d2132thì tọa độ gần mục tiêu xác định là:
2 ,
2
31 21 ' 31 21
' y y
y x x
xmt mt (9)
Tương tự vậy, cặp phương trình vơ nghiệm, hai cặp cịn lại cặp có hai nghiệm ta tính d nghiệm cặp nghiệm khác theo (7,8) chọn hai nghiệm có d nhỏ để xác đinh mục tiêu theo (9) Tất nhiên khoảng cách nghiệm xét không cặp phương trình
Trong trường hợp cặp phương trình, cặp có nghiệm nhất, ví dụ (x11,y11), (x21,y21) (x31,y31), tọa độ gần mục tiêu xác định là:
3 ,
3
31 21 11 ' 31 21 11
' y y y
y x x x
xmt mt (10)
Trường hợp hay gặp thực tế, sai số nhỏ so với khoảng cách đo ba cặp phương trình có hai nghiệm Để xác định gần tọa độ mục tiêu, trước hết ta phải tính tất giá trị d phương trình (7,8) nghiệm cặp phương trình với nghiệm cặp phương trình cịn lại Chọn ba nghiệm từ ba cặp phương trình cho giá trị d chúng nhỏ Tiếp theo xác định gần tọa độ mục tiêu theo công thức (10) từ ba nghiệm chọn
(6)độ gần mục tiêu theo thuật toán nêu X’mt, Y’mt Từ kết mô cho thấy, xác định mục tiêu với độ xác cao
5.5 6.5 7.5 8.5
5.5 6.5 7.5 8.5
(Xmt,Ymt)
(X'mt,Y'mt)
Hình 7. Tính tốn gần tọa độ mục tiêu
4 KẾT LUẬN
Bằng tính tốn lý thuyết, xây dựng mơ hình mô đánh giá kết quả, tác giả đề xuất giải pháp xác định tọa độ mục tiêu không tiếp xúc biển sử dụng máy đo xa Laser hệ thống định vị toàn cầu Đã đánh giá yếu tố tác động tới mơ hình đề xuất sai số phép định cự ly (tương tự sai số GPS), qua đề xuất giải pháp tính gần tọa độ mục tiêu thực tế Yếu tố tác động mục tiêu phương tiện mang thiết bị đo di chuyển, yếu tố tác động sóng biển, tác động khí hậu thời tiết biển chưa nghiên cứu đánh giá cụ thể, mơ hình có tính khả thi cao phục vụ an ninh, quốc phòng kinh tế quốc dân tiếp tục nghiên cứu, triển khai thực tế
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thiết bị trinh sát laser, “ Mô tả kỹ thuật hướng dẫn sử dụng”, Tài liệu kèm theo máy đo xa laser БД-1, trang
[2] Agnew, D.C and Larson, K.M “Finding the repeat times of the GPS
constellation” GPS Solutions (Springer) (2007)
[3] Ahmed El-Rabbany, “Introduction to GPS: the Global Positioning System”
ARTECH HOUSE (2007), pp 13-25
[4] Lê Thanh Hải, Vũ Hải Lăng, Trần Quang Giang “Về phương pháp định vị
chủ động phục vụ đặc cơng nước” Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số
Đặc san Điện tử,10 – 2015
[5] Hoffmann-Wellenhof, B., H Lichtenegger, and J Collins“Global Positioning
System: Theory and Practice” Springer-Verlag, (1994)
(7)ABSTRACT
SOLUTION FOR POSITIONING OBJECTIVES ON THE SEA BY LASER RANGERFINDER AND GLOBAL POSITIONING SYSTEM
In this paper, the research results on a fast coordinate determination method of target in the sea using laser range finders together with the global positioning system (GPS) are shown and evaluated in terms of both theory and simulation The research results are essential in order to develop the functional diagram for a system that may quickly determine coordinates of the sea target using a laser range finder together with GPS and by applying a specific coordinate determination algorithm Moreover, the work conducted in this paper can be used to evaluate the performance of the model when there are positioning and range measurement errors in order to calculate the approximate solutions for the target coordinates in practice Overall, this study is highly essential for applications in the multiple areas of national security, defense and economics.
Keywords: Fast target localization, GPS, БД-1 laser range finder
Nhận ngày 10 tháng năm 2016 Hoàn thiện ngày 27 tháng năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng năm 2016