Giải pháp định vị mục tiêu trên biển sử dụng máy đo xa Laser và hệ thống định vị toàn cầu

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]

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 các kết quả nghiên cứu về việc xác định tọa độ mục

tiêu trên biển sử dụng máy đo xa laser và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) thông qua

nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng đánh giá kết quả Kết quả nghiên cứu đã xây dựng

được sơ đồ chức năng của hệ thống xác định tọa độ mục tiêu trên biển sử dụng máy

đo xa laser, GPS và thuật toán xác định tọa độ mục tiêu Trên cơ sở đó, đánh giá

được hiệu quả của mô hình khi có sai số định vị và sai số đo cự ly, qua đó đã đề xuất

giải pháp tính gần đúng tọa độ mục tiêu trong thực tế Đây là mô hình có tính khả

thi cao phục vụ an ninh, quốc phòng và kinh tế quốc dân

Từ khóa: Định vị mục tiêu, GPS, Máy đo xa laser БД-1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, bài toán định vị mục tiêu trên biển phục vụ cứu hộ,

cứu nạn, phòng chống buôn lậu, xâm nhập trái phép và đặc biệt là bài toán định vị

nhanh các mục tiêu di động khó tiếp cận như giàn khoan trái phép, tàu thăm dò, tàu

trinh sát của đối phương phục vụ an ninh, quốc phòng đang đặt ra nhu cầu lớn

cho các nhà nghiên cứu Trong thực tế, để định vị mục tiêu trên biển chúng ta có

thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: Phương pháp kết hợp ra đa quan sát

biển, GPS, bản đồ số; Phương pháp giao hội Tuy nhiên, hiện nay chúng ta chưa

có trang thiết bị với các tính năng như vậy Do vậy, tác giả đề xuất giải pháp định

vị mục tiêu trên biển sử dụng máy đo xa laser và GPS nhằm đáp ứng nhu cầu cấp

bách hiện nay phục vụ an ninh, quốc phòng và các lĩnh vực khác

2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ 2.1 Một số vấn đề cơ bản về máy đo xa laser

Máy đo xa laser là thiết bị dùng để đo cự ly từ nơi đặt máy đến điểm cần đo

bằng tín hiệu laser (thường với bước sóng 1,06μm hoặc 1,54μm) Có nhiều phương

pháp đo xa laser nhưng về cơ bản, người ta thường sử dụng phương pháp đo

khoảng thời gian phát xạ - phản xạ của xung tín hiệu để xác định khoảng cách theo

công thức [1]:

2

.

c

r  (1)

Trong đó: r là khoảng cách cần đo; τ là thời gian đi-về của tín hiệu; c là tốc độ

lan truyền của tín hiệu trong không gian (trong không khí c≈3.108m/s)

Độ chính xác của máy đo xa laser rất khác nhau có thể đạt từ cm đến hàng chục

m tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo, tính

năng kỹ chiến thuật, giá thành sản phẩm Phần lớn các nhu cầu đo khoảng cách

trong quân sự thì yêu cầu độ chính xác không quá cao và thường là ±10m và máy

đo xa БД-1 cũng có độ chính xác như vậy với khoảng cách đo đạt đến 20Km Máy

đo xa БД-1 là thiết bị hiện được trang bị trong quân đội đáp ứng được các yêu cầu

hoạt động trong môi trường biển đảo, tần số lặp giữa các lần đo khoảng 5 giây

2.2 Sơ lược về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System-GPS) là hệ thống tự động

xác định vị trí dựa trên quỹ đạo của các vệ tinh nhân tạo theo nguyên tắc: trong

cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến

ba vệ tinh (số vệ tinh tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó Trước đây, hệ

thống định vị toàn cầu của Hoa Kỳ (Hệ thống NAVSTAR) được thiết kế và quản

lý bởi Bộ Quốc phòng nhưng sau này chính phủ Hoa Kỳ đã cho phép mọi người sử

dụng nó với độ chính xác thấp theo mã dân dụng Các nước trong liên minh Châu

Âu đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như NAVSTAR

của Hoa Kỳ Bên cạnh đó Nga đã và đang từng bước hoàn thiện và đưa vào sử

dụng hệ thống định vị Glonass (Глобальная Навигационная Спутниковая

Система - ГЛОНАСС), Trung quốc cũng đang xây dựng một hệ thống có tên là

Bắc Đẩu cho riêng mình [2,3,5,6] Do tính phổ cập của hệ thống NAVSTAR nên

trong bài báo tác giả cũng chỉ đề cập và sử dụng đến chủng loại này và gọi tắt GPS

là hàm ý nói về NAVSTAR Hiện nay các GPS có sẵn trên thị trường có độ chính

xác đạt cỡ 5m, tốc độ cập nhật thông tin định vị là 1 giây với các giao tiếp đa dạng

như chuẩn RS232, RS485 và USB rất tiện dụng

2.3 Sơ đồ khối chức năng và thuật toán xác định tọa độ mục tiêu

Như đã trình bày ở trên, máy đo xa laser cho số liệu về khoảng cách từ vị trí

hiện tại đến mục tiêu r i , GPS cho số liệu về tọa độ hiện tại x i ,y i (hoặc là kinh độ, vĩ

độ) Bài toán đặt ra là chỉ cần đo lần lượt ba lần với ba bộ tham số khác nhau

mục tiêu) Trong đó, do khoảng cách giữa tàu có đặt hệ thống thiết bị đo đến mục

tiêu nhỏ hơn 20 Km nên sai số do mặt cong trái đất có thể bỏ qua và bài toán xác

định tọa độ mục tiêu được quy về trong mặt phẳng với giả thiết rằng tọa độ mục

tiêu không thay đổi giữa các lần đo Sơ đồ khối chức năng của hệ thống được mô

tả trên hình 1 Mô hình quá trình đo đạc và xác định nhanh tọa độ mục tiêu được

mô tả trên hình 2

GPS xi ,yi Trung tâm xử lý và tính toán ri Máy đo xa laser

xmt,ymt

Khối cung cấp nguồn

Hình 1 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống

y

x

(0,0)

VT2

VT1

VT3 Mục tiêu

d 1

d 2

r 2

(x1,y1) (x 2 ,y 2 )

(x 3 ,y 3 ) (x mt ,y mt )

d 3

Các điểm cách vị trí VTi , i =1,2,3 khoảng r i thỏa mãn hệ phương trình sau:















 3 , 2 , 1

) (

)

i

r y y x

(2)

Trong đó: r i ,(x i ,y i ), i=1,2,3- là cự ly đo được tới mục tiêu và tọa độ vị trí ở lần đo

thứ i d 1 , d 2 , d 3 là khoảng cách giữa vị trí của các lần đo, điều kiện cần thỏa mãn d 1 ,

d 2 , d 3 ≠0 và (x 1 ≠x 2 ≠x 3 , y 1 ≠y 2 ≠y 3 )

Như đã trình bày ở trên, cự ly r i do máy đo xa laser cung cấp, tọa độ (x i ,y i ) do

GPS cung cấp và từ đó ta có tọa độ mục tiêu được xác định bằng cách giải hệ

phương trình (2)[4]:

1 2 1

3

*

* 2

*

* 2

* ) (

*

x x y y x

x y y

N y y M y y

x mt

















1 2 1

3

*

* 2

*

* 2

* ) (

*

y y x x y

y x x

N x x M x x

y mt

















Trong đó: M r12 r22y12 y22x12x22; N r12 r32 y12 y32x12x32

2.4 Mô phỏng đánh giá kết quả

-10 -5 0 5 10 15 20 -15

-10 -5 0 5 10 15

-10 -5 0 5 10 15 20 25 -10

-5 0 5 10 15

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Hình 3 Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với

(x 1 ,y 1 ,r 1 ; x 2 ,y 2 ,r 2 ; x 3 ,y 3 ,r 3 tương ứng -5,5,5; 0,-3,8; 8,5,8) có x mt =0;y mt =5

Hình 4 Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với

(x 1 ,y 1 ,r 1 ; x 2 ,y 2 ,r 2 ; x 3 ,y 3 ,r 3 tương ứng 0,0,7;

7,1,6; 15,7,8) có x mt =7;y mt =7

Hình 5 Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với

(x 1 ,y 1 ,r 1 ; x 2 ,y 2 ,r 2 ; x 3 ,y 3 ,r 3 tương ứng

0,0,5; 4,0,3; 1,3,0) có x mt , y mt đa nghiệm

Hình 6 Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với

(x 1 ,y 1 ,r 1 ; x 2 ,y 2 ,r 2 ; x 3 ,y 3 ,r 3 tương ứng 3,4,3; 6,2,2; 10,4,4) có x mt =6;y mt =4

Kết quả mô phỏng được thực hiện qua phần mềm Matlab Phương thức thực

hiện như sau: nhập bộ tham số (r i ,x i ,y i ) với i=1 3, tính x mt ,y mt theo công thức (3) và

(4) tương đương với việc tìm giao điểm của ba đường tròn tương ứng với (r i ,x i ,y i )

3 ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ SAI SỐ DO MÁY ĐO LASER ẢNH HƯỞNG

TỚI KẾT QUẢ ĐỊNH VỊ VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC

Trong các nội dung trên, bài báo đã trình bày mô hình lý thuyết và thuật toán định vị mục tiêu không tiếp xúc sử dụng máy đo xa laser và GPS, tuy nhiên, kết

quả định vị của GPS và đo cự ly của máy đo xa laser luôn tồn tại các sai số, sau

đây chúng ta chỉ đánh giá sự ảnh hưởng của sai số do máy đo xa laser gây ra ảnh

hưởng tới kết quả định vị (yếu tố ảnh hưởng do sai số của GPS cũng tương tự như

sai số do máy đo xa laser) Như đã trình bày, giải hệ phương trình (2) ta có được

tọa độ mục tiêu theo (3), (4) với điều kiện phép đo không có sai số và khi thay (3),

(4) vào hệ phương trình (2) phải thỏa mãn, đồng nghĩa với việc ba đường tròn

sai số trong phép đo cự ly của máy đo xa Laser nên kết quả đo được sẽ là: (r1r1;

2

r  ;r3r3), lúc này, kết quả định vị có được là nghiệm của hệ phương trình:



















 3 , 2 , 1

) (

) (

)

i

r y y x

(5)

Tuy nhiên, hệ phương trình (5) vô nghiệm, ba đường tròn ( r i ri ,x i ,y i ) với

tế, nếu tồn tại sai số trong phép đo cự ly của máy đo xa Laser (hoặc sai số do GPS)

thì giải pháp nêu trên không khả thi Để khắc phục vấn đề này ta cần sử dụng giải

pháp tính được gần đúng tọa độ mục tiêu bằng cách xét các nghiệm của từng cặp

phương trình riêng rẽ của hệ (5) Nếu sai số phép đo cự ly quá lớn, các cặp phương

trình của hệ (5) hoặc vô nghiệm hoặc có nhiều nghiệm nên không thể xác định

được gần đúng tọa độ của mục tiêu Trong thực tế, các máy đo xa Laser đo ở cự ly

lớn (r đạt 10÷20 Km) có sai số cỡ 0,002.r, do vậy khả năng đồng thời các cặp

phương trình của hệ (5) vô nghiệm là rất nhỏ, vì thế xác suất tính được gần đúng

tọa độ mục tiêu là rất cao Để tính gần đúng tọa độ mục tiêu ta xét một số trường

hợp có tính tổng quát sau đây

Trường hợp có một cặp phương trình vô nghiệm, hai cặp phương trình còn lại mỗi cặp chỉ có một nghiệm (ví dụ cặp phương trình thứ hai và thứ ba vô nghiệm,

cặp phương trình thứ nhất và thứ hai có một nghiệm duy nhất (x 21 ,y 21 ) và cặp

phương trình thứ nhất và thứ ba có một nghiệm duy nhất (x 31 ,y 31 )) Tọa độ gần

đúng của mục tiêu được xác định là:

, 2

31 21 ' 31 21

y x x

Trường hợp có một cặp phương trình vô nghiệm, một cặp có một nghiệm duy

nhất (x 21 ,y 21 ) và cặp còn lại có hai nghiệm (x 31 ,y 31 ), (x 32 ,y 32 ) Tính các khoảng cách

2 31 21 2 31 21 31

2 32 21 2 32 21 32

Chọn một trong hai nghiệm (x 31 ,y 31 ), (x 32 ,y 32 ) có giá trị d nhỏ nhất theo (7 và

8), ví dụ d2131 d2132thì tọa độ gần đúng của mục tiêu được xác định là:

2

, 2

31 21 ' 31 21

y x x

Tương tự như vậy, khi một cặp phương trình vô nghiệm, hai cặp còn lại mỗi

cặp có hai nghiệm thì ta cũng tính d giữa các nghiệm của các cặp nghiệm khác

nhau theo (7,8) và chọn hai nghiệm có d nhỏ nhất để xác đinh mục tiêu theo (9)

Tất nhiên là khoảng cách nghiệm được xét không cùng của một cặp phương trình

Trong trường hợp cả 3 cặp phương trình, mỗi cặp đều có một nghiệm duy

nhất, ví dụ (x 11 ,y 11 ), (x 21 ,y 21 ) và (x 31 ,y 31 ), thì tọa độ gần đúng của mục tiêu được xác

định là:

3

, 3

31 21 11 ' 31 21 11

y x x x

Trường hợp hay gặp nhất trong thực tế, khi sai số rất nhỏ so với khoảng cách

đo là cả ba cặp phương trình đều có hai nghiệm Để xác định gần đúng tọa độ mục

tiêu, trước hết ta phải tính tất cả các giá trị d như các phương trình (7,8) giữa các

nghiệm của cặp phương trình này với các nghiệm của các cặp phương trình còn lại

Chọn ra ba nghiệm từ ba cặp phương trình sao cho các giá trị d giữa chúng là nhỏ

nhất Tiếp theo xác định gần đúng tọa độ mục tiêu theo công thức (10) từ ba

nghiệm đã chọn được

Trên hình 7 biểu diễn trực quan cho chúng ta thấy, trong trường hợp lý tưởng không có sai số thì hệ phương trình (2) có một nghiệm (3 đường tròn mô tả hệ sẽ

giao nhau tại Xmt,Ymt) là tọa độ chính xác của mục tiêu Trong điều kiện phép đo

cự ly có sai số thì hệ phương trình (2) chuyển thành hệ (5), các đường tròn sẽ bị

lệch đi so với vị trí lý tưởng (các đường nét đứt), hệ (5) vô nghiệm, ta xác định tọa

độ gần đúng của mục tiêu theo thuật toán đã nêu X’mt, Y’mt Từ kết quả mô phỏng

cho thấy, chúng ta vẫn xác định được mục tiêu với độ chính xác cao

5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5

(Xmt,Ymt)

(X'mt,Y'mt)

Hình 7 Tính toán gần đúng tọa độ mục tiêu

4 KẾT LUẬN

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 thống định vị toàn cầu Đã đánh giá yếu tố tác động tới mô

hình đề xuất do sai số phép định cự ly (tương tự sai số do GPS), qua đó đề xuất

giải pháp tính gần đúng tọa độ mục tiêu trong thực tế Yếu tố tác động khi cả mục

tiêu và phương tiện mang thiết bị đo di chuyển, yếu tố tác động của sóng biển, tác

động của khí hậu và thời tiết biển vẫn còn chưa được nghiên cứu và đánh giá cụ

thể, nhưng đây là mô hình có tính khả thi cao phục vụ an ninh, quốc phòng và kinh

tế quốc dân nếu được tiếp tục nghiên cứu, triển khai trong thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Thiết bị trinh sát bằng laser, “ Mô tả kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng”, Tài liệu

kèm theo máy đo xa laser БД-1, trang 9

[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 một phương pháp định vị

chủ động phục vụ đặc công 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)

[6] Leick, A., “GPS Satellite Surveying” New York: Wiley, (1995)

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 bài ngày 10 tháng 6 năm 2016 Hoàn thiện ngày 27 tháng 7 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 8 năm 2016

Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CNQS;