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

ỏ (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. Trong khi đó, các phương tiện bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) thường truyền dữ liệu xuống thiết bị điều khiển qua sóng vô tuyến (RF), do đó, bằng cách đo thời gian tới của tín hiệu tại các ăng ten thu và sau đó sử dụng phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA) thì sẽ xác định tọa độ của PTBKNLSN trong không gian. Từ khóa: Phương tiện bay không người lái siêu nhẹ; Phương pháp TDOA. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc xác định các toạ độ nguồn phát xạ vô tuyến đặt trên PTBKNLSN trong hệ thống nhiều vị trí thụ động có thể được thực hiện bằng sử dụng phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA: Time Difference Of Arrival) hay còn gọi là phương pháp hypecbol [1, 2]. Trong phương pháp này, căn cứ vào sai lệch thời gian tới của tín hiệu (truyền dữ liệu hình ảnh) bức xạ từ PTBKNLSN tới các trạm thu thụ động người ta xây dựng được các hypecbol có tiêu điểm là vị trí các trạm thu này, giao điểm của các hypecbol vừa dựng được sẽ cho ta toạ độ chính xác của nguồn phát xạ vô tuyến hay nói một cách khác là tọa độ của PTBKNLSN. Hình 1. Phương pháp định vị sử dụng nguyên lý TDOA. Trên hình 1 mô tả việc xác định tọa độ nguồn bức xạ bằng phương pháp TDOA, trong đó, R1, R2, R3, R4 là các máy thu giám sát vô tuyến, vị trí nguồn phát xạ vô tuyến là điểm S được xác định bởi giao nhau của các đường hypecbol. 2. XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ PTBKNLSN TRONG KHÔNG GIAN VỚI BỐN TRẠM THU Xét hệ 4 vị trí thu đặt trên mặt đất, gồm 4 trạm: Trạm 1 trùng với trạm trung tâm tọa độ 0(0, 0, 0), trạm 2 tọa độ T2(x2, y2, 0), trạm 3 tọa độ T3(x3, y3, 0), trạm 4 tọa độ T4(x4, y4, 0), như hình 2 (thông thường, người ta bố trí các trạm sao cho có thể bỏ qua độ cong của trái đất, coi chúng như nằm trên một mặt phẳng). Các trạm được bố trí cách trạm trung tâm với khoảng cách L1, L2, L3với: 2 2 i i iL x y  (L1, L2, L3 là các đường đáy). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 167 Hình 2. Xác định tọa độ mục tiêu trong không gian 3D theo phương pháp TDOA. Giả sử mục tiêu nằm trong không gian có tọa độ M(x, y, z), thời gian trễ khi tín hiệu truyền từ mục tiêu đến trạm 2, trạm 3 và trạm 4 so với trạm trung tâm lần lượt là: dt1, dt2, dt3, tương ứng với khoảng cách d1, d2, d3. Ta có: .i id c dt Với tốc độ ánh sang là: 3.108 m/s. Cự ly, phương vị và góc tà của mục tiêu so với trung tâm (điểm 0(0, 0, 0)), được tính như sau [1]: 3 2 2 1 3 1 sin sin 2 i i i i i i i i i L d L r d L             (1) 2 2 1 2 1 2 3 2 3 2 cos cos sin c c c c       (2) 1 3 3 1 2 3 3 21 2 2 1 2 1 1 2 3 1 1 3 3 2 2 3 cos cos cos coscos cos sin sin sin sin sin sin c c c cc c tg c c c c c c                     (3) Trong đó: Li là các đường đáy; αi là góc phương vị của các trạm so với phương Bắc. 1 3 2 2 1 3 3 2 1 2 2 1 , , 2. . i i i i i d L d c L r L                   Tương tự, ta tìm được toạ độ (x, y, z) của mục tiêu. Từ hệ phương trình: 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2. ( ) ( )d c dt x x y y z x y z         (4) 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3. ( ) ( )d c dt x x y y z x y z         (5) 2 2 2 2 2 2 3 3 4 4. ( ) ( )d c dt x x y y z x y z         (6) 3. XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG Thách thức chính của hệ thống là PTBKNLSN hoạt động trong môi trường lẫn với các tín hiệu Wifi khác. Tham khảo các nghiên cứu trước đây về việc xây dựng một hệ thống phát hiệnPTBKNLSN [4, 5], nhóm tác giả đã thiết kế hệ thống thu thụ động để xác định Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để Flycam.” 168 tọa độ của PTBKNLSN như trong hình 2. Hệ thống bao gồm bốn bộ thu để xác định tọa độ nguồn phát xạ vô tuyến được đặt trên PTBKNLSN xuất hiện trong khu vực giám sát. Mỗi vị trí triển khai bộ thu của hệ thống giám sát bao gồm một ăng ten vô hướng để phát hiện sự hiện diện của tín hiệu PTBKNLSN và hệ tám ăng ten định hướng để thu tín hiệu downlink của PTBKNLSN. Hệ thống chuẩn thời gian bằng GPS. Hình 3. Sơ đồ khối một trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN. Cấu hình của 01 trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN trong hệ thống để xác định hướng của PTBKNLSN dựa trên việc đo thời gian đến ăng ten đặt ở các góc của tín hiệu downlink như được minh họa trong hình 3. Mỗi hướng thu tín hiệu từ PTBKNLSN được phát hiện dựa trên ăng ten định hướng để xác định các góc tới. Kết hợp các tín hiệu thu được ở các thời gian khác nhau từ các ăng ten thu của mỗi trạm và tọa độ đã biết của các trạm thu, khi đó, bằng nguyên lý TDOA cài đặt trong máy tính chủ đặt tại một trong 04 trạm thu thì tọa độ của PTBKNLSN sẽ được tính toán và cho ra kết quả. Mô-đun phân tích tín hiệu PTBKNLSN được sử dụng để phát hiện sự hiện diện và xác định vị trí của nó. Mô-đun gồm một máy thu RF được kết nối với ăng ten đa hướng và thụ động để thu thập tín hiệu PTBKNLSN khi giao tiếp điều khiển của nó trên các kênh RF. Khi các mẫu RF được thu thập, khối xử lý phân tích các tín hiệu thu sử dụng biến đổi Fourier nhanh [4, 5] để xác định xem có tín hiệu PTBKNLSN hay không. Khi một PTBKNLSN được phát hiện, đầu ra FFT chứa tín hiệu được thu thập của PTBKNLSN sau đó được sử dụng làm mẫu để nhận diện nó luôn. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 169 4. ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm tại một khu vực bay trong khuôn viên một bãi đất trống để xác nhận tính khả thi của phương pháp này. Có bốn trạm được triển khai trong thời gian thử nghiệm cách nhau theo các khoảng cách là 250m. Mỗi thiết lập trạm cảm biến được minh họa trong hình 4. a) b) Hình 4. Cấu hình bố trí trạm thu (a) Ngôi sao (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 bộ điều khiển ăng ten định hướng (hình vẽ ăng ten định hướng), một ăng ten vô 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 được sử dụng trong quá trình thử nghiệm. Hệ 08 ăng ten định hướng được điều khiển bởi một mô-đun chuyển mạch để điều khiển ăng-ten quay về các hướng để tìm kiếm tín hiệu của. PTBKNLSN. Trong thử nghiệm của bài báo là loại Phantom 4 của DJI được điều khiển bay ở các độ cao 20m, 50m và 100m với các góc phương vị và góc ngẩng cho trước, khoảng cách từ PTBKNLSN đến máy thu gần nhất là 200m. Máy bay không người lái DJI hoạt động ở tần số 2,4065 GHz, công suất phát của thiết bị RF trên máy bay là 100mW và đã được thiết kế lại có thể thay đổi lại theo các mức % công suất khác nhau. Do các thí nghiệm được tiến hành tại một khu vực gần khu dân cư nên trong thử nghiệm có ảnh hưởng của Wi-Fi. 4.1. Kết quả thực nghiệm Bảng 1. Kết quả xử lý tín hiệu đối với Flycam Phantom 4 ở khoảng cách 200m so với trạm gần nhất, với số lượt thử là 10 lần, công suất phát 30%. Sai số % Độ cao Góc phương vị Góc ngẩng Cự ly Ảnh hưởng của nhiễu nền đến chất lượng thu tín hiệu 20m *(35,6 - 38,4)% *(37,5- 41,3)% *(31,2-35,5)% Do gần mặt đất có nhiều ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(37,2-40,1)% **(39,2-43,1)% **(33,3-38,1)% 50m *(29,4- 33,5)% *(27,3-31,7)% *(18,5-29,2)% Đã bớt ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(31,2-35,6)% **(29,1-40,5)% **(19.8-31.5)% 100m *(15,2-20,6)% *(9,5- 11,3)% *(3,7-10,5)% Đã bớt ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(17,5-22,4)% **(12,1-15,5)% **(5,3-12,1)% Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để Flycam.” 170 Bảng 2. Kết quả xử lý tín hiệu đối Flycam Phantom 4 với ở khoảng cách 200m so với trạm gần nhất, với số lượt thử là 10 lần , công suất phát 50%. Sai số % Độ cao Góc phương vị Góc ngẩng Cự ly Ảnh hưởng của nhiễu nền đến chất lượng thu tín hiệu 20m *(25,3 - 28,7)% *(23,2- 27,5)% *(21,3-25,7)% Do gần mặt đất có nhiều ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(28,5-31,2)% **(25,7-30,8)% **(23,7- 29,5)% 50m *(21,5- 23,7)% *(20,3-24,2)% *(12,2-19,7)% Đã bớt ảnh hưởng của 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 của nhiễu Wifi **(14,2-18,5)% **(8,7-15,5)% **(4,8-11,5)% Bảng 3. Kết quả xử lý tín hiệu đối với Flycam Phantom 4 ở khoảng cách 200m so với trạm gần nhất, với số lượt thử là 10 lần, công suất phát 100%. Sai số % Độ cao Góc phương vị Góc ngẩng Cự ly Ảnh hưởng của nhiễu nền đến chất lượng thu tín hiệu 20m *(12,6 - 18,4)% *(17,5- 21,3)% *(21,5-25,2)% Do gần mặt đất có nhiều ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(15,2-21,7)% **(19,3-23,5)% **(23,3-29,7)% 50m *(5,4- 8,5)% *(4,5-7,2)% *(4,5-7,2)% Đã bớt ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(7,5-11,3)% **(7,2-10,3)% **(6,3-10,7)% 100m *(4,2-7,6)% *(3,5- 6,3)% *(3,7-6,5)% Đã bớt ảnh hưởng của nhiễu Wifi **(7,5-9,8)% **(5,2-9,7)% **(5,3-8,7)% Ghi chú: * là trạm thu bố trí hình sao, ** là trạm thu bố trí hình chữ T. 4.2. Sai số trong phép đo thời gian đến của tín hiệu trên PTBKNLSN Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sai số đo thời gian trong hệ thống TDOA: đó là sự đồng bộ thời gian giữa các trạm thu. Trong mỗi hệ thống TDOA, việc đồng bộ phải đảm bảo gắn thời gian cho quá trình phát hiện nguồn bức xạ vô tuyến, để có thể xác định phương vị nguồn bức xạ bằng cách nhận dạng các tín hiệu từ nguồn bức xạ vô tuyến, và giải hệ thống các phương trình theo độ trễ của tín hiệu khi đi từ nguồn bức xạ vô tuyến đến trạm trung tâm và các trạm bên. Hệ thống thu thụ động TDOA trong bài báo thực hiện hợp nhất thông tin ở thị tần. Tại mỗi trạm thu sử dụng một máy thu GPS chuyên dụng, máy thu này có xung tần số 1Hz và dao động chuẩn 50MHz được đồng bộ với nhau. Dao động chuẩn 50MHz đồng thời được làm xung Clock cho bộ ADC tín hiệu thị tần tại đầu ra của trạm. Như vậy, chu kỳ của dao động chuẩn 50MHz (tương ứng với 20ns) là yếu tố quan trọng quyết định đến sai số hệ thống của việc đo thời gian. Rõ ràng, muốn giảm sai số đo thời gian cho hệ thống thì phải tăng tần số dao động chuẩn. Tuy nhiên, không thể tăng tùy ý bởi khi đó phải tính đến dung lượng bộ nhớ cũng như tốc độ tính toán của hệ thống. 5. KẾT LUẬN Trên cơ sở xây dựng một hệ thống đo thời gian tới của tín hiệu cảm ứng trên ăng ten của các trạm thu và được truyền về trạm xử lý trung tâm, tại đây, tiến hành tính toán theo nguyên Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 171 lý TDOA các kết quả cho thấy việc đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN phụ thuộc vào cách bố trí các trạm thu (trong trường hợp này thì trạm thu bố trí hình sao cho sai số định vị nhỏ hơn bố trí hình chữ T), tỷ số tín/tạp tại máy thu, và các độ cao khác nhau của PTBKNLSN, việc thiết kế hệ 08 ăng ten định hướng cũng đã góp phần nâng cao chất lượng xác định tọa độ so với các hệ dùng 04 ăng ten. Để tăng độ chính xác hơn hiện các hãng chế tạo trên thế giới đã sử dụng hệ 16 ăng ten, tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải có phần cứng xử lý mạnh hơn và đi theo nó là phải trả giá là giá thành cao hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Huy Hoàng, “Cơ sở định vị vô tuyến”, Nhà xuất bản 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 bài ngày 14 tháng 7 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; 2Đại học Điện lực. * Email: huyhoangvtdt686@gmail.com.