Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết khảo sát sai số định vị nguồn thủy âm sử dụng phương pháp tam giác trong sonar thụ động. Trong phương pháp tam giác, sai số định vị phụ thuộc rất nhiều vào sai số đo góc DOA. Vì vậy, nhóm tác giả của bài báo đã thực hiện đo khảo sát sai số góc DOA trong môi trường bể thí nghiệm thủy âm.
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử KHẢO SÁT SAI SỐ ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU TRONG SONAR THỤ ĐỘNG SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TAM GIÁC Đoàn Văn Sáng1, Trần Quý Dân1, Trần Công Tráng1*, Trần Văn Hùng2, Nguyễn Thanh Hùng1 Tóm tắt: Bài báo khảo sát sai số định vị nguồn thủy âm sử dụng phương pháp tam giác sonar thụ động Trong phương pháp tam giác, sai số định vị phụ thuộc nhiều vào sai số đo góc DOA Vì vậy, nhóm tác giả báo thực đo khảo sát sai số góc DOA mơi trường bể thí nghiệm thủy âm Góc DOA tín hiệu xác định dựa vào đo độ trễ thời gian sóng âm thu hai anten thu thụ động Hàm tương quan kết hợp với lọc tần số có băng thơng kHz sử dụng để cải thiện độ xác đo độ lệch thời gian Đo khảo sát nhận kết với độ xác ước lượng góc DOA định vị nguồn phát tương đối cao Cụ thể, sai số đo góc DOA 0,5o Vị trí nguồn phát xác định với sai số tuyệt đối không cm theo trục x cm theo trục y Từ khóa: Sonar thụ động, Phương pháp tam giác, Góc DOA, Độ lệch thời gian, Sai số đo góc MỞ ĐẦU Sonar thụ động đóng vai trò vơ quan trọng tàu chiến đấu Hải quân; đặc biệt tàu ngầm có ưu việt tính bí mật hoạt động Có nhiều thuật tốn định vị mục tiêu áp dụng sonar thụ động, điển hình như: phương pháp tam giác, phương pháp hyperbol, [1] Mỗi phương pháp áp dụng cho thiết bị điều kiện đo cụ thể Phương pháp tam giác phù hợp cho việc xác định đa mục tiêu, sử dụng tối thiểu hai trạm thu đặt cách khoảng cách định [2]; phương pháp hyperbol cho độ xác cao hơn, cần tối thiểu ba trạm thu đặt cách hàng kilomet, yêu cầu cao độ xác đo thời gian, khơng phụ thuộc vào dải tần sóng đến, khó áp dụng với tín hiệu liên tục [3] Về nguyên lý, phương pháp tam giác cho phép xác định tọa độ đỉnh tam giác biết trước tọa độ hai đỉnh lại độ dài cạnh đối diện đỉnh cần tìm Như lĩnh vực sonar thụ động, để định vị nguồn thủy âm cần phải có tối thiểu hai máy thu đặt cách khoảng biết Các máy thu có nhiệm vụ xác định góc hướng đến DOA (Direction Of Arrival) tín hiệu từ nguồn phát Đến nay, có nhiều nghiên cứu ứng dụng phương pháp tam giác vào hệ thống sonar radar Năm 2006, hệ thống ước lượng khoảng cách nguồn tín hiệu nước phát triển tác giả Turgut; hệ thống sử dụng hai máy thu đặt hai điểm tách biệt; từ việc ước lượng góc DOA độ rộng cánh sóng kết hợp với phương pháp tam giác mà hệ thống xác định vị trí nguồn phát [4] Trong nghiên cứu khác, kỹ thuật xác định vị trí nguồn tín hiệu thủy âm không gian ba chiều sử dụng phần tử đề xuất đăng ký sáng chế [5]; hệ thống sử dụng phương pháp tam giác để định vị mục tiêu, sử dụng búp sóng để ước lượng góc đến tín hiệu Hai hệ thống vừa nêu có hạn chế độ xác, chúng dùng giản đồ cánh sóng thu để xác định góc DOA Song song với phương pháp ước lượng góc DOA cánh sóng có phương pháp ước lượng việc đo độ lệch pha (PD – Phase Difference) độ lệch thời gian đến (TDOA - Time Difference Of Arrival) Bằng việc áp dụng đo TDOA sóng đến từ anten mà José cộng thiết kế mơ hình đo thực nghiệm cho hệ thống định vị nguồn tín hiệu thủy âm [6]; hệ thống cho kết định vị mục tiêu với sai số 1,5 m 58 Đ V Sáng, …, N T Hùng, “Khảo sát sai số định vị mục tiêu … phương pháp tam giác.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Mục đích báo khảo sát sai số định vị nguồn thủy âm sử dụng phương pháp tam giác sonar thụ động Sai số định vị phụ thuộc nhiều vào sai số đo góc DOA Vì vậy, nhóm tác giả viết thực đo kiểm chứng sai số góc DOA mơi trường bể thí nghiệm thủy âm Góc DOA tín hiệu xác định dựa vào đo độ trễ thời gian sóng âm thu từ hai anten thu thụ động Hàm tương quan kết hợp với lọc tần số có băng thơng kHz sử dụng để nâng cao độ xác TDOA MƠ HÌNH ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TAM GIÁC 2.1 Mơ hình chung Để định vị nguồn phát thủy âm phương pháp tam giác, cần tối thiểu hai trạm thu tín hiệu đặt cách khoảng cách d định, d gọi đường sở, đơn vị [m] Giả thiết rằng, có hai trạm thu thủy âm biết tọa độ đặt cách khoảng d Để đơn giản hóa tốn, đưa trạm gốc tọa độ, ký hiệu T1(0, 0), trạm nằm trục hồnh có tọa độ T2(d, 0) Nguồn phát tín hiệu thủy âm có tọa độ N(x, y), tọa độ x, y giá trị cần phải tìm Các đơn vị đo độ dài tính mét Bài tốn mơ hình hóa hình 1a Theo giả thuyết trên, ta có hai đường thẳng R1 R2 cắt điểm N(x, y), vị trí nguồn phát tín hiệu thủy âm Theo lý thuyết hình học giải tích, thiết lập phương trình đường thẳng biết trước điểm mà chúng qua góc hướng Theo đó, đường thẳng R1 R2 viết dạng sau: R1: y = K1.x + C1 (1) R2: y = K2.x + C2 Trong đó, giá trị K1, K2, C1 C2 tính theo cơng thức: K1 = cotg(1) K2 = cotg(2) C1 = T1y – K1.T1x C2 = T2y – K2.T2x (2) Với 1 2 góc phương vị (góc tới) tín hiệu đo hai máy thu; T1x, T1y, T2x T2y tọa độ vị trí trạm thu hệ tọa độ Tọa độ x, y nguồn phát giao điểm đường thẳng R1 R2 nghiệm hệ phương trình (1); sau giải hệ (1) có nghiệm sau: x C2 C1 K C K C1 y K1 K K1 K (3) Sai số định vị nguồn phát phụ thuộc nhiều vào sai số đo góc 1 2 Ngồi ra, độ xác định vị nguồn phát sóng âm phụ thuộc vào sai số đo vị trí trạm thu Trong trường hợp này, giả thiết rằng, vị trí trạm thu xác cố định Gọi 1 2 sai số đo góc phương vị sóng đến hai trạm thu T1 T2 Sai số tính tốn tọa độ nguồn tín hiệu x y Nếu tọa độ nguồn tín hiệu mơ tả hàm số phụ thuộc vào giá trị đo góc phương vị, có: x = f1(1, 2) y = f2(1, 2) (4) Sai số tính tốn tọa độ phụ thuộc vào sai số đo góc, phụ thuộc biểu diễn hệ phương trình sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 59 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử f1 x 1 f y 1 1 f1 f x a 1 b x a y c d y c b (5) d Mặt khác, phép tính hiệp phương sai hai đại lượng x, y viết sau: E ( x E ( x))( x E ( x)) E ( x E ( x))( y E ( y )) cov( x, y ) E ( y E ( y ))( x E ( x)) E ( y E ( y ))( x E ( y )) (6) Tương đương với: x E (x) E x y cov( x, y ) E x y E y x E (y ) y Kết hợp (7) với (5) có: T a b 1 a b cov( x, y ) E 1 c d c d (7) (8) Vì a, b, c, d số không đổi nên: a b a b 1 cov( x, y ) E 1 2 c d 2 c d T (9) Phép tính hiệp phương sai cho đại lượng đo 1 2 viết sau: cov(1 , ) E 1 (10) Từ (9) (10) nhận được: a b a b cov( x, y ) cov(1 , ) c d c d a 12 b 22 cov( x, y ) 2 a c 1 b d T a c 12 b d 22 c 12 d 22 (11) (12) Cơng thức (12) phép tính hiệp phương sai cho tọa độ mục tiêu phụ thuộc với sai số đo góc phương vị Các giá trị đo thống kê tọa độ nguồn tín hiệu tạo thành vùng có hình dạng elip Các tham số trục trục phụ elip bậc hai giá trị riêng 1 2 ma trận hiệp phương sai công thức (12): (13) A 1 B Độ nghiêng hình elip tính cơng thức sau: ( a c ) 22 (b d ) arctan 2( a c 12 b d 22 ) (14) Hình elip sai số biểu diễn hình 1b Như vậy, thực n lần đo góc hướng mục tiêu cho máy thu lần đo chứa đựng sai số định kết tính tốn vị trí mục tiêu tạo thành vùng sai số Nếu số lần đo đủ lớn vùng sai số có hình dạng elip tham số hình elip xác định ma trận hiệp phương sai 60 Đ V Sáng, …, N T Hùng, “Khảo sát sai số định vị mục tiêu … phương pháp tam giác.” Nghiên cứu khoa học công nghệ a) b) Hình a) Mơ hình định vị nguồn phát phương pháp tam giác; b) Elip sai số tham số 2.2 Phương pháp đo góc DOA Góc tới DOA đại lượng quan trọng để tính tốn vị trí mục tiêu sử dụng phương pháp tam giác Trong hệ thống sonar thụ động có nhiều phương pháp đo góc tới, điển hình như: đo biên độ cực đại, đo biên độ cực tiểu, đo độ lệch pha, đo độ lệch thời gian Mỗi phương pháp vừa nêu có ưu điểm nhược điểm riêng Trong đó, phương pháp đo TDOA có ưu điểm khơng phụ thuộc vào thay đổi pha tần số; nhược điểm lớn phương pháp khó khăn đo TDOA anten đặt gần Chính vậy, báo thực nghiên cứu, phân tích đánh giá phương pháp xác định góc DOA TDOA đường sở ngắn Mặc dù phương pháp TDOA thường sử dụng cho hệ thống độc lập đặt cách khoảng cách xa Tuy nhiên, ứng dụng sonar thụ động áp dụng phương pháp đo TDOA để xác định góc DOA đặt anten thu gần Như hình rằng, nguồn phát tín hiệu cách xa máy thu, tức d