Phương pháp Xây dựng mô hình mạng anten định hướng dải HF trên tàu hải quân

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 27 phương pháp Xây dựng mô hình mạng anten định hướng dảI hf trên tàu hảI quân lê thanh hải, trần ngọc lâm Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu về định hướng vô tuyến điện dải sóng HF dựa trên thuật toán lọc không gian. áp dụng thuật toán phân tích phổ lặp nhanh ma trận tương quan vào mô hình mạng anten phi tuyến để xác định hướng đến của tín hiệu tới. Mô hình mạng anten thụ động này sẽ được triển khai trong kết cấu không gian hạn chế sẵn có của một số tàu chiến được biên chế cho hải quân Việt Nam. Từ khóa: Định hướng vô tuyến điện, Mạng Anten, DOA (Direction-of-Arrival), AOA (Angle-of-Arrival). 1. đặt vấn đề Định hướng nguồn bức xạ vô tuyến điện là kỹ thuật ra đời và phát triển từ những năm cuối thế kỷ 19 ngay sau khi các hệ thống thông tin vô tuyến điện đầu tiên được đưa vào sử dụng trong các ngành kinh tế và quân sự. Ngày nay, định hướng vô tuyến được ứng dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như hàng hải, hàng không, viễn thông, cứu hộ cứu nạn và đặc biệt là trong an ninh quốc phòng. Đối với hoạt động quân sự, trong nhiệm vụ thu trinh sát điện tử, vấn đề định vị các đài phát có một tầm quan trọng đặc biệt. Các kết quả của trinh sát điện tử như giá trị tần số, dạng công tác, thời gian làm việc và vị trí của các đài phát cho phép người chỉ huy đánh giá được vị trí các sở chỉ huy, các tổng trạm thông tin, các hệ thống điều khiển vũ khí ..., từ đó, phán đoán được ý đồ bố trí và sử dụng lực lượng của đối phương cả ở trên mặt đất và trên biển. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu triển khai thuật toán lọc không gian phi tuyến dựa trên thuật toán Pisarenko tổng quát trong bài toán định hướng đa tín hiệu. Đây là thuật toán phân tích phổ lặp nhanh ma trân tương quan có những ưu điểm nổi bật như tốc độ tính toán nhanh vì không cần giải phương trình đặc trưng phi tuyến của ma trận tương quan. Ngoài ra, việc tìm vector riêng nhỏ nhất có thể dùng thuật toán lặp nhanh đồng thời quá trình lặp nhiều bước có thể được thực hiện dễ dàng bằng phần mềm. Từ đó, chúng tôi xây dựng một mô hình mạng anten cho thiết bị định hướng dải sóng HF và được triển khai bố trí trên kết cấu không gian của các tàu chiến có trong biên chế hải quân Việt Nam nhằm có thể đưa vào phục vụ tác chiến trên biển. 2. xây dựng mô hình mạng anten định hướng dảI hf trên tàu hảI quân 2.1. Các mô hình cấu trúc mạng Anten 2.1.1. Mô hình mạng anten đồng nhất, tuyến tính, đối xứng Mạng anten gồm F phần tử giống nhau có số phần tử lẻ (F=2L+1, L≥1), vô hướng, bố trí cách đều với khoảng cách D với M nguồn bức xạ vô tuyến (hình 2). M nguồn bức xạ vô tuyến ở rất xa mạng anten có các góc sóng tới tương ứng là ϕ1, ϕ2, ϕ3,..... ϕM (với M<F). Gọi U(t) là tổng các tín hiệu nhận được ở đầu ra của F máy thu tương ứng cho F phần tử mạng anten và coi phần tử ở giữa (anten 0) là chuẩn ta có:    M k kk tNtSatU 1 )()().()(  và viết dưới dạng ma trận ta có: )()().()( tNtSAtU   , trong đó, )( ka  - đặc trưng hướng của mạng với tín hiệu thứ k. Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính L.T.Hải, T.N.Lâm, “Phương pháp định hướng dải HF trên tàu hải quân.” 28 Hình 1. Mô hình mạng anten đồng nhất, tuyến tính, đối xứng (ULA-Uniform Linear Array). Độ lệch pha của tín hiệu tới giữa phần tử ở giữa và các phần tử khác trong mạng là:    sin...2 d  trong đó, Dnd . với n=-L,0,....L (với tín hiệu thứ k thì k  ),  bước sóng của tín hiệu nguồn bức xạ thứ k. Ma trận vectơ định hướng được viết ở dạng: ]......,1,,....[)( sin).1.( ..2 .sin. ..2 .sin. ..2 .sin).1.( ..2 . kkkk L D j D j D jL D j k eeeea                (1) Nếu chọn D= /2 thì ma trận vectơ định hướng lúc này sẽ là: ]......,1,,....[)( sin).1.(.sin..sin..sin).1.(. kkkk LjjjLjk eeeea   (2) 2.1.2. Mô hình mạng anten có các phần tử bố trí trên vòng tròn hở đối xứng (bán kính R) Các phần tử anten được đặt cách đều nhau một khoảng D. Số phần tử anten là: 4. .R N    (3) Với góc phương vị V, cường độ trường E của phần tử có tọa độ (xi, yi) với pha tương ứng trong mặt sóng phẳng là:     N N iiii VyVx j VeVE ]cossin( 2 exp[).()(    . (4) trong đó, ei là cường độ trường tại phần tử thứ i. Nếu V=0 ta có: =-Ncos(i2/N)/2;     N N i N iV N i Nj VeVE ))] 2 cos() 2 (cos( 2 . exp[).()(  , trong đó, ) 2 cos()( N iVVe   với 2 2   N iV . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 29 Hình 2. Mô hình mạng anten có các phần tử bố trí trên vòng tròn hở đối xứng. Xét trong trường hợp N=2 (mạng gồm 05 phần tử), góc tới của tín hiệu là Vk  và bằng phương pháp hình học ta tính được ma trận vectơ định hướng là: ];;1;;[)( )(). 2 (..2.) 2 (..) 2 (..)(). 2 (..2. ik ii k i kik i SinCosiSiniSiniSinCosi k eeeea             (5) 2.2. Mô hình mạng anten trên tàu hải quân 2.2.1. Đặc điểm về kết cấu anten trên tàu: * Có nhiều loại anten sử dụng cho mục đích quân sự trên tàu chiến như: - Truyền thông tin - Tìm hướng - Quan sát * Các tàu chiến quân sự bị hạn chế về khoảng không dành cho bố trí anten. Hình 3. Tàu hộ vệ tên lửa. * Một số thông số về kích thước các loại tàu chiến biên chế trong hải quân: + Tàu hộ vệ tên lửa Đinh Tiên Hoàng và Lý Thái Tổ: Kích thước ngoài (dài x rộng x mớm nước): 102.2 x 13.1 x 5.3m + Chiến hạm Phạm Ngũ Lão: 94.7 x 12.5 x 4.1 m + Tàu phóng lôi lớp Turya HQ-331 và HQ-335 : 39.6 x 9.6 x 4m + Tàu tuần tra lớp Svetlyak HQ-263 và HQ-261: 49.5 x 9.2 x 2.2m 2.2.2. áp dụng triển khai trên tàu chiến hải quân Với dải sóng HF từ 3 đến 30Mhz thì tương ứng với dải bước sóng λ là từ 10:100m, chúng ta lấy tần số trung tâm của dải là 15Mhz thì tương ứng với bước sóng λ =20m, khi đó chúng ta xây dựng mô hình anten có khoảng cách giữa các chấn tử là λ/2 =10m. Với khoảng cách này có thể bố trí ở một số vị trí trên tàu như: boong trước, boong sau. Ví dụ, khi bố trí mô hình mạng anten phi tuyến 3 phân tử cách đều nằm trên đường tròn (hình 4). Hình 4. Bố trí các phần tử mạng anten trên boong tàu. 3. thuật toán lọc không gian và một số kết quả mô phỏng 3.1. Phương pháp phân tích phổ lặp nhanh ma trận tương quan (thuật toán Pixarenko tổng quát) Thủ tục lặp tìm các vectơ riêng ma trận tương quan NN có thể tổng quát hóa cho tập hợp bất kỳ qua việc sử dụng biểu diễn phổ ma trận tương quan:    N n n N n NnNN hh 1 11 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính L.T.Hải, T.N.Lâm, “Phương pháp định hướng dải HF trên tàu hải quân.” 30 Lấy hàm NN lên mũ bậc L, có thể cá thể hóa (nâng cao khả năng phân biệt) vectơ riêng lớn nhất (với điều kiện có các trị riêng) theo công thức: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 , L N N nL n n L n n nNN N N N N N N n n h h h h h h                                         1 11 1 1 lim L NN L N NL h h               1 1 1 1 1 1 1 1 lim , lim , l lL L N N Nl l h h h                                                                                1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 1 / , / , l l l o o NN NN NN NNN N N N N N h h h h h h                                                                               11 1 1 1 1 1 , 1 ll l l lNN N h l L                                                                          Tạo ma trận tương quan hiệu:             N n n N n Nn L N L N L NNNN hhhh 2 11 1 1 1 11 2  Bằng cách tương tự có thể cá thể hóa (nâng cao khả năng phân biệt) vectơ riêng lớn nhất (với điều kiện có các trị riêng) theo công thức:        ,lim,lim 111 mm L m l m l m Lm N lm N l m N hhh                              ,,, 211 1 1 1 1 11 1 lm NN m NN l mlm N m NN lm N m NNlm Nom N m NN om N m NNm N h h h h h h h                ,1 1 ml m l ml m Ll                  KKK LKNLKN m K L KNN m NN hh 11 1 1  trong đó, oNh 1 là vectơ lặp ban đầu, L là số lần lặp, )(1 1 l Nh là lần lặp thứ l của vectơ riêng lớn nhất ma trận tương quan điều hòa aNN (trùng với lặp thứ l của vectơ riêng nhỏ nhất ma trận tương quan NN ), )( 1 l là dãy tiệm cận đến 0 (cơ sở chọn số lặp l ). Quá trình tiến hành theo m được tiếp tục cho đến khi 0 )(  mLm , với 0 là ngưỡng tạp. Trong điều kiện bất định tiên nghiệm về các quan hệ giữa N và M, có thể nâng cao tốc độ bằng cách tổ chức 2 phép lặp song song tìm các vectơ riêng của ma trận tương quan NN . Khi ấy ước lượng của cấu trúc chiếu trực giao có dạng:                                 N Mm Lm N Lm N L m M m Lm N Lm N L mNN M NN MMNhh MNMhhI mmm mmm 1 11 1 ^ 11 ^ ^ , ,   3.2. Triển khai thuật toán lọc không gian Để triển khai thuật toán cần giải hai bài toán cơ bản: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 31 1- Bài toán phát hiện số lượng nguồn bức xạ (kích cỡ bao tuyến tính): Trong điều kiện bất định tiên nghiệm về hình dạng và tính thống kê các tín hiệu nguồn bức xạ thì thông tin đầy đủ về số lượng và tọa độ góc các nguồn bức xạ chứa trong ma trận tương quan của quá trình thông tin U(t):            L K kkNN tUtU L tUtU 1 1 trong đó, gạch mũ )..(tU là lấy trung bình theo thời gian (với mẫu rời rạc t=t1, t2..tL); U + là phép biến đổi Hermite của U; L là số mẫu quan sát. Các trị riêng của ma trận tương quan NN được xác định khi giải phương trình đặc trưng của ma trận tương quan quá trình thông tin vectơ tổng hợp của nguồn tín hiệu (và nhiễu) quan sát được:   NNf  ,...,,0 21 ;     NN NN MNMNN aaaIf     1 1 1 ...det trong đó,  Nf là đa thức đặc trưng. Vì ma trận tương quan là liên hợp Hermite xác định dương nên mọi trị riêng là thực và dương: 0...21  N . Thuật toán phát hiện cần tìm M giá trị i vượt một ngưỡng tạp nào đó, ngưỡng này được xác định trên cơ sở giá trị xác suất báo động lầm tương ứng. Giá trị M được xác định là số lượng nguồn bức xạ vô tuyến tương ứng cần tìm với xác suất báo động lầm đã chọn. M là ước lượng kích thước bao tuyến tính dựa trên ma trận tương quan vectơ tín hiệu được quan sát. 2- Bài toán tìm các hướng đến của tín hiệu: Hệ cơ sở trực giao của bao tuyến tính được lập từ Mˆ vectơ riêng đầu tiên MNNN VTRVTRVTR ˆ 1 2 1 1 1 ,......., của ma trận tương quan NN đã tìm được ở bài toán thứ nhất qua phương trình sau ( Mˆ - chỉ giá trị ước lượng):  M m m m NN VTRVTR  ..., 21 Sử dụng phương pháp phân tích phổ lặp nhanh ma trận tương quan đã trình bày ở trên (Piasenko tổng quát) ta có cấu trúc chiếu có dạng sau: , 1        M m mm MNMN M NN VTRVTRHH   ,,,...,, ˆ12 11 1       MNMNMNMN M NNN MN HHHHVTRVTRVTRH trong đó,   MN H là ma trận giả nghịch đảo. Đặc trưng hướng anten đơn vị (đặc trưng định hướng đơn vị) là:      2 2 1 , M M m MN m A A VTR         có các điểm cực đại để đánh giá các phương tới của các nguồn bức xạ vô tuyến theo cấu trúc chiếu định hướng sau: Tong =     2 2 1 , M M m MN m A A VTR              max  1 2, ,..., M        . Như vậy, để thực hiện mô phỏng thuật toán cần thực hiện theo các bước sau: - Xác định cấu trúc hình học của mạng anten. - Dựa trên cấu trúc hình học mạng anten để xác định ma trận định hướng. - Quan sát quá trình thông tin vectơ để đánh giá số lượng nguồn bức xạ vô tuyến Mˆ và các trị riêng, vectơ riêng của ma trận tương quan. Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính L.T.Hải, T.N.Lâm, “Phương pháp định hướng dải HF trên tàu hải quân.” 32 - Hình thành đặc trưng hướng anten đơn vị “Tong” và tìm các phương tới 1,2,..M   qua việc tìm cực đại của “Tong” (“Tong” còn được gọi là “phổ giả”). - Sơ đồ thực hiện mô phỏng. Hình 5. Sơ đồ thực hiện mô phỏng thuật toán lọc không gian phi tuyến trong bài toán định hướng đa tín hiệu. 3.3. Một số kết quả mô phỏng Chương trình mô phỏng được thực hiện trên cơ sở phần mềm Matlab (R2010a). Matlab hỗ trợ thực hiện một số phép tính như: Tính ma trận tương quan của quá trình thông tin vectơ, tìm các trị riêng, vectơ riêng. Với điều kiện không gian trên tàu chiến thì khi bố trí mạng anten ba phần tử phi tuyến bố trí trên boong trước thì chúng ta có được kết quả như hình 6. Hình 6. Đặc trưng định hướng đơn vị mô hình mạng anten 3 phần tử phi tuyến định hướng mục tiêu ở góc tới 20o. Hình 7a. Đặc trưng định hướng đơn vị Mô hình mạng anten 5 phần tử phi tuyến định hướng 3 mục tiêu ở các góc tới -40o, -5o, 20o. Hình 7b. Đặc trưng định hướng đơn vị khi có log Mô hình mạng anten 5 phần tử phi tuyến định hướng 3 mục tiêu ở các góc tới -40o, -5o, 20o. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 33 4. KếT LUậN Nhu cầu hiện nay về nghiên cứu thiết kế chế tạo các thiết bị định hướng trên biển là rất cấp thiết. Trong bài báo này đã đưa ra một hướng nghiên cứu triển khai một mô hình anten cho thiết bị định hướng dải HF dựa trên cơ sở một thuật toán lọc không gian phi tuyến, để từ đó nghiên cứu thiết kế xây dựng một thiết bị định hướng bố trí lắp đặt trên tàu Hải Quân nhằm phục vụ tác chiến trên biển. Đây là một hướng nghiên cứu rất khả thi có khả năng áp dụng triển khai được trong thực tế, ngoài ra cần phải nghiên cưú thêm về nhiều mặt khi đưa vào điều kiện sử dụng trên tàu chiến như: dung hòa trường điện từ, nhiễu điện tử, điều kiện khí hậu biển... TàI LIệU THAM KHảO [1]. Đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ Quốc phòng, “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo trạm định hướng vô tuyến điện cơ động cấp chiến thuật”, 2007. [2]. Lê Thanh Hải, “Nghiên cứu xây dựng thuật toán lọc không gian phi tuyến trong hệ thống ra đa thụ động và định hướng vô tuyến”, Viện KHCNQS, 2012. [3]. Nguyễn Thu Phong (2005), “Cơ Sở Lý Thuyết Radar Thụ Động,” Nhà xuất bản QĐND. [4]. V. F. Pisarenko (1973), „The Retrieval of Harmonies from a Covariance Function“ [5]. Frank B. Gross (2005), “Smart Antennas for Wireless Communications With MATLAB,“ McGraw-Hill, New York. [6]. F. Vincent, and O. Besson (2000), “Estimating time-varying DOA and Doppler shift in radar array processing, Radar, Sonar and Navigation,” IEEE Proceedings, vol.147, NO. 6, pp. 285 - 290. [7]. O. Besson, L. Scharf, F.Vincent, “Matched Direction Detectors and Estimators for Array Processing With Subspace Steering Vector Uncertainties,“ IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 53, NO. 12, DECEMBER 2005. [8]. Караваев В.В, Сазонов В.В(1987). “Статистическая теория пассивной локации“. ABSTRACT A method of constructing radio direction finding antenna array model on navy warships This paper presents some results of the research on radio direction finding for radio HF band based on a spatial filtering algorithm in which the fast iterative spectral analysis algorithm of correlation matrices is applied on the nonlinear antenna array to determine the direction of incoming signals (DOA - Direction of Arrival). The passive antenna model will be implemented in a structurally limited space available in several warships officially equipped for Vietnam Navy. Keywords: Radio Direction Finding, Array Antena, DOA (Direction-of-Arrival), AOA (Angle-of-Arrival). Nhận bài ngày 26 tháng 12 năm 2013 Hoàn thiện ngày 17 tháng 02 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 03 năm 2014 Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.