Thuật toán tối ưu hóa vị trí các trạm thu trong triển khai hệ thống mlat giám sát trên sân bay

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.” 78 THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ CÁC TRẠM THU TRONG TRIỂN KHAI HỆ THỐNG MLAT GIÁM SÁT TRÊN SÂN BAY Nguyễn Đức Việt* Tóm tắt: Bài báo trình bày về hệ thống MLAT(Multilateration), cấu trúc chính và các thành phần của hệ thống, ứng dụng triển khai hệ thống để giám sát vị trí các phương tiện di chuyển trên sân bay, áp dụng thuật toán để tối ưu hóa vị trí các trạm thu trong hệ thống với tiêu chí giảm nhỏ sai số, các vấn đề kĩ thuật khi triển khai hệ thống trên thực tế. Từ khóa: Radar thụ động, Hệ thống MLAT, Tối ưu hóa vị trí trạm thu. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ - Việc triển khai các hệ thống MLAT (Mutilateration) cho mục đích giám sát tại sân bay trong các giai đoạn bay đã được trình bày ở các bài báo trước đây[10]. Tuy nhiên, cùng với việc gia tăng các chuyến bay đến và đi tại các sân bay của Việt Nam thì số lượng các phương tiện phục vụ trên sân bay cũng tăng lên một cách đáng kể, điều này dẫn đến các vụ mất an toàn Hàng không do va chạm giữa các phương tiện phục vụ trên sân (xe Buýt, xe thang, xe khí, xe taxi...) với nhau, và giữa các phương tiện phục vụ với Tàu bay [9]. Từ thực tế nêu trên việc triển khai một hệ thống MLAT để giám sát các phương tiện phục vụ và Tàu bay khi di chuyển trên sân bay là hết sức cần thiết và cấp bách đối với các sân bay ở Việt nam (sân bay Quốc tế Nội Bài, Cát Bi, Tân Sơn Nhất...). - Bài báo trình bày cấu trúc tổng quát và hoạt động của một hệ thống MLAT khi triển khai trên sân bay để giám sát các phương tiện phục vụ và Tàu bay khi di chuyển trong phạm vi mặt đất của sân bay. - Xây dựng thuật toán tối ưu hóa vị tri các trạm thu khi bố trí hệ thống MLAT ở sân bay quốc tế Nội Bài. - Kết quả thực tế khi triển khai hệ thống MLAT ngoài thực địa. 2. CẤU TRÚC TỔNG QUÁT VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MLAT 2.1. Cấu trúc hệ thống MLAT Một hệ thống MLAT cơ bản được trình bày trong hình 1 bao gồm: - Trạm xử lý trung tâm (Central Processing Subsystems – CPS) là nơi tiếp nhận và xử lý, tính toán vị trí của các mục tiêu (Máy bay hoặc các xe chuyên dụng), các tính toán này dựa trên sự khác biệt về thời gian tới từ mục tiêu đến các trạm thu (Time Different Of Arrival – TDOA), vì vậy, phương pháp tính này còn có tên gọi là phương pháp Hypecbol. - Các trạm thu từ trạm thứ 1 đến trạm thứ N, là nơi tiếp nhận tín hiệu trả lời từ các Transponder (trên Tàu bay hoặc các phương tiện cần giám sát) sau khi nhận được tín hiệu hỏi từ máy hỏi của đài ra đa thứ cấp (SSR). Căn cứ vào tín hiệu đồng bộ và tín hiệu trả lời từ các Transponder, các trạm thu sẽ có kết quả là các tín hiệu TDOA để gửi về trạm xử lý trung tâm (CPS). - Các Transponder (máy trả lời tích cực) được gắn trên các tàu bay và các phương tiện cần giám sát có nhiệm vụ phát trả tín hiệu trả lời (có cấu trúc nhất định) khi nhận được tín hiệu hỏi từ máy hỏi của đài ra đa thứ cấp. - Máy hỏi là thiết bị được trang bị trên các đài ra đa thứ cấp tại sân bay (với các sân bay không có đài ra đa thứ cấp thì máy hỏi được trang bị như một thiết bị độc lập). Máy hỏi phát ra tín hiệu hỏi theo lệnh từ trạm CPS hay có thể hỏi theo chu kì lập sẵn tùy theo cấu trúc từng hệ thống MLAT. Nghiên c Tạp chí Nghi 2.2 2.2.1. Tiêu chí c bay, các v liệu Một yếu tố quan trọng l mục ti và sai và nó ph lựa chọn đ lân c yêu c sao cho h cần đ trước trư định sát có sai số trung bình nhỏ nhất hay diện tích vùng quan sát lớn nhất trong vùng không gian đó sai s - .Thuật toán tối ưu hóa vị trí các trạm thu cho hệ thống MLAT Vị trí các trạm thu của hệ thống ban đầu đ ận vị trí ban đầu (bán kính của v Để thực hiện việc tối Đi ờng Vị trí tối Vùng không gian quan sát: Trong hệ thống MLAT này mỗi một phương Transponder vị trí các trạm thu sẽ phụ thuộc vào địa hình và yêu cầu cụ thể của mỗi sân bay là bài toán tối êu c ầu cụ thể của hệ thống, th ưa ra m ều kiện khảo sát: , khi tri ti (N) ứu khoa học công nghệ ị trí n ần giám sát. Việc lựa chọn vị trí ban đầu của các trạm thu luôn l ư ệ thống tạo ra một v ến h và với một sai số ên c ợc vị trí ban đầu th ột số các khái niệm nh ển khai thực tế có thể kết quả sẽ sai lệch t ành như: Nhi ưu: ứu KH&CN Hình ủa b ày đư ụ thuộc nhiều v ( là v các Transponder trên các tàu bay là phương tiện có sẵn ưu mà bài báo sẽ trình bày ở các phần sau 1. Sơ đồ các khối chức năng hệ thống MLAT tiêu chuẩn ài toán t ợc chọn thuận lợi nhất cho việc thi công, triển khai hệ thống truyền số ị trí của các trạm thu m ưu hóa v Các kết quả tối ưu sẽ chỉ đúng trong các điều kiện khảo sát cho ễu Vô tuyến, c quân s ối (δ ố của hệ thống khi xác định vị trí của mục ti ưu hóa v à các tr ào kinh nghi ì nhi ường th ùng quan sát v ) cho trước Là vùng không gian gi ự, Số ị trí các trạm thu của hệ thống ra đa thụ động chúng ta ư sau: ệm vụ của b ùng l 51 ị trí các trạm thu ạm thu luôn luôn phải đặt trong v ì bán kính này ông su , , 10 ệm của ng ựa chọn n ới sai số cho hệ thống luôn tạo ra một vùng không gian quan - 20 ư ất thực tế tại đầu v à t 17 ợc lựa chọn theo địa h ài toán t ại đó với một số l ày ph đư ới hạn bởi đ tiện cần giám sát sẽ được gắn một ười thiết kế hệ thống [10]. Sau khi ợc chọn khoảng 300m đến 1000m) ối ưu là t ụ thuộc v trước có diện tích lớn nhất. ùy thu . ộc v ào máy thu nơi đ ư ìm ào đ ào đi ượng các trạm thu nhất . ờng cong sai số ình th ra m ịa h êu luôn ùng ph ột vị trí tối ều kiện từng môi ). . ực tế của sân à các phép th ình Số lượng và ủ đặt trạm v ặt trạm ≤ δ. sóng c δ= const, . Đây ưu 79 ủa ử ở à ... Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.” 80 Quần thể ban đầu: Chính là tọa độ của các trạm thu được lựa chọn ban đầu (theo địa hình và vùng phủ sóng), Trong vùng M cho trước ta chọn ngẫu nhiên một tập hợp N trạm thu: (, , ),(, , ),(, , )(, , ) Không gian lời giải: Vùng không gian lời giải chính là một mặt phẳng giới hạn bởi đường tròn, có tâm là điểm đặt trạm ban đầu và bán kính là R. Giá trị R được chọn phụ thuộc vào địa hình xung quanh điểm đặt trạm ban đầu, R càng lớn thì độ chính xác càng cao, tuy nhiên thời gian tính toán càng lâu, thực tế R được chọn trong khoảng 300 – 1000 (m). Lai ghép: Từ các vị trí đặt trạm ban đầu ta lấy ngẫu nhiên các điểm mới trong một mặt phẳng hình tròn có bán kính là r (r ≤ R), r có thể chọn = 10, 20, hay 50m tùy thuộc vào tốc độ tính và yêu cầu về độ chính xác của việc tính toán. Đột biến: Quá trình đột biến nảy sinh khi mà đã thực hiện quá trình lai ghép hết trong không gian lời giải nhưng vẫn chưa tìm được các cá thể có giá trị thích nghi thích hợp. Khi đó thuật toán đưa ra thông báo cần thay đổi vị trí đặt trạm ban đầu. Giá trị thích nghi: Với mỗi tập hợp N các trạm thu sẽ tạo ra các tập giá trị sai số () tại k điểm x, y xung quanh các vị trí đặt trạm, giá trị trung bình của các giá trị sai số này = ∑ được chọn làm giá trị thích nghi của thuật toán. Số lượng các điểm k càng lớn thì độ chính xác càng cao, nhưng tốc độ tính toán lại càng chậm. Điều kiện hội tụ: Thuật giải sẽ dừng lại khi mà giá trị thích nghi STN của thế hệ đang xét có giá trị bằng bao nhiêu lần so với giá trị thích nghi của thế hệ ban đầu, ví dụ là bằng 0.6. Điều kiện lựa chọn: Các cá thể được lựa chọn khi có giá trị thích nghi nhỏ hơn một ngưỡng nào đó so với giá trị thích nghi của cá thể ban đầu, việc quyết định ngưỡng này sẽ có tác dụng đến độ chính xác của thuật toán, tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào tốc độ tính toán của máy tính của hệ thống khi lựa chọn tham số này. Ví dụ có thể chọn bằng 0.95. Hình 2. Thuật toán tìm vị trí tối ưu các trạm thu. Nghiên c Tạp chí Nghi diện tích lớn nhất, tác giả xây dựng thuật toán nh z1), M hợp V M của máy tính), các điểm M và bán kính là R= 50m, đ giá tr Nếu sai th 2.2.2. K cần quan sát được đã được trình bày ở mong muốn thống giám sát có v sát s Hình 3 Hình 4 giám sát mong mu thành 30,1531Km trong vùng sai s Theo [ Bước Bư 12, M Bư Bư Bư Việc tính toán số lượng tối thiểu các trạm thu đảm bảo sai số cần thiết trên các vùng ẽ đ Như v Với kết quả tính toán tối 2(x 1 (M ớc 2: 13. ớc 3: ị thích nghi t ớc 4: ớc 5: ết quả tối ư . .Vùng sai s ứu khoa học công nghệ 7] đ 1: 2, y 1 ì thay V ợc tính cho giá trị sa Vùng sai s ậy ên c ể tối Trong vùng M cho trước 2, z , M T M1n Từ tập hợp các điểm M Ki V δ , sau khi t ứu KH&CN 2), M 2, M ừ các điểm đặt trạm ban đầu M (n là s ểm tra điều kiện lựa chọn của các S ới các tập V = 4 ố mong muốn4,5m< ưu hóa v 3.. M ương n b ưu v ,5m là N ùng ố tr ố tr ốn với4,5m< 2. Toàn b 3(x ố tự nhi ằng V ị trí các trạm thu ên đư ên đư ối 3, y N ể đảm bảo có c ứng l quan sát v ưu th quân s ị trí của các trạm thu theo ti 3, z ) đã chọn sẽ có giá trị thích nghi là S 11, M à S n * ki n *và l =11 i s ờng băng khi ch ờng băng sau khi đ ưu trên, di ộ các đ 3) . M ên đư 12 TNn ểm tra điều kiện hội tụ. Nếu đúng th ặp lại b trạm ố l ì trên toàn b δ < 5m ự, Số ợc chọn theo y , M . ới diện tích lớn nhất. à 4,5m là 25,5990 km 4,5m là 30,1531 Km ư , chọn ngẫu nhiên một tập hợp N trạm thu 13. Nn, xây d . Việc tối ưu hóa vị trí đặt các trạm thu sẽ tạo ra một hệ δ = 4,5m. ện tích v ờng băng v δ < 5m. 51 N (x M ùng m ước 2. [9] . , 10 N, y 1n ựn , theo đó số t ưa t ộ đ - 20 N 1 n ột phân bố g đư ã t ường băng chúng ta đ ùng sai s à đư 17 ư sau: , zN (x1 êu c ằm tr TNn ối ối ). Dựa trên kết quả đã tính toán , y1 ên m ợc các tập V và ch ưu v ưu v ờng lăn êu chí t , z ầu ng rạm thu cần thiết để đảm bảo sai số ị trí các trạm, diện tích v 2. ị trí các trạm, diện tích v 2. ố 4,5m từ 25,5990 Km 1), l ư ột đ ọn ra các tập gần tối Ở b c ấy ngẫu nhi ời d ư ài toán c ủa sân bay đ ạo ra v TN1 ùng và kh ờng tr n, m . ỗi tập V ì ch ã thu ùng quan sát D òn có tâm là ụ thể n ên các đi ả năng tính toán ỉ ra tập V đư ã n n này s ày vùng quan ợc v ằm ho : M ưu V ùng sai s ùng sai s ùng sai s 2 đ 1(x , ểm M điểm M ẽ có các n * t ã tăng lên àn toàn N 1, y với tổ n *. ối 81 có 1, 11, 1 ưu. ố ố ố Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.” 82 3. KẾT QUẢ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG MLAT TRÊN THỰC TẾ Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống MLAT được triển khai thực tế tại sân bóng của HVKTQS (vì nhiều lý do như kinh phí, thủ tục an ninh sân bay, thời gian... mà dự kiến triển khai hệ thống tại sân bay Nội Bài và Cát Bi chưa được triển khai). Một hệ thống MLAT yêu cầu tối thiểu 3 trạm thu [6], tuy nhiên, ở hệ thống triển khai lần này chúng tôi đã tiến hành với 4 trạm thu, sơ đồ khối được trình bày ở hình 5. Đường truyền dữ liệu giữa các trạm thu, với trạm xử lý trung tâm là các tuyến cáp quang, hệ thống máy hỏi được dùng trong hệ thống là máy hỏi đáp nhận biết chủ quyền quốc gia của HVKTQS triển khai ở mức 25% công suất phát. Các thiết bị trong hệ thống là sản phẩm của đề tài cấp bộ GTVT “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống giám sát tàu bay và phương tiện trên sân bay theo phương pháp đa điểm công nghệ MLAT” mã số 163058. Hình 5. Sơ đồ khối chức năng hệ thống MLAT. Việc bố trí các trạm thu tại bốn góc của sân bóng, và trạm trung tâm tại tòa nhà H3 của Học viện KTQS đã được tính toán và căn chỉnh khoảng cách giữa các trạm thu và trạm trung tâm, số liệu được trình bày ở bảng số 1. Bảng 1. Tọa độ thực tế các trạm thu và trạm trung tâm. STT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ Độ cao (m) 1 Trạm trung tâm 105.785 21.0483 0 2 Trạm số 1 105.786 21.0477 0 3 Trạm số 2 105.785 21.0477 0 4 Trạm số 3 105.785 21.0486 0 5 Trạm số 4 105.786 21.0486 0 Kết quả tọa độ của mục tiêu (vị trí của Transponder trên sân bóng) được thể hiện trên các hình 6 và hình 7 cho thấy các vị trí đo được qua 1001 chu kì hỏi/đáp thăng giáng trong một đường tròn có bán kính là sai số của hệ thống. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 83 Kết quả của hình 6 là kết quả khi chưa tối ưu vị trí của các trạm thu, sai số là 5m Kết quả ở hình 7 là kết quả sau khi tối ưu vị trí trạm thu, sai số là 4,2m. Các kết quả ở hình 6 và hình 7 là khi mục tiêu cần giám sát đứng yên, khi mục tiêu chuyển động ( tốc độ 50Km/h là tốc độ cho phép trên sân bay) ta có kết quả ở hình 8, khi đó kết quả sai số đo được là 7,1m. Hình 6. Tọa độ mục tiêu và sai số khi chưa tối ưu. Hình 7. Tọa độ mục tiêu và sai số sau khi tối ưu. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.” 84 Hình 8. Mục tiêu di chuyển với sai số 7,1m. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày tổng quan về một hệ thống MLAT với các thành phần và chức năng chính trong hệ thống, ứng dụng hệ thống trong việc giám sát các phương tiện di chuyển trên sân bay, trình bày và áp dụng thuật toán để tối ưu hóa vị trí các trạm thu trong hệ thống theo tiêu chí giảm nhỏ sai số định vị. Thuật toán được xây dựng trong bài báo được áp dụng hiệu quả với bài toán tối ưu hóa vị trí các trạm thu khi xây dựng hệ thống MLAT, các chỉ tiêu về sai số đã đạt được mức độ sai số cho việc giám sát các phương tiện trên sân bay mà yêu cầu đề bài đã đưa ra. Mỗi một hãng khi triển khai thiết bị cho hệ thống MLAT của mình đều có các thuật toán riêng của mình để tối ưu hóa vị trí của các trạm thu, tuy nhiên, vì lý do bảo mật mà họ không cung cấp chi tiết thuật toán của mình. Việc triển khai hệ thống MLAT trong thực tế với các thiết bị do Viêt Nam sản xuất còn có nhiều vấn đề kĩ thuật cần giải quyết như: đồng bộ thời gian cho hệ thống, thời gian giữ chậm của Transponder, góc ngẩng của anten thu ..., khoảng cách giữa các trạm thu còn nhỏ hơn nhiều so với các tính toán cho bài toán tối ưu [8]. Tuy nhiên, hệ thống đã có một kết quả tương đối khả quan, sai số đặt được 4,2m là nhỏ hơn nhiều so với mục tiêu ban đầu đặt ra là 7,5m, với việc triển khai thử nghiệm trên sân bay thực tế (kích thước sân bay Nội bài là 5x3Km) thì kết quả sai số sẽ chính xác hơn, bên cạnh đó khi số lượng các trạm thu tăng lên, trạm CPS sẽ có nhiều lựa chọn để đưa ra quyết định xác định chính xác vị trí mục tiêu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. H.B.Lee,“Accuracy Limitations of Hyperbolic Multilateration Systems”,IEEE TRANSACTIONS AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. AES-11, No. 1 JANUARY 1975. [2]. DANIEL jean-pierre, "Multilateration course", ENAC/CNS. 21 June 2010. [3]. IvanA. Mantilla Gaviria, “New Strategies to Improve Multilateration Systems in the Air Traffic Control”, Valencia, Spain 2013. [4]. EUROCAE-WG-70, "ED-142, Technical specification for Wide Area Multilateration (WAM) systems,", The European Organisation for Civil Aviation Equipment (EUROCAE), September 2010. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 85 [5]. Eurocontrol, "The ATM Surveillance Strategy for ECAC", Eurocontrol, 2008. [6]. Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Đức Việt, “Nghiên cứu hợp nhất dữ liệu cải thiện độ chính xác cho hệ thống ra đa thụ động giám sát mục tiêu bay”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự), 19-25, 2- 2012. [7]. Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Đức Việt, “Cải thiện độ chính xác cho hệ thống ra đa thụ động giám sát sân bay”, Tạp chí Khoa học và Kĩ thuật (Học viện Kĩ thuật quân sự) số 163, 8-2014. [8]. Nguyễn Đức Việt, Trần Mạnh Hoàng “Improve The Accuracy Of Passive Radar Systems For Monitoring Airports”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự), số 36, 4-2015. [9]. Nguyễn Đức Việt, Trịnh Đăng Khánh, “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cao tới sai số khi xác định vị trí mục tiêu trong hệ thống ra đa thụ động”,Tạp chí Khoa học và Kĩ thuật (Học viện Kĩ thuật quân sự) số 168, 6-2015. [10]. Nguyễn Đức Việt, Trịnh Đăng Khánh, “Tối ưu hóa mạng các trạm ra đa thụ động giám sát sân bay theo tiêu chuẩn sai số và vùng phủ sóng”,Tạp chí Khoa học và Kĩ thuật (Học viện Kĩ thuật quân sự) số 171, 12-2015. ABSTRACT AN ALGORITHM FOR OPTIMIZING LOCATIONS OF RECEIVING STATIONS OF A MLAT SYSTEM FOR MONITORING AN AIRPORT In this paper, the main structure and components of an MLAT system are presented. The proposed system has been deployed to monitor positions of vehicles moving in an airport. An optimisation scheme has been employed in order to find optimal locations of the receiving stations with respect to minimal error. Technical issues related to practical implementation of the system are also discussed in this paper. Keywords: Passive radar, MLAT system, Optimisation of the locationsof the receiving sations. Nhận bài ngày 31 tháng 7 năm 2017 Hoàn thiện ngày 05 tháng 9 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. * Email:vietnd@ptit.edu.vn.