Về một phương pháp định vị chủ động phục vụ đặc công nước

Kỹ thuật điện tử L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp . phục vụ đặc công nước.” 68 VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHỦ ĐỘNG PHỤC VỤ ĐẶC CÔNG NƯỚC Lê Thanh Hải1*, Vũ Hải Lăng1, Trần Quang Giang1 Tóm tắt: Trong bài báo, trên cơ sở của hệ thống thông tin liên lạc dưới nước hiện có và nhu cầu thực tế đối với các đơn vị Đặc công nước, chúng tôi đề xuất giải pháp định vị dưới nước theo phương pháp chủ động nhằm phục vụ cho huấn luyện, cứu nạn, cứu hộ của đặc công nước, việc cất giữ và tìm kiếm nhanh chóng các vũ khí, trang bị, mốc giới dưới nước bằng việc kết hợp kỹ thuật điện tử, điện tử dưới nước và công nghệ thông tin. Đồng thời đánh giá mang tính lý thuyết sự ảnh hưởng của sai số phép đo khoảng cách đến kết quả phép định vị và sự tối ưu hóa trong việc bố trí các trạm cơ sở với một yêu cầu nhất định về sai số cho phép trong định vị. Từ khóa: Đặc công nước, Định vị chủ động dưới nước, Kho tàng dưới nước. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Việc xác định chính xác vị trí của các đặc công nước và các kho tàng dưới nước đang là vấn đề nghiên cứu có tính cấp thiết trong huấn luyện cũng như trong chiến đấu. Có nhiều công trình nghiên cứu và giải pháp kỹ thuật đã được áp dụng nhưng mang tính định tính, dự đoán với độ chính xác thấp gây khó khăn trong đánh giá chất lượng huấn luyện, cứu hộ, cứu nạn, chiến đấu và đặc biệt là việc cất giữ, tìm kiếm dưới nước, cụ thể như: xác định bằng GPS (trên mặt nước), tự cảm nhận của người chỉ huy hoặc đo được khoảng cách từ mục tiêu tới tọa độ đã biết [1]..vv. Trên cơ sở các trang thiết bị hiện có và công nghệ điện tử dưới nước, chúng tôi đề xuất một phương pháp định vị chủ động dưới nước nhằm phục vụ cho huấn luyện, cứu nạn, cứu hộ của đặc công nước, việc cất giữ và tìm kiếm nhanh chóng kho tàng (các vũ khí, trang bị, mốc giới) dưới nước. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG Yêu cầu cơ bản của giải pháp là biết được khoảng cách khác nhau từ mục tiêu (đặc công nước, kho tàng) đến các thiết bị thu phát với vị trí đã biết đặt tại trung tâm (trạm cơ sở). Việc giải bài toán định vị dựa trên yêu cầu cơ bản này là khả thi. Bên cạnh đó, bài báo cũng đánh giá mang tính lý thuyết sự ảnh hưởng của sai số phép đo khoảng cách đến kết quả phép định vị và sự tối ưu hóa trong việc bố trí các vị trí trung tâm với một yêu cầu nhất định về sai số cho phép trong định vị. 2.1. Yêu cầu về trang thiết bị Theo hình 1, khi biết được tổng thời gian từ khi Hỏi đến khi Đáp, biết vận tốc truyền âm dưới nước chúng ta sẽ xác định được khoảng cách từ trạm cơ sở đến mục tiêu theo công thức sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 69 2 ).( ttv r   (1) trong đó, r là khoảng cách giữa trạm cơ sở và mục tiêu; v là vận tốc lan truyền âm dưới nước; t là thời gian từ khi phát tín hiệu Hỏi đến khi nhận được tín hiệu Đáp và t là thời gian giữ chậm do quá trình xử lý trong thiết bị và đặc thù lan truyền của sóng âm trong nước (trong trường hợp lý tưởng thời gian giữ chậm là vô cùng bé thì t ≈0). Có các hệ thống Hỏi - Đáp hoạt động theo mô hình sau: - Các trang bị này coi như đã có trên cơ sở một số công trình nghiên cứu đã công bố gần đây [1]. 2.2. Mô hình hệ thống và phạm vi nghiên cứu - Không quan tâm tới độ sâu mà giả thiết rằng cả mục tiêu và trạm cơ sở nằm trên mặt phẳng. - Giả thiết rằng tốc độ truyền âm dưới nưới là không đổi trong khoảng ri. - Mục tiêu: Có thể có rất nhiều mục tiêu mà không ảnh hưởng tới kết quả định vị, vì yêu cầu trang thiết bị đáp ứng yêu cầu Hỏi-Đáp chủ động với mỗi một mục tiêu có mật khẩu riêng do vậy trong mô hình chỉ lấy một mục tiêu (tọa độ x,y) để xét mà không ảnh hưởng tới tính tổng quát (chưa tính đến yếu tố thời gian). - Trạm cơ sở: Có 3 trạm cơ sở (T1, T2, T3) đặt cách nhau lần lượt với khoảng cách d1 và d2. Tọa độ đã biết của các trạm cơ sở lần lượt là (x1,y1), (x2,y2), (x3,y3). - Khoảng cách đo được từ các trạm cơ sở tới mục tiêu lần lượt là: r1, r2, r3. - Có 01 trung tâm tính toán và điều khiển chung. Trạm cơ sở r Tín hiệu Hỏi Tín hiệu Đáp Hình 1. Mô hình xác định khoảng cách chủ động. Mục tiêu y x (0,0) T2 T1 T3 Mục tiêu d1 d2 r1 r3 r2 Hình 2. Mô hình hệ thống. Trung tâm tính toán và điều khiển (x1,y1) (x2,y2) (x3,y3) (x,y) Kỹ thuật điện tử L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp . phục vụ đặc công nước.” 70 2.3. Cơ sở toán học của giải pháp - Phương trình đường tròn (C1) các mục tiêu cách T1 với bán kính r1: 21 2 1 2 1 )()( ryyxx  (2) - Phương trình đường tròn (C2) các mục tiêu cách T2 với bán kính r2: 22 2 2 2 2 )()( ryyxx  (3) - Phương trình đường tròn(C3) các mục tiêu cách T3 với bán kính r3: 2 3 2 3 2 3 )()( ryyxx  (4) - Giải hệ 3 phương trình (2,3,4) tìm nghiệm x,y (tọa độ mục tiêu): )()(2)()(2 )()( 13121213 1213 xxyyxxyy NyyMyy x    (5) )()(2)()(2 )()( 13121213 1213 yyxxyyxx NxxMxx y    (6) trong đó, 22 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 xxyyrrM  ; 2 3 2 1 2 3 2 1 2 3 2 1 xxyyrrN  . Trong thực tế, do nhiều nguyên nhân (như sai số xung nhịp máy thu; hiệu ứng đa đường, vấn đề khúc xạ, phản xạ) nên việc đo khoảng cách luôn tồn tại sai số ε so với khoảng cách thực, vì vậy, khoảng cách đo được thực tế là: pi=ri±i. Nghiệm thực tế của ba phương trình trên sẽ nằm trong vòng tròn tâm (x,y) và bán kính là lss. Độ lớn sai số định vị lss phụ thuộc vào độ chính xác của các kết quả đo được ε. Hình 3 mô tả trực quan sai số định vị. Hình 3. Các khả năng lỗi trong phương pháp giao đường tròn. Giả thiết rằng các trạm cơ sở bố trí rất xa nhau. Sai số phép đo khoảng cách của trạm Ti là i với i=1...3 ta có 22 )()( yyxxl ssssss  . Trong đó x,y là nghiệm của hệ các phương trình trên khi ε=0 và xss,yss là nghiệm của hệ các phương trình trên khi ε≠0. 3. BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ 3.1. Một số kết quả mô phỏng định vị lý tưởng (ε=0) (0,0 y x Đường tròn sai số tâm (x,y), bán kính lss C C1 C3 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 71 Hình 6. Không có sai số định vị lss=0. Hình 7. Sai số định vị với đường tròn bán kính lss=0.179 khi ε=0.05. C2 C1 C3 C2 C1 C3 Khoảng cách từ các trạm cơ sở Ti đến mục tiêu là ri với tỷ lệ 1:100000 tương ứng với 1cm có nghĩa khoảng cách thực tế là 1km. Sử dụng phần mềm mô phỏng viết bằng Labview ta có kết quả mô phỏng trên (hình 4 và hình 5): Kết quả 1 (hình 4): x1=0,7 x2=0 x3=1,5 r1=1,35 r2=1,62 r3=1,58 y1=1,5 y2=1,3 y3=1,6 ta tính được tọa độ mục tiêu cần định vị là: x=2,836; y= 0,512. Kết quả 2 (hình 5): x1=0,9 x2=0,2 x3=1,6 r1=1,6 r2=1,58 r3=1,74 y1=1,3 y2=1,3 y3=1,5 ta tính được tọa độ mục tiêu cần định vị là: x=2,85037; y=0,504571. 3.2. Mô phỏng sự ảnh hưởng của sai số phép đo khoảng cách đến kết quả định vị Hình 4. Kết quả định vị 1. Hình 5. Kết quả định vị 2. C1 C2 C3 C2 C1 C3 Kỹ thuật điện tử L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp . phục vụ đặc công nước.” 72 Như đã trình bày tại mục 2.3, thực tế luôn tồn tại sai số phép đo khoảng cách εi và do vậy luôn tồn tại một vùng không gian sai số định vị lss. Để đánh giá mang tính lý thuyết độ lớn của vùng sai số, ta giả thiết như sau: Phương trình (2) có x1, y1 là (0,7; 1,5), r1=1,35; Phương trình (3) có x2, y2 là (0,1; 1,35), r2=1,62; Phương trình (4) có có x3, y3 là (1,5 ; 1,6), r3=1,47; Và εi=0,05 (tương đương với giả thiết sai số phép đo khoảng cách là 50m) ta tính được lss = 0.179 (tọa độ thực tế của mục tiêu thuộc vòng tròn tâm x,y bán kính 179m). Kết quả mô phỏng trên hình 6 và hình 7. 3.3. Tối ưu hóa các trạm tại trung tâm Bài toán đặt ra là tìm khoảng cách tối thiểu (min d1,d2) để bố trí các trạm cơ sở sao cho thỏa mãn lss cho trước và một vấn đề nữa khi triển khai thực tế cũng cần nghiên cứu là việc bố trí các trạm (hay sự tương quan giữa các xi, yi) có ảnh hưởng lớn tới kết quả định vị hay không? Về mặt toán học, nhóm tác giả chưa có điều kiện phân tích sâu, nhưng về mô phỏng có thể được tiến hành để đánh giá như sau: cố định sai số đo khoảng cách i=0.05 khi đó lss sẽ phụ thuộc vào d1, d2 (tương đương việc phụ thuộc các tham số xi, yi). Kết quả mô phỏng với bằng cách giảm dần d1, d2 để khảo sát giá trị lss. Kết quả mô phỏng trên hình 8, hình 9, hình 10 và hình 11. Kết quả mô phỏng cho thấy, sai số định vị lss sẽ tăng khi các trạm cơ sở quá gần nhau. Sự tương quan giữa các xi,yi có ảnh hưởng tới kết quả định vị. 4. KẾT LUẬN - Bài báo đã trình bày một giải pháp định vị dưới nước theo phương pháp chủ động nhằm phục vụ cho huấn luyện, cứu nạn, cứu hộ của đặc công nước, việc cất giữ và tìm kiếm nhanh chóng các vũ khí, trang bị, mốc giới dưới nước bằng việc kết hợp kỹ thuật điện tử, điện tử dưới nước và công nghệ thông tin. Kết quả thực hiện cho thấy đây là giải pháp khả thi, dễ dàng triển khai trong thực tiễn. - Phương pháp định vị chủ động cho thấy sai số phép đo khoảng cách có ảnh hưởng tới kết quả định vị. Theo kết quả mô phỏng, nếu sai số phép đo ≤50m, cự ly ≤1500m và khoảng cách giữa các trạm cơ sở ≥ 100 m thì sai số định vị ≤171 m. - Việc bố trí các trạm cơ sở tại trung tâm có ảnh hưởng tới kết quả định vị, bố trí càng xa nhau thì kết quả định vị càng tốt tuy nhiên điều này sẽ gây khó khăn cho công tác triển khai. Nếu cự ly từ mục tiêu tới các trạm cơ sở ≤1500m thì khoảng cách các trạm cơ sở cần ≥50 m và sự tương quan giữa các trạm có ảnh hưởng tới kết quả định vị. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Hải Lăng (2013), “Nghiên cứu thiết kế, chế thử thiết bị liên lạc dưới nước sử dụng cho đặc công nước, đặc công người nhái của Quân chủng Hải quân”, Báo cáo tổng kết khoa học đề tài cấp Viện KH-CN quân sự. Hình 8. Kết quả mô phỏng với: x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35; x2=-0,2; y2=1,35; r2=1,62; x3=1,7; y3=1,5; r3=1,816 và sai số định vị lss=0,1825. Hình 9. Kết quả mô phỏng với: x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35; x2=0; 2=1,35; r2=1,62; x3=1,5; y3=1,5; r3=1,61 và sai số định vị lss=0,1997. Hình 10. Kết quả mô phỏng với: x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35; x2=0,35; y2=1,35; r2=1,62; x3=1,15; y3=1,5; r3=1,296 và sai số định vị lss=0,294. Hình 11. Kết quả mô phỏng với: x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35; x2=0,37; y2=1,35; r2=1,62; x3=1,1; y3=1,5; r3=1,278 và sai số định vị lss=0,329. C2 C1 C3 C2 C1 C3 C2 C1 C3 C2 C1 C3 Kỹ thuật điện tử L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp . phục vụ đặc công nước.” 74 [2]. Axel Kupper (2005), “Location-Based Services Fundamentals and operation”, John Wiley & Sons. Ltd, England. [3]. Jeffrey Hightower and G. Borrielo (2001), “Location Sensing Techniques”, University of Washington, Computer Science and Engineering, Technical Report UW-CSE-01-07-01. [4]. Jeffrey Hightower and Gaetano Borriello (2001), “Location systems for ubiquitous computing”, IEEE Computer, 34(8), pp. 57-66. ABSTRACT THE METHOD OF UNDERWATER ACTIVIE LOCALISATION FOR FROGMAN ACTIVITIES In this paper, based on an existing underwater communication system and the practical demand of application for Naval Sapper Units, we propose an underwater positioning system with active sonar to be used in training, rescue and salvage activities performed by naval sappers. The system can also be used in efficient storage and quick detection of underwater weapons, equipment and markers by combining together electronic, underwater electronic and information technologies. Moreover, the theoretical assessment of impacts of distance measurement errors is also conducted on the positioning results and the optimization in allocation of base stations under a certain constraint on positioning tolerance. Keywords: Frogman, Underwater acoustic active localization, Underwater stores. Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1Viện Điện tử, Viện KH-CNQS; Email: langvh@vietkey.vn