Xây dựng hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý tdoa sóng âm

Kỹ thuật điện tử P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống TDOA sóng âm.” 88 XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TDOA SÓNG ÂM Phạm Văn Hòa*, Trần Quang Huy, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Công Thìn Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm. Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu. Giải pháp đã được kiểm tra, thử nghiệm trên máy tính và đã cho một số kết quả khả quan, làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa phục vụ an ninh quốc phòng. Từ khóa: Súng bắn tỉa, Hỏa lực bắn tỉa, Định vị sóng âm, TDOA, Định vị Hypebolic. 1. MỞ ĐẦU Nhiều năm gần đây, các hệ thống định vị hỏa lực đang được nhiều nước trên thế giới đầu tư phát triển, đứng đầu là Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nga... với nhiều chương trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng khác nhau trong các hoạt động quân sự và an ninh. Các hệ thống có thể được đặt cố định trên mặt đất, các tòa nhà, công sự hoặc trên các xe chiến đấu, máy bay, tàu chiến. Hầu hết các hệ thống định vị hỏa lực đều dựa trên nguyên lý định vị thụ động để xác định vị trí của tiếng đạn nổ. Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor để định vị hỏa lực ở cự ly từ vài chục đến hàng nghìn mét. Một số hệ thống còn được tích hợp thêm kính ngắm, camera để quan sát mục tiêu hoặc tự động truyền các thông số định vị cho các lực lượng hỏa lực tiêu diệt mục tiêu một cách nhanh chóng. Bài báo sẽ trình bày một số nội dung chính trong việc xây dựng hệ thống tự động phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý sai lệch thời gian đến TDOA (Time Differences Of Arrival) kết hợp với quang - điện tử. 2. PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA BẰNG SÓNG ÂM 2.1. Đặc trưng sóng âm của đạn Khi một viên đạn được bắn ra từ súng, có 2 dạng sóng âm khác nhau được phát ra như trên hình 1 gồm: tiếng nổ đầu nòng (Muzzle Blast) và sóng xung kích (Shock Wave). Sóng xung kích được tạo ra khi viên đạn bay trong không khí với tốc độ siêu âm, sóng âm có dạng hình nón dọc theo quỹ đạo của đạn, suy giảm nhanh trong môi trường không khí, thời gian tồn tại ngắn (< 200s), tần số đặc trưng cho mỗi loại đầu đạn và thường nằm trong dải từ 1-4kHz. Tiếng nổ đầu nòng là âm thanh có cường độ lớn, vượt trội hơn so với các âm thanh từ môi trường xung quanh, sóng lan truyền có dạng hình cầu, tỏa ra mọi hướng và có tần số tập Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 89 trung trong dải 100-500Hz [2,3,4]. Do đó, trong các hệ thống cần phải nhận dạng loại đạn, việc sử dụng sóng xung kích có lợi thế hơn, nhưng đòi hỏi phải có đủ thông tin thống kê một số đặc trưng của các loại đạn. Với các hệ thống chỉ cần xác định vị trí của hỏa lực thì việc thu và xử lý tiếng nổ đầu nòng là giải pháp đơn giản hơn mà vẫn đạt được các yêu cầu về độ chính xác và thời gian xử lý [4]. Hình 1. Dạng tín hiệu sóng âm của đạn [2]. 2.2. Nguyên lý TDOA trong định vị hỏa lực bằng sóng âm Trong các bài toán định vị thụ động, nguyên lý TDOA được sử dụng rộng rãi, có thể định vị với độ chính xác cao. Với các hệ thống định vị hỏa lực, các sensor thu âm được đặt tại các vị trí sao cho cự ly đến điểm đặt hỏa lực khác nhau, do đó thời điểm sóng âm truyền tới các sensor cũng khác nhau như trên hình 2. Hình 2. Lan truyền của tiếng đạn nổ đến sensor [5]. Bên cạnh đó, hiệu cự ly R12 có thể biểu diễn qua tọa độ của các điểm M, S1 và S2. Do đó ta có phương trình [1,5]:             2 2 2 2 2 2 12 1 1 1 2 2 2.atV t x x y y z z x x y y z z             (1) Phương trình (1) được gọi là phương trình TDOA. Trong không gian 3 chiều, để tìm tọa độ (x, y, z) của nguồn âm, cần tối thiểu 3 phương trình TDOA độc lập tuyến tính, tương ứng cần có 4 sensor không cùng nằm trong một mặt phẳng. Khi đó, hệ phương trình TDOA cho 4 sensor có dạng [1,5]: Kỹ thuật điện tử P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống TDOA sóng âm.” 90                         2 2 2 2 2 2 12 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 23 2 2 2 3 3 3 2 2 2 2 2 2 34 3 3 3 4 4 4 . . . ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) at at at V t x x y y z z x x y y z z V t x x y y z z x x y y z z V t x x y y z z x x y y z z                                             (2) trong đó: (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), (x4, y4, z4) tương ứng là tọa độ của 4 sensor S1, S2, S3 và S4. Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình TDOA (2) đã được trình bày trong nhiều tài liệu, nhất là [5] cho thấy, hệ phương trình TDOA thường có 2 nghiệm. Do đó, bài toán định vị theo nguyên lý TDOA sẽ xác định được 2 điểm, trong đó có 1 điểm ảo. Để loại trừ các nghiệm ảo, có thể sử dụng các thông tin tiên nghiệm về vị trí nguồn âm hoặc cần có thêm một hay nhiều trạm thu âm cùng hoạt động. Với các hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa, nguyên lý TDOA mang lại nhiều ưu điểm như: thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ triển khai, lắp đặt và sử dụng, giá thành thấp hơn các phương pháp khác, nhưng lại có khả năng phát hiện, tính toán định vị nhanh, không cần biết thời điểm đạn nổ. Ngoài ra, phương pháp định vị TDOA còn có thể khử được nhiễu và sai số do các sensor gây ra do sử dụng các phép hiệu (-). Một số hệ thống định vị đặc biệt cần phải kết hợp thêm một số phương pháp khác như: định vị bằng laser, ống nhòm, camera... 3. HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA 3.1. Mô hình hệ thống Hình 3. Mô hình hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa Mô hình hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa được trình bày như trên hình 3, gồm: 2 Trạm định vị và Trung tâm xử lý. Tại mỗi trạm định vị, cụm sensor gồm 4 sensor thu âm được bố trí trên đỉnh của tứ diện đều (bảo đảm 4 sensor Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 91 không đồng thời nằm trên một mặt phẳng), tín hiệu sóng âm từ tiếng đạn nổ được các sensor thu nhận và đưa tới khối thực hiện giải bài toán định vị cùng với tọa độ của trạm do máy thu GPS cung cấp. Thông tin từ các Trạm định vị được đóng gói và truyền về Trung tâm xử lý qua hệ thống thông tin vô tuyến. Tại đây, máy tính trung tâm sẽ xác định được bộ tham số định vị chính xác, hiển thị trên bản đồ số, đồng thời ra lệnh điều khiển camera nhanh chóng quay về hướng mục tiêu, hiển thị hình ảnh mục tiêu trên màn hình quan sát. 3.2. Sơ đồ chức năng hệ thống tự động phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa 3.2.1. Sơ đồ chức năng của Trạm định vị Sơ đồ chức năng của trạm định vị được xây dựng như trên hình 4, cụm sensor được thiết kế gồm 4 tạo ra 3 cặp TDOA độc lập với nhau. Sensor trạng thái và máy thu GPS sẽ cho biết thông tin về vị trí và hướng đặt của cụm sensor, từ đó xác định được tọa độ của mỗi sensor. Tín hiệu sóng âm từ tiếng nổ đầu nòng được 4 sensor thu tại 4 thời điểm khác nhau. Do đặc tính của tín hiệu tiếng nổ đầu nòng của đạn, khâu lọc thông dải 100-500Hz sẽ ngăn chặn và làm suy hao các tín hiệu không có ích. Tín hiệu tiếp tục đưa tới khối phát hiện ngưỡng để xác định các thời điểm của xuất hiện tín hiệu tiếng nổ. Bộ ADC thực hiện biến đổi tín hiệu thành tín hiệu số, thuận tiện cho các thuật toán xử lý và nhận dạng tín hiệu. Khối lọc tương quan sẽ xác định mối tương quan giữa các cặp tín hiệu thu được trên các cặp sensor tương ứng, nhằm bảo đảm tín hiệu thu được là tín hiệu sóng âm của đạn nổ. Hình 4. Sơ đồ chức năng của Trạm định vị. Kỹ thuật điện tử P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống TDOA sóng âm.” 92 Thời điểm đến của tín hiệu tại 4 sensor cùng với tọa độ các sensor là những tham số quan trọng trong hệ phương trình TDOA. Kết quả việc giải hệ phương trình TDOA sẽ xác định tọa độ (x, y, z) của điểm nổ. Thông tin định vị một mặt được hiển thị tại chỗ, đồng thời được đóng gói và truyền về Trung tâm xử lý qua thiết bị thông tin vô tuyến. 3.2.2. Sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý Hình 5 mô tả sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý. Thông tin định vị nhận được từ các Trạm định vị qua thiết bị thông tin vô tuyến được khối Điều khiển trung tâm tách ra gồm: tọa độ Trạm định vị, tọa độ điểm nổ... sẽ truyền tới Máy tính trung tâm. Tại đây, phần mềm máy tính sẽ loại bỏ các tọa độ ảo, chính xác hóa tọa độ định vị, lưu trữ và hiển thị trên bản đồ số, đồng thời đưa tới khối Điều khiển trung tâm thực hiện điều khiển hệ thống camera quan sát quay về vị trí đặt hỏa lực. Bàn điều khiển được sử dụng trong trường hợp cần thiết lập chế độ làm việc của hệ thống camera, thiết bị ghi hình, chế độ hiển thị... bằng tay. Tín hiệu video từ camera quan sát được đưa tới thiết bị ghi hình và hiển thị trên màn hình. Hình 5. Sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý. 3.3. Một số kết quả tính toán và đánh giá Phần mềm máy tính trung tâm được xây dựng trên ngôn ngữ Visual Basic có giao diện như trên hình 6, thực hiện một số chức năng cơ bản sau: - Phân tích thông tin từ các Trạm định vị để loại bỏ các tọa độ ảo (do tính chất của hệ phương trình TDOA đã trình bày ở trên), chính xác hóa tọa độ điểm nổ; - Hiển thị thông tin định vị trên bản đồ số, lưu trữ thông tin hoạt động, điều khiển hệ thống camera để quan sát mục tiêu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 93 - Mô phỏng việc giải bài toán định vị TDOA dựa trên các thông tin lưu trữ thực tế hoặc lựa chọn giả định. Hình 6. Giao diện phần mềm và kết quả tính toán. Một trong các chức năng mô phỏng của phần mềm cho phép kiểm nghiệm thuật toán giải hệ phương trình TDOA trên máy tính phục vụ cho việc thiết kế Trạm định vị. Với tính chất của bài toán định vị hỏa lực bắn tỉa (phạm vi phát hiện từ 50- 300m), hoàn toàn có thể giả thiết sóng âm được lan truyền trong điều kiện bình thường (Vat  340m/s). Trên cơ sở tọa độ (kinh độ, vĩ độ và độ cao) của cụm sensor và điểm nổ giả định được chọn tùy ý trên bản đồ số (trong phạm vi 50-300m), phần mềm sẽ xác định TDOA cho các cặp sensor, thực hiện giải hệ phương trình TDOA để xác định tọa độ điểm nổ tính toán. Bảng 1 thể hiện một số kết quả tính toán theo hai tham số cơ bản (cự ly và phương vị) với nhiều vị trí của cụm sensor và điểm nổ giả định khác nhau, với các cự ly từ 50-300m ở các góc phương vị khác nhau. So sánh số liệu tính toán và giả định cho thấy, sai số về cự ly đạt < 8,5x10-6 %, sai số phương vị < 1.21x10-9 độ. Bảng 1. Kết quả tính toán so với số liệu giả định. T T Điểm nổ giả định Điểm nổ tính toán Sai số tính toán Cự ly (m) Phương vị (độ) Cự ly (m) Phương vị (độ) Cự ly (%) Phương vị (độ) 1 51.762943 _869 92.68174088 _269 51.762943 _867 92.68174088 _277 0.0000001 0.00000000008 2 115.925808 _595 72.68380902 _206 115.925808 _600 72.68380902 _227 0.0000004 0.00000000022 3 138.485462 _350 228.20927897 _249 138.485462 _348 228.20927897 _209 0.0000002 0.00000000041 4 146.214732 _918 46.14386406 _616 146.214732 _928 46.14386406 _736 0.0000009 0.00000000121 Kỹ thuật điện tử P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống TDOA sóng âm.” 94 5 150.766555 _425 314.57483415 _390 150.766555 _416 314.57483415 _508 0.0000009 0.00000000118 6 161.648744 _130 155.84464429 _037 161.648744 _134 155.84464428 _989 0.0000004 0.00000000048 7 179.669738 _487 0.93385212 _290 179.669738 _481 0.93385212 _290 0.0000006 0.00000000000 8 192.080619 _609 272.00608146 _709 192.080619 _560 272.00608146 _736 0.0000049 0.00000000028 9 231.133410 _617 88.85643503 _732 231.133410 _702 88.85643503 _755 0.0000085 0.00000000023 1 0 245.304790 _075 335.54465811 _701 245.304790 _067 335.54465811 _764 0.0000008 0.00000000063 4. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý định vị TDOA sóng âm kết hợp với camera quan sát. Trong trường hợp các thông số đầu vào đủ chính xác, kết quả giải bài toán định vị TDOA trên máy tính cho thấy: sai số tính toán không đáng kể, thời gian tính toán nhanh. Đây là những kết quả quan trọng, làm tiền để cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống tự động phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa phục vụ an ninh quốc phòng và các ứng dụng khác. Tuy nhiên trong thực tế, độ chính xác của máy thu GPS và tính thời gian trễ truyền sóng luôn có sai số, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác định vị của hệ thống sẽ là những hướng tiếp theo cần nghiên cứu giải quyết. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Anish Chandak, “Sound Localization Using Microphone Arrays”, The University of North Carolina at Chapel Hill, USA, 2006. [2]. David Lindgren, Olof Wilsson Fredrik, Gustafsson, Hans Habberstad, “Shooter Localization in Wireless Sensor Networks”, Swedish Defence Research Agency, Linkăoping, Sweden, 2010. [3]. Gregory L. Duckworth, James E. Barger, Douglas C. Gilbert, “Acoustic counter-sniper system”, United States Patent, 2001. [4]. Janos Sallai, Peter Volgyesi, Ken Pence and Akos Ledeczi, “Fusing Distributed Muzzle Blast and Shockwave Detections”, 14th International Conference on Information Fusion Chicago, Illinois, USA, 2011. [5]. Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from four stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA, 2002. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 95 ABSTRACT BUILDING THE SYSTEM DETECTING AND POSITIONING THE SNIPER RIFLES BASED ON PRINCIPLE TDOA OF SOUND WAVES The article presents some results in researching and building the system detecting and positioning the sniper rifles based on principle TDOA of sound waves. By using the acoustic sensors set in different locations, the system determines the delay time of sound waves transmited from the acoustic source to the sensors to position the rifles, and control camera to observe the target. The solution was been tested and experimented on the computer and archieved some positive results, this is as the premise for researching and manufacturing the systems detecting and positioning the sniper rifles for the security and defense activities. Keywords: Sniper shooter, Sniper rifles, Acoustic position, TDOA, Hypebolic position. 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: Viện Điện tử/ Viện KH-CN quân sự. * Email: phamhoa.vdt@gmail.com