Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHỦ ĐỘNG<br />
PHỤC VỤ ĐẶC CÔNG NƯỚC<br />
Lê Thanh Hải1*, Vũ Hải Lăng1, Trần Quang Giang1<br />
<br />
Tóm tắt: Trong bài báo, trên cơ sở của hệ thống thông tin liên lạc dưới nước hiện<br />
có và nhu cầu thực tế đối với các đơn vị Đặc công nước, chúng tôi đề xuất giải pháp<br />
định vị dưới nước theo phương pháp chủ động nhằm phục vụ cho huấn luyện, cứu<br />
nạn, cứu hộ của đặc công nước, việc cất giữ và tìm kiếm nhanh chóng các vũ khí,<br />
trang bị, mốc giới dưới nước bằng việc kết hợp kỹ thuật điện tử, điện tử dưới nước<br />
và công nghệ thông tin. Đồng thời đánh giá mang tính lý thuyết sự ảnh hưởng của<br />
sai số phép đo khoảng cách đến kết quả phép định vị và sự tối ưu hóa trong việc bố<br />
trí các trạm cơ sở với một yêu cầu nhất định về sai số cho phép trong định vị.<br />
Từ khóa: Đặc công nước, Định vị chủ động dưới nước, Kho tàng dưới nước.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Việc xác định chính xác vị trí của các đặc công nước và các kho tàng dưới nước<br />
đang là vấn đề nghiên cứu có tính cấp thiết trong huấn luyện cũng như trong chiến<br />
đấu. Có nhiều công trình nghiên cứu và giải pháp kỹ thuật đã được áp dụng nhưng<br />
mang tính định tính, dự đoán với độ chính xác thấp gây khó khăn trong đánh giá<br />
chất lượng huấn luyện, cứu hộ, cứu nạn, chiến đấu và đặc biệt là việc cất giữ, tìm<br />
kiếm dưới nước, cụ thể như: xác định bằng GPS (trên mặt nước), tự cảm nhận của<br />
người chỉ huy hoặc đo được khoảng cách từ mục tiêu tới tọa độ đã biết [1]..vv.<br />
Trên cơ sở các trang thiết bị hiện có và công nghệ điện tử dưới nước, chúng tôi đề<br />
xuất một phương pháp định vị chủ động dưới nước nhằm phục vụ cho huấn luyện,<br />
cứu nạn, cứu hộ của đặc công nước, việc cất giữ và tìm kiếm nhanh chóng kho<br />
tàng (các vũ khí, trang bị, mốc giới) dưới nước.<br />
<br />
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br />
Yêu cầu cơ bản của giải pháp là biết được khoảng cách khác nhau từ mục tiêu<br />
(đặc công nước, kho tàng) đến các thiết bị thu phát với vị trí đã biết đặt tại trung<br />
tâm (trạm cơ sở). Việc giải bài toán định vị dựa trên yêu cầu cơ bản này là khả thi.<br />
Bên cạnh đó, bài báo cũng đánh giá mang tính lý thuyết sự ảnh hưởng của sai số<br />
phép đo khoảng cách đến kết quả phép định vị và sự tối ưu hóa trong việc bố trí<br />
các vị trí trung tâm với một yêu cầu nhất định về sai số cho phép trong định vị.<br />
2.1. Yêu cầu về trang thiết bị<br />
Theo hình 1, khi biết được tổng thời gian từ khi Hỏi đến khi Đáp, biết vận tốc<br />
truyền âm dưới nước chúng ta sẽ xác định được khoảng cách từ trạm cơ sở đến<br />
mục tiêu theo công thức sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
68 L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp …. phục vụ đặc công nước.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
v .( t t )<br />
r (1)<br />
2<br />
trong đó, r là khoảng cách giữa trạm cơ sở và mục tiêu; v là vận tốc lan truyền<br />
âm dưới nước; t là thời gian từ khi phát tín hiệu Hỏi đến khi nhận được tín hiệu<br />
Đáp và t là thời gian giữ chậm do quá trình xử lý trong thiết bị và đặc thù lan<br />
truyền của sóng âm trong nước (trong trường hợp lý tưởng thời gian giữ chậm là<br />
vô cùng bé thì t ≈0).<br />
Có các hệ thống Hỏi - Đáp hoạt động theo mô hình sau:<br />
<br />
Tín hiệu Hỏi<br />
Trạm cơ sở Mục tiêu<br />
<br />
Tín hiệu Đáp<br />
<br />
r<br />
Hình 1. Mô hình xác định khoảng cách chủ động.<br />
- Các trang bị này coi như đã có trên cơ sở một số công trình nghiên cứu đã<br />
công bố gần đây [1].<br />
2.2. Mô hình hệ thống và phạm vi nghiên cứu<br />
- Không quan tâm tới độ sâu mà giả thiết rằng cả mục tiêu và trạm cơ sở nằm<br />
trên mặt phẳng.<br />
- Giả thiết rằng tốc độ truyền âm dưới nưới là không đổi trong khoảng ri.<br />
- Mục tiêu: Có thể có rất nhiều mục tiêu mà không ảnh hưởng tới kết quả định<br />
vị, vì yêu cầu trang thiết bị đáp ứng yêu cầu Hỏi-Đáp chủ động với mỗi một mục<br />
tiêu có mật khẩu riêng do vậy trong mô hình chỉ lấy một mục tiêu (tọa độ x,y) để<br />
xét mà không ảnh hưởng tới tính tổng quát (chưa tính đến yếu tố thời gian).<br />
- Trạm cơ sở: Có 3 trạm cơ sở (T1, T2, T3) đặt cách nhau lần lượt với khoảng<br />
cách d1 và d2. Tọa độ đã biết của các trạm cơ sở lần lượt là (x1,y1), (x2,y2), (x3,y3).<br />
- Khoảng cách đo được từ các trạm cơ sở tới mục tiêu lần lượt là: r1, r2, r3.<br />
- Có 01 trung tâm tính toán và điều khiển chung.<br />
y Mục tiêu<br />
(x,y)<br />
r3<br />
r2<br />
r1<br />
d2 T3 (x3,y3)<br />
d1<br />
T2 (x2,y2)<br />
T1 (x1,y1)<br />
<br />
Trung tâm tính<br />
toán và điều khiển<br />
(0,0) x<br />
<br />
Hình 2. Mô hình hệ thống.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 69<br />
Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
2.3. Cơ sở toán học của giải pháp<br />
- Phương trình đường tròn (C1) các mục tiêu cách T1 với bán kính r1:<br />
( x1 x ) 2 ( y1 y ) 2 r12 (2)<br />
- Phương trình đường tròn (C2) các mục tiêu cách T2 với bán kính r2:<br />
( x 2 x ) 2 ( y 2 y ) 2 r22 (3)<br />
- Phương trình đường tròn(C3) các mục tiêu cách T3 với bán kính r3:<br />
( x3 x ) 2 ( y 3 y ) 2 r32 (4)<br />
- Giải hệ 3 phương trình (2,3,4) tìm nghiệm x,y (tọa độ mục tiêu):<br />
( y 3 y1 ) M ( y 2 y1 ) N<br />
x (5)<br />
2 ( y 3 y1 ) ( x 2 x1 ) 2 ( y 2 y1 ) ( x3 x1 )<br />
( x3 x1 ) M ( x2 x1 ) N<br />
y (6)<br />
2 ( x3 x1 ) ( y 2 y1 ) 2 ( x 2 x1 ) ( y 3 y1 )<br />
trong đó, M r12 r22 y12 y 22 x12 x22 ; N r12 r32 y12 y32 x12 x32 .<br />
Trong thực tế, do nhiều nguyên nhân (như sai số xung nhịp máy thu; hiệu ứng<br />
đa đường, vấn đề khúc xạ, phản xạ…) nên việc đo khoảng cách luôn tồn tại sai số ε<br />
so với khoảng cách thực, vì vậy, khoảng cách đo được thực tế là: pi=ri±i. Nghiệm<br />
thực tế của ba phương trình trên sẽ nằm trong vòng tròn tâm (x,y) và bán kính là<br />
lss. Độ lớn sai số định vị lss phụ thuộc vào độ chính xác của các kết quả đo được ε.<br />
Hình 3 mô tả trực quan sai số định vị.<br />
y<br />
Đường tròn sai số tâm<br />
(x,y), bán kính lss<br />
<br />
C3<br />
C1<br />
<br />
C<br />
<br />
x<br />
(0,0<br />
<br />
Hình 3. Các khả năng lỗi trong phương pháp giao đường tròn.<br />
Giả thiết rằng các trạm cơ sở bố trí rất xa nhau. Sai số phép đo khoảng cách của<br />
trạm Ti là i với i=1...3 ta có l ss ( x ss x) 2 ( y ss y ) 2 . Trong đó x,y là nghiệm<br />
của hệ các phương trình trên khi ε=0 và xss,yss là nghiệm của hệ các phương trình<br />
trên khi ε≠0.<br />
3. BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ<br />
3.1. Một số kết quả mô phỏng định vị lý tưởng (ε=0)<br />
<br />
<br />
70 L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp …. phục vụ đặc công nước.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Khoảng cách từ các trạm cơ sở Ti đến mục tiêu là ri với tỷ lệ 1:100000 tương<br />
ứng với 1cm có nghĩa khoảng cách thực tế là 1km. Sử dụng phần mềm mô phỏng<br />
viết bằng Labview ta có kết quả mô phỏng trên (hình 4 và hình 5):<br />
Kết quả 1 (hình 4):<br />
x1=0,7 x2=0 x3=1,5 r1=1,35 r2=1,62 r3=1,58<br />
y1=1,5 y2=1,3 y3=1,6<br />
ta tính được tọa độ mục tiêu cần định vị là: x=2,836; y= 0,512.<br />
Kết quả 2 (hình 5):<br />
x1=0,9 x2=0,2 x3=1,6 r1=1,6 r2=1,58 r3=1,74<br />
y1=1,3 y2=1,3 y3=1,5<br />
ta tính được tọa độ mục tiêu cần định vị là: x=2,85037; y=0,504571.<br />
<br />
C1 C1 C3<br />
C3<br />
C2 C2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4. Kết quả định vị 1. Hình 5. Kết quả định vị 2.<br />
3.2. Mô phỏng sự ảnh hưởng của sai số phép đo khoảng cách đến kết quả định vị<br />
<br />
<br />
C1 C3 C1 C3<br />
C2<br />
C2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Không có sai số định vị lss=0. Hình 7. Sai số định vị với đường tròn<br />
bán kính lss=0.179 khi ε=0.05.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 71<br />
Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
Như đã trình bày tại mục 2.3, thực tế luôn tồn tại sai số phép đo khoảng cách εi<br />
và do vậy luôn tồn tại một vùng không gian sai số định vị lss. Để đánh giá mang<br />
tính lý thuyết độ lớn của vùng sai số, ta giả thiết như sau:<br />
Phương trình (2) có x1, y1 là (0,7; 1,5), r1=1,35;<br />
Phương trình (3) có x2, y2 là (0,1; 1,35), r2=1,62;<br />
Phương trình (4) có có x3, y3 là (1,5 ; 1,6), r3=1,47;<br />
Và εi=0,05 (tương đương với giả thiết sai số phép đo khoảng cách là 50m) ta<br />
tính được lss = 0.179 (tọa độ thực tế của mục tiêu thuộc vòng tròn tâm x,y bán kính<br />
179m). Kết quả mô phỏng trên hình 6 và hình 7.<br />
3.3. Tối ưu hóa các trạm tại trung tâm<br />
Bài toán đặt ra là tìm khoảng cách tối thiểu (min d1,d2) để bố trí các trạm cơ sở<br />
sao cho thỏa mãn lss cho trước và một vấn đề nữa khi triển khai thực tế cũng cần<br />
nghiên cứu là việc bố trí các trạm (hay sự tương quan giữa các xi, yi) có ảnh hưởng<br />
lớn tới kết quả định vị hay không? Về mặt toán học, nhóm tác giả chưa có điều<br />
kiện phân tích sâu, nhưng về mô phỏng có thể được tiến hành để đánh giá như sau:<br />
cố định sai số đo khoảng cách i=0.05 khi đó lss sẽ phụ thuộc vào d1, d2 (tương<br />
đương việc phụ thuộc các tham số xi, yi). Kết quả mô phỏng với bằng cách giảm<br />
dần d1, d2 để khảo sát giá trị lss. Kết quả mô phỏng trên hình 8, hình 9, hình 10 và<br />
hình 11.<br />
Kết quả mô phỏng cho thấy, sai số định vị lss sẽ tăng khi các trạm cơ sở quá gần<br />
nhau. Sự tương quan giữa các xi,yi có ảnh hưởng tới kết quả định vị.<br />
<br />
4. KẾT LUẬN<br />
<br />
- Bài báo đã trình bày một giải pháp định vị dưới nước theo phương pháp chủ<br />
động nhằm phục vụ cho huấn luyện, cứu nạn, cứu hộ của đặc công nước, việc cất<br />
giữ và tìm kiếm nhanh chóng các vũ khí, trang bị, mốc giới dưới nước bằng việc<br />
kết hợp kỹ thuật điện tử, điện tử dưới nước và công nghệ thông tin. Kết quả thực<br />
hiện cho thấy đây là giải pháp khả thi, dễ dàng triển khai trong thực tiễn.<br />
- Phương pháp định vị chủ động cho thấy sai số phép đo khoảng cách có ảnh<br />
hưởng tới kết quả định vị. Theo kết quả mô phỏng, nếu sai số phép đo ≤50m, cự ly<br />
≤1500m và khoảng cách giữa các trạm cơ sở ≥ 100 m thì sai số định vị ≤171 m.<br />
- Việc bố trí các trạm cơ sở tại trung tâm có ảnh hưởng tới kết quả định vị, bố trí<br />
càng xa nhau thì kết quả định vị càng tốt tuy nhiên điều này sẽ gây khó khăn cho<br />
công tác triển khai. Nếu cự ly từ mục tiêu tới các trạm cơ sở ≤1500m thì khoảng<br />
cách các trạm cơ sở cần ≥50 m và sự tương quan giữa các trạm có ảnh hưởng tới<br />
kết quả định vị.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
72 L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp …. phục vụ đặc công nước.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
C3 C1<br />
C3<br />
C1<br />
C2 C2<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 8. Kết quả mô phỏng với: Hình 9. Kết quả mô phỏng với:<br />
x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35; x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35;<br />
x2=-0,2; y2=1,35; r2=1,62; x2=0; 2=1,35; r2=1,62;<br />
x3=1,7; y3=1,5; r3=1,816 x3=1,5; y3=1,5; r3=1,61<br />
và sai số định vị lss=0,1825. và sai số định vị lss=0,1997.<br />
<br />
<br />
C1 C3 C1<br />
C2 C2 C3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 10. Kết quả mô phỏng với: Hình 11. Kết quả mô phỏng với:<br />
x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35; x1=0,7; y1=1,5; r1=1,35;<br />
x2=0,35; y2=1,35; r2=1,62; x2=0,37; y2=1,35; r2=1,62;<br />
x3=1,15; y3=1,5; r3=1,296 x3=1,1; y3=1,5; r3=1,278<br />
và sai số định vị lss=0,294. và sai số định vị lss=0,329.<br />
<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Vũ Hải Lăng (2013), “Nghiên cứu thiết kế, chế thử thiết bị liên lạc dưới nước<br />
sử dụng cho đặc công nước, đặc công người nhái của Quân chủng Hải quân”,<br />
Báo cáo tổng kết khoa học đề tài cấp Viện KH-CN quân sự.<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 73<br />
Kỹ thuật điện tử<br />
<br />
[2]. Axel Kupper (2005), “Location-Based Services Fundamentals and operation”,<br />
John Wiley & Sons. Ltd, England.<br />
[3]. Jeffrey Hightower and G. Borrielo (2001), “Location Sensing Techniques”,<br />
University of Washington, Computer Science and Engineering, Technical<br />
Report UW-CSE-01-07-01.<br />
[4]. Jeffrey Hightower and Gaetano Borriello (2001), “Location systems for<br />
ubiquitous computing”, IEEE Computer, 34(8), pp. 57-66.<br />
ABSTRACT<br />
THE METHOD OF UNDERWATER ACTIVIE LOCALISATION<br />
FOR FROGMAN ACTIVITIES<br />
<br />
In this paper, based on an existing underwater communication system<br />
and the practical demand of application for Naval Sapper Units, we<br />
propose an underwater positioning system with active sonar to be used in<br />
training, rescue and salvage activities performed by naval sappers. The<br />
system can also be used in efficient storage and quick detection of<br />
underwater weapons, equipment and markers by combining together<br />
electronic, underwater electronic and information technologies. Moreover,<br />
the theoretical assessment of impacts of distance measurement errors is also<br />
conducted on the positioning results and the optimization in allocation of<br />
base stations under a certain constraint on positioning tolerance.<br />
Keywords: Frogman, Underwater acoustic active localization, Underwater stores.<br />
<br />
Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015<br />
Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015<br />
Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015<br />
<br />
<br />
<br />
Địa chỉ: 1Viện Điện tử, Viện KH-CNQS;<br />
Email: langvh@vietkey.vn<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
74 L.T.Hải, V.H.Lăng, Tr.Q. Giang, “Về một phương pháp …. phục vụ đặc công nước.”<br />