Báo cáo khoa học: "Phương pháp định vị TDOA và phát triển trong mô hình tự định vị DVB-T(H) dùng tín hiệu tham chiếu TPS"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

401
lượt xem 48
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Bài báo tập trung giới thiệu cấu trúc, nhiệm vụ khung tín hiệu tham chiếu TPS trong tín hiệu OFDM, thông qua phân tích các đặc tr-ng của khung TPS, tác giả đề xuất dùng TPS đóng vai trò vai trò tín hiệu lấy mẫu trong hệ tự định vị dựa trên tín hiệu truyền hình số DVB-T(H). Với mục đích xây dựng một thuật toán tiên lợi và đơn giản nhất cho hệ thống tự định vị dùng tín hiệu tham chiếu TPS. Bài báo giới thiệu một thuật toán th-ờng đ-ợc dùng trong kỹ thuật định...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Phương pháp định vị TDOA và phát triển trong mô hình tự định vị DVB-T(H) dùng tín hiệu tham chiếu TPS"

Ph−¬ng ph¸p ®Þnh vÞ TDOA vµ ph¸t triÓn trong m« h×nh tù ®Þnh vÞ DVB-T(H) dïng tÝn hiÖu tham chiÕu TPS TS. NguyÔn thanh h¶i Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i NCS. NguyÔn quang tuÊn Tr−êng §¹i häc T©y Nam Trung Quèc Tãm t¾t: Bμi b¸o tËp trung giíi thiÖu cÊu tróc, nhiÖm vô khung tÝn hiÖu tham chiÕu TPS trong tÝn hiÖu OFDM, th«ng qua ph©n tÝch c¸c ®Æc tr−ng cña khung TPS, t¸c gi¶ ®Ò xuÊt dïng TPS ®ãng vai trß vai trß tÝn hiÖu lÊy mÉu trong hÖ tù ®Þnh vÞ dùa trªn tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè DVB-T(H). Víi môc ®Ých x©y dùng mét thuËt to¸n tiªn lîi vμ ®¬n gi¶n nhÊt cho hÖ thèng tù ®Þnh vÞ dïng tÝn hiÖu tham chiÕu TPS. Bμi b¸o giíi thiÖu mét thuËt to¸n th−êng ®−îc dïng trong kü thuËt ®Þnh vÞ mÆt ®Êt, ®ång thêi ph¸t triÓn ph−¬ng ph¸p gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh tù ®Þnh vÞ cña thuËt to¸n t−êng minh vμ ®¬n gi¶n. Dùa trªn ph−¬ng ph¸p gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh TDOA do t¸c gi¶ ®Ò xuÊt, viÖc tÝnh to¸n vÞ trÝ cña m¸y thu cã thÓ ®−îc thùc hiÖn trªn c¸c thiÕt bÞ xö lÝ ®¬n gi¶n, t¹o ®iÒu kiÖn øng dông réng r·i cho c¸c m¸y thu vμ gi¶m ®¸ng kÓ gi¸ thμnh c¸c m¸y thu. Summary: The article focuses on introducing the structure and tasks of TPS reference block in OFDM signal. Through analyzing the properties of TPS block, the authors propose using TPS as the standard signal in self-positioning system based on digital television DVB- T(H). The purpose is to build the most convenient and simplest algorithm for the positioning CT 2 system using reference signal TPS. The article introduces an algorithm normally used in ground positioning technique, and at the same time develops a solution method for the positioning equations of the algorithm. Based on the TDOA solution proposed by the authors, computations on the receiver’s position can be done on simple processors, enabling wider application for the receivers and considerably reduces the cost. I. Giíi thiÖu chung Xu h−íng nghiªn cøu, ph¸t triÓn hoµn thiÖn c¸c hÖ thèng tù ®Þnh vÞ nh»m c¶i thiÖn chÊt l−îng vµ n©ng cao tÝnh linh ho¹t cña hÖ thèng ®Þnh vÞ phuc vô c¸c môc ®Ých d©n sù ngµy cµng ®−îc nhiÒu nhµ khoa häc quan t©m vµ ph¸t triÓn. HiÖn nay trªn thÕ giíi ®· xuÊt hiÖn mét sè hÖ thèng ®Þnh vÞ lai nh»m kh¾c phôc c¸c nh−îc ®iÓm cña hÖ thèng ®Þnh vÞ ®¬n nh−: hÖ thèng ®Þnh vÞ GPS- INS; GPS- Mobile( GSM;WCDMA)… Víi sù ph¸t triÓn rÊt nhanh cña c«ng nghÖ truyÒn th«ng, ngoµi c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ lai ®· ®−îc ph¸t triÓn, bµi b¸o giíi thiÖu mét hÖ thèng ®Þnh vÞ lai míi GPS kÕt hîp DVB-T(H) trªn c¬ së tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè DVB-T(H) vµ sö dông c¸c khèi TPS trong DVB-T ®ãng vai trß tÝn hiÖu lÊy mÉu, phôc vô tÝnh to¸n tù ®Þnh vÞ cho m¸y thu (chi tiÕt cã thÓ tham kh¶o [1], [2], [3]). §ång thêi bµi b¸o cßn lùa chän vµ ph¸t triÓn thuËt to¸n ®Þnh vÞ ®¬n gi¶n vµ phï hîp nhÊt cho hÖ thèng ®Þnh vÞ lai nµy. Nhê sö dông tÝn hiÖu lÊy mÉu lµ tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè cã c−êng ®é lín, tÇn sè ph¸t kh«ng cao (b¨ng UHF), d¶i th«ng kh«ng lín (6; 7; 8 MHz), gi¶m thiÓu ®−îc c¸c ¶nh h−ëng bëi tÇng ®iÖn ly vµ sù giao thoa víi c¸c nguån nhiÔu, ®ång thêi c¸c yªu cÇu kü thuËt thùc hiÖn tÝnh to¸n
®Þnh vÞ ®¬n gi¶n. HÖ thèng ®Þnh vÞ lai GPS vµ DVB-T(H) cã thÓ thùc hiÖn rÊt dÔ dµng trªn c¸c ph−¬ng tiÖn giao th«ng c«ng céng nh− Bus, Taxi, thiÕt bÞ ®iÖn tö cÇm tay… ®ång thêi cã thÓ cung cÊp th«ng tin ®Þnh vÞ tin cËy trong m«i tr−êng ®« thÞ, ®©y lµ m«i tr−êng rÊt khã kh¨n cho viÖc ®Þnh vÞ ®èi víi ®a sè c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ th«ng th−êng do cã qu¸ nhiÒu c¸c kÕt cÊu x©y dùng cao tÇng vµ kh«ng gian rÊt h¹n hÑp. CÊu tróc bµi b¸o bao gåm: I- Giíi thiÖu chung; II- M« h×nh hÖ thèng tù ®Þnh vÞ DVB-T(H); III- CÊu tróc vµ ®Æc ®iÓm cña khung TPS; IV- ThuËt to¸n ®Þnh vÞ vµ ph−¬ng ph¸p gi¶i hÖ Ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ; V- KÕt luËn. II. Giíi thiÖu m« h×nh tù ®Þnh vÞ DVB-T(H) M« h×nh hÖ thèng tù ®Þnh vÞ trªn c¬ së tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè DVB-T(H) ®−îc x©y dùng theo nguyªn t¾c ®Þnh vÞ h×nh häc, tu©n thñ mét sè nguyªn t¾c nh− c¸c nguån ph¸t tÝn hiÖu ®−îc ®ång bé chÆt chÏ; m¸y thu cã thÓ ®ång thêi thu ®−îc Ýt nhÊt ba nguån tÝn hiÖu ph©n biÖt vµ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña c¸c nguån ph¸t tÝn hiÖu. Dùa vµo c¸c nguyªn t¾c trªn bµi b¸o ®Ò xuÊt m« h×nh hÖ thèng ®Þnh vÞ DVB-T(H) cã nguyªn lý ho¹t ®éng nh− sau: (h×nh 1). CT 2 Tr¹m ph¸t 1 Tr¹m ph¸t 2 M¸y thu Tr¹m ph¸t 3 H×nh 1. M« h×nh ®Þnh vÞ DVB-T(H) do ®Ò tμi ®Ò xuÊt M¸y thu ®Þnh vÞ trong m« h×nh sÏ ®ång thêi nhËn tÝn hiÖu tõ ba tr¹m ph¸t lÆp cña m¹ng SFN[3], theo nguyªn t¾c tæ chøc cña m¹ng SFN, c¸c tr¹m ph¸t trong m¹ng ®−îc ®ång bé chÆt víi nhau th«ng qua ®ång hå tham chiÕu GPS (10MHz) víi b−íc ®ång bé 100ns vµ cã tÇn sè
còng nh− néi dung tÝn hiÖu gièng nhau. Do kho¶ng c¸ch tõ m¸y thu ®Õn c¸c tr¹m ph¸t lµ kh«ng gièng nhau nªn thêi gian truyÒn tÝn hiÖu tõ c¸c tr¹m ph¸t ®Õn m¸y thu sÏ kh«ng gièng nhau (tÝn hiÖu truyÒn víi tèc ®é ¸nh s¸ng c ≈ 3.108 ). Lóc nµy m¸y thu sÏ ghi nhËn thêi ®iÓm nhËn ®−îc tÝn hiÖu tõ mçi tr¹m ph¸t vµ thùc hiÖn so s¸nh ba thêi ®iÓm nhËn tÝn hiÖu tõ ba tr¹m ph¸t, tõ ®ã sÏ tÝnh to¸n ®−îc kho¶ng c¸ch cña m×nh tíi tõng tr¹m ph¸t. §ång thêi vÞ trÝ cña c¸c tr¹m ph¸t lu«n cè ®Þnh vµ biÕt tr−íc, do ®ã m¸y thu cã thÓ tÝnh to¸n ®−îc vÞ trÝ cña m×nh th«ng qua qui ®æi kho¶ng c¸ch tíi c¸c tr¹m ph¸t vµ to¹ ®é c¸c tr¹m. VÊn ®Ò cÇn gi¶i quyÕt ®Ó thùc hiÖn tù ®Þnh vÞ lµ: Lµm sao ®Ó m¸y thu cã thÓ nhËn d¹ng ®−îc ®ang nhËn tÝn hiÖu tõ tr¹m ph¸t nµo. TÝn hiÖu lÊy mÉu ®−îc x¸c ®Þnh theo thµnh phÇn nµo trong tÝn hiÖu DVB-T(H) ®Ó cã ®é æn ®Þnh cao vµ dÔ nhËn d¹ng trong SFN. ThuËt to¸n ®−îc dïng trong tÝnh to¸n tù ®Þnh vÞ cña m¸y thu ph¶i ®¬n gi¶n vµ phï hîp. C¨n cø vµo c¸c yªu cÇu trªn, nghiªn cøu ®· ph©n tÝch vµ lùa chän dïng tÝn hiÖu tham chiÕu TPS trong DVB-T(H) ®ãng vai trß nh− tÝn hiÖu lÊy mÉu; sö dông vµ ph¸t triÓn thuËt to¸n ®Þnh vÞ h×nh häc TDOA ®Ó m¸y thu tÝnh to¸n tù ®Þnh vÞ. CÊu tróc c¬ b¶n vµ ®Æc ®iÓm cña khung tÝn hiÖu tham chiÕu TPS (Transmission Parameter Signalling): Tr−íc tiªn chóng ta xem xÐt kü cÊu tróc, chøc n¨ng, nhiÖm vô vµ c¸c ®Æc tÝnh cña khung tÝn hiÖu TPS trong tÝn hiÖu DVB-T tæng thÓ, qua ph©n tich, chóng ta x¸c ®Þnh viÖc dïng TPS ®ãng vai trß tÝn hiÖu ®¸nh dÊu khi øng dông trong tÝnh to¸n ®Þnh vÞ lµ hoµn toµn phï hîp vµ thuËn tiÖn. CT 2 Trong tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè DVB-T(H), c¸c sãng mang tham sè b¸o hiÖu ®−îc dïng víi môc ®Ých tham sè ho¸ b¸o hiÖu liªn quan tíi s¬ ®å ph¸t nh− m· ho¸ kªnh vµ ®iÒu chÕ. TPS ®−îc ph¸t song song trªn 17 sãng mang trong 2K vµ 68 sãng mang trong 8k. Mçi sãng mang TPS trong biÓu t−îng gièng nhau truyÒn bit th«ng tin ®−îc m· ho¸ kh¸c nhau lµ nh− nhau. Danh môc c¸c sãng mang bao gåm sãng mang TPS ®−îc nªu trong b¶ng 1. B¶ng 1. Danh môc c¸c sãng mang cã sãng mang TPS C¸c sãng mang TPS truyÒn ®¹t th«ng tin : §iÒu chÕ bao gåm gi¸ trÞ α cña mÉu chßm QAM; Th«ng tin sù tuÇn tù; Gi·n c¸ch b¶o vÖ (kh«ng nh»m môc ®Ých thu ban ®Çu nh−ng t¹o kh¶ n¨ng m¸y thu tr¶ l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu khi t¸i cÊu h×nh);
Tèc ®é m· l©n cËn; ChÕ ®é ph¸t (2K hay 8K, kh«ng nh»m môc ®Ých thu ban ®Çu nh−ng t¹o kh¶ n¨ng m¸y thu tr¶ l¹i tr¹ng th¸i ban ®Çu khi t¸i cÊu h×nh); Sè trang trong mét siªu trang; NhËn d¹ng «. VÞ trÝ cña c¸c sãng mang TPS trong trang OFDM ®−îc bè trÝ cè ®Þnh nh− h×nh 2: CT 2 H×nh 2. VÞ trÝ c¸c sãng mang TPS trong trang OFDM Qua cÊu tróc vµ nhiÖm vô cña TPS chóng ta nhËn thÊy: TPS ®−îc ph¸t æn ®Þnh, cã chu kú trong kho¶ng thêi gian tån t¹i cña c¸c trang OFDM, chu kú lÆp l¹i chÝnh lµ thêi gian ph¸t cña mét trang OFDM, víi chÕ ®é 2K vµ gi·n c¸ch b¶o vÖ 1/4 th× kho¶ng thêi gian ®Ó ph¸t mét khèi TPS lµ 12.24ms TPS lu«n ®−îc ph¸t song song trªn mét sè sãng mang cè ®Þnh, trong chÕ ®é 2K dïng 17 sãng mang ®−îc x¾p xÕp theo thø tù nh− b¶ng 8 ®· nªu. Trong trang OFDM TPS ®−îc ph¸t cè ®Þnh vµ lÆp l¹i theo chu kú. Tõ ®ång bé dïng trong TPS lu«n mang gi¸ trÞ 0011010111101110 hoÆc 1100101000010001, vµ ®−îc ph¸t ®Çu tiªn ( bit s 1 - s 16 ) vµ lÆp l¹i trong kho¶ng thêi gian 24.48ms, víi tÝnh chÊt nµy chóng ta cã thÓ sö dông chóng ®ãng vai trß tÝn hiÖu lÊy mÉu ®Þnh vÞ trong hÖ tù ®Þnh vÞ dïng tÝn hiÖu DVB-T, m¸y thu ghi nhËn thêi ®iÓm nhËn ®−îc tõ ®ång bé cña TPS, tõ ®ã cã thÓ tÝnh to¸n kho¶ng c¸ch tõ c¸c tr¹m ph¸t tíi m¸y thu. Do c¸c khèi TPS lu«n mang th«ng tin x¸c ®Þnh trong kho¶ng thêi gian nµo ®ã nªn viÖc thu, gi¶i m· TPS rÊt ®¬n gi¶n vµ kh¶ n¨ng söa lçi rÊt cao. Cã thÓ nhËn d¹ng ®−îc TPS ngay c¶
trong tr−êng hîp tÝn hiÖu DVB-T(H) ®Õn m¸y thu rÊt yÕu vµ xuÊt hiÖn nhiÒu lçi do nhiÔu trªn ®−êng truyÒn. Trong khèi TPS cã 8 bit mang th«ng tin nhËn d¹ng c¸c tr¹m ph¸t (id_cell). Víi nh÷ng −u thÕ trªn viÖc lùa chän TPS ®ãng vai trß nh− tÝn hiÖu ®¸nh dÊu lµ hoµn toµn thÝch hîp, c¸c m¸y thu cã thÓ c¨n cø vµo thêi ®iÓm nhËn tõ ®ång bé cña TPS vµ th«ng tin trong id_cell ®Ó tÝnh to¸n vÞ trÝ cña m×nh. ThuËt to¸n ®Þnh vÞ vµ ph−¬ng ph¸p gi¶i hÖ Ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ: Giíi thiÖu thuËt to¸n ®Þnh vÞ dïng trong hÖ thèng ®Þnh vÞ DVB-T(H): HiÖn nay cã nhiÒu thuËt to¸n ®Þnh vÞ cã thÓ øng dông trong c¸c m« h×nh ®Þnh vÞ kh¸c nhau, nh−: ph−¬ng ph¸p ®o gi¶ cù li; x¸c ®Þnh c−êng ®é tÝn hiÖu; x¸c ®Þnh thêi gian truyÒn tÝn hiÖu; x¸c ®Þnh gãc tíi cña tÝn hiÖn… Nh−ng phï hîp nhÊt víi m¹ng SFN lµ ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh hiÖu sè thêi gian m¸y thu nhËn ®−îc tÝn hiÖu tõ c¸c ®µi ph¸t kh¸c nhau TDOA (Time different of arrival). §©y lµ ph−¬ng ph¸p ®Þnh vÞ dùa trªn c¬ së h×nh häc, theo nguyªn t¾c: hai tr¹m ph¸t gÇn nhau trong m¹ng SFN cã hiÖu sè thêi ®iÓm nhËn ®−îc tÝn hiÖu H×nh 3. VÞ trÝ cña MT ®−îc biÓu tu©n thñ theo qui luËt ®−êng Hyperbole, cã nghÜa t¹i bÊt kú diÔn bëi ®iÓm giao c¾t cña hai ®iÓm nµo trªn hyperbole m¸y thu lu«n nhËn ®−îc tÝn hiÖu tõ Hyperbole hai ®µi ph¸t gÇn nhÊt cã hiÖu sè thêi gian lµ nh− nhau (xem h×nh 3). VËy víi tËp ba tr¹m ph¸t CT 2 l©n cËn sÏ cã hai ®−êng hyperbole giao nhau, ®ã chÝnh lµ vÞ trÝ cña m¸y thu [3]. X©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ theo TDOA: §Ó ®¬n gi¶n ho¸ ph−¬ng tr×nh còng nh− phï hîp víi môc tiªu ®Ò ra lµ x©y dùng hÖ thèng ®Þnh vÞ trong kh«ng gian hai chiÒu, chóng ta x©y dùng ph−¬ng H×nh 4: M« h×nh x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch theo ph−¬ng ph¸p tr×nh ®Þnh vÞ TDOA trong kh«ng TDOA gian 2D. Chóng ta xÐt víi m« : to¹ ®é c¸c ®µi ph¸t h×nh c¸c tr¹m ph¸t DVB-T ®−îc : to¹ ®é ch−a biÕt cña m¸y thu bè trÝ ngÉu nhiªn, xem h×nh 4 Th«ng qua tÝnh to¸n víi kh«ng gian 2D viÖc më réng trong kh«ng gian 3D lµ rÊt dÔ dµng. Coi r»ng chóng ta cã M ®µi ph¸t ph©n bè trong kh«ng gian 2-D nh− h×nh 4. §Æt quan s¸t mÉu víi ®µi ph¸t thø I lµ: ui (k) = s(k − di ) + ηi (k) i = 1, 2, …, M (1)
ë ®©y: s(k) lµ tÝn hiÖu ph¸t x¹ tõ ®µi ph¸t, di lµ thêi gian trÔ liªn quan tíi ®µi ph¸t thø i vµ ηi (k) lµ nhiÔu sinh ra trong qu¸ tr×nh truyÒn. TÝn hiÖu vµ nhiÔu coi nh− ®éc lËp víi nhau. TrÞ trung b×nh qu¸ tr×nh ngÉu nhiªn Gaussian b»ng kh«ng. §Ó x¸c ®Þnh m¸y thu, ®Çu tiªn chóng ta ®¸nh gi¸ TDOA cña tÝn hiÖu thu ®−îc do ®µi ph¸t thø i vµ thø j theo PP Hahn vµ Tretter [4]-[5]. Nã lµ ®¸nh gi¸ rÊt thuËn tiÖn ®Ó PP CRLB (Cramer - Rao lower bound) cã thÓ nhËn ®−îc. Kü thuËt gåm cã ®o TDOA cho tÊt c¶ cÆp ®µi ph¸t cã kh¶ n¨ng theo chßm tæng qu¸t (cross - correlation) [7] vµ tÝnh to¸n ®¸nh gi¸ Gauss - Markov (träng l−îng: Weighted) cña TDOA víi ®èi víi ®µi ph¸t ®Çu tiªn, di,1 = di - d1 víi i = 2, 3, …, M . TDOA gi÷a c¸c ®µi ph¸t thø i vµ j ®−îc tÝnh theo d¹ng: di, j = di,1 - d j,1 i , j = 2, 3, …, M (2) §Æt d = [ d 2,1 , d 3,1 , …, dM,1 ] T lµ vector ®¸nh gi¸ TDOA. Ma trËn hiÖp biÕn (thèng kª) Q cña d ®−îc cho theo [4]-[5]: −1 [ ] ⎧ 2T Ω ⎫ S(ω) 2 ⎪ ⎪ × tr (N(ω) −1)Np (ω) −1 − Np (ω) −111T Np (ω) −1 dω⎬ ∫ 1 + S(ω)tr(N(ω) −1) ω2 Q= ⎨ (3) ⎪ 2π 0 ⎪ ⎩ ⎭ ë ®©y 0 tíi Ω b¨ng tÇn xö lý vµ T lµ thêi gian quan s¸t. tr(*) lµ vÕt cña ma trËn *. S(ω) lµ phæ c«ng suÊt tÝn hiÖu, N(ω) = diag{ N1(ω) , N2 (ω) , …, NM (ω) } lµ ma trËn phæ c«ng suÊt nhiÔu, Np (ω) lµ phÇn thÊp bªn ph¶i M-1 do M-1 phÇn chia cña ma trËn N(ω) vµ 1 lµ vector phÇn tö ®¬n vÞ cã cïng kÝch cì víi Np (ω) . CT 2 0 §iÒu nµy cã nghÜa gi¸ trÞ nhiÔu tù do cña {*} nh− lµ {*} . TDOA di, j sÏ thµnh di, j = di0j + ni, j ; i , j = 1, 2, 3, …, M (4) , Víi ni,j ®ãng vai trß thµnh phÇn nhiÔu (lçi ®¸nh gi¸ trÔ). §Þnh nghÜa vector nhiÔu lµ n = [ n 2,1 , n 3,1 , …, nM,1 ] T . Khi ®¸nh gi¸ TDOA bá qua sù tr«i, gi¸ trÞ trung b×nh cña n = 0 vµ ma trËn hiÖp biÕn cña nã gièng hÖt Q. Chó ý r»ng tõ (2) chóng ta ®· cã ni, j = ni,1 - n j,i . §Ó ®¬n gi¶n ho¸, danh môc i coi nh− ch¹y tõ 2 tíi M trong kÕt qu¶, trõ khi cã tr−êng hîp ®Æc biÖt. §Æt nguån t¹i vÞ trÝ ch−a biÕt (x, y), th× b×nh ph−¬ng kho¶ng c¸ch gi÷a MT vµ ®µi ph¸t thø i lµ: ri2 = ( x i − x) 2 + (y i − y)2 = K i - 2 x i x - 2 y i y + x 2 + y 2 , i = 1, 2, 3, …, M (5) K i = x i2 + y i2 ë ®©y: NÕu c lµ tèc ®é truyÒn ph¸t th×: ri,1 = c di,1 = ri - r1 (6) §Þnh nghÜa mét tËp c¸c ph−¬ng tr×nh phi tuyÕn cña c¸c PP ®−a ra (x, y). ViÖc gi¶i c¸c ph−¬ng tr×nh phi tuyÕn rÊt khã kh¨n, tuyÕn tÝnh ho¸ ph−¬ng tr×nh (6) b»ng khai
triÓn Taylor vµ gi¶i theo ph−¬ng ph¸p lÆp. Víi mét tËp cña ®¸nh gi¸ TDOA di,1 , PP më ®Çu víi vÞ trÝ nguyªn thuû (x0, y0) vµ tÝnh to¸n ®é lÖch vÞ trÝ: ⎡Δx ⎤ ⎢ ⎥ = (G T Q −1G t ) −1 G T Q −1 h t ⎢⎥ t t ⎣Δy ⎦ Gi¸ trÞ ri = 1, 2, 3, …, M ®−îc tÝnh tõ (5) víi x = x 0 vµ y = y 0 . Trong lÇn lÆp tiÕp theo, gi¸ trÞ x 0 vµ y 0 ®−îc tinh theo x 0 + Δx vµ y 0 + Δy . Qu¸ tr×nh tÝnh lÆp l¹i nhiÒu lÇn ®Õn khi Δx vµ Δy ®ñ nhá. Ph−¬ng ph¸p nµy khã tÝnh khi s¸t ®iÓm ban ®Çu vµ khèi l−îng tÝnh to¸n nhiÒu, h¬n n÷a ®é héi tô kh«ng ch¾c ch¾n. Mét c¸ch lùa chän kh¸c lµ chuyÓn d¹ng ®Çu tiªn (6) sang tËp c¸c ph−¬ng tr×nh kh¸c. Tõ (6) ta cã ri2 = (ri,1 + r1) 2 vµ (5) cã thÓ viÕt thµnh: ri2 + 2ri,1r1 + r1 = K i - 2 x i x - 2 y i y + x 2 + y 2 2 (8) ,1 Trõ (5) t¹i i =1 tõ (8) ta cã: ri2 + 2ri,1r1 = - 2x i,1x - 2y i,1y + K i - K 1 (9) ,1 BiÓu t−îng x i,1 , y i,1 ®¹i diÖn cho x i - x1 vµ y i - y1 . (9) lµ tËp c¸c ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh víi c¸c gi¸ trÞ ch−a biÕt lµ x, y vµ r1 . §Ó gi¶i t×m x, y, tiÕn hµnh lo¹i r1 khái (9) vµ t¹o nªn ( M -2) ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh víi x, y. VÞ trÝ cña MT sÏ ®−îc tÝnh to¸n bëi PP b×nh ph−¬ng tèi thiÓu CT 2 (Least Square: LS). MÆt kh¸c còng cã thÓ gi¶i x, y nh− lµ sè h¹ng cña r1 , kÕt qu¶ trung gian sÏ ®−a ng−îc vÒ (9) t¹o nªn ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t víi biÕn ch−a x¸c ®Þnh lµ r1 . Thay thÕ viÖc tÝnh to¸n r1 mµ gi¶m tèi thiÓu lçi ph−¬ng tr×nh LS tíi kÕt qu¶ trung gian mµ ®−a ra lêi gi¶i cuèi cïng, ®©y chÝnh lµ néi dung ph−¬ng ph¸p cÇu néi suy (spherical- interpolation: SI) [8]. Tõ ph−¬ng tr×nh (9) xÐt víi tËp 3 tr¹m ph¸t, theo Y. T. Chan chóng ta cã hÖ ph−¬ng tr×nh TDOA nh− sau: ⎡r 2 − K + K ⎤ ⎫ ⎧ −1 ⎡ x 2,1y 2,1 ⎤ ⎪⎡r2,1 ⎤ ⎡x⎤ 1⎪ 2 1 ⎢ 2,1 ⎥⎪ × ⎪⎢ ⎥r1 + ⎢ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥=- ⎥⎬ . ⎨⎢ ⎥ (10) ⎥ ⎢ ⎢⎥ 2⎢ 2 ⎥⎪ ⎪⎢r3,1 ⎥ ⎢ x 3,1y 3,1 ⎥ ⎣y ⎦ ⎢r3,1 − K 3 + K1 ⎥ ⎪ ⎦ ⎣ ⎪⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎭ ⎩ ë ®©y ( x, y ) lµ to¹ ®é ch−a biÕt cña m¸y thu di ®éng, (xi, yi) lµ vÞ trÝ ®· biÕt cña c¸c tr¹m ph¸t liªn quan vµ ri lµ c¸c kho¶ng c¸ch tõ MT tíi ®µi ph¸t gÇn nhÊt, víi i = 1, 2, 3 vµ: K i = x i2 + y i2 ri,1 = ri - r1 y i,1 = y i - y1 x i,1 = x i - x1 ( x1 − x ) 2 + ( y1 − y) 2 r1 = (11)
C¸c thuËt to¸n gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh TDOA tr×nh bµy trªn Ýt nhiÒu còng phøc t¹p vµ khã kh¨n, ®Ó ®¬n gi¶n ho¸, mét c¸ch ®¸nh gi¸ míi cho ®Þnh vÞ ®¸nh dÊu cã kh¶ n¨ng thu ®−îc øng dông thuËn tiÖn sÏ ®−îc giíi thiÖu d−íi ®©y. Trong tr−êng hîp chung, chóng ta xÐt víi t×nh huèng MT nhËn sãng cña ba ®µi ph¸t bè trÝ ngÉu nhiªn, tr−êng hîp ®Æc biÖt lµ ba ®µi ph¸t bè trÝ trªn mét ®−êng th¼ng trªn thùc tÕ kh«ng cã kh¶ n¨ng x¶y ra, do ®ã chóng ta kh«ng cÇn xÐt tíi. Ph−¬ng ph¸p gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ TDOA: §Ó thuËn tiÖn vµ ®¬n gi¶n ho¸ hÖ ph−¬ng tr×nh(10); (11), chóng ta tiÕn hµnh gi¶i víi c¸c biÕn x, y theo hµm cña hiÖu sè thêi gian tÝn hiÖu tíi m¸y thu nh− sau: §Ó gi¶i hÖ PT(10), (11) theo ph−¬ng ph¸p kinh ®iÓn tao thuËn lîi cho c¸c thiÕt bÞ phæ th«ng, chóng ta cã thÓ quan s¸t thÊy c¸c biÕn quyÕt ®Þnh gi¸ trÞ cÆp to¹ ®é (x;y) lµ r1 ; r2,1 vµ r3,1 , trong ®ã r2,1 vµ r3,1 ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: r2,1 = r2 - r1 =c.( τ 2 - τ1 ) = c. Δt 21 r3,1 = c. Δt 31 (12) ri (i = 1, 2, 3) lµ kho¶ng c¸ch tõ c¸c ®µi ph¸t tíi m¸y thu. C¸c Δt i biÓu thÞ thêi gian lÖch nhau cña cïng mét khung tÝn hiÖu TPS ®Õn MT tõ c¸c cÆp tr¹m ph¸t vµ ®−îc MT ghi nhËn tÝnh tõ khi tÝn hiÖu TPS sím nhÊt ®Õn MT. Víi c¸c cÆp Δt i kh¸c nhau do vÞ trÝ cña MT quyÕt ®Þnh tõ ®ã sÏ x¸c ®Þnh ®−îc gi¸ trÞ cña r1 vµ to¹ ®é cña MT nh− sau: ) ( ⎧ 12 CT 2 ⎪x 2,1x + y 2,1y = −r2,1r1 − 2 r2,1 − K 2 + K1 ⎪ ⎨ (13) ( ) ⎪ 12 ⎪x 3,1x + y 3,1y = −r3,1r1 − r3,1 − K 3 + K1 ⎩ 2 Tõ ®ã chóng ta cã thÓ t×m ®−îc gi¸ trÞ cña x vµ y: 2 2 r3,1 − K 3 + K1 r2,1 − K 2 + K1 ⎛ ⎞ r3,1 r2,1 ⎜ ⎟ − − 2 r2,1 − K 2 + K1 ⎜ y 2,1 r2,1 ⎟ 2x 3,1 2x 2,1 x 3,1 x 2,1 y 2,1 x = ⎜− − r1 − − ⎟ (14) y 2,1 y 3,1 y 2,1 y 3,1 2x 2,1 ⎜ x 2,1 x 2,1 ⎟ x 2,1 − − ⎜ ⎟ x 2,1 x 3,1 x 2,1 x 3,1 ⎝ ⎠ 2 2 r3,1 − K 3 + K1 r2,1 − K 2 + K1 r2,1 ⎞ ⎛ r3,1 ⎟ ⎜ − − ⎟ ⎜x ⎝ 3,1 x 2,1 ⎠ 2 x 3,1 2x 2,1 r+ y= (15) y 2,1 y 3,1 1 y 2,1 y 3,1 − − x 2,1 x 3,1 x 2,1 x 3,1 §Ó dÔ h×nh dung chóng ta ®Æt c¸c hÖ sè gi¶n −íc cho (13) vµ (14):
2 2 r3,1 − K 3 + K 1 r2,1 − K 2 + K 1 r3,1 r2,1 − − x 3,1 x 2,1 2 x 3,1 2 x 2,1 =a =b ; y 2,1 y 3,1 y 2,1 y 3,1 − − x 2,1 x 3,1 x 2,1 x 3,1 2 2 r3,1 − K 3 + K 1 r2,1 − K 2 + K 1 r3,1 r2,1 − − 2 r2,1 − K 2 + K 1 y 2,1 x 3,1 x 2,1 r2,1 y 2,1 2 x 3,1 2 x 2,1 − − = c; − − =d x 2,1 y 2,1 y 3,1 y 2,1 y 3,1 x 2,1 x 2,1 2 x 2,1 − − x 2,1 x 3,1 x 2,1 x 3,1 VËy lóc nµy chóng ta cã: ⎧ ⎪y = ar1 + b ⎪ ⎪ ⎨x = cr1 + d (16) ⎪ ⎪ ⎪r1 = (x 1 − x )2 + (y 1 − y )2 ⎩ ⎧y = ar + b ⎪ 1 ⎪ ⎪ => ⎨x = cr1 + d ⎪ ⎪2 2 2 ⎪r1 = ( x 1 − x) + (y 1 − y) ⎩ CT 2 XÐt riªng r1: r1 = x1 − 2 x1x + x 2 + y1 − 2y1y + y 2 2 2 2 Thay gi¸ trÞ y vµ x ë trªn vµo vµ rót gän: (c 2 + a 2 − 1)r1 − 2[( x1 − d)c + (y1 − b)a]r1 + [( x1 − d) 2 − (y1 − b) 2 ] = 0 2 §Æt : c2 + a2 - 1 = A (x1 - d)c + (y1 - b)a = B (x1 - d)2 + (y1 - b)2 =C Lóc nµy ph−¬ng tr×nh trë vÒ d¹ng: Ar12 – 2Br1 + C = 0 B ± B 2 − AC => r1 = = ± f (Δt 21; Δt 31 ) A Thay trë l¹i ph−¬ng tr×nh (16) chóng ta cã:
x= ± c. f( Δt 21 ; Δt 31 ) + d = ± F( Δt 21 ; Δt 31 ) (17) y= ± a. f( Δt 21 ; Δt 31 ) + b = ± G( Δt 21 ; Δt 31 ) (18) Lóc nµy hÖ ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ theo TDOA ®· ®−îc t¸ch nghiÖm râ rµng, to¹ ®é x, y cña m¸y thu hoµn toµn chØ phô thuéc vµo hiÖu sè kho¶ng thêi gian truyÒn tÝn hiÖu tõ c¸c tr¹m ph¸t tíi m¸y thu (trong ph−¬ng tr×nh thÓ hiÖn qua gi¸ trÞ Δt 21 = t2 – t1 vµ Δt 31 = t3 – t1). ViÖc lo¹i bá mét trong hai nghiÖm ®Ó x¸c ®Þnh ®óng vÞ trÝ cña m¸y thu cã thÓ thùc hiÖn th«ng qua so s¸nh d÷ liÖu GPS ®−îc l−u trong m¸y thu, ®ång thêi kÕt hîp víi viÖc ph©n tÝch hµnh tr×nh cña m¸y thu. V. KÕt luËn Th«ng qua c¸c ph©n tÝch vµ ph¸t triÓn trªn, chóng ta cã thÓ thÊy viÖc tÝnh to¸n tù ®Þnh vÞ m¸y thu theo m« h×nh ®Þnh vÞ ®−îc ®Ò xuÊt lµ hoµn toµn thuËn tiÖn vµ dÔ dµng. Víi viÖc ph¸t triÓn, ®−a ra kÕt qu¶ cuèi cïng cña hÖ ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ ®· gióp chóng ta cã thÓ thÊy râ quan hÖ gi÷a vÞ trÝ m¸y thu vµ hiÖu sè thêi gian tíi cña tÝn hiÖu tõ c¸c tr¹m ph¸t l©n cËn, ®ång thêi viÖc tÝnh to¸n vÞ trÝ m¸y thu cã thÓ thùc hiÖn rÊt ®¬n gi¶n trªn c¸c m¸y thu. KÕt hîp gi÷a ph−¬ng ph¸p tù ®Þnh vÞ DVB - T(H) vµ GPS sÏ t¹o thµnh mét hÖ ®Þnh vÞ hoµn thiÖn. Tuy nhiªn trªn thùc tÕ cßn ph¶i quan t©m tíi c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ nh− quan hÖ ®ång bé gi÷a c¸c tr¹m ph¸t; ¶nh h−ëng ®Þa lý cña m«i tr−êng truyÒn sãng, hiÖu øng Doppler sinh ra do m¸y thu chuyÓn ®éng… Trong ph¹m vi cña bµi b¸o, t¸c gi¶ chØ x©y dùng m« h×nh vµ thuËt to¸n trªn ph−¬ng diÖn lý thuyÕt, viÖc m« pháng vµ ®¸nh gi¸ suy gi¶m ®é chÝnh x¸c h×nh häc GDOP (Geometry Dilute of Position) cña ph−¬ng ph¸p ®Þnh vÞ DVB - T(H) ®−îc thùc hiÖn trong c¸c bµi CT 2 tiÕp theo. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. N. Q. TuÊn. “CÊu tróc tÝn hiÖu DVB-T vµ kh¶ n¨ng øng dông trong kü thuËt ®Þnh vÞ”. T¹p chÝ khoa häc Giao th«ng vËn t¶i, sè 14-05/2006. [2]. N. Q. TuÊn. “ Kü thuËt thu tÝn hiÖu DVB-T trong m«i tr−êng di ®éng vµ méi sè øng dông trong ®iÒu khiÓn”. T¹p chÝ Khoa häc Giao th«ng vËn t¶i, sè 15- 08/2006. [3]. N. Q. TuÊn. “ M¹ng ®¬n tÇn SFN vµ øng dông”. T¹p chÝ Khoa häc Giao th«ng vËn t¶i, sè 16- 12/2006 [4]. W. R. Hahn and S. A. Tretter “ Optimum processing for delay- vector estimation in passive signal arrays” IEEE, Trans, Vol. IT- 19, pp. 608-614, Sept. 1973 [5]. W. R. Hahn “ Optimum signal processing for passive sonar range and bearing estimation” J. Acoust, Vol. 58, pp. 201- 207, July. 1975 [6]. Y.T. Chan and K. C. Ho “ A Simple and Efficient estimator for Hiperbolic location” IEEE, Trans, Vol. 42, No. 8, August. 1994 [7]. C. H. Knapp and G. C. Carter “ The generalized correlation method for estimation of time delay” IEEE Trans, Vol. ASSP- 24, pp 320- 327, apr. 1976 [8]. J. O. Smith snd J. S. Abel “ Closed- form least- squares source location estimation from range- difference measurements” IEEE Trans, Vol. ASSP- 35, pp. 1661- 1669, Dec. 1987 [9]. X. R. Li and K. Pahlavan “Comparison of indoor geolocation methods in DSSS and OFDM Wireless LAN systems” VTC 2000, IEEE [10]. M. Vossiek, L. Wiebking and C. Hoffmann “ Wireless local positioning- Concepts, Solutions, Applications” IEEE, 06/03/$17.00