Giải pháp định vị mục tiêu trên biển sử dụng máy đo xa Laser và hệ thống định vị toàn cầu

Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU TRÊN BIỂN SỬ DỤNG<br /> MÁY ĐO XA LASER VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU<br /> Lê Thanh Hải*<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu về việc xác định tọa độ mục<br /> tiêu trên biển sử dụng máy đo xa laser và hệ thống định vị toàn cầu (GPS) thông qua<br /> nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng đánh giá kết quả. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng<br /> được sơ đồ chức năng của hệ thống xác định tọa độ mục tiêu trên biển sử dụng máy<br /> đo xa laser, GPS và thuật toán xác định tọa độ mục tiêu. Trên cơ sở đó, đánh giá<br /> được hiệu quả của mô hình khi có sai số định vị và sai số đo cự ly, qua đó đã đề xuất<br /> giải pháp tính gần đúng tọa độ mục tiêu trong thực tế. Đây là mô hình có tính khả<br /> thi cao phục vụ an ninh, quốc phòng và kinh tế quốc dân.<br /> Từ khóa: Định vị mục tiêu, GPS, Máy đo xa laser БД-1.<br /> <br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong những năm gần đây, bài toán định vị mục tiêu trên biển phục vụ cứu hộ,<br /> cứu nạn, phòng chống buôn lậu, xâm nhập trái phép và đặc biệt là bài toán định vị<br /> nhanh các mục tiêu di động khó tiếp cận như giàn khoan trái phép, tàu thăm dò, tàu<br /> trinh sát của đối phương... phục vụ an ninh, quốc phòng đang đặt ra nhu cầu lớn<br /> cho các nhà nghiên cứu. Trong thực tế, để định vị mục tiêu trên biển chúng ta có<br /> thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau: Phương pháp kết hợp ra đa quan sát<br /> biển, GPS, bản đồ số; Phương pháp giao hội.... Tuy nhiên, hiện nay chúng ta chưa<br /> có trang thiết bị với các tính năng như vậy. Do vậy, tác giả đề xuất giải pháp định<br /> vị mục tiêu trên biển sử dụng máy đo xa laser và GPS nhằm đáp ứng nhu cầu cấp<br /> bách hiện nay phục vụ an ninh, quốc phòng và các lĩnh vực khác.<br /> 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ<br /> 2.1. Một số vấn đề cơ bản về máy đo xa laser<br /> Máy đo xa laser là thiết bị dùng để đo cự ly từ nơi đặt máy đến điểm cần đo<br /> bằng tín hiệu laser (thường với bước sóng 1,06μm hoặc 1,54μm). Có nhiều phương<br /> pháp đo xa laser nhưng về cơ bản, người ta thường sử dụng phương pháp đo<br /> khoảng thời gian phát xạ - phản xạ của xung tín hiệu để xác định khoảng cách theo<br /> công thức [1]:<br /> c.<br /> r (1)<br /> 2<br /> Trong đó: r là khoảng cách cần đo; τ là thời gian đi-về của tín hiệu; c là tốc độ<br /> lan truyền của tín hiệu trong không gian (trong không khí c≈3.108m/s).<br /> Độ chính xác của máy đo xa laser rất khác nhau có thể đạt từ cm đến hàng chục<br /> m tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo, tính<br /> năng kỹ chiến thuật, giá thành sản phẩm... Phần lớn các nhu cầu đo khoảng cách<br /> trong quân sự thì yêu cầu độ chính xác không quá cao và thường là ±10m và máy<br /> đo xa БД-1 cũng có độ chính xác như vậy với khoảng cách đo đạt đến 20Km. Máy<br /> đo xa БД-1 là thiết bị hiện được trang bị trong quân đội đáp ứng được các yêu cầu<br /> hoạt động trong môi trường biển đảo, tần số lặp giữa các lần đo khoảng 5 giây.<br /> <br /> <br /> <br /> 24 L. T. Hải, “Giải pháp định vị nhanh mục tiêu….đo xa laser và hệ thống định vị toàn cầu.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.2. Sơ lược về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)<br /> Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System-GPS) là hệ thống tự động<br /> xác định vị trí dựa trên quỹ đạo của các vệ tinh nhân tạo theo nguyên tắc: trong<br /> cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến<br /> ba vệ tinh (số vệ tinh tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. Trước đây, hệ<br /> thống định vị toàn cầu của Hoa Kỳ (Hệ thống NAVSTAR) được thiết kế và quản<br /> lý bởi Bộ Quốc phòng nhưng sau này chính phủ Hoa Kỳ đã cho phép mọi người sử<br /> dụng nó với độ chính xác thấp theo mã dân dụng. Các nước trong liên minh Châu<br /> Âu đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như NAVSTAR<br /> của Hoa Kỳ. Bên cạnh đó Nga đã và đang từng bước hoàn thiện và đưa vào sử<br /> dụng hệ thống định vị Glonass (Глобальная Навигационная Спутниковая<br /> Система - ГЛОНАСС), Trung quốc cũng đang xây dựng một hệ thống có tên là<br /> Bắc Đẩu cho riêng mình [2,3,5,6]. Do tính phổ cập của hệ thống NAVSTAR nên<br /> trong bài báo tác giả cũng chỉ đề cập và sử dụng đến chủng loại này và gọi tắt GPS<br /> là hàm ý nói về NAVSTAR. Hiện nay các GPS có sẵn trên thị trường có độ chính<br /> xác đạt cỡ 5m, tốc độ cập nhật thông tin định vị là 1 giây với các giao tiếp đa dạng<br /> như chuẩn RS232, RS485 và USB... rất tiện dụng.<br /> 2.3. Sơ đồ khối chức năng và thuật toán xác định tọa độ mục tiêu<br /> Như đã trình bày ở trên, máy đo xa laser cho số liệu về khoảng cách từ vị trí<br /> hiện tại đến mục tiêu ri, GPS cho số liệu về tọa độ hiện tại xi,yi (hoặc là kinh độ, vĩ<br /> độ). Bài toán đặt ra là chỉ cần đo lần lượt ba lần với ba bộ tham số khác nhau<br /> (ri,xi,yi) với i=1..3, ta sẽ xác định được tọa độ mục tiêu xmt,ymt (hoặc kinh độ, vĩ độ<br /> mục tiêu). Trong đó, do khoảng cách giữa tàu có đặt hệ thống thiết bị đo đến mục<br /> tiêu nhỏ hơn 20 Km nên sai số do mặt cong trái đất có thể bỏ qua và bài toán xác<br /> định tọa độ mục tiêu được quy về trong mặt phẳng với giả thiết rằng tọa độ mục<br /> tiêu không thay đổi giữa các lần đo. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống được mô<br /> tả trên hình 1. Mô hình quá trình đo đạc và xác định nhanh tọa độ mục tiêu được<br /> mô tả trên hình 2.<br /> GPS xi,yi Trung tâm xử lý và tính toán ri Máy đo xa laser<br /> <br /> Khối cung cấp nguồn xmt,ymt<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống.<br /> <br /> Mục tiêu (xmt,ymt)<br /> y<br /> r3<br /> r2 r1<br /> <br /> d3<br /> d2 VT3(x3,y3)<br /> d1<br /> VT2(x2,y2)<br /> VT1(x1,y1)<br /> (0,0) x<br /> Hình 2. Mô hình quá trình đo đạc.<br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 25<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> <br /> Các điểm cách vị trí VTi, i =1,2,3 khoảng ri thỏa mãn hệ phương trình sau:<br /> ( xmt  xi ) 2  ( ymt  yi ) 2  ri 2<br />  (2)<br /> i  1,2,3.<br /> Trong đó: ri,(xi,yi), i=1,2,3 - là cự ly đo được tới mục tiêu và tọa độ vị trí ở lần đo<br /> thứ i. d1, d2, d3 là khoảng cách giữa vị trí của các lần đo, điều kiện cần thỏa mãn d1,<br /> d2, d3≠0 và (x1≠x2 ≠x3, y1≠y2 ≠y3).<br /> Như đã trình bày ở trên, cự ly ri do máy đo xa laser cung cấp, tọa độ (xi,yi) do<br /> GPS cung cấp và từ đó ta có tọa độ mục tiêu được xác định bằng cách giải hệ<br /> phương trình (2)[4]:<br /> <br /> xmt <br />  y3  y1  * M  ( y2  y1 ) * N (3)<br /> 2 *  y3  y1  * x2  x1   2 *  y2  y1  * x3  x1 <br /> <br /> ymt <br /> x3  x1  * M  ( x2  x1 ) * N (4)<br /> 2 *  x3  x1  *  y2  y1   2 * x2  x1  *  y3  y1 <br /> Trong đó: M  r12  r22  y12  y22  x12  x22 ; N  r12  r32  y12  y32  x12  x32 .<br /> 2.4. Mô phỏng đánh giá kết quả<br /> 15<br /> 15<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 10<br /> 10<br /> <br /> <br /> <br /> 5<br /> 5<br /> <br /> <br /> 0<br /> <br /> <br /> 0<br /> <br /> -5<br /> <br /> <br /> <br /> -5<br /> -10<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -15 -10<br /> -10 -5 0 5 10 15 20 -10 -5 0 5 10 15 20 25<br /> <br /> <br /> Hình 3. Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với Hình 4. Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với<br /> (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng 0,0,7;<br /> -5,5,5; 0,-3,8; 8,5,8) có xmt=0;ymt=5 7,1,6; 15,7,8) có xmt=7;ymt=7<br /> 10 8<br /> <br /> 8<br /> 7<br /> 6<br /> 6<br /> 4<br /> 5<br /> 2<br /> <br /> 0 4<br /> <br /> -2<br /> 3<br /> -4<br /> 2<br /> -6<br /> 1<br /> -8<br /> <br /> -10 0<br /> -5 0 5 10 15 20 25 0 2 4 6 8 10 12 14<br /> <br /> <br /> Hình 5. Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với Hình 6. Kết quả tìm tọa độ mục tiêu với<br /> (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng (x1,y1,r1; x2,y2,r2; x3,y3,r3 tương ứng<br /> 0,0,5; 4,0,3; 1,3,0) có xmt, ymt đa nghiệm 3,4,3; 6,2,2; 10,4,4) có xmt=6;ymt=4<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 26 L. T. Hải, “Giải pháp định vị nhanh mục tiêu….đo xa laser và hệ thống định vị toàn cầu.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Kết quả mô phỏng được thực hiện qua phần mềm Matlab. Phương thức thực<br /> hiện như sau: nhập bộ tham số (ri,xi,yi) với i=1..3, tính xmt,ymt theo công thức (3) và<br /> (4) tương đương với việc tìm giao điểm của ba đường tròn tương ứng với (ri,xi,yi)<br /> với i=1..3 đã chọn. Trong hình 5, do điều kiện cần thỏa mãn d1, d2, d3≠0, (x1≠x2 ≠x3,<br /> y1≠y2 ≠y3) không đạt nên nghiệm đa trị.<br /> <br /> 3. ĐÁNH GIÁ YẾU TỐ SAI SỐ DO MÁY ĐO LASER ẢNH HƯỞNG<br /> TỚI KẾT QUẢ ĐỊNH VỊ VÀ GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC<br /> Trong các nội dung trên, bài báo đã trình bày mô hình lý thuyết và thuật toán<br /> định vị mục tiêu không tiếp xúc sử dụng máy đo xa laser và GPS, tuy nhiên, kết<br /> quả định vị của GPS và đo cự ly của máy đo xa laser luôn tồn tại các sai số, sau<br /> đây chúng ta chỉ đánh giá sự ảnh hưởng của sai số do máy đo xa laser gây ra ảnh<br /> hưởng tới kết quả định vị (yếu tố ảnh hưởng do sai số của GPS cũng tương tự như<br /> sai số do máy đo xa laser). Như đã trình bày, giải hệ phương trình (2) ta có được<br /> tọa độ mục tiêu theo (3), (4) với điều kiện phép đo không có sai số và khi thay (3),<br /> (4) vào hệ phương trình (2) phải thỏa mãn, đồng nghĩa với việc ba đường tròn<br /> (ri,xi,yi) với i=1..3, sẽ giao nhau tại một điểm (xmt,ymt). Trong thực tế luôn tồn tại<br /> sai số trong phép đo cự ly của máy đo xa Laser nên kết quả đo được sẽ là: ( r1   r1 ;<br /> r2   r 2 ; r3   r 3 ), lúc này, kết quả định vị có được là nghiệm của hệ phương trình:<br /> <br /> <br /> ( xmt  xi ) 2  ( ymt  yi )  (ri   ri ) 2<br />  (5)<br /> i  1,2,3.<br /> <br /> Tuy nhiên, hệ phương trình (5) vô nghiệm, ba đường tròn ( ri   ri ,xi,yi) với<br /> i=1..3, sẽ không giao nhau tại (xmt,ymt), từ đó cho chúng ta kết luận rằng: trong thực<br /> tế, nếu tồn tại sai số trong phép đo cự ly của máy đo xa Laser (hoặc sai số do GPS)<br /> thì giải pháp nêu trên không khả thi. Để khắc phục vấn đề này ta cần sử dụng giải<br /> pháp tính được gần đúng tọa độ mục tiêu bằng cách xét các nghiệm của từng cặp<br /> phương trình riêng rẽ của hệ (5). Nếu sai số phép đo cự ly quá lớn, các cặp phương<br /> trình của hệ (5) hoặc vô nghiệm hoặc có nhiều nghiệm nên không thể xác định<br /> được gần đúng tọa độ của mục tiêu. Trong thực tế, các máy đo xa Laser đo ở cự ly<br /> lớn (r đạt 10÷20 Km) có sai số cỡ 0,002.r, do vậy khả năng đồng thời các cặp<br /> phương trình của hệ (5) vô nghiệm là rất nhỏ, vì thế xác suất tính được gần đúng<br /> tọa độ mục tiêu là rất cao. Để tính gần đúng tọa độ mục tiêu ta xét một số trường<br /> hợp có tính tổng quát sau đây.<br /> Trường hợp có một cặp phương trình vô nghiệm, hai cặp phương trình còn lại<br /> mỗi cặp chỉ có một nghiệm (ví dụ cặp phương trình thứ hai và thứ ba vô nghiệm,<br /> cặp phương trình thứ nhất và thứ hai có một nghiệm duy nhất (x21,y21) và cặp<br /> phương trình thứ nhất và thứ ba có một nghiệm duy nhất (x31,y31)). Tọa độ gần<br /> đúng của mục tiêu được xác định là:<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 27<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> ' x21  x31 ' y21  y31<br /> xmt  , ymt  (6)<br /> 2 2<br /> <br /> Trường hợp có một cặp phương trình vô nghiệm, một cặp có một nghiệm duy<br /> nhất (x21,y21) và cặp còn lại có hai nghiệm (x31,y31), (x32,y32). Tính các khoảng cách<br /> d giữa các điểm là nghiệm của cặp phương trình (x21,y21) với các điểm (x31,y31),<br /> (x32,y32) là nghiệm của phương trình còn lại theo công thức:<br /> <br /> d 21 31  ( x21  x31 ) 2  ( y21  y31 ) 2 (7)<br /> d 21 32  ( x21  x32 ) 2  ( y21  y32 ) 2 (8)<br /> <br /> Chọn một trong hai nghiệm (x31,y31), (x32,y32) có giá trị d nhỏ nhất theo (7 và<br /> 8), ví dụ d 21 31  d 21 32 thì tọa độ gần đúng của mục tiêu được xác định là:<br /> <br /> ' x21  x31 ' y21  y31<br /> xmt  , ymt  (9)<br /> 2 2<br /> <br /> Tương tự như vậy, khi một cặp phương trình vô nghiệm, hai cặp còn lại mỗi<br /> cặp có hai nghiệm thì ta cũng tính d giữa các nghiệm của các cặp nghiệm khác<br /> nhau theo (7,8) và chọn hai nghiệm có d nhỏ nhất để xác đinh mục tiêu theo (9).<br /> Tất nhiên là khoảng cách nghiệm được xét không cùng của một cặp phương trình.<br /> Trong trường hợp cả 3 cặp phương trình, mỗi cặp đều có một nghiệm duy<br /> nhất, ví dụ (x11,y11), (x21,y21) và (x31,y31), thì tọa độ gần đúng của mục tiêu được xác<br /> định là:<br /> <br /> ' x11  x21  x31 ' y11  y21  y31<br /> xmt  , ymt  (10)<br /> 3 3<br /> <br /> Trường hợp hay gặp nhất trong thực tế, khi sai số rất nhỏ so với khoảng cách<br /> đo là cả ba cặp phương trình đều có hai nghiệm. Để xác định gần đúng tọa độ mục<br /> tiêu, trước hết ta phải tính tất cả các giá trị d như các phương trình (7,8) giữa các<br /> nghiệm của cặp phương trình này với các nghiệm của các cặp phương trình còn lại.<br /> Chọn ra ba nghiệm từ ba cặp phương trình sao cho các giá trị d giữa chúng là nhỏ<br /> nhất. Tiếp theo xác định gần đúng tọa độ mục tiêu theo công thức (10) từ ba<br /> nghiệm đã chọn được.<br /> Trên hình 7 biểu diễn trực quan cho chúng ta thấy, trong trường hợp lý tưởng<br /> không có sai số thì hệ phương trình (2) có một nghiệm (3 đường tròn mô tả hệ sẽ<br /> giao nhau tại Xmt,Ymt) là tọa độ chính xác của mục tiêu. Trong điều kiện phép đo<br /> cự ly có sai số thì hệ phương trình (2) chuyển thành hệ (5), các đường tròn sẽ bị<br /> lệch đi so với vị trí lý tưởng (các đường nét đứt), hệ (5) vô nghiệm, ta xác định tọa<br /> <br /> <br /> <br /> 28 L. T. Hải, “Giải pháp định vị nhanh mục tiêu….đo xa laser và hệ thống định vị toàn cầu.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> độ gần đúng của mục tiêu theo thuật toán đã nêu X’mt, Y’mt. Từ kết quả mô phỏng<br /> cho thấy, chúng ta vẫn xác định được mục tiêu với độ chính xác cao.<br /> 8.5<br /> <br /> <br /> <br /> 8 (Xmt,Ymt)<br /> <br /> <br /> 7.5<br /> <br /> <br /> <br /> 7<br /> <br /> <br /> <br /> 6.5<br /> <br /> (X'mt,Y'mt)<br /> 6<br /> <br /> <br /> <br /> 5.5<br /> 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Tính toán gần đúng tọa độ mục tiêu.<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bằng tính toán lý thuyết, xây dựng mô hình và mô phỏng đánh giá kết quả, tác<br /> giả đã đề xuất giải pháp xác định tọa độ mục tiêu không tiếp xúc trên biển sử dụng<br /> máy đo xa Laser và hệ thống định vị toàn cầu. Đã đánh giá yếu tố tác động tới mô<br /> hình đề xuất do sai số phép định cự ly (tương tự sai số do GPS), qua đó đề xuất<br /> giải pháp tính gần đúng tọa độ mục tiêu trong thực tế. Yếu tố tác động khi cả mục<br /> tiêu và phương tiện mang thiết bị đo di chuyển, yếu tố tác động của sóng biển, tác<br /> động của khí hậu và thời tiết biển... vẫn còn chưa được nghiên cứu và đánh giá cụ<br /> thể, nhưng đây là mô hình có tính khả thi cao phục vụ an ninh, quốc phòng và kinh<br /> tế quốc dân nếu được tiếp tục nghiên cứu, triển khai trong thực tế.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Thiết bị trinh sát bằng laser, “ Mô tả kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng”, Tài liệu<br /> kèm theo máy đo xa laser БД-1, trang 9.<br /> [2]. Agnew, D.C. and Larson, K.M. “Finding the repeat times of the GPS<br /> constellation”. GPS Solutions (Springer) (2007).<br /> [3]. Ahmed El-Rabbany, “Introduction to GPS: the Global Positioning System”<br /> ARTECH HOUSE (2007), pp. 13-25.<br /> [4]. Lê Thanh Hải, Vũ Hải Lăng, Trần Quang Giang. “Về một phương pháp định vị<br /> chủ động phục vụ đặc công nước”. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số<br /> Đặc san Điện tử, 10 – 2015.<br /> [5]. Hoffmann-Wellenhof, B., H. Lichtenegger, and J. Collins“Global Positioning<br /> System: Theory and Practice”. Springer-Verlag, (1994).<br /> [6]. Leick, A., “GPS Satellite Surveying”. New York: Wiley, (1995).<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 2016 29<br />  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa<br /> <br /> ABSTRACT<br /> SOLUTION FOR POSITIONING OBJECTIVES ON THE SEA<br /> BY LASER RANGERFINDER AND GLOBAL POSITIONING SYSTEM<br /> <br /> In this paper, the research results on a fast coordinate determination method of<br /> target in the sea using laser range finders together with the global positioning<br /> system (GPS) are shown and evaluated in terms of both theory and simulation. The<br /> research results are essential in order to develop the functional diagram for a system<br /> that may quickly determine coordinates of the sea target using a laser range finder<br /> together with GPS and by applying a specific coordinate determination algorithm.<br /> Moreover, the work conducted in this paper can be used to evaluate the performance<br /> of the model when there are positioning and range measurement errors in order to<br /> calculate the approximate solutions for the target coordinates in practice. Overall,<br /> this study is highly essential for applications in the multiple areas of national<br /> security, defense and economics.<br /> Keywords: Fast target localization, GPS, БД-1 laser range finder.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 10 tháng 6 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 27 tháng 7 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 01 tháng 8 năm 2016<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Địa chỉ: Viện Điện tử, Viện KH-CNQS;<br /> *<br /> Email: thanhhai.vdt@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 30 L. T. Hải, “Giải pháp định vị nhanh mục tiêu….đo xa laser và hệ thống định vị toàn cầu.”<br />