Giải pháp định vị theo bản đồ địa hình cho máy bay không người lái sử dụng radar trên khoang

Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính<br /> <br /> GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH CHO MÁY BAY<br /> KHÔNG NGƯỜI LÁI SỬ DỤNG RADAR TRÊN KHOANG<br /> Phạm Văn Hòa*, Lê Kỳ Biên<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng giải<br /> pháp tự động định vị theo bản đồ địa hình cho máy bay không người lái sử dụng<br /> radar trên khoang. Trên cơ sở sử dụng phương pháp tương quan cực trị giữa mảng<br /> cường độ tín hiệu phản xạ của địa hình quan sát hiện tại và trên bản đồ địa hình<br /> chuẩn, bộ định vị trên khoang sẽ xác định tọa độ của máy bay không người lái với<br /> độ chính xác cao, làm thông tin hiệu chỉnh cho hệ thống dẫn đường INS.<br /> Từ khóa: Máy bay không người lái, Định vị theo địa hình, Radar trên khoang, Tương quan cực trị.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Hiện nay, máy bay không người lái (MBKNL) đang trở thành phương tiện tác<br /> chiến hết sức lợi hại, trong đó việc tự động định vị cho MBKNL đóng vai trò quyết<br /> định đến độ chính xác trong dẫn đường và các hoạt động của MBKNL. Hầu hết<br /> các hệ thống dẫn đường cho MBKNL đều sử dụng thông tin từ định vị vệ tinh<br /> (GPS, GLONASS…) để hiệu chỉnh cho hệ thống dẫn đường quán tính INS<br /> (Inertial Navigation Systems). Tuy nhiên trong tác chiến hiện đại, đối phương<br /> thường sử dụng các hệ thống chế áp và tác chiến điện tử, gây nhiễu làm sai lệch<br /> hoặc vô hiệu hóa các hệ thống định vị vệ tinh, khiến cho hoạt động của UAV trở<br /> nên khó khăn [2,4,5]. Bài báo sẽ trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu<br /> xây dựng giải pháp tự động định vị cho MBKNL theo bản đồ địa hình sử dụng<br /> radar trên khoang. Trên cơ sở sử dụng phương pháp tương quan cực trị, bộ định vị<br /> trên khoang sẽ thực hiện so ghép và tìm mức độ giống nhau nhất giữa mảng các<br /> giá trị cường độ tín hiệu phản xạ của địa hình quan sát được với các mảng chuẩn<br /> tương ứng đã được nạp trước trong máy tính trên khoang để xác định tọa độ của<br /> MBKNL với độ chính xác cao, làm thông tin hiệu chỉnh cho hệ thống INS cũng<br /> như cho phép UAV có thể định vị và bám theo các mục tiêu trên mặt đất.<br /> <br /> 2. KHẢ NĂNG PHẢN XẠ TÍN HIỆU RADAR TỪ ĐỊA HÌNH MẶT ĐẤT<br /> 2.1. Diện tích phản xạ hiệu dụng của địa hình mặt đất<br /> Xét radar đặt tại điểm O trên khoang của MBKLN đang bay ở độ cao H, có độ<br /> rộng búp sóng theo phương ngang  (thường rất nhỏ), độ rộng xung phát , chiếu<br /> xạ trên mặt đất tại một khu vực với góc nâng anten  như trên hình 1a. Khi đó, cự<br /> ly đến tâm vùng chiếu xạ liên hệ với độ cao bay là R  H / sin  (do kích thước<br /> vùng chiếu xạ thường rất nhỏ so với cự ly). Với mỗi xung phát khi gặp địa hình<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 104 Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên, “Giải pháp định vị theo bản đồ …. radar trên khoang.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> mặt đất, đặc trưng bởi diện tích phản xạ hiệu dụng , tín hiệu sẽ phản xạ trở lại<br /> anten và tới máy thu radar sau khoảng thời gian ttr  2.R / c , với c  3.108 m/s.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Sơ đồ chiếu xạ của radar trên khoang. b) Vùng chiếu xạ.<br /> Hình 1. Sơ đồ chiếu xạ của radar trên khoang lên bề mặt trái đất [1,3,5].<br /> Tuy nhiên, theo lý thuyết radar, phần tử phân giải radar của vùng chiếu xạ thực<br /> tế có dạng hình quạt với các kích thước R và B tương ứng là độ phân giải cự ly và<br /> phương vị (hình 1b), được tính theo công thức [1,3,5]:<br />  R  c. / (2 cos  )<br />  (1)<br />  <br />   B  2. R / sin  R .<br />  2<br /> Để thuận tiện trong tính toán, có thể xấp xỉ hóa phần tử phân giải radar thực tế<br /> trên mặt đất thành dạng hình chữ nhật có diện tích tương đương [1,3,5]:<br /> R. .c.<br /> S '   R . B  (2)<br /> 2 cos <br /> Do đó, diện tích của vùng tiết diện với mặt cắt búp sóng radar là [1,3,5]:<br /> R. .c. .tg <br /> S  S '.sin   (3)<br /> 2<br /> Gọi  là hệ số phản xạ của vùng chiếu xạ trên mặt đất, đặc trưng cho khả năng<br /> phản xạ sóng radar của lớp phủ và chất liệu bề mặt, diện tích phản xạ hiệu dụng<br /> (RCS-Radar Cross Section)  của vùng chiếu xạ được tính theo công thức [1,3,5]:<br />  .R. .c. .tg   .H . .c. .cos <br />    .S   (4)<br /> 2 2<br /> Như vậy, với một bề mặt trái đất cụ thể (tương ứng với hệ số phản xạ ), hoàn<br /> toàn có thể xác định  theo các tham số đã biết gồm: , , R (hoặc H) và .<br /> 2.2. Phương trình radar và các yếu tố suy giảm cường độ tín hiệu phản xạ<br /> Phương trình radar dạng phổ biến nhất có dạng [1,3,5]:<br /> Pр .G 2 . 2 . Pр .G 2 . 2 . .sin 4 <br /> ( SNR) o   (5)<br /> (4 )3 .k .Te .B.F .Ls .R 4 (4 )3 .k .Te .B.F .Ls .H 4<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 105<br />  Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính<br /> <br /> Phương trình (5) chỉ ra mối liên hệ giữa các tham số bao gồm:<br /> - Cường độ tín hiệu ở đầu ra máy thu radar: xác định bởi tỷ số tín hiệu trên tạp<br /> âm (SNR-Signal to Noise Ratio) tại đầu ra máy thu ( SNR)o  So / N o ;<br /> - Các tham số cho trước của radar: công suất phát đỉnh Pp, tăng ích của anten G<br /> (dùng chung cho cả thu và phát), bước sóng radar , băng thông của máy thu radar<br /> B = 1/, đặc tính nhiễu radar F (RNF - Radar Noise Figure);<br /> - Các tham số của môi trường: hằng số Boltzman k = 1.38×10−23 [J/K], nhiệt độ<br /> làm việc của radar Te tính theo oK, tổng suy giảm tín hiệu Ls;<br /> - Các tham số của vùng chiếu xạ: RCS của vùng chiếu xạ mặt đất  được tính<br /> theo (4), cự ly R từ radar đến vùng chiếu xạ (hoặc biểu diễn qua độ cao bay H).<br /> Trong thực tế, do tác động của môi trường truyền sóng (mưa, khí quyển), đặc<br /> tính bề mặt của vùng chiếu xạ, tín hiệu radar luôn chịu nhiều tác động làm suy hao<br /> hoặc thăng giáng ngẫu nhiên, đặc trưng bởi hệ số tổng suy giảm Ls (giá trị trung<br /> bình được thống kê khoảng 21dB). Các yếu tố suy hao cố định gồm: giản đồ búp<br /> sóng anten, các khối trong máy thu và máy phát radar, một phần do môi trường<br /> truyền sóng và sự hấp thụ sóng của bề mặt trái đất. Sự thăng giáng tín hiệu (fading)<br /> đặc trưng bởi tham số Lf (thường trong dải ±4.2dB tùy theo bước sóng radar và cự<br /> ly) gây ra bởi truyền sóng đa đường hoặc sự hấp thụ, tán xạ không ổn định của môi<br /> trường truyền sóng và bề mặt địa hình trái đất [3,5,6]. Các nội dung dưới đây sẽ<br /> phân tích kỹ hơn ảnh hưởng của các yếu tố này đến chất lượng của bộ định vị trên<br /> khoang theo bản đồ địa hình, từ đó đưa ra một số khuyến nghị trong việc lập các<br /> bài toán bay và lựa chọn các tham số thích hợp cho bộ định vị.<br /> <br /> 3. GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA HÌNH<br /> 3.1. Bài toán định vị theo bản đồ địa hình cho MBKNL<br /> Bài toán định vị cho MBKNL theo bản đồ địa hình đặt ra với giả thiết:<br /> - MBKNL đang ở trạng thái bay bằng và ổn định, các tham số của radar trên<br /> khoang đã được xác định;<br /> - Radar cung cấp các tham số đủ chính xác và tức thời, gồm: cự ly, phương vị,<br /> góc nâng anten, cường độ tín hiệu phản xạ từ địa hình mặt đất;<br /> - Việc phân tích tín hiệu phản xạ và xử lý thông tin định vị có thể xem là quá<br /> trình dừng so với tốc độ tính toán.<br /> Nhiệm vụ cần giải quyết bao gồm:<br /> - Lựa chọn một bộ các tham số của radar trên khoang cụ thể, xây dựng bản đồ<br /> địa chình chuẩn và vùng địa hình quan sát thực tế trên mặt đất trong khu vực bay;<br /> - Sử dụng thuật toán tương quan cực trị để xác định vị trí của tâm vùng quan sát<br /> trên bản đồ chuẩn, từ đó xác định tọa độ của MBKNL;<br /> - Mô phỏng, phân tích một số yếu tố (kích thước vùng quan sát, suy hao cố<br /> định, thăng giáng tín hiệu…) tác động đến chất lượng của bộ định vị trên khoang.<br /> <br /> <br /> <br /> 106 Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên, “Giải pháp định vị theo bản đồ …. radar trên khoang.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 3.2. Bản đồ địa hình theo cường độ tín hiệu phản xạ radar<br /> Trong bài toán định vị cho MBKNL theo bản đồ địa hình, có hai loại bản đồ địa<br /> hình cần xác định tương ứng với loại radar đang sử dụng (có các tham số radar xác<br /> định cụ thể) và cự ly tới vùng địa hình bay (hay ở độ cao bay, góc nâng anten xác<br /> định) là: bản đồ địa hình chuẩn và bản đồ địa hình quan sát thực tế. Cả hai loại bản<br /> đồ đều có dạng các ô lưới liên tiếp phân bố theo 2 trục (x,y) với các đặc điểm sau:<br /> - Kích thước mỗi ô lưới chính là kích thước của một phần tử phân giải radar trên<br /> mặt đất và được xác định theo biểu thức (1), RCS của phần tử phân giải được tính<br /> theo (4) nhưng hệ số phản xạ  đã được chuẩn hóa theo 14 mức giá trị (xấp xỉ hóa<br /> khả năng phản xạ của địa hình mặt đất thành 14 mức cố định).<br /> - Có màu biểu diễn theo giá trị (SNR)o xác định theo biểu thức (5) tương ứng<br /> với xung chiếu xạ radar tại phần tử phân giải đó.<br /> Trong đó, bản đồ địa hình chuẩn được xác định trước khi thực hành bay, là vùng<br /> bao phủ địa hình bay dự kiến, có kích thước M x N ô lưới. Giá trị cường độ tín<br /> hiệu phản xạ tại các ô lưới được xác định trong cùng một điều kiện khảo sát (suy<br /> hao không đổi và ở độ cao bay xác định). Do đó với mỗi dải độ cao bay khác nhau,<br /> bản đồ chuẩn tương ứng sẽ được xác định và có thể biểu diễn dưới dạng mảng<br /> chuẩn 2 chiều АCh gồm M x N phần tử, được nạp vào bộ định vị trên khoang trước<br /> khi bay. Hình 2 là ví dụ minh họa cho một bản đồ địa hình chuẩn (diện tích<br /> 1.2x2.2km) tại khu vực sân bay Cát Bi (Hải Phòng) ở độ cao bay H=300m (kích<br /> thước phần tử phân dải 16x16m) và mảng chuẩn АCh có 14x27 phần tử (hình 2b).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) Bản đồ chuẩn 14 mức kích thước 14x27 phần tử phân giải.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 107<br />  Công nghệ thông tin & Khoa học máy tính<br /> <br /> -14.1,-14.1,-13.5,-14.1,-14.1,-16.5,-16.5,-16.5,-14.8,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-16.5,-17.8,-15.6,-13.5,-14.1,-14.1,-14.8,-16.5,-13.5,-15.6,-15.6 <br /> -14.1,-14.1,-14.1,-13.5,-14.1,-15.6,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-14.1,-14.1,-14.1,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5 <br />  <br /> -14.1,-14.1,-14.1,-14.1,-16.5,-17.8,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.1,-13.5,-14.1,-15.6,-17.8,-16.5,-14.8,-16.5,-15.6 <br />  <br /> -14.1,-14.1,-14.8,-14.8,-16.5,-16.5,-17.8,-14.8,-15.6,-17.8,-17.8,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.8,-14.1,-14.1,-14.8,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-16.5 <br /> -14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-14.1,-14.8,-15.6 <br />  <br /> -16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-14.8,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6 <br /> -16.5,-15.6,-14.8,-14.8,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6 <br />  <br /> -16.5,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-14.8,-15.6,-14.8,-16.5,-14.8,-14.1,-14.1,-14.1,-14.1,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-17.8 <br /> -16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-13.5,-13.5,-13.5,-13.5,-14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-14.8,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5 <br />  <br /> -16.5,-16.5,-14.8,-14.8,-14.1,-14.1,-14.8,-15.6,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5 <br />  <br /> -16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-17.8,-16.5,-15.6,-14.8,-14.8,-15.6,-16.5,-14.8,-16.5 <br /> -17.8,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-17.8,-17.8,-16.5,-16.5,-15.6,-15.6,-14.8,-15.6,-16.5,-15.6,-16.5 <br />  <br /> -16.5,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-15.6,-16.5,-17.8,-17.8,-17.8,-17.8,-17.8,-16.5,-14.8,-15.6,-16.5,-14.8,-14.1,-16.5,-16.5,-14.8 <br /> -15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-16.5,-17.8,-16.5,-16.5,-16.5,-17.8,-17.8,-16.5,-15.6,-16.5,-16.5,-15.6,-14.8,-15.6,-15.6,-15.6 <br /> <br /> b) Mảng chuẩn 14 mức kích thước 14x27 phần tử.<br /> Hình 2. Bản đồ địa hình chuẩn tại khu vực sân bay Cát Bi ở độ cao bay 300m<br /> (với các tham số radar: Pp=100W, G=12dB, =3cm, =0.1µm (B=10MHz),<br /> F=7dB, =3o, =23o, Te=290oK, Ls=21dB).<br /> <br /> Bản đồ địa hình quan sát là một vùng hẹp nằm trong địa hình bay, được xác<br /> định trên quỹ đạo bay khi bộ định vị trên khoang được mở để định vị cho<br /> MBKNL, có dạng n x n các ô lưới liên tiếp (với n