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

Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ<br /> HỎA LỰC BẮN TỈA DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TDOA SÓNG ÂM<br /> Phạm Văn Hòa*, Trần Quang Huy, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Công Thìn<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ<br /> thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm.<br /> Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác<br /> định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor<br /> thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu. Giải<br /> pháp đã được kiểm tra, thử nghiệm trên máy tính và đã cho một số kết quả khả<br /> quan, làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa<br /> phục vụ an ninh quốc phòng.<br /> Từ khóa: Súng bắn tỉa, Hỏa lực bắn tỉa, Định vị sóng âm, TDOA, Định vị Hypebolic.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Nhiều năm gần đây, các hệ thống định vị hỏa lực đang được nhiều nước trên thế<br /> giới đầu tư phát triển, đứng đầu là Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nga... với nhiều chương<br /> trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng khác nhau trong các hoạt động quân sự và an<br /> ninh. Các hệ thống có thể được đặt cố định trên mặt đất, các tòa nhà, công sự hoặc<br /> trên các xe chiến đấu, máy bay, tàu chiến. Hầu hết các hệ thống định vị hỏa lực đều<br /> dựa trên nguyên lý định vị thụ động để xác định vị trí của tiếng đạn nổ. Bằng việc<br /> sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ<br /> về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor để định vị hỏa<br /> lực ở cự ly từ vài chục đến hàng nghìn mét. Một số hệ thống còn được tích hợp<br /> thêm kính ngắm, camera để quan sát mục tiêu hoặc tự động truyền các thông số<br /> định vị cho các lực lượng hỏa lực tiêu diệt mục tiêu một cách nhanh chóng. Bài<br /> báo sẽ trình bày một số nội dung chính trong việc xây dựng hệ thống tự động phát<br /> hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý sai lệch thời gian đến TDOA<br /> (Time Differences Of Arrival) kết hợp với quang - điện tử.<br /> <br /> 2. PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA BẰNG SÓNG ÂM<br /> 2.1. Đặc trưng sóng âm của đạn<br /> Khi một viên đạn được bắn ra từ súng, có 2 dạng sóng âm khác nhau được phát<br /> ra như trên hình 1 gồm: tiếng nổ đầu nòng (Muzzle Blast) và sóng xung kích<br /> (Shock Wave). Sóng xung kích được tạo ra khi viên đạn bay trong không khí với<br /> tốc độ siêu âm, sóng âm có dạng hình nón dọc theo quỹ đạo của đạn, suy giảm<br /> nhanh trong môi trường không khí, thời gian tồn tại ngắn (< 200s), tần số đặc<br /> trưng cho mỗi loại đầu đạn và thường nằm trong dải từ 1-4kHz. Tiếng nổ đầu nòng<br /> là âm thanh có cường độ lớn, vượt trội hơn so với các âm thanh từ môi trường<br /> xung quanh, sóng lan truyền có dạng hình cầu, tỏa ra mọi hướng và có tần số tập<br /> <br /> <br /> 88 P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> trung trong dải 100-500Hz [2,3,4]. Do đó, trong các hệ thống cần phải nhận dạng<br /> loại đạn, việc sử dụng sóng xung kích có lợi thế hơn, nhưng đòi hỏi phải có đủ<br /> thông tin thống kê một số đặc trưng của các loại đạn. Với các hệ thống chỉ cần xác<br /> định vị trí của hỏa lực thì việc thu và xử lý tiếng nổ đầu nòng là giải pháp đơn giản<br /> hơn mà vẫn đạt được các yêu cầu về độ chính xác và thời gian xử lý [4].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Dạng tín hiệu sóng âm của đạn [2].<br /> 2.2. Nguyên lý TDOA trong định vị hỏa lực bằng sóng âm<br /> Trong các bài toán định vị thụ động, nguyên lý TDOA được sử dụng rộng rãi,<br /> có thể định vị với độ chính xác cao. Với các hệ thống định vị hỏa lực, các sensor<br /> thu âm được đặt tại các vị trí sao cho cự ly đến điểm đặt hỏa lực khác nhau, do đó<br /> thời điểm sóng âm truyền tới các sensor cũng khác nhau như trên hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Lan truyền của tiếng đạn nổ đến sensor [5].<br /> Bên cạnh đó, hiệu cự ly R12 có thể biểu diễn qua tọa độ của các điểm M, S1 và<br /> S2. Do đó ta có phương trình [1,5]:<br /> 2 2 2 2 2 2<br /> Vat .t12   x1  x    y1  y    z1  z    x2  x    y2  y    z2  z  (1)<br /> <br /> Phương trình (1) được gọi là phương trình TDOA. Trong không gian 3 chiều, để<br /> tìm tọa độ (x, y, z) của nguồn âm, cần tối thiểu 3 phương trình TDOA độc lập<br /> tuyến tính, tương ứng cần có 4 sensor không cùng nằm trong một mặt phẳng. Khi<br /> đó, hệ phương trình TDOA cho 4 sensor có dạng [1,5]:<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 89<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br />  V .t  x  x 2  y  y 2  z  z 2  x  x 2  y  y 2  z  z 2<br />  at 12 1   1  1   2   2   2 <br />  2 2 2 2 2 2<br /> Vat .t23   x2  x    y2  y    z2  z    x3  x    y3  y    z3  z  (2)<br /> <br />  Vat .t34  ( x3  x) 2  ( y3  y ) 2  ( z3  z ) 2  ( x4  x) 2  ( y4  y ) 2  ( z4  z ) 2<br /> <br /> trong đó: (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), (x4, y4, z4) tương ứng là tọa độ của 4<br /> sensor S1, S2, S3 và S4.<br /> Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình TDOA (2) đã được trình bày trong nhiều<br /> tài liệu, nhất là [5] cho thấy, hệ phương trình TDOA thường có 2 nghiệm. Do đó,<br /> bài toán định vị theo nguyên lý TDOA sẽ xác định được 2 điểm, trong đó có 1<br /> điểm ảo. Để loại trừ các nghiệm ảo, có thể sử dụng các thông tin tiên nghiệm về vị<br /> trí nguồn âm hoặc cần có thêm một hay nhiều trạm thu âm cùng hoạt động. Với các<br /> hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa, nguyên lý TDOA mang lại nhiều ưu điểm như:<br /> thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ triển khai, lắp đặt và sử dụng, giá thành thấp hơn các<br /> phương pháp khác, nhưng lại có khả năng phát hiện, tính toán định vị nhanh,<br /> không cần biết thời điểm đạn nổ. Ngoài ra, phương pháp định vị TDOA còn có thể<br /> khử được nhiễu và sai số do các sensor gây ra do sử dụng các phép hiệu (-). Một số<br /> hệ thống định vị đặc biệt cần phải kết hợp thêm một số phương pháp khác như:<br /> định vị bằng laser, ống nhòm, camera...<br /> <br /> 3. HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA<br /> 3.1. Mô hình hệ thống<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô hình hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa<br /> Mô hình hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa được trình bày như trên<br /> hình 3, gồm: 2 Trạm định vị và Trung tâm xử lý. Tại mỗi trạm định vị, cụm sensor<br /> gồm 4 sensor thu âm được bố trí trên đỉnh của tứ diện đều (bảo đảm 4 sensor<br /> <br /> <br /> 90 P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> không đồng thời nằm trên một mặt phẳng), tín hiệu sóng âm từ tiếng đạn nổ được<br /> các sensor thu nhận và đưa tới khối thực hiện giải bài toán định vị cùng với tọa độ<br /> của trạm do máy thu GPS cung cấp. Thông tin từ các Trạm định vị được đóng gói<br /> và truyền về Trung tâm xử lý qua hệ thống thông tin vô tuyến. Tại đây, máy tính<br /> trung tâm sẽ xác định được bộ tham số định vị chính xác, hiển thị trên bản đồ số,<br /> đồng thời ra lệnh điều khiển camera nhanh chóng quay về hướng mục tiêu, hiển thị<br /> hình ảnh mục tiêu trên màn hình quan sát.<br /> 3.2. Sơ đồ chức năng hệ thống tự động phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa<br /> 3.2.1. Sơ đồ chức năng của Trạm định vị<br /> Sơ đồ chức năng của trạm định vị được xây dựng như trên hình 4, cụm sensor<br /> được thiết kế gồm 4 tạo ra 3 cặp TDOA độc lập với nhau. Sensor trạng thái và máy<br /> thu GPS sẽ cho biết thông tin về vị trí và hướng đặt của cụm sensor, từ đó xác định<br /> được tọa độ của mỗi sensor. Tín hiệu sóng âm từ tiếng nổ đầu nòng được 4 sensor<br /> thu tại 4 thời điểm khác nhau. Do đặc tính của tín hiệu tiếng nổ đầu nòng của đạn,<br /> khâu lọc thông dải 100-500Hz sẽ ngăn chặn và làm suy hao các tín hiệu không có<br /> ích. Tín hiệu tiếp tục đưa tới khối phát hiện ngưỡng để xác định các thời điểm của<br /> xuất hiện tín hiệu tiếng nổ. Bộ ADC thực hiện biến đổi tín hiệu thành tín hiệu số,<br /> thuận tiện cho các thuật toán xử lý và nhận dạng tín hiệu. Khối lọc tương quan sẽ<br /> xác định mối tương quan giữa các cặp tín hiệu thu được trên các cặp sensor tương<br /> ứng, nhằm bảo đảm tín hiệu thu được là tín hiệu sóng âm của đạn nổ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Sơ đồ chức năng của Trạm định vị.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 91<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> Thời điểm đến của tín hiệu tại 4 sensor cùng với tọa độ các sensor là những<br /> tham số quan trọng trong hệ phương trình TDOA. Kết quả việc giải hệ phương<br /> trình TDOA sẽ xác định tọa độ (x, y, z) của điểm nổ. Thông tin định vị một mặt<br /> được hiển thị tại chỗ, đồng thời được đóng gói và truyền về Trung tâm xử lý qua<br /> thiết bị thông tin vô tuyến.<br /> 3.2.2. Sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý<br /> Hình 5 mô tả sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý. Thông tin định vị nhận<br /> được từ các Trạm định vị qua thiết bị thông tin vô tuyến được khối Điều khiển<br /> trung tâm tách ra gồm: tọa độ Trạm định vị, tọa độ điểm nổ... sẽ truyền tới Máy<br /> tính trung tâm. Tại đây, phần mềm máy tính sẽ loại bỏ các tọa độ ảo, chính xác hóa<br /> tọa độ định vị, lưu trữ và hiển thị trên bản đồ số, đồng thời đưa tới khối Điều khiển<br /> trung tâm thực hiện điều khiển hệ thống camera quan sát quay về vị trí đặt hỏa lực.<br /> Bàn điều khiển được sử dụng trong trường hợp cần thiết lập chế độ làm việc của hệ<br /> thống camera, thiết bị ghi hình, chế độ hiển thị... bằng tay. Tín hiệu video từ<br /> camera quan sát được đưa tới thiết bị ghi hình và hiển thị trên màn hình.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý.<br /> 3.3. Một số kết quả tính toán và đánh giá<br /> Phần mềm máy tính trung tâm được xây dựng trên ngôn ngữ Visual Basic có<br /> giao diện như trên hình 6, thực hiện một số chức năng cơ bản sau:<br /> - Phân tích thông tin từ các Trạm định vị để loại bỏ các tọa độ ảo (do tính chất<br /> của hệ phương trình TDOA đã trình bày ở trên), chính xác hóa tọa độ điểm nổ;<br /> - Hiển thị thông tin định vị trên bản đồ số, lưu trữ thông tin hoạt động, điều<br /> khiển hệ thống camera để quan sát mục tiêu.<br /> <br /> <br /> 92 P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Mô phỏng việc giải bài toán định vị TDOA dựa trên các thông tin lưu trữ thực<br /> tế hoặc lựa chọn giả định.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Giao diện phần mềm và kết quả tính toán.<br /> Một trong các chức năng mô phỏng của phần mềm cho phép kiểm nghiệm thuật<br /> toán giải hệ phương trình TDOA trên máy tính phục vụ cho việc thiết kế Trạm<br /> định vị. Với tính chất của bài toán định vị hỏa lực bắn tỉa (phạm vi phát hiện từ 50-<br /> 300m), hoàn toàn có thể giả thiết sóng âm được lan truyền trong điều kiện bình<br /> thường (Vat  340m/s). Trên cơ sở tọa độ (kinh độ, vĩ độ và độ cao) của cụm sensor<br /> và điểm nổ giả định được chọn tùy ý trên bản đồ số (trong phạm vi 50-300m), phần<br /> mềm sẽ xác định TDOA cho các cặp sensor, thực hiện giải hệ phương trình TDOA<br /> để xác định tọa độ điểm nổ tính toán. Bảng 1 thể hiện một số kết quả tính toán theo<br /> hai tham số cơ bản (cự ly và phương vị) với nhiều vị trí của cụm sensor và điểm nổ<br /> giả định khác nhau, với các cự ly từ 50-300m ở các góc phương vị khác nhau. So<br /> sánh số liệu tính toán và giả định cho thấy, sai số về cự ly đạt < 8,5x10-6 %, sai số<br /> phương vị < 1.21x10-9 độ.<br /> Bảng 1. Kết quả tính toán so với số liệu giả định.<br /> T Điểm nổ giả định Điểm nổ tính toán Sai số tính toán<br /> T Cự ly (m) Phương vị (độ) Cự ly (m) Phương vị (độ) Cự ly (%) Phương vị (độ)<br /> 51.762943 92.68174088 51.762943 92.68174088<br /> 1 0.0000001 0.00000000008<br /> _869 _269 _867 _277<br /> 115.925808 72.68380902 115.925808 72.68380902<br /> 2 0.0000004 0.00000000022<br /> _595 _206 _600 _227<br /> 138.485462 228.20927897 138.485462 228.20927897<br /> 3 0.0000002 0.00000000041<br /> _350 _249 _348 _209<br /> 146.214732 46.14386406 146.214732 46.14386406<br /> 4 0.0000009 0.00000000121<br /> _918 _616 _928 _736<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 93<br />  Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> 150.766555 314.57483415 150.766555 314.57483415<br /> 5 0.0000009 0.00000000118<br /> _425 _390 _416 _508<br /> 161.648744 155.84464429 161.648744 155.84464428<br /> 6 0.0000004 0.00000000048<br /> _130 _037 _134 _989<br /> 179.669738 0.93385212 179.669738 0.93385212<br /> 7 0.0000006 0.00000000000<br /> _487 _290 _481 _290<br /> 192.080619 272.00608146 192.080619 272.00608146<br /> 8 0.0000049 0.00000000028<br /> _609 _709 _560 _736<br /> 231.133410 88.85643503 231.133410 88.85643503<br /> 9 0.0000085 0.00000000023<br /> _617 _732 _702 _755<br /> 1 245.304790 335.54465811 245.304790 335.54465811<br /> 0.0000008 0.00000000063<br /> 0 _075 _701 _067 _764<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống<br /> phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý định vị TDOA sóng âm<br /> kết hợp với camera quan sát. Trong trường hợp các thông số đầu vào đủ chính xác,<br /> kết quả giải bài toán định vị TDOA trên máy tính cho thấy: sai số tính toán không<br /> đáng kể, thời gian tính toán nhanh. Đây là những kết quả quan trọng, làm tiền để<br /> cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống tự động phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa<br /> phục vụ an ninh quốc phòng và các ứng dụng khác. Tuy nhiên trong thực tế, độ<br /> chính xác của máy thu GPS và tính thời gian trễ truyền sóng luôn có sai số, phụ<br /> thuộc vào nhiều yếu tố, ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác định vị của hệ<br /> thống sẽ là những hướng tiếp theo cần nghiên cứu giải quyết.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Anish Chandak, “Sound Localization Using Microphone Arrays”, The<br /> University of North Carolina at Chapel Hill, USA, 2006.<br /> [2]. David Lindgren, Olof Wilsson Fredrik, Gustafsson, Hans Habberstad,<br /> “Shooter Localization in Wireless Sensor Networks”, Swedish Defence<br /> Research Agency, Linkăoping, Sweden, 2010.<br /> [3]. Gregory L. Duckworth, James E. Barger, Douglas C. Gilbert, “Acoustic<br /> counter-sniper system”, United States Patent, 2001.<br /> [4]. Janos Sallai, Peter Volgyesi, Ken Pence and Akos Ledeczi, “Fusing<br /> Distributed Muzzle Blast and Shockwave Detections”, 14th International<br /> Conference on Information Fusion Chicago, Illinois, USA, 2011.<br /> [5]. Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from<br /> four stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA,<br /> 2002.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 94 P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ABSTRACT<br /> BUILDING THE SYSTEM DETECTING AND POSITIONING<br /> THE SNIPER RIFLES BASED ON PRINCIPLE TDOA OF SOUND WAVES<br /> <br /> The article presents some results in researching and building the system<br /> detecting and positioning the sniper rifles based on principle TDOA of sound<br /> waves. By using the acoustic sensors set in different locations, the system<br /> determines the delay time of sound waves transmited from the acoustic source<br /> to the sensors to position the rifles, and control camera to observe the target.<br /> The solution was been tested and experimented on the computer and<br /> archieved some positive results, this is as the premise for researching and<br /> manufacturing the systems detecting and positioning the sniper rifles for the<br /> security and defense activities.<br /> <br /> Keywords: Sniper shooter, Sniper rifles, Acoustic position, TDOA, Hypebolic position.<br /> <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 /> <br /> Địa chỉ: Viện Điện tử/ Viện KH-CN quân sự.<br /> * Email: phamhoa.vdt@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015 95<br />