(Luận văn thạc sĩ hcmute) xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TIẾN LÊN

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG KỸ THUẬT
XÁC ĐỊNH SAI LỆCH THỜI GIAN ĐẾN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIÊN TỬ - 605270

S KC 0 0 3 9 7 7

Tp. Hồ Chí Minh, 2013

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TIẾN LÊN

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG KỸ THUẬT
XÁC ĐỊNH SAI LỆCH THỜI GIAN ĐẾN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2013.

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TIẾN LÊN

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG KỸ THUẬT XÁC ĐỊNH

SAI LỆCH THỜI GIAN ĐẾN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Tiến sỹ ĐỖ HỒNG TUẤN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2013.

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

LÝ LỊCH CÁ NHÂN
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ và tên: Nguyễn Tiế n Lên.

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 27/4/1969.

Nơi sinh: Hải Dương

Quê quán: Tứ Xuyên – Tứ Kỳ – Hải Dương

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 185/3 – Đường 8 – Khu Phố 1-Phường Linh Xuân – Quận

Thủ Đức – Tp Hồ Chí Minh.
Điện thoại : 0982270469
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Cao đẳ ng:
Hê ̣ đào ta ̣o: Chính quy tập trung

Thời gian từ 9/1986 đến 8/1990.

Nơi học: Trường Sỹ Quan Chỉ Huy Kỹ Thuâ ̣t Thông Tin – Tp Nha Trang.
Ngành học: Thông Tin Hữu Tuyế n Điê ̣n
Tên môn thi tốt nghiệp:
1-Chuyên ngành tổng hợp Kỹ thuật Thông Tin Hữu Tuyến Điện .
2-Công Tác Đảng-Cơng Tác Chính Trị.
Đại học:
Hệ đào tạo: Hồn thiện đại học chính quy Thời gian từ 9/2003 đến 8/2004.
Nơi học: Trường Sỹ Quan Chỉ Huy Kỹ Thuâ ̣t Thông Tin – Tp Nha Trang..
Ngành học: Kỹ Thuật Viễn Thông Quân Sự
Tên môn thi tốt nghiệp:
1-Chuyên ngành tổng hợp Kỹ thuật viễn thơng qn sự.
2-Cơng Tác Đảng-Cơng Tác Chính Trị.

-i-

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian
Từ 10/2004–2/2005
Từ 3/2005 đến nay

Nơi công tác
Trung Tâm Thông Tin 67 –
Quân Chủng Hải Quân
Khoa Thông Tin Ra ĐaTrường Trung Cấ p Hải Quân

- ii -

Luan van

Công việc đảm nhiệm
Chỉ huy bảo đảm Thông Tin
Giáo Viên Thông Tin


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm !
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 3 năm 2013

Nguyễn Tiế n Lên

- iii -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

CẢM TẠ
Lời đầu tiên, cho em xin phép được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Tiến
sỹ Đỗ Hồng Tuấn, người đã trực chỉ bảo và, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn
để cho em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện – Điện tử Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và quý thầy cô Trường Đại học Bách
khoa Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt các kiến thức quý báu
cho em trong suốt thời gian học tại trường.
Em xin cảm ơn quý thầy cô, các anh chị phòng Đào tạo Sau đại học trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, giải đáp các vướng
mắc về các thủ tục hành chính cho tơi trong thời gian học vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn Đảng ủy và Ban giám hiệu Trường TCKT Hải
Quân, cùng toàn thể các đồng chí, đồng đội trong Khoa Thông Tin Ra Đa - Trường
TCKT Hải Quân đã tạo điều kiện về thời gian và động viên tinh thần để cho em
hồn thành khóa học và hoàn thành luận văn này.
Em xin cảm ơn cha mẹ và tất cả mọi người trong gia đình đã động viên, giúp

đỡ em trong suốt khoảng thời gian đã qua, giúp con hiểu lẽ phải, sống vì những lý
tưởng cao cả, vì những điều tốt đẹp nhất và vì tất cả những gì cha mẹ mong muốn
nhưng con chưa thực hiện được.
Em xin cảm ơn tất cả các bạn bè trong lớp cao học Kỹ thuật Điện tử khóa
2009 – 2011 và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ và khích lệ trong thời gian học tập
cũng như trong thời gian thực hiện luận văn này.
Học viên
Nguyễn Tiến Lên

- iv -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

TÓM TẮT
Luận văn gồm 5 chương, các chương nghiên cứu nội dung như sau:
Chƣơng 1: Tìm hiểu khái quát các phương pháp xác định vị trí và sự phát triển
của phương pháp định vị bằng kỹ thuật sai lệch thời gian đến, các ưu điểm, thuận
lợi so với phương pháp khác, yêu cầu cần giải quyết của của phương pháp này và
mơ hình bài tốn ước lượng vị trí bằng kỹ thuật sai lệch thời gian đến
Chƣơng 2: Tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp ước lượng chênh lệch thời gian
đến bằng các phương pháp khác nhau, trong đó có phương pháp pháp sử dụng tốn
học thông thường: ASDF và kỹ thuật tương quan chéo, các phương pháp dựa trên
kỹ thuật tương quan chéo để nâng cao độ chính xác; Ngồi ra con nghiên cứu về bộ
lọc thích nghi và sử dụng bộ lọc thích nghi bình phương tối thiểu để xác định sai
lệch thời gian đến.

Chƣơng 3: Tìm hiểu các giải thuật định vị nguồn tín hiệu dự vào kết quả ước
lượng sai lệch thời gian đến, gồm phương pháp giải tích, phương pháp chuỗi
Taylor, phương pháp Bertrand T.Fang, phương pháp Friedlander, phương pháp
Chan-Hoo và nêu ưu nhược điểm của mỗi phương pháp. Tìm hiểu về phương pháp
đánh giá kết quả ước lượng và đánh giá kết quả của các giải thuật xác định vị trí.
Chƣơng 4: Mô phỏng kết quả nghiên cứu gồm 2 phần sau:
Phần 1: Mô phỏng kết quả các phương pháp và so sánh kết quả ước lượng
sai lệch thời gian đến của các phương pháp đã nghiên cứu với các loại tín hiệu ngẫu
nhiên, tín hiệu thực và tín hiệu phản xạ đa đường khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu
(SNR) thay đổi.
Phần 2: Mô phỏng kết quả các giải thuật ước vị trí với số trạm và mức độ
nhiễu sai lệch vị trí khác nhau và so sánh kết quả sai số của mỗi phương pháp cũng
như kết quả của từng phương pháp khi sử dụng số trạm tham gia định vị khác nhau
Chƣơng 5: Kết luận, tồn tại và hướng nghiển cứu phát triển của đề tài.

-v-

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân ................................................................................................................. i
Lời cam đoan .................................................................................................................. iii
Cảm tạ ............................................................................................................................ iv
Tóm tắt ............................................................................................................................ v
Mục lục ........................................................................................................................... vi
Danh sách các chữ viết tắt ............................................................................................... x
Danh sách các hình......................................................................................................... xi
Danh sách các bảng ...................................................................................................... xiv
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ...................................... 1
1.1 Tổng quan về xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến............. 1
1.1.1 Tổng quan kỹ thuật xác định vị trí ........................................................................ 1
1.1.2 Tổng quan về kỹ thuật định vị TDOA ................................................................... 3
1.1.3 Một số vấn đề tồn tại, yêu cầu đối kỹ thuật định vị TDOA ................................... 8
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................... 10
1.3 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ........................................................ 10
1.4 Giới hạn đề tài ........................................................................................................ 11
1.5 Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 11
Chƣơng 2: XÁC ĐỊNH SAI LỆCH THỜI GIAN ĐẾN .......................................... 12
2.1 Các phương thức ước lượng sai lệch thời gian đến ................................................ 12
2.2 Mơ hình tín hiệu ...................................................................................................... 13
2.2.1 Mơ hình cho tín hiệu tương tự ............................................................................. 13
2.2.2 Mơ hình cho tín hiệu số ........................................................................................ 14
2.3 Kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến ................................................................ 14

- vi -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

2.3.1 Phương pháp hàm sai phân bình phương trung bình ........................................... 15
2.3.2 Phương pháp sử dụng kỹ thuật tương quan chéo ................................................. 16
2.32.1 Bộ xử lí Roth ...................................................................................................... 21
2.32.2 Bộ xử lý kết hợp phần mềm SCOT (Smoothed Coherence Transform) ........... 22
2.3.2.3 Bộ xử lý trích pha -PHAT (Phase Transform) .................................................. 23
2.3.2.4 Bộ xử lý Eckart ................................................................................................. 24
2.3.2.5 Bộ xử lý Maximum Likehihood ........................................................................ 25
2.3.3 Phương pháp sử dụng bộ lọc thích nghi bình phương tối thiểu ........................... 30
2.3.3.1 Cấu trúc của các bộ lọc thích nghi và thuật tốn bình phương tối thiểu ........... 30
a) Cấu trúc của các bộ lọc thích nghi ........................................................................ 30
b) Thuật tốn thích nghi bình phương tối thiểu . ...................................................... 32
c) Thuật tốn thích nghi bình phương tối thiểu có dấu ............................................ 35
d) Thuật tốn thích nghi bình phương tối thiểu chuẩn hóa ...................................... 35
2.3.3.2 Xác định sai lệch thời gian đến sử dụng bộ lọc thích nghi . ............................. 36
Chƣơng 3: THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ .................................................... 38
3.1 Giới thiệu................................................................................................................. 38
3.2 Mơ hình ước lượng TDOA tổng qt ................................................................... 39
3.3 Các giải thuật định vị ............................................................................................. 40
3.3.1 Phương pháp giải tić h . ........................................................................................ 40
3.3.2 Phương pháp bình phương nhỏ nhất . .................................................................. 41
3.3.3 Phương pháp chuỗi Taylor .................................................................................. 42
3.3.4 Phương pháp Bertrand T.Fang. ............................................................................ 44
3.3.5 Phương pháp Friedlander .................................................................................... 45
3.3.6 Phương pháp của Y.T.Chan và K.C.Ho ............................................................... 48
3.3.6.1 Phương pháp của Y.T.Chan và K.C.Hokhi chỉ có ba trạm . ............................. 49
3.3.6.2 Phương pháp của Y.T.Chan và K.C.Ho khi có nhiều hơn 3 trạm ................... 49
3.4 Đánh giá sai số của ước lượng vị trí . ..................................................................... 56

3.4.1 Lỗi trung bình tồn phương RMSE (Root Mean Square Error) ......................... 56

- vii -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

3.4.2 Cận dưới CRLB (Cramer – Rao Lower Bound) ................................................. 57
Chƣơng 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................... 59
4.1 Mô phỏng kết quả ước lượng sai lệch thời gian đến ............................................... 59
4.1.1 Kết quả ước lượng sai lệch thời gian đến của từng phương pháp........................ 59
4.1.1.1 Các điều kiện ban đầu . ..................................................................................... 59
4.1.1.2 Thực hiện ước lượng trễ bằng các phương pháp............................................... 59
4.1.2 So sánh kết quả ước lượng của từng phương pháp khi tỷ số SNR thay đổi ....... 65
4.1.2.1 Khi tín hiệu và nhiễu được tạo ngẫu nhiên ...................................................... 65
4.1.2.2 Khi tín hiệu thực và nhiễu được tạo ngẫu nhiên .............................................. 68
4.1.2.3 Khi tín hiệu thực và nhiễu thực. ....................................................................... 72
4.1.2.4 Khi tín hiệu thực và nhiễu đa đường ................................................................ 75
4.2 Thuật toán ước lượng vị trí ................................................................................. 79
4.2.1 Các điều kiện thiết lập ban đầu . .......................................................................... 79
4.2.2 Kết quả mô phỏng các giải thuật TDOA ............................................................. 81
4.2.2.1 Kết quả mô phỏng từng phương pháp .............................................................. 81
4.2.2.2 So sánh các phương pháp ứng với cùng số trạm BS. ........................................ 84
4.2.2.3 So sánh các thuật toán lỗi TDOA ..................................................................... 87
Kết luận và hƣớng phát triển ..................................................................................... 92
5.1 Kết quả nghiên cứu đã đạt được ............................................................................ 92

51.1 Phương pháp xác định sai lệch thời gian đến........................................................ 92
5.1.2 Thuật toán xác định vị trí ..................................................................................... 92
5.1.3 Những vấn đề còn tồn tại của đề tài ..................................................................... 93
5.2 Hướng phát triển của đề tài ..................................................................................... 93
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 94
Phụ lục 1: Mã nguồn Matlab mô phỏng ước lượng sai lệch thời gian đến .................. 97
Phụ lục 2: Mã nguồn Matlab mô phỏng các giải thuật xác định vị trí ....................... 120

- viii -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
AOA

Angle Of Arrival

ASDF

Average Square Difference Function

BS (BTS)

Base Station

CC

Cross Correlation

Cell-ID

Cell Identification

CRLB

Cramer Rao Lower Bound

GCC

Generalized Cross Correlation

LMS

Least Mean Square

LS

Least Square

ML

Maximum Likelihood

MS

Mobile Station

NMLMS

Nomalized Least Mean Square

PHAT

Phase Transform

PDF

Probability Density Function

RMS

Root Mean Square

RMSE

Root Mean Square Error

SCOT

Smoothed Coherence Transform

Sign LMS

Sign Least Mean Square

SNR

Signal to Noise Ratio

TDOA

Time Difference Of Arrival (Time Delay Of Arrival)

TOA

Time Of Arrival

TDE

Time Delay Estimation

- ix -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Mơ hình bài tốn xác định vị trí bằng kỹ thuật TDOA

06

Hình 2.1

Sơ đồ ước lượng TDOA bằng phương pháp tương quan

18

Hình 2.2

Cấu trúc của bộ lọc thích nghi

32

Hình 3.1

Mơ hình xác định vị trí dùng kỹ thuật TDOA

39

Hình 4.1 (a)

: Ước lượng TDE bằng hàm ASDF

60

Hình 4.1 (b

Ước lượng TDOA bằng phương pháp CC

60

Hình 4.1 (c)

Ước lượng TDOA bằng bộ xử lý xung Roth

61

Hình 4.1 (d)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc SCOT

61

Hình 4.1 (e)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc PHAT

61

Hình 4.1 (f)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc Eckart

62

Hình 4.1 (g)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc ML

63

Hình 4.1 (h)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc thích nghi LMS

63

Hình 4.1 (i)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc thích nghi sign LMS

64

Hình 4.1 (j)

Ước lượng TDOA bằng bộ lọc thích nghi NMLMS

64

Hình 4.2 (a)

Sai số ước lượng TDOA của phương pháp ASDF và CC

với tín hiệu và nhiễu được tạo ngẫu nhiên

Hình 4.2 (b)

Sai số ước lượng TDOA của bộ xử lý Roth và SCOT
với tín hiệu và nhiễu được tạo ngẫu nhiên

Hình 4.2 (c)

66

Sai số ước lượng TDOA của bộ xử lý ML và bộ lọc LMS
với tín hiệu và nhiễu được tạo ngẫu nhiên.

Hình 4.3 (e)

66

Sai số ước lượng TDOA của bộ xử lý PHAT và Eckart
với tín hiệu và nhiễu được tạo ngẫu nhiên

Hình 4.2 (d)

65

67

Sai số ước lượng TDOA của bộ lọc sign LMS và NMLMS
với tín hiệu và nhiễu được tạo ngẫu nhiên

-x-

Luan van

67


Luận văn Thạc sĩ

Hình 4.3 (a)

Mục lục

Sai số ước lượng của phương pháp ASDF và CC, với tín
hiệu thực và nhiễu ngẫu nhiên

Hình 4.3 (b)

Sai số ước lượng của bộ xử lý Roth và SCOT, với tín hiệu
thực và nhiễu ngẫu nhiên

Hình 4.3 (c)

69

Sai số ước lượng của bộ xử PHAT và Eckart, với tín hiệu
thực và nhiễu ngẫu nhiên

Hình 4.3 (d)

69

Sai số ước lượng của bộ xử lý ML và bộ lọc LMS, với tín
hiệu thực và nhiễu ngẫu nhiên

Hình 4.3 (e)

72

Sai số ước lượng của bộ xử lý Roth và SCOT, với tín hiệu
thực và nhiễu thực

Hình 4.4 (c)

72

Sai số ước lượng của bộ xử PHAT và Eckart với tín hiệu
thực và nhiễu thực

Hình 4.4 (d)

73

Sai số ước lượng của bộ xử ML và bộ lọc LMS, với tín
hiệu thực và nhiễu thực

Hình 4.4 (e)

73

Sai số ước lượng của bộ lọc Sign LMS và NMLMS, với
tín hiệu thực và nhiễu thực

Hình 4.5 (a)

76

Sai số ước lượng của bộ xử lý PHAT và Eckart, khi tín
hiệu thực có nhiễu đa đường

Hình 4.5 (d)

76

Sai số ước lượng của bộ xử lý Roth và SCOT, khi tín hiệu
thực có nhiễu đa đường

Hình 4.5 (c)

74

Sai số ước lượng của phương pháp ASDF và GCC, khi tín
hiệu thực có nhiễu đa đường

Hình 4.5 (b)

70

Sai số ước lượng của phương pháp ASDF và GCC, với tín
hiệu thực và nhiễu thực

Hình 4.4 (b)

70

Sai số ước lượng của bộ lọc Sign-LMS và NMLMS, với
tín hiệu thực và nhiễu ngẫu nhiên

Hình 4.4 (a)

68

77

Sai số ước lượng của bộ xử lý ML và bộ lọc LMS, khi tín
hiệu thực có nhiễu đa đườn

- xi -

Luan van

77


Luận văn Thạc sĩ

Hình 4.5 (e)

Hình 4.6

Mục lục

Sai số ước lượng của bộ lọc sign LMS và NMLMS, khi tín
hiệu thực có nhiễu

78

Tọa độ của các trạm BS BS tham gia ước lượng vi trí

80

Kết quả mơ phỏng giải thuật TDOA từng phương pháp
Hình 4.7 (a)

Thuật tốn Taylor

81

Hình 4.7 (b)

Thuật tốn Chan-Hoo

81

Hình 4.7 (c)

Thuật tốn Friedlander

82

Hình 4.7 (d)

Phương pháp Fang (với số trạm N=3).

82

Hình 4.8 (a)

So sánh các thuật tốn với số trạm định vị N=7

84

Hình 4.8 (b)

So sánh các thuật tốnvới số trạm định vị N=6

84

Hình 4.8 (c)

So sánh các thuật tốnvới số trạm định vị N=5

85

Hình 4.8 (d)

So sánh các thuật tốnvới số trạm định vị N=4

85

Hình 4.8 (e)

So sánh các thuật tốnvới số trạm định vị N=3

86

Hình 4.9 (a)

So sánh các thuật tốn với E(Rtdoa)=20 m

87

Hình 4.9 (b)

So sánh các thuật tốn với E(Rtdoa) =50 m

87

Hình 4.9 (c)

So sánh các thuật tốn với E(Rtdoa) =80 m

88

Hình 4.9 (d)

So sánh các thuật tốn với E(Rtdoa) =120 m

88

Hình 4.9 (e)

So sánh các thuật tốn với E(Rtdoa) =180 m

89

Hình 4.9 (f)

So sánh các thuật tốn với E(Rtdoa) =250 m

89

Hình 4.9 (g)

Thuật toán Fang với các mức E(tdoa) khác nhau

90

- xii -

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng
Bảng 2.1

Bảng 4.1

Bảng 4.2

Bảng 4.3
Bảng 4.4

Tên bảng
Các hàm trọng số  ( f ) của các bộ xử lí khác nhau

Trang
20

Ngưỡng tin cậy và lỗi trung bình của các phương pháp (khi
tín hiệu thực và nhiễu ngẫu nhiên)

71

Ngưỡng tin cậy và lỗi trung bình của các phương pháp (khi
tín hiệu thực và nhiễu thực)

74

Ngưỡng tin cậy và lỗi trung bình của các phương pháp (khi
tín hiệu thực có nhiễu đa đường)

Bảng 4.4 - So sánh các thuật tốn ước lượng vị trí

- xiii -

Luan van

78
91


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN-VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan về xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến.
1.1.1 Tổng quan kỹ thuật xác định vị trí
Định vị và kỹ thuật xác định vị trí các vật thể là một vấn đề nhận được nhiều
sự quan tâm nghiên cứu và nó có rất nhiều ứng dụng trong quân sự, giao thơng, an
ninh,… Để có thể định vị được một vật thể, người ta sử dụng các tín hiệu là sóng
âm, sóng vơ tuyến hoặc tia hồng ngoại,… Mỗi dạng tín hiệu có đặc trưng riêng và
được ứng dụng trong những điều kiện khác nhau. Ngày nay khi khoa học kỹ thuật
phát triển, kỹ thuật định vị được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời
sống xã hội.
Trong mạng viễn thơng kỹ thuật xác định vị trí ngày càng được ứng dụng rộng rãi
và rất đa dạng về dịch vụ. Có nhiều phương pháp và kỹ thuật định vị khác nhau, có
những kỹ thuật định vị phải thay thay đổi cấu trúc phần cứng của nhà cung cấp và
người sử dụng dịch vụ, có kỹ thuật chỉ cần thay đổi cấu trúc phần cứng của nhà
cung cấp và cũng có kỹ thuật định vị chỉ cần thay đổi về phần mềm. Các phương
pháp xác định vị trí được áp dụng phổ biến hiện nay bao gồm các phương pháp sau:
1- Xác định vị trí dựa suy hao của tín hiệu đến: là phương pháp đo cường độ tín
hiệu để xác định mức suy hao, rồi từ đó xác định vị trí của người sử dụng mạng

viễn thơng. Kỹ thuật này có độ chính xác khơng cao, nên ít được sử dụng.
2- Xác định vị trí dựa vào vị trí của đỉểm thu (Base station-BS cịn gọi là
Cell identification – Cell ID): là phương pháp căn cứ vào vị trí đặt anten thu phát
sóng mà người sử dụng để liên lạc để xác định vị trí. Phương pháp này cũng có độ
chính xác khơng cao, chỉ xác định được vùng hay khu vực của đối tượng cần xác
định. Ở những vùng có mật độ trạm thu phát thấp như vùng nơng thơn thì kết quả
càng kém chính xác.

1

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

3 - Xác định vị trí dựa vào góc đến của tín hiệu (AOA - Angle of Arrival): là
phương pháp sử dụng hệ thống anten đa sắp xếp (ănten dãy) để ước lượng hướng
đến của tín hiệu. Nó cần có ít nhất hai anten ước lượng góc đến ở hai vị trí khác
nhau, để xác định được vị trí từ giao điểm của góc đến ước lượng. Khi có nhiều
anten cùng xác định góc đến thì độ chính xác của ước lượng vị trí sẽ tăng lên. Tuy
nhiên phương pháp này chỉ phù hợp với các mạng mới phát triển vì khơng phải loại
bỏ anten cũ, vả lại giá thành của anten rất đắt và có yêu cầu rất khắt khe về lắp đặt
và bảo dưỡng nên nó cũng ít được sử dụng.
4- Xác định vị trí dựa vào thời gian đến của tín hiệu (Time of arrival -TOA):
phương pháp này xác định vị trí căn cứ vào thời gian truyền tín hiệu từ nơi phát đến
anten để tính ra khoảng cách, phương pháp này cần ít nhất là 3 điểm thu để xác định
được vị trí trong khơng gian 2 chiều. Tuy nhiên phương pháp này thường tính thời
gian tín hiệu đi từ anten của trạm gốc và thời gian thuê bao thu tín hiệu từ trạm gốc

và trạm gốc thu được tín hiệu trả lời, như vậy kỹ thuật này nó tính cả thời gian đáp
ứng của thuê bao, mà thời gian đáp ứng của mỗi loại thuê bao của một nhà sản xuất
là khác nhau, nên kết quả có độ chính xác khơng cao lắm, nhất là trong mơi trường
tín hiệu khơng phải là truyền thẳng. Vì vậy nó được sử dụng cho hệ thống định vị
vệ tinh, vì trong hệ thống này tín hiệu thường là truyền thẳng.
5- Xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sự sai lệch về thời gian đến của tín hiệu
(Time Difference Of Arrival- TDOA): phương pháp này dựa vào thời gian chênh
lệch của tín hiệu đến giữa các trạm thu để xác định vị trí. Cứ hai trạm thu sẽ xác
định được quỹ đạo một hyperpol mà điểm cần xác định vị trí nằm trên đó (nên
phương pháp này cịn gọi là phương pháp định vị hyperbol, vì vậy trong khơng gian
hai chiều cần phải có ít nhất là ba trạm thu để xác định hai hyperbol, giao điểm của
hai hyperbol là vị trí của th bao. Phương pháp này có ưu điểm là có độ chính xác
cao, vì nó có thể giảm được sự sai lệch về thời gian đến của tín hiệu nếu như tín
hiệu đến 2 trạm thu cùng là là tín hiệu khơng truyền thẳng. Vì vậy đa số các mạng
viễn thơng đều sử dụng phương pháp này. Ngồi ra nó cịn được ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực khác trong cả dân sự lẫn quân sự.

2

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

Ngoài ra trong thực tế người ta đôi khi sử dụng kết hợp cùng lúc 2 hay nhiều
kỹ thuật định vị như : Kỹ thuật kết hợp AOA và TDOA , hoặc kỹ thuật kết hợp Kỹ
thuâ ̣t kế t hơ ̣p AOA và TOA.
1.1.2 Tổng quan về ky ̃ thuâ ̣t đinh

̣ vi TDOA.
̣
Kỹ thuật định vị xác định vị t rí dựa vào sai lêch thời gian đến TDOA (Time
Difference Of Arrival) đã đươ ̣c nhiên cứu và áp du ̣ng rấ t sớm trong liñ h vực đa ̣o
hàng hàng hải để xác định vị trí và dẫn đường cho tàu thuyền và sau này là dẫn
đương cho máy bay khi chúng hoạt động trên đại dương . Vào ngay sau những năm
sau Đại chiến thế giớ 2, người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu và thực hiện, ban
đầu người sử dụng tín hiệu vơ tuyến điện tần số rất thấp (VLF very low frequency)
bằng các hệ thống so sánh pha. Sau đó người ta phát triển các hê ̣ thố ng khác như
OMEGA (vào giữa thập niên 1960s), DECCA và LORAN-C (Long Range
Navigation) và sử du ̣ng băng sóng dài (như hệ thống OMEGA sử dụng tần số 10-14
khz, Hê ̣ thố ng DECCA sử dụng tần số 50khz cho điều biên và 200khz cho điều tần).
Các hệ thống này tiếp tục được mở rộng đến cuối năm

1990 nhằm phụ vụ giao

thông hàng hải và hàng không . Như hê ̣ thố ng DECCA đã thu hút nhiề u nước tham
gia (năm 1987, đã có tới 140 trạm tạo thành 42 chuỗi ở trên 17 quốc gia) và nó được
dùng cả cho đinh
̣ vi ̣và dẫn đường cho máy bay lên thẳ ng hoa ̣t đông ở ven bờ

, sử

dụng dải tần VHF , nhờ sử du ̣ng ma ̣ch vòng khóa pha đã cho kế t quả khá chin
́ h xác
đô ̣ sai lê ̣ch chỉ là 5m (theo Forsell, 1991).
Ưu điểm của hệ thống này là việc tận dụng tần số rất thấp cho phép bao phủ
toàn bộ bề mặt trái đất bằng tám trạm phát sóng . Nhưng vì sử du ̣ng băng sóng dài
nên một chu kỳ tín hiê ̣u chiế m một khoảng thời gian khá dài , trong khi đó tố c đô ̣
truyề n sóng điê ̣n từ l à 3.108m/s, nên viê ̣c xác đinh

̣ vi ̣trí có đô ̣ chin
́ h xác khơng cao
(như độ chính xác vị trí bằng máy thu OMEGA với sai số vị trí vào khoảng 10-30
km).
Khi hê ̣ thố ng thông tin di động phát triển , ngay sau khi chuẩn bị ra đời thế hệ
điện thoại di động thứ 2, hiệp hội thông tin liên bang Hoa Kỳ đặt ra yêu cầu phải
xác định được vị trí của thuê bao điện thoại ở đâu. Vì vậy, ý tưởng định vị cho điện

3

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

thoại di động định vị được ra đời. Sau một thời gian nghiên cứu vào năm 1995 các
hệ thống thông tin di động đã đưa ra dịch vụ cung cấp thơng tin vị trí cho thuê bao
di động. Người ta tiếp tục nghiên cứu các thuật toán và các phương pháp trong kỹ
thuật xác định vị trí đã được thử nghiệm với mức độ thành công khác nhau.
Căn cứ vào nghiên cứu lý thuyết và các kết quả thực nghiệm thì kỹ thuật xác
định vị trí bằng sự khác biệt thời gian đến cho hệ thống di động tế bào đã mang lại
kết quả tốt nhất trong cả khu vực đô thị, ngoại ô, và nơng thơn. Nó cũng chứng tỏ
kết quả tốt nhất trong nghiên cứu cũng như trong thực tế cho các hệ thống di động
kỹ thuật số. Vì vậy phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời
gian đến của tín hiệu là lựa chọn phổ biến vì độ chính xác cao và có thuận lợi để sử
dụng trong các hệ thống di động.
Khi sử dụng phương pháp này có ưu điểm là có thể xác định được vị trí của các
điểm nguồn phát ra tín hiệu (âm thanh, sóng điện từ ...) Mà khơng cần biết thời gian

phát của tín hiệu, nên khơng cần phải sử dụng các kỹ thuật đồng bộ thời gian giữa
điểm nguồn và hệ thống định vị nên nó giảm được giá thành. Đối với các hệ thống
viễn thông di động khi áp dụng phương pháp này, thì mọi thay đổi chỉ diễn ra ở
phần của nhà cung cấp dịch vụ, phần thuê bao của người sử dụng điện thoại di động
vẫn giữ ngun, nên nó được các hãng viễn thơng lựa chọn.
Phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến
được ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị đo lường địa chấn, hệ thống Sonar, hệ
thống xác định vị trí mục tiêu của các tàu ngầm, các hệ thống radar thụ động và các
hệ thống trinh sát điện tử và tác chiến điện tử trong qn đội.
Mơ hình tổng qt của bài tốn xác định vị trí bằng kỹ thuật TDOA
Mơ hình của kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến có thể được xây dựng
như sau:
Giả sử ta có một nguồn phát tín hiệu tại thời điểm điểm t0 chúng ta chưa biết
thời điểm phát tín hiệu t0 và tọa độ vị trí của nó. Để xác định vị trí của điểm nguồn
trong không gian 2 chiều ta cần đặt tối thiểu 3 điểm thu có tọa độ đã biết trước là:

4

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

(x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) ( đối với không gian ba chiều ta cần ít nhất 4 điểm thu) như
hình 1.1

Hình 1.1 - Mơ hình bài tốn xác định vị trí bằng kỹ thuật TDOA
Mặc dù khơng biết thời điểm t0 của tín hiệu, ta sẽ căn cứ vào sai lệch thời gian đến

của tín hiệu ở ba trạm thu để xác định vị trí của nguồn như sau:
Thời gian nhận được tín hiệu đến các điểm thu 1, 2, 3 tương ứng là: ts1, ts2,
ts3. Vậy thời gian của tín hiệu trên khi đến mỗi tương ưng là:
T1 = t0 + ts1
T2 = t0 + ts2
và

T3 = t0 + ts3

Tổng quát ta có : Ti =t 0  t si

(1.1)

Ở đây ta không biết thời gian ban đầu t0 và tsi nhưng dựa vào các thơng tin về thời
gian thu tín hiệu ta sẽ đưa ra phương pháp tính tốn dựa vào sự sai lệch về thời gian
đến của tín hiệu tại các điểm thu. Giả sử ta đã biết vận tốc truyền sóng là v c , ta có
khoảng cách từ điểm nguồn cần xác định là :

R1  t s1vc

5

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

R2  t s2 vc

hay

Ri  tsi vc

R3  t s3vc

(1.2)

Mặt khác tính theo hệ tọa độ Đề Các ta có khoảng cách từ điểm nguồn có đến các
điểm thu như sau:
R1 

 x1  x 

2

  y1  y  ;
2

......
R3 

 x3  x 

2

  y3  y 

2

Tổng quát với khơng gian ba chiều ta có:
Ri 

 xi  x 

2

  yi  y    zi  z 
2

2

với i=1...4

(1.3)

Hiệu khoảng cách từ điểm M đến điểm thu thứ nhất và điểm thu thứ hai là
R2,1 = R2-R1 = (T2- T1).Vc = (ts2- ts1).Vc = ∆t2,1.Vc
∆t22,1.Vc =  x2  x  +  y2  y  -  x1  x    y1  y 
2

2

2

2

(1.4)

Hiệu khoảng cách từ điểm M đến điểm thu thứ nhất và điểm thu thứ ba là
R3,1 = R3-R1 = (T3- T1).Vc = (ts3- ts1).Vc = ∆t3,1.Vc
∆t3,1.Vc =  x3  x    y3  y  -  x1  x    y1  y 
2

2

2

2

(1.5)

Tổng quát ta có:

Ri ,1  ( xi  x ) 2  ( yi  y ) 2  ( x1  x ) 2  ( y1  y ) 2 (với i=2,3...N)

(1.6)

Các biểu thức (1.4) và (1.5) là dạng phương trình của đường hyperbol, vậy tọa độ
(x,y) của nguồn cần xác định vị trí nằm trên giao điểm của 2 hyperbol: hyperbol thứ
nhất có tiêu cự là điểm thu 1 và điểm thu 2 và trục thực là d2,1, hyperbol thứ 2 có
tiêu cự là điểm thu 1 và điểm thu 3 và trục thực là d3,1. Chính vì vậy phương pháp
căn cứ vào thời gian sai lệch của tín hiệu đến các trạm thu để xác định vị trí cịn
được gọi là phương pháp hyperbol.
Ta thấy để xác định đươc vị trí theo phương pháp này ta cần phải thực hiện
hai bước:

6

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

- Bước 1: Xác định sai lệch thời gian đến của tín hiệu cho mỗi cặp trạm thu,
để tính được sai lệch (hiệu) khoảng cách từ điểm nguồn đến hai trạm thu.
- Bước 2: Giải hệ phương trình bậc 2 để tìm ra x, y .
Do vậy để thực hiện xác định vị trí dựa vào kỹ thuật xác định sự sai lệch thời gian
đến thì cần phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản là:
-Sử dụng các kỹ thuật, các phương pháp để ước lượng sai lệch thời gian đến.
-Sử dụng các giải thuật, tính tốn, giải hệ phương trình hyperbol khơng tuyến
tính từ sự khác biệt thời gian đến.
Để ước lượng sai lệch thời gian đến có các phương pháp: hàm sai phân bình phương
trung bình, tương quan chéo, sử dụng trong số tần số dựa trên tương quan chéo và
sử dụng bộ lọc thích nghi ....
Để giải hệ phương trình heperbol địi hỏi phải có giải thuật xác định vị trí để giải hệ
phương trình hyperbol và cho ra cho kết quả với độ chính xác chấp nhận được khi
có sai số của xác định sai lệch thời gian đến (Bởi vì trong thực tế ln có nhiễu tác
động đến tín hiệu làm cho kết quả ước lượng TDOA khơng chính xác). Ngồi các
thuật tốn như: phương pháp giải tích, phương pháp bình phương tối thiểu và
phương pháp chuỗi Taylor mở rộng, Bertrand T.Fang đã nghiên cứu và đưa ra một
thuật giải làm giảm các tính tốn với thời gian xác định vị trí nhanh, hay phương
pháp Friedlander cũng cho kết quả tính tốn nhanh và độ chính xác khá cao, và dặc
biệt là Y.T Chan và K.C Hoo đã nghiên cứu và đưa ra một mỗi giải thuật xác định vị
trí có độ chính xác cao, tốc độ tương đối nhanh và khối lượng tính tốn vừa phải,
phương pháp này còn được gọi là phương pháp Chan-Hoo (hay Chan & Hoo). Mỗi
phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó với độ chính xác,

tin cậy và yêu cầu số trạm cũng như mức độ phức tạp số lượng tính tốn khác nhau.
Ta sẽ nghiên cứ xem xét các phương pháp này ở các chương 3;
1.1.3 Một số vấn đề tồn tại, yêu cầu đối kỹ thuật định vị TDOA.
Trong các kỹ thuật xác định vị trí có nhiều tiêu chí đánh giá khác nhau như
độ chính xác, giá thành ... thì trong đó u cầu về độ chính xác của kết quả xác định

7

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

vị trí ln được đặt lên hàng đầu. Yêu cầu phải ước lượng chính xác sai lệch thời
gian đến trong điều kiện có ảnh hưởng của nhiễu là rất quan trọng, vì nhiễu tác động
đến tín hiệu làm giảm độ chính xác của việc ước lượng sai lệch về thời gian đến, mà
kết quả xác định vị trí lại phụ thuộc vào kết quả ước lượng sai lệch thời gian đến
của 2 tín hiệu, vì vậy u cầu địi hỏi phải khảo sát các phương pháp để lựa chọn
phương phù hợp trong mỗi điều kiện để có kết quả ước lượng tốt nhất. Đồng thời để
xác định vị trí từ kết quả ước lượng sai lệch thời gian đến ta phải lựa chọn thuật
toán phù hợp giải giải hệ phương trình hyperbol để xác định vị trí.
Để ước lượng thời gian được chính xác thì phương pháp này cầu các trạm
gốc (Base Station-BS) thực hiện các phép đo TDOA là cần phải có các đồng hồ
được đồng bộ chính xác giữa các trạm gốc với nhau. Các đồng hồ càng có tốc độ
xung nhịp cao, ổn định và được đồng bộ chính xác thì kết quả ước lượng sai lệch
thời gian đến càng chính xác.
Kết quả ước lượng sai lệch thời gian đến bị ảnh hưởng rất nhiều vào nhiễu,
khi nhiễu lớn tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR nhỏ càng cang làm tăng sai số của ước

lượng sai lệch thời gian. Nhất là vấn đề nhiễu tín hiệu phản xạ đa đường có biên độ
lớn và có độ trễ lớn vì tín hiệu này có cùng phổ với tín hiệu nên rất khơng thể loại
bỏ hoặc rất khó để giảm ảnh hưởng của nó. Khi có nhiễu phản xạ đa đường sẽ cho
tỷ số SNR thấp, kết quả ước lượng trở lên không đáng tin cậy, đó là một vấn đề thực
tế nhất đối với bài tốn xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến,
trong môi trường đơ thị hay các thành phố lớn. Việc tìm ra giải pháp hoặc thuật toán
để ước lượng đối với từng loại nhiễu để giảm thiểu ảnh hưởng của nó ln là một
câu hỏi lớn. Vì vậy vấn để nghiên cứu khảo sát các phương pháp và kỹ thuật xác
định thời gian đến với các loại nhiễu và tín hiệu khác nhau đặc biệt là nhiễu tín hiệu
phản xạ đa đường là rất cần thiết.
Mô ̣t vấ n đề khác là khoảng thời gian giám sát tín hiệu

, trong hầu hết các

trường hợp ta chỉ có thể quan sát tín hiệu trong một thời gian ngắn nên ta không thể
đa ̣t đươ ̣c phở của tín hiệu khi giám giát

một thời gian hữu ha ̣n , vì vậy ước lượng

phổ của nó sẽ có sai lệch. Vì vậy đo lường hữu ha ̣n là nguyên nhân của ước lươ ̣ng

8

Luan van


Luận văn Thạc sĩ

Chương 1: Tổng quan

phổ tương quan có lươ ̣ng sai lệch, điề u này sẽ ảnh hưởng đế n đô ̣ chính xác của ước
lượng sai lệch thời gian đến. Nó có thể dẫn đến sai số (error) lớn khi ta chỉ giám sát
trong một khoảng thời gian ngắn . Do vâ ̣y trong thực tế nhiề u trường hơ ̣p giả đinh
̣
khoảng thời gian quan sát dài và một số giả đinh
̣ như quá trình dừng và đô ̣ trễ là
hằ ng số sẽ chỉ thỏa mañ trong một điều kiện nào đó hoặc một khoảng thời gian giới
hạn. Do vậy đòi hỏi phải đảm bảo giữa thời gian quan sát và tỷ số SNR trong khi
thực hiện ước lượng thời gian trễ giữa hai tín hiệu. Trong trường hợp tỷ số SNR
thấp, thời gian quan sát lâu dài là cần thiết để đảm bảo thu được phổ chính xác.
Ngược lại, khi tỷ sớ SNR cao hơn, sẽ cho phép quan sát trong khoảng thời gian
ngắn hơn mà vẫn đảm bảo cho kết quả đủ tin cậy.

1.2 Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Từ nghiên cứu tổng quan về phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật xác
định sai lệch thời gian đến và một số vấn đề tồn tại, yêu cầu của phương pháp này;
Ta thấy yêu cầu đồng bộ thời gian chính xác giữa các trạm gốc và yêu cầu có đồng
hồ xung nhịp tốc độ càng cao, hoạt động càng ổn định để có thể có kết quả ước
lượng chính xác, thì tại các trạm gốc của mỗi mạng di động đã có sẵn các đồng hồ
chuẩn, đó là các đồng hồ nguyên tử (như Cesium) hay đồng hồ thu dựa vào định vị
vệ tinh (GPS- Global Positioning System), các đồng hồ này cũng thường xuyên
được đồng bộ trên toàn hệ thống. Nên vấn đề này hồn tồn có thể được giải quyết,
do đó, có thể nói xác định vị trí dựa vào TDOA là giải pháp khả thi nhất cho các
định vị khẩn cấp trong mạng di động (hoặc là một hệ thống định vị). Đồng thời định
vị bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến có ưu điểm so với các phương pháp
khác:
- Không cần đồng bộ thời gian giữa các trạm thu và nguồn cần định vị nên
rất thích hợp để ứng dụng trong xác định vị trí các điểm nguồn thụ động.
- Từ (1.4) và (1.5) ta thấy phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định
TDOA có thể giảm hoặc triệt tiêu nhiễu phản xạ đa đường trong điều kiện tín hiệu

9

Luan van