Thông tin định vị trên biển sử dụng sóng vô tuyến điện ứng dụng trong vùng biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
….……………


LÂM HỒNG THẠCH


THÔNG TIN ĐỊNH VỊ TRÊN BIỂN SỬ DỤNG SÓNG
VÔ TUYẾN ĐIỆN ỨNG DỤNG TRONG VÙNG BIỂN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT











HÀ NỘI - 2009


1
MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài
Việt nam là một nước ven biển thuộc khu vực khí hậu nhiết đới gió
mùa, hàng năm chịu ảnh hưởng trực tiếp của 8 đến 10 cơn bão. Bão gây ra
nhiều thiệt hại về người và của, đặc biệt là đối với các tàu thuyền đánh cá

loại vừa và nhỏ.
Theo báo cáo của ngành Thuỷ sản, có tới hơn 2/3 số tàu thuy
ền gắn
máy có đăng ký (trên 40.000 chiếc) có công suất vừa và nhỏ (dưới 45 mã
lực) hoạt động ở vùng biển A1, xa bờ nhất khoảng 70 km, thiếu trang bị thiết
bị thông tin liên lạc và định vị cứu hộ. Đây là nguyên nhân chính gây ra thiệt
hại của ngư dân khi có bão.
Bộ Thuỷ sản trước đây và nay là Bộ Nông nghiệp và phát triển nông
thôn đang tích cực triển khai đề tài Thông tin cứu hộ trên biển nhằm xây
dự
ng hệ thống thông tin và định vị cứu hộ cho tàu thuyền đánh cá.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là góp phần tìm ra một phương pháp
khả thi xác định đồng thời vị trí của nhiều tàu thuyền đánh cá loại vừa và
nhỏ hoạt động trong vùng biển Việt nam, phục vụ công tác cứu hộ. Nghiên
cứu đặc biệt hướng đến các giải pháp nhằm nâng cao số lượ
ng tàu thuyền có
thể định vị đồng thòi và khả năng tách biệt các mục tiêu định vị bởi khi có
bão các tàu thuyền thường co cụm lai.
Đây là một trong các nội dung hướng tới chủ đề Thông tin cứu hộ trên
biển cho ngành Thuỷ sản Việt nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận án đề xuất giải pháp trang bị cho tàu thuyền đánh cá loại vừa và
nhỏ phao vô tuyến chỉ thị vị trí khẩ
n cấp EPIRB (Emergency Position
Indicating Radio Beacon) có thêm tần số làm việc ở 8,5MHz. Vị trí phao vô
tuyến được anten thông minh đặt ở trạm bờ xác định theo phương pháp sóng
mặt. Thuật toán MUSIC (Multiple Signal Classification) được nghiên cứu áp
dụng để ước lượng vị trí tàu thuiyền.theo hướng sóng tới (Direction of
Arrival – DOA) hoặc ước lượng đồng thời cả hướng sóng tới DOA và thời

gian lan truyền sóng (Time of Arrival – TOA) theo phương pháp đa tần.
4. Phương pháp nghiên cứu và kết cấu của luận án
4.1. Phương pháp nghiên c
ứu


2
- Sử dụng phương pháp mô phỏng ước lượng hướng sóng tới và thời
gian lan truyền sóng theo thuật toán MUSIC để xác định vị trí tàu thuyền.
- Sử dụng phương pháp thống kê với các mẫu mô phỏng, xây dựng đồ
thị quan hệ giữa số nguồn phát tối đa có thể xác định được và số tần số phát
ở phương pháp đa tần.
4.2. Kết cấu của luận án
:
Luận án dài 112 trang, bao gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương,
phần cuối là kết luận chung, tài liệu tham khảo và phụ lục.
Mở đầu: Trình bày vắn tắt tính cấp thiết của đề tài, mục đích, đối tượng và
phương pháp nghiên cứu, cuối cùng là ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Chương 1. Tổng quan về thông tin định vị tàu thuyền đánh cá trên biển Việt
nam
Trình bày đặc điểm c
ủa vùng biển Việt nam và ảnh hưởng của bão. Nêu
tình trạng thiếu trang thiết bị thông tin dẫn tới thiệt hại trong bão và những
khó khăn trong công tác cứu hộ. Chỉ ra những ưu điểm và hạn chế của hai kỹ
thuật định vị tàu thuyền thông dụng sử dụng rađa và vệ tinh để thấy được
tính cấp thiết cần xây dựng một phương pháp định vị cho các tàu thuyền
đ
ánh cá loại vừa và nhỏ hoạt động trong vùng biển Việt nam
Chương II. Giải pháp định vị cứu hộ tàu thuyền đánh cá loại vừa và nhỏ hoạt
động trong vùng biển Việt nam

Nghiên cứu các phương thức truyền sóng trên biển, từ đó đề xuất giải
pháp sử dụng phao vô tuyến có thêm tần số 8,5MHz để định vị tàu thuyền
đánh cá loại vừa và nhỏ theo phương pháp sóng mặt.
Chương III. S
ử dụng anten thông minh trong định vị tàu thuyền trên biển.
Giới thiệu kỹ thuật định dạng búp sóng và kỹ thuật ước lượng hướng
sóng tới để định vị mục tiêu bởi anten thông minh. Trình bày thuật toán
MUSIC, thuật toán ước lượng có độ phân giải cao và xây dựng bài toán định
vị tàu thuyền bằng anten thông minh sử dụng thuật toán MUSIC. Nghiên cứu
xác định giới hạn hướng sóng tới và đề xuất giải pháp phân biệt các nguồn
phát rất gần nhau mà thông thường thuật toán MUSIC không xác định được.
Chương IV. Phương pháp đa tần định vị đồng thời nhiều tàu thuyền trên biển
Trình bày phương pháp đa tần định đồng thời vị trí nhiều nguồn phát và
những nghiên cứu của tác giả nhằm xác định giới hạn số lượng nguồn phát
có thể đồng thời định vị được.


3
Trên cơ sở kết quả mô phỏng, tác giả đã xây dựng đồ thị biểu thị mối
quan hệ giữa số nguồn phát tối đa có thể xác định được và số tần số phát
trong phương pháp đa tần, đề xuất hai giải pháp góp phần nâng cao khả năng
làm việc của hệ thống định vị.
Phần kết luận chung và kiến nghị
Phần kết quả
nghiên cứu đã công bố
Tài liệu tham khảo.
Phần phụ lục:
- Các bảng biểu về phạm vi hoạt động của tàu thuyền đánh cá loại vừa
và nhỏ trên biển Việt nam, các tần số quy định quốc tế dành cho cứu hộ.
- Chương trình MATLAB mô phỏng ước lượng hướng sóng tới và thời

gian lan truyền sóng theo thuật toán MUSIC.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
. 1. Bản luận án trình bày đề xuất s
ử dụng các phao vô tuyến phát sóng
cấp cứu có thêm tần số phát 8,5MHz để có thể định vị theo phương pháp
sóng mặt bởi các anten thông minh đặt ở trạm bờ, cho phép mở rộng phạm vi
định vị tàu thuyền tới cự ly 100 km.
2. Việc áp dụng phương pháp đa tần và thuật toán phân loại tín hiệu
MUSIC cho phép chỉ cần một dàn anten thông minh đặt ở trạm bờ có thể
định vị đồng thời rất nhiều phao vô tuyế
n, mở ra khả năng, với một số không
lớn các trạm bờ, có thể đáp ứng yêu cầu định vị cứu hộ đồng thời hàng trăm
tàu thuyền bị nạn khi có bão.
3. Bằng phương pháp mô phỏng, tác giả đã nghiên cứu đề xuất hai
phương pháp phân biệt các nguồn phát rất gần nhau mà thuật toán MUSIC
thông thường không phát hiện được, cho phép xác định chính xác hơn số tàu
thuyền cần cứu hộ b
ởi khi có bão các tàu thuyền đánh cá thường co cụm lại
gần nhau.
4. Dựa trên việc thống kê các kết quả mô phỏng, tác giả đã xây dựng đồ
thị quan hệ giữa số nguồn phát tối đa có thể xác định được và số tần số phát
ở phương pháp đa tần, từ đó, đề xuất ý kiến chia nhóm các tần số phát cấp
cho phao vô tuyến, cho phép với cùng một dàn anten ta có thể định vị đượ
c
đồng thời nhiều nguồn phát hơn.
Đây là những đóng góp vào vấn đề Thông tin cứu hộ trên biển cho
ngành Thuỷ sản Việt nam.

4
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN ĐÁNH CÁ
TRÊN BIỂN VIỆT NAM
Chương một trình bày ba vấn đề chính:
1.Đặc điểm kinh tế biển Việt nam và ảnh hưởng của bão

Việt nam là một nước ven biển với bờ biển dài hơn 3000 km và vùng
đặc quyền kinh tế biển rộng trên một triệu km
2
. Đây là một lợi thế rất lớn để
phát triển ngành Thuỷ sản. Theo báo cáo của ngành Thuỷ sản, tính đến tháng
10 năm 2007., nước ta có hơn nửa triệu lao động làm nghề cá với khoảng
95.000 tàu thuyền đánh cá, hoạt động suốt từ vĩ tuyến 6
0
độ vĩ Bắc đến vĩ
tuyến 21
0
độ vĩ Bắc Năm 2006 tổng sản lượng thuỷ sản đạt 3,6 triệu tấn và
kim ngạch xuất khẩu thuỷ sản đạt 3,31 tỷ đôla Mỹ.
Do nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nên mỗi năm nước ta
phải hứng chịu từ 10 đến 12 cơn bão. Theo thống kê, năm 2006, có 10 cơn
bão, trong đó có các cơn bão rất mạnh, như cơn bão Chanchu (5/2006),
Xangsane (10/2006), gây thiệt hại nặng nề cho tàu thuyền
đánh cá.
2. Khó khăn trong thông tin cứu hộ tàu thuyền đánh cá loại vừa và nhỏ.

Theo số liệu thống kê của ngành Thuỷ sản, có tới hơn 40.000 tàu
thuyền đánh cá loại vừa và nhỏ (công suất
dưới 45 mã lực) hoạt động xa bờ

nhất khoảng 70 km, thiếu trang bị thiết bị thông tin liên lạc và cứu hộ, một
phần do thu nhập bình quân của lao động làm nghề cá thấp, chỉ khoảng 3
triêu đông/người/năm, một phần do đặc tính sản xuất nhỏ lẻ của ngư dân. .
3. Các hệ thống định vị tàu thuyền đánh cá trên biển hiện nay.

Luận án trình bày hai kỹ thuật định vị tàu thuyền phổ biến, đó là kỹ
thuật định vị mặt đất sử dụng rađa và kỹ thuật định vị vệ tinh.
Rađa là một hệ thống bao gồm thiết bị phát sóng, thiết bị thu sóng,
thiết bị xử lý, phân tích tín hiệu và màn hình hiển thị Đối tượng định vị có
thể chủ động phát đáp tín hiệu liên lạ
c với rađa, có thể chỉ đơn thuần phản xạ
tín hiệu. Tín hiệu thu về được rađa xử lý, so sánh với tín hiệu chuẩn từ đó
hiển thị kết quả về khoảng cách, vị trí hay vận tốc của đối tượng.
Các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu được xây dựng nhằm cung cấp
khả năng định vị trong không gian ba chiều, cung cấp thông tin, giá trị vận
tốc và thờ
i gian cho mọi đối tượng sử dụng với độ chính xác cao
Trong đó, hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh. Các vệ tinh được phân
phối thành 6 nhóm bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo. Các mặt phẳng quỹ đạo


5
này nghiêng một góc 55 độ so với mặt phẳng xích đạo của trái đất và nằm ở
độ cao khoảng 20.200 km so với mặt đất. Cách bố trí vệ tinh như vậy đảm
bảo bất kỳ điểm nào trên mặt đất cũng thường xuyên quan sát được ít nhất
đồng thời 4 vệ tinh trong suốt thời gian 24 giờ một ngày. Với 4 phương trình
thu được, các thiết bị GPS trên mặt đất có thể tính toán được vị trí của mình
Hai hệ thống định vị tàu thuyền trên biển trình bày ở trên đều có
những hạn chế nhất định khi áp dụng cho c
ứu hộ tàu thuyền loại vừa và nhỏ.

Hệ thống định vị mặt đất sử dụng rađa cần có kích thước lớn để búp sóng
hẹp còn hệ thống định vị vệ tinh lại yêu cầu chặt chẽ tính đồng bộ và có giá
thành cao
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Yêu cầu cấp thiết đối với ngành Thuỷ sản là sớm xây dựng một hệ
thống thông tin định vị, trong đó c
ần nghiên cứu một phương pháp định vị
phù hợp, phục vụ công tác cứu hộ các tàu thuyền loại vừa và nhỏ (có tới hơn
40.000 chiếc, chiếm hơn 2/3 số tàu thuyền gắn máy có đăng ký), hoạt động ở
cự lý xa bờ tới 70 km. Thiết bị định vị đặt trên tàu thuyền phải đơn giản, dễ
sử dụng (do mặt bằng dân trí của người lao động chưa cao) vừ
a phải rẻ tiền
để ngành Thuỷ sản có thể trang bị hàng loạt cho tàu thuyền
Trong chương 2 luận án sẽ nghiên cứu và đề xuất phương pháp định vị
sóng mặt sử dụng phao vô tuyến chỉ thị vị trí khẩn cấp, một giải pháp đáp
ứng các yêu cầu trên.

. CHƯƠNG 2
GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CỨU HỘ TÀU THUYỀN LOẠI VỪA VÀ NHỎ
HOẠT ĐỘNG TRÊN VÙNG BIỂN VIỆ
T NAM

Phần đầu chương 2 trình bày bốn phương pháp truyền sóng trên biển.
là truyền sóng bề mặt, truyền sóng trực tiếp trong tầm nhìn thẳng, truyền
sóng gián tiếp bằng phản xạ tầng điện ly và truyền sóng trong không gian
nhờ sử dung vệ tinh. Phương pháp truyền sóng bề mặt được lựa chọn do có
ưu điểm quan trọng là cự ly truyền sóng đảm bảo cho những tàu thuyền loại
vừa và nhỏ ho
ạt động xa nhất vẫn nằm trong tầm quản lý của trạm bờ và
anten thu của trạm bờ có thể đặt thấp. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất việc

trang bị cho các tàu thuyền đánh cá loại vừa và nhỏ các phao vô tuyến chỉ thị
vị trí khẩn cấp (EPIRB) có thêm tần số làm việc ở 8,5 MHz và trình bày kỹ


6
thuật xác định vị trí phao vô tuyến theo hướng sóng tới khi sóng lan truyền
theo phương pháp bề mặt.
Trong trường hợp cự ly định vị ngắn, ta có thể coi mặt biển là phẳng,
sóng truyền lan trực tiếp từ tàu thuyền vào bờ đi theo đường thẳng tới anten
(hình 2.1).














Ta sử dụng phương pháp xác định hướng sóng tới để định vị tàu thuyền.
Ta lựa chọn h
ệ toạ độ Đềcác xoy, với gốc toạ độ 0
1
(0,0) gắn với trạm thu
thứ nhất ở trên bờ như hình vẽ. Toạ độ của trạm bờ thứ hai 0

2
(x
0 ,
y
0
) cũng
đã biết. Giả sử trạm bờ thứ nhất nhận được tín hiệu của tàu bị nạn với góc tới
α
1
, trạm bờ thứ hai nhận được tín hiệu của tàu bị nạn với góc tới β
1

Ta cần xác định toạ độ tàu bị nạn, ký hiệu là T
1
(x
1
, y
1
) khi biết hướng sóng
tới các trạm thu trên bờ (α
1
, β
1
).
Ta có phương trình của đường thẳng đi qua toạ độ trạm bờ chính (0,0)
và toạ độ tàu bị nạn T
1
(x
1
, y

1
):
y = x.tgα
1
(2-1)
Và phương trình của đường thẳng đi qua toạ độ trạm bờ thứ hai (x
0 ,
y
0
)
và toạ độ tàu bị nạn T
1
(x
1
, y
1
):
y’= x’. tgβ
1
(Viết trong hệ toạ độ x’o’y’) (2-2a)
hay y+ y
0
= (x
1
+x
0
) tgβ
1
(Viết trong hệ toạ độ xoy ) (2-2b)
Hai đường thẳng có phương trình (2-1) và (2-2) cắt nhau tại vị trí toạ độ tàu

bị nạn. Ta có hai phương trình:
y
Hình 2-1. Trạm bờ xác định vị trí tàu thuyền trên biển
y
1

y”
Bắc
α
1
0
1
(0,0)
β
1
T
1
(x
1
, y
1
)
x'
x
0
2
(x
0
, y
0

)
x
1

x
0

Đông
y
0


7
y
1
= x
1
.tgα
1
(2-3)
y
1
+ y
0
= (x
1
+x
0
) tg β
1

(2-4)
Từ hai phương trình (2.3) và (2-4) nhận được toạ độ tàu bị nạn T
1
(x
1
, y
1
):
x
1
= (x
0
tgβ
1
- y
0
) / ( tgα
1
- tg β
1
) (2-5)
y
1
= (x
0
tgβ
1
- y
0
). tgα

1
/ ( tgα
1
- tg β
1
) (2-6)
Trường hợp tàu thuyền cần định vị ở xa, sóng phát đi từ phao vô tuyến
sẽ lan truyền cong theo mặt biển và chúng ta có bài toán xác định giao điểm
hai đường cong trên mặt cầu có bán kính bằng bán kính trái đất. Ta có hai
cách để xác định.
Cách thứ nhất, sử dụng phép chiếu hình học, chuyển bài toán không gian
sang bài toán trong mặt phẳng,
Cách thứ hai, căn cứ vào tọa độ các điểm theo sô liệu cung cấp, quy đổi
từ tọ
a độ cầu sang hệ tọa độ của hải đồ theo WGS84 rồi tiến hành so sánh
trên đồ thị để tính khoảng cách thực tế bằng hải lý.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Việc sử dụng các phao vô tuyến chỉ thị vị trí khẩn cấp EPIRB có thêm
tần số làm việc ở 8,5 MHz, với phương thức truyền lan sóng mặt để xác định
vị trí các tàu thuyền là có cơ sở kỹ thuật v
ới các khó khăn có thể giải quyết.
Ưu điểm của phương pháp định vị sóng mặt so với phương pháp sử
dụng rađa là cự ly định vị lớn hơn, còn so với định vị vệ tinh thì phương
pháp sóng mặt không yêu cầu tín hiệu nguồn phát phải đồng bộ với phía thu.
Đây là một giải pháp phù hợp cho công tác định vị cứu hộ tàu thuyên
đánh cá loại vừa và nhỏ hoạ
t động trên biển Việt nam
Vị trí của phao vô tuyến sẽ được xác định nhờ anten thông minh đặt ở
trạm bờ, sử dụng thuật toán ước lượng MUSIC, được trình bày dưới đây.

CHƯƠNG 3
ANTEN THÔNG MINH ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN TRÊN BIỂN

3.1. Cấu tạo của dàn anten
Một anten thông minh là một dàn anten gồm nhiều phần tử và một bộ vi
xử lý. Ở đây ta sử dụng dàn đồng dạng tuy
ến tính ULA, (Uniform Linear
Array) gồm các phần tử giống nhau, được đặt thẳng hàng và cách đều với
nhau trong không gian, hình 3-1.


8
K
k = 1
k = 1











Trên hình 3-1, sóng phẳng, được phát từ nguồn phát, sẽ đi tới dàn anten
từ hướng (θ, ϕ). Trong đó θ là góc ngẩng còn ϕ được gọi là góc phương vị.
Do khoảng cách từ tàu thuyền đến trạm bờ lớn hơn rất nhiều so với khoảng

cách giữa các chấn tử nên, với cùng một nguồn phát, có thể coi các tia sóng
đến là song song và biên độ tín hiệu tới dàn là như nhau. Sóng truyền lan
theo phương thức sóng mặt nên có thể xem θ = 0
0
.
Có hai phương pháp để xác định DOA bởi dàn anten ULA, đó là phương
pháp định dạng búp sóng và phương pháp ước lượng hướng sóng tới.
Hạn chế của phương pháp định dạng búp sóng là độ rộng của đồ thị
phương hướng mức nửa công suất thay đổi theo hướng sóng tới, mở rộng
hơn khi góc sóng tới giảm do đó độ chính xác giảm khi góc sóng tới nhỏ.
3.2. Phương pháp ước lượng hướng sóng tới
Giả sử ta cần xác định một cách đồng thời hưóng sóng tới từ K nguồn
phát sóng độc lập. Ta sử dụng dàn anten thu ULA có M phần tử, với điều
kiện M > K (hình 3-2).
Trên mỗi máy thu ta đều nhận được K tín hiệu sóng tới và nhiễu:


u
m
(t)=Σa
m
(φ
k
).s
k
(t)+n
m
(t), với k = 1, 2, 3, K (3-1)

Gọi U(t) là tổng các tín hiệu nhận được ở đầu ra của dàn, bao gồm cả

nhiễu, ta có:

U(t) = ΣA(φ
k
).S
k
(t)+N(t) (3-2a)

z
x
Hướng sóng đến từ phao
vô tuyến (nguồn phát)
y
θ
ϕ

1
M
Hình 3-1. Dàn anten nhận sóng tới từ phao vô tuyến theo hướng (
θ
,
ϕ
)
K
K


9

Hay : U(t) = A(φ).S(t)+N(t)
U(t) = A.S + N (3-2b)
Trong đó:
U(t) - là một ma trận biểu thị đáp ứng đầu ra của M cổng máy thu
A(φ) - là ma trận cỡ MxK mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới .
S(t) - là ma trận hàm chứa biên độ đường bao phức của K tín hiệu đầu ra
N(t) - là véctơ nhiễu (M chiều) nhận được trên M cổng máy thu.
3.3. Kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới theo thuật toán MUSIC
3.3.1 Cơ sở xây dựng thuậ
t toán MUSIC
MUSIC là thuật toán phân loại tín hiệu có độ phân giải cao. Cơ sở xây
dựng thuật toán dựa trên bộ dữ liệu tín hiệu thu nhận được ở đầu ra của dàn
anten (3-2).

Trước tiên ta xây dựng ma trận hiệp phương sai (covariance matrix)
của ma trận tín hiệu thu U(t) theo (3-2)

() ()
[
]
tUtUER
H
uu
.=
(3-3a)

() ()
[]

∑
=
=
L
t
H
uu
tUtU
L
R
1
.
1
(3-3b)
Ở đây U
H
(t) – Phép biến đổi chuyển vị + liên hiệp phức) ma trận U(t)
L – số mẫu lấy trong một chu kỳ tín hiệu
R
x 2
R
x 1
φ
φ

d
u
k 2
(t) u
k1

(t)
x
k1
(t) x
k2
(t)
R
x m
R
x M
u
k m
(t) u
k M
(t)
x
k
(t)
x
1
(t)

x
1
(t)

x
k m
(t)
x

k M
(t)
U(t)
Hinh 3-2. Dàn anten có M phần tử với K sóng tới
x
k
(t)
x
1
(t
)
x
1
(t)
x
k
(t)
x
k
(t)


10
Kết hợp (3-2b) và (3-3a) ta có:
R
uu
= E { (A.S + N). (A.S + N)
H
}
= A.E { S.S

H
}. A
H
+ E { N.N
H
}
Nếu coi tập nhiễu N là tạp âm trắng, ta nhận được:ma trận hiệp phương sai :
R
uu
=A.R
S
.A
H
+σ
2
.I (3-4)
Trong đó: σ
2
– Năng lượng tạp âm
I - Ma trận đơn vị, kích thước K x K
A - Thành phần mang thông tin về góc pha của tín hiệu sóng tới
R
s
= E[S.S
H
] – Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu không kể nhiễu
Từ ma trận hiệp phương sai R
uu
ta có cơ sở tính toán được tập các giá trị
riêng {µ

i
} Có K giá trị riêng biểu thị cho công suất tín hiệu thu của K sóng
tới, được xắp xếp theo thứ tự biên độ giảm dần:
µ
1
> µ
2
> µ
3
> …. > µ
k
…….> µ
K
> 0
Coi tập nhiễu N là tạp âm trắng với năng lượng tạp âm trung bình:
E [N. N
H
] = ơ
2

Khi đó các giá trị riêng nhận được ở cổng ra của các máy thu là:
λ
1
= µ
1
+ σ
2
, λ
2
= µ

2
+ σ
2
, … , λ
K
= µ
K
+ σ
2

Các giá trị riêng từ K + 1 đến M sẽ có giá trị bằng nhau và đều bằng σ
2

λ
K+1
= λ
K+2
= ……. = λ
M
= σ
2

Vậy: λ
1
>λ
2
>….>λ
K
> λ
K+1

= λ
K+2
= …=.λ
M
(3-5a)
Hay: µ
1
+ σ
2
>µ
2
+ σ
2
>…>µ
K
+ σ
2
>λ
K+1
= λ
K+2
=…= λ
M

= σ
2
(3-5b)
Trên hình 3-3 là giản đồ xắp xếp mức công suất tín hiệu nhận được ở
cổng ra của các máy thu theo thứ tự biên độ giảm dần:
.

λ
1
λ
2
…. λ
K
λ
K+1
λ
K+ 2 ….
λ
M
λ
Không gian con tín
hi
ệ
u
,
kích thước
K
Không gian con nhiễu
Có kích thước M -
K
σ
2

Hình 3-3. Phân loại không gian con tín hiệu và không gian con nhiễu
Biên đ
ộ

µ



11
Như vậy, ta đã phân loại tín tín hiệu và nhiễu thu được hai không gian con
- Không gian con tín hiệu có kích thước K, tương ứng K tín hiệu thu
được, xắp xếp theo thứ tự biên độ giảm dần.
- Không gian con nhiễu, có kích thước M – K, cùng có mức công suất σ
2

(giả thiết công suất tạp âm có biên độ nhỏ hơn biên độ tín hiệu yếu nhất λ
K
)
Ta nhận thấy để tồn tại không gian con nhiễu thì cần có điều kiện M > K
Đó chính là điều kiện để xây dựng thuật toán MUSIC.
Do vậy số nguồn tối đa có thể xác định DOA là:
K
M
=

(M-1) (3-6)
Hình 3-4 là sơ đồ khối các bước thực hiện quá trình ước lượng hướng
sóng tới theo thuật toán MUSIC, trong đó R
xx
là ma trận hiệp phương sai
được xây dựng từ ma trận véctơ đáp ứng đầu ra của M cổng thu U(t).
3.3.2. Kết quả mô phỏng

Trên cơ sở đó ta xây dựng bài toán mô phỏng:giả sử 5 tín hiệu độc lập

phát từ các tàu thuyền đi tới một dàn anten thích nghi đồng dạng tuyến tính
ULA với các góc tới lần lượt là - 60°, - 40°, 10°, 30° và 50°. Tần số sóng
mang của tín hiệu là 8,5 MHz và tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR là 10 dB
Ta tính toán và viết chương trình mô phỏng với trường hợp dàn anten
thu có 8 phần tử (M > K), khoảng cách giữa hai phần tử kề nhau là d = λ/2.
Phần mềm mô ph
ỏng được viết theo chương trinh MATLAB với số mẫu
quan sát L = 200 .


Các góc sóng tới φ
1
, φ
2
, φ
k

Ma trận biên độ S(t) Ma trận nhiễu N(t) Ma trận hướng A(φ
k
)
Véctơ đáp ứng đầu ra của M cổng thu
U(t) = A(φ).S(t) + N(t)
Tính R
xx
và ước lượng góc
sóng tới theo thuật toán MUSIC
Hình 3-4. Sơ đồ thực hiện mô phỏng ước lượng hướng sóng tới


12

Hình 3-5a chỉ ra số nguồn được xấp xỉ theo chuẩn đánh giá MDL.
Cột tín hiệu có mức thấp nhất tương ứng với số lượng nguồn phát K (trong
trường hợp này K = 5).

















Hình 3.5b là kết quả ước lượng
góc sóng tới của các tín hiệu trên theo
MUSIC. Có thể nhận thấy năm tín hiệu được xấp xỉ góc sóng tói một cách
khá chính xác với các giá trị lần lượt là: –59.5
o
, - 39.5
o
, 9.6°, 30° và 50.4°.
3.4. Khả năng phân biệt hướng sóng tới
của phương pháp DOA sử dụng

thuật toán MUSIC
Bằng phương pháp mô phỏng luận án đã xây dựng được mối quan hệ
giữa góc giói hạn phân biệt hướng sóng tới và số phần tử dàn anten khi ước
lượng theo thuật toán MUSIC
Trên hình 3-6 là kết quả mô phỏng với dàn anten 16 phần tử ước lượng
15 hướng sóng tới cách nhau 7
0
với tỉ số S/N là 30dB và số mẫu quan sát
L= 2000 (tăng S/N và L để có được góc giới hạn phân biêt DOA nhỏ nhất)
Đồ thị trên hình 3-7 cho ta thấy góc giói hạn phân biệt hướng sóng tới
(hay khả năng phân biệt hai nguồn phát gần nhau nhất trong định vị DOA)
phụ thuộc vào số phần tử dàn anten định vị M.

Hình 3-5a. Số nguồn được xấp xỉ
theo chuẩn đánh giá MDL
0 1 2 3 4 5 6 7
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
MDL function
Number of signals
[dB]

K = 5
Hình 3-5b. Kết quả xấp xỉ góc sóng tới
của 5 tín hiệu -60
o
,-40
o
, 10
o
, 30
o
và 50
o

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
-2
-1
0
1
2
3
4
AOA (degrees)
Pseudo-Spectrum (dB)


13


-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-2

-1
0
1
2
3
4
5
6
7
DOA (degrees)
Pseudo-Spectrum (dB)




Với trường hợp các nguồn phát rất
gần nhau ( tàu thuyền co cụm để tránh
bão), luận án đề xuất phương pháp ước
lượng DOA hai lần. Kết quả, dàn anten
có 16 phần tử phân biệt được ba hướng
sóng tới cách nhau 1
0
từ các hướng 40
0
,
41
0
và 42
0
,hình 3-8. Thông thường dàn

16 phần tử chỉ phân biệt các góc sóng tới
cách nhau 7
0
,

(hình 3-6 và 3-7), như vậy,
bằng cách này, ta đã làm tăng khả năng
phân biệt các hướng sóng tới gần nhau.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
- Việc sử dụng anten thông minh, ước lượng hướng sóng tới theo thuật toán
MUSIC cho phép định vị các phao vô tuyến với độ chính xác cao.
- Giới hạn phân biệt hướng sóng tới phụ thuộc vào số phần tử của dàn anten
- Hạn chế của phương pháp là phải sử dụng 3 trạm thu s
ẽ được khắc phục
bởi phương pháp định vị đa tần trình bày trong chương 4 dưới đây
0 3 4 8 12 16 24 32 40
Hình 3-8 Dàn 16 phần tử phân biệt
các góc sóng tới cách nhau 1
0

7

6

5

4

3

2

1

0

-
1

-2
Mức
p
hổ
g
iả n
g
ẫu nhiên
,
dB
Hình 3-6. Dàn anten 16 phần tử ước
lư
ợ
n
g
15 hướn
g
són
g
tới cách nhau 7

0
Hình 3-7. Mối quan hệ giữa góc giới hạn
p
hân bi
ệ
t hướn
g
són
g
tới và số
p
hần tử
d
àn

20



15


12

9

7

5

3
2
M
Đ
ộ
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
DOA
(
đ
ộ

)

39 39.5 40 40.5 41 41.5 42 42.5 43
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
DOA (degrees )
Pseudo-Spectrum (dB)
Mức phổ giả ngẫu nhiên (dB)
40 40,5 41 41,5 42 42,5 43 43,5 44
7
6
5
4

3
2
1
0


14
CHƯƠNG 4
PHƯƠNG PHÁP ĐA TẦN ĐỊNH VỊ TÀU THUYỀN TRÊN BIỂN

4.1. Phương pháp đa tần định vị đồng thời nhiều nguồn phát
Phương pháp ước lượng hướng sóng tới sử dụng thuật toán MUSIC
trình bày ở phần trên có hạn chế là số nguồn phát K (ví dụ số tàu thuyền) cần
xác định toạ độ phải nhỏ hơn số phần tử của hệ th
ống anten định vị M. Điều
này hạn chế khả năng xác định số lượng mục tiêu một cách đồng thời.
Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đề xuất phương pháp đa tần từng
nấc: Mỗi nguồn phát cần định vị sẽ phát đồng thời ở nhiều tần số khác nhau
trong cùng một dải tần. Ta đã khảo sát trường hợp định vị hướng sóng tới từ

K nguồn phát sóng độc lập. Mỗi nguồn phát sóng trên N tần số sóng mang,
theo từng nấc, lần lượt là các tần số:
f
1
, f
2
, f
3
, … f
N

= f
1
, f
1
+Δf, f
1
+2Δf , …. f
1
+ (N-1).Δf
Phía thu ta cũng sử dụng dàn anten thông minh đồng dạng tuyến tính
ULA, gồm M phần tử có hệ số tăng ích nhỏ, đặt thẳng hàng, và cách đều với
nhau trong không gian với khoảng cách d bằng nửa bước sóng làm việc, đã
được trình bày ở chương 3, hình 3-1 và 3-2
Giả sử ở thời điểm t nguồn phát thứ k phát cùng một tín hiệu trên hai
tần số sóng mang là f
i
và f
j
, khi đó tín hiệu nhận được trên cùng một phần tử
(ví dụ phần tử thứ nhất) của dàn anten là:

)().()().()(
.
i
2
i,1
tnetstnetstx
ii
fj
i

iki
+=+=
Ψ−
τπ


)().()().()(
.
j
2
j,1
tnetstnetstx
jj
fj
j
jkj
+=+=
Ψ−
τπ

Coi tác động của môi trường đến hai sóng truyền đồng thời này là như nhau:
s
i
(t) = s
j
(t), n
i
(t) = n
j
(t)

thì trên máy thu ta có thể xác định được:
Δψ=Ψ
i
–Ψ
j
=2.π.τ
k
.(f
i
–f
j
) (4-2)
Hai tần số sóng mang f
i
và f
j
đã biết, do đó ta hoàn toàn xác định được
thời gian lan truyền sóng τ
k
từ nguồn phát sóng thứ k tới dàn anten.
Khi đó tín hiệu nhận được tại phần tử đầu tiên của dàn (phần tử này
được lấy làm chuẩn) tại tần số thứ i có thể được viết như sau:

)(.)()(
i
2
1
i,1
tnetStx
ki

fj
K
k
k
+=
−
=
∑
τπ

(4-3)
(4-1a)
(4-1b)


15
Ở đây:
()
Nififf
i
,1,1
1
=Δ−+=
.
S
k
(t) là tín hiệu truyền tới thứ k tại tần số f
i

k

τ
là thời gian lan truyền (hay TOA) của tín hiệu truyền từ nguồn
phát thứ k đến phần tử đầu tiên của dàn (phần tử lấy làm chuẩn)
n
i
(t) là nhiễu cộng (thêm vào) trên máy thu ở tần số f
i
.
Thời gian trễ lan truyền tín hiệu trên bất kỳ hai phần tử kề nhau nào
của dàn anten cũng bằng nhau (các phần tử đặt cách đều nhau dọc theo dàn)
vì vậy nên thời gian trễ lan truyền (của tín hiệu nguồn phát thứ k) từ phần tử
chuẩn đến phần tử thứ m của dàn bằng:


Ở đây: m = 1, 2,…, M
(4-5)
v là tốc độ lan truyền sóng
d là khoảng cách giữa hai phần tử kề nhau
θ
k
là DOA của tín hiệu thứ k
Do vậy tín hiệu nhận được trên phần tử thứ k của dàn anten tại tần số f
i

bằng :



4.2. Xây dựng ma trận tín hiệu thu
Bằng cách đo các tín hiệu nhận được trên tất cả các phần tử của dàn

anten tại tất cả các tần số trong dải tần, chúng ta nhận được ở đầu ra của dàn
anten một bộ dữ liệu được viết dưới dạng ma trận dưới đây:
x(t) = A.s(t) + n(t)
(4-7)
Ở đây: x(t) là véctơ cỡ 1x Q (Q = M x N) nhận được ở cửa ra của dàn anten
x(t)=[x
1
(t),x
2
(t)….,x
M
(t)]
T
(4-8)
Do mỗi nguồn phát trên N tần số nên tín hiệu nhận được ở đầu ra của
máy thu trên phần tử thứ m của dàn anten là:
x
m
(t)=[x
1,m
(t),x
2,m
(t),…x
i,m
(t), x
N,m
(t)] (4-9)
Ma trân hiệp phương sai của bộ dữ liệu thu theo công thức
(4-7) có thể
được viết như sau:

Ở đây H là ký hiệu ma trận chuyển vị và liên hiệp phức.
Từ ma trận hiệp phương sai R
x
ta tính các giá trị riêng và các véctơ riêng để
{
}
H
ER x(t).x(t)
x
=


()( )
v
d.sin
1-m
k
k,
θ
θτ
=
mD
(4-6)
()
)().()(
i
.f.j2-
.f.j2-
1

mi,
k
m
Di
ki
tneetStx
K
k
k
+=
∑
=
θτπ
τπ
(4-4)

(
4-10)


16
thực hiện chương trình ước lượng hướng sóng tới DOA và thời gian lan
truyền sóng TOA theo thuật toán MUSIC. Ở đây là thuật toán MUSIC ước
lượng TOA trong miền tần số. Sự phụ thuộc của công suất tín hiệu thu vào
bộ giá trị (DOA, TOA) cho phép ta xác định vị trí mỗi nguồn phát (ứng với
đỉnh công suất)


Trong đó a(θ,τ) là các véc tơ hướng của tín hiệu còn E
N

biểu thị các giá
trị riêng của không gian con nhiễu của ma trận hiệp phương sai R
x
.
4.3. Bài toán mô phỏng xác định đồng thời nhiều hướng sóng tới
Trong chương trình mô phỏng này, các phao vô tuyến sẽ phát tín hiệu
trong dải tần từ 8,3 MHz đến 8,7 MHz, với 100 tần số sóng mang (bước
nhảy tần Δf = 40KHz). Trạm bờ sử dụng dàn anten thông minh gồm 4 phần
tử để ước lượng TOA và DOA của các tín hiệu này.
















Trên hình 4-1 trình bày kết quả mô phỏng ước lượng DOA và TOA,
được vi
ết theo chương trình Matlab đối với trường hợp có 6 tàu thuyền sử
dụng phao vô tuyến phát tín hiệu cấp cứu với thời gian trễ (TOA) lần lượt là
5µs, 15µs, 26µs, 35µs, 44µs, 65µs, và góc sóng tới (DOA) tương ứng 28

o
,
21
o
, 11
o
, 11
o
, -21
o
, -28
o
.
Hình 4-1. Kết quả mô phỏng xác định vị trí 6 tàu thuyền phát tín hiệu
()
()()
() ()
τθΕτθ
τθατθ
τθ
,aE,a
,,a
=,P
H
NN
H
H
music

(4-11)

17
Chúng ta có thể nhìn thấy trên hình 4-1 vị trí sáu nguồn tín hiệu được
ước lượng một cách chính xác với TOA là 5 µs, 15 µs, 25 µs, 35 µs, 45 µs,
65 µs và DOA là 29.5
o
, 22
o
, 9
o
, -9
o
, -22
o
, -29.5
o

Thông thường, thuật toán MUSIC truyền thống sẽ không đưa ra kết
quả khi số nguồn phát (số phao vô tuyến, trường hợp này là 6) lớn hơn số
máy thu (hay số phần tử của anten thu, trường hợp này là 4). Ở đây, trong
phương pháp đa tần, bằng cách kết hợp ước lượng đồng thời DOA và TOA,
chúng ta đã giải quyết thành công hạn chế đó.
4.4. Ảnh hưởng của số tần số phát
đến kết quả định vị theo phương
pháp đa tần
Phương pháp ước lượng DOA sử dụng thuật toán MUSIC có hạn chế là
số nguồn phát K cần xác định phải nhỏ hơn số phần tử của hệ thống anten
định vị. Phương pháp đa tần mở rộng ứng dụng của thuật toán bằng cách sử
dụng thời gian lan truyền sóng TOA như một thông số th

ứ hai. Khi đó thuật
toán MUSIC sẽ ước lượng cả hướng sóng tới DOA và cả thời gian lan truyền
sóng TOA. Nói cách khác bài toán định vị lúc này trải ra trong mặt phẳng,
vừa có chiều không gian (DOA) vừa có chiều thời gian (TOA). Mỗi “chỗ”
xắp xếp lúc này là một cặp giá trị (DOA,TOA), trong đó TOA được thực
hiện trong miền tần số.
Từ biểu thức (4-8)
ở trên, tín hiệu thu nhận được ở đầu ra của cả dàn
anten sẽ là:
x(t) = [x
1
(t), x
2
(t), …., x
m
(t), x
M
(t)]
T

Do mỗi nguồn phát sóng trên N tần số nên tín hiệu nhận được ở đầu ra
của máy thu trên phần tử thứ m của dàn anten biểu thị theo công thức (4-9):
x
m
(t) = [x
1, m
(t), x
2, m
(t), …x
i, m

(t), x
N, m
(t)]
Như vậy, bộ dữ liệu tín hiệu thu x(t) là một ma trận cột cỡ 1x Q với
(Q = M x N), nếu thuật toán MUSIC cũng chỉ dành một vị trí trên trục M cho
không gian con nhiễu thì số “chỗ”dành cho không gian con tín hiệu (hay số
nguồn phát tối đa có thể định vị được) sẽ là:
K
MN
=(M-1)*N (4-12)
Hình 4-2 mô tả vị trí các “chỗ”còn lại dành cho không gian con tín
hiệu với dàn anten 4 phần tử và mỗi nguồn phát (cần đinh vị) phát tín hiệu
trên 8 tần số sóng mang. Như vậy, theo công thức (4-12), với cùng một cỡ
dàn (M không đổi), số nguồn phát tối đa mà dàn anten có thể định vị được tỉ
lệ thuận (bậc nhất) với số tần số phát N


18

Bằng phương pháp mô phỏng, chúng ta sẽ xem xét lại điều này với
thực tế nguồn phát (phao vô tuyến) làm việc ở tần số trung tâm 8,5MHz, dải
tần B=400KHz, bước nhảy tần Δf = 10KHz (do B = N.Δf nên N
max
= 40) , tỉ
số tín hiệu trên tạp ở đầu ra bộ thu rất tốt, S/N = 30dB. Ta giả sử các nguồn
phát đặt ở những vị trí thuận lợi để khả năng phân biệt tốt nhất. Với từng cỡ
dàn, ta tăng dần số tần số phát N và xác định giới hạn số nguồn phát tối đa
mà thuật toán MUSIC còn có thể ước lượng tốt.
Phần mềm mô phỏng đượ
c viết theo chương trinh MATLAB với số
mẫu quan sát L = 100 (phụ lục 2). Ta chọn cửa sổ quan sát kết quả
như sau:
- Trục x biểu thị thời gian lan truyền sóng từ nguồn phát đến dàn anten,
đơn vị μs, từ 1μs, (ứng với
khoảng cách 300m), đến 125μs (ứng với khoảng
cách 40km).
- Trục y biểu thị DOA, từ - 90
0
đến 90
0
(tương ứng nửa mặt phẳng hướng
ra biển, trong đó hướng 0
0
ứng với hướng vuông góc với dàn anten định vị)
- Trục z biểu thị mức phổ giả ngẫu nhiên, đo bằng dB, mỗi đỉnh phổ
tương ứng vị trí một nguồn phát sóng theo công thức (4-11)
Trước tiên, ta xét trường hợp dàn anten có 2 phần tử (M=2), các nguồn
phát trên 2 tần số (N=2). Hình 4-3 dưới đây là kết quả mô phỏng trường hợp

định vị 2 nguồn phát (K=2), sóng tới từ các hướng -20
0
và 20
0
, với thời gian
lan truyền sóng tương ứng là 50μs và 30μs. Ta thấy kết quả mô phỏng rất
phù hợp

N
=
8
4
3
2
1
(DOA)
M = 4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 (TOA)
Hình 4-2. Có tối đa 24 “chỗ”dành cho không gian con tín hiệu khi dàn
anten thu có 4 phần tử và mỗi nguồn phát tín hiệu t
r
ên 8
t
ần số sóng mang
“chỗ” dành cho nhiễu


19
.
0

2
4
6
x 10
-5
-50
0
50
-1
0
1
2
3
4
5
Time Delay (s )
DoA (degrees)
Pseudo Spect rum (dB)




Với dàn anten 2 phần tử (M=2), tiếp tục mô phỏng khi tăng số tần số
phát sóng N lên 4, 10, 20, 50, 100 ta xây dựng được đồ thị biểu thị mối quan
hệ giữa số tần số phát N và giới hạn số nguồn phát có thể định vị được một
cách rõ ràng (hình 4-4)

Hình 4.3. Kết quả mô phỏng định vị 2 nguồn bởi dàn 2 phần tử. Sóng tới từ các
hướng -20
0
, 20
0
, với thời gian lan truyền tương ứng 50μs,30μs, rất phù hợp

Hình 4.4. Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa số tần số phát N và giới
hạn số nguồn phát có thể định vị được K
MN
của dàn anten 2 phần tử .
Các số trong ngoặc là giá trị K
MN
tính theo công thức 4-12 và 4-13
2 10 20 50 100

30

24

20
18

14

10
9

2

N
K
MN
(30)
(21)
(13.5)
(10)
(2)


20
Ta thấy đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa số tần số phát N và giới hạn
số nguồn phát K
MN
trong đoạn đầu (N < 10) là đường thẳng theo hàm số :
K
MN
= (M-1)*N, khi N < = 10 (4-12)
còn khi N>10 đồ thị có dạng đường cong bậc hai:

K
MN
= (M+1)*sqrt N, khi N > 10 (4-13)
(Trên hình 4.4 các số trong ngoặc là giá trị K
MN
tính theo (4-12) và (4-13))
Từ kết quả thực hiện hơn 200 mô phỏng với các dàn anten có 2 phần
tử, 4 phần tử, 8 phần tử và 16 phần tử chúng ta nhận được các đồ thị biểu
diễn mối quan hệ giữa số tần số phát N và số nguồn phát tối đa có thể định vị
được K
MN
trong phương pháp đa tần, hình 4-5.


Với các kết quả khảo sát, ta có các kết luận về vai trò của số tần số phát
N và bước nhảy tần Δf đến kết quả định vị như sau:
1- Số tần số phát N là một trong hai thông số quan trọng nhất quyết định
số nguồn phát tối đa có thể định vị được K
MN
.
2. Với cùng một cỡ dàn (M không đổi), cùng một số lượng nguồn phát
(K không đổi), số tần số phát N càng lớn thì độ phân biệt vị trí các tín hiệu
càng cao (thuật toán MUSIC ước lượng càng chính xác).

M = 4

M = 8

M = 16

K
MN


35


30


24


20


15


10

8

5

2



0 2 10 15 20 30 40 50 N

M = 2

K
MN
=( M+1)*sqrt (N)

Hình 4-5. Mối quan hệ giữa số tần số phát N và số nguồn phát tối đa có thể
định vị được trong phương pháp đa tần, với số phần tử dàn M bằng 2,4,8,16


21
3. Với cùng một dải tần làm việc của anten (B không đổi), cùng một số
nguồn phát (K không đổi), bước nhảy tần Δf càng nhỏ thì độ phân biệt vị trí
các tín hiệu càng cao (thuật toán MUSIC ước lượng càng chính xác).
4. Trong phương pháp đa tần, với dàn anten có M phần tử, ta có thể xác
định được vị trí của (M-1) nguồn có cùng hướng sóng tới DOA và với số tần
số phát là N ta có thể xác định được vị trí của (N-1) nguồn phát có cùng thời
gian lan truyền sóng TOA
3.5. Giải pháp đề xuất.
Dựa trên các kết quả mô phỏng thể hiện trên đồ thị hình 4-4 và hình 4-5
ta thấy khi N thay đổi trong phạm vi từ 2 đến 10 thi số nguồn phát tối đa có
thể định vị được K
MN
tăng tuyến tính, sau đó K
MN
tăng chậm dần lại (theo
hàm số mũ 1/2), trên cơ sở
đó luận án đề xuất việc chia nhóm tần số phát.
Với bài toán trên, ta có tần số làm việc f

0
= 8,5MHz, độ rộng dải tần B =
400KHz, bước nhảy tần số Δf = 10 KHz (số tần số phát cực đại, N = 40),
Theo đồ thị hình 4-5, với dàn anten 8 phần tử (M=8) thì với N=40 ta sẽ
xác định được tối đa 28 nguồn phát độc lập một cách rõ ràng.
Nếu ta chia thành 8 nhóm, mỗi nhóm có 5 tần số (N = 5) cách nhau
10KHz - Nhóm 1 (8310, 8320, 8350)KHz,
- Nhóm 8 (8650, 8660,…. 8700)KHz.
Theo đồ thị hình 4-5, dàn anten 8 phần tử với N=5 sẽ xác định được
tối đa 10 nguồn phát độc l
ập. Với 8 nhóm ta được:
K = 8*10 = 80
Như vậy, đề xuất chia nhóm tần số giúp cho số nguồn phát có thể xác
định được tối đa trong phương pháp đa tần tăng gấp gần ba lần.
Cũng từ các kết quả mô phỏng, luận án đề xuất thực hiện thuật toán
MUSIC ít nhất hai lần, lần đầu ước lượng “thô” với cửa sổ quan sát rộng để
phát hiện có nguồn phát (tàu thuyền b
ị nạn) hay không và lần sau với cửa sổ
quan sát hẹp hơn, để xác định vị trí tàu thuyền.
Trên hình 4-6 là kết quả mô phỏng định vị 35 nguồn phát bởi dàn anten
16 phần tử. Các nguồn phát được xắp xếp cách đều nhau 4
0
, từ hướng -68
0

đến 68
0
,

với thời gian lan truyền tương ứng từ 72μs đến 4μs cách nhau 2μs.

Trong đó ta nhấc ra một nguồn ở vị trí (-28
0
, 52μs), đặt vào vị trí (28
0
, 56μs).
Do các nguồn phát lúc này rất gần nhau, (4
0
, 2μs) nên nguồn này bị che
khuất, khó quan sát và xác định vị trí.
Đây là bước ước lượng “thô”, góc quan sát DOA từ -90
0
đến 90
0
.


22
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x 10
-4
-100
-50
0
50
100

-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Time Delay (s )
DoA (degrees)
Pseudo Spect rum (dB)




Ta thực hiện tiếp
lần mô phỏng thứ hai. Để xác định vị trí nguồn phát
bị che khuất ta thay đổi cửa sổ quan sát, hướng quan sát (DOA) chỉ từ góc
20
0
đến 40
0
, hình 4-7.
0
2
4
6
8
x 10
-5
20

25
30
35
40
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
Time Delay (s )
DoA (degrees)
Pseudo Spect rum (dB)



Như vậy việc ước lượng 2 lần giúp ta xác định vị trí nguồn phát chính
xác hơn, đặc biệt là với nguồn phát bị che khuất trong lần quan sát thứ nhất.

Nguồn phát bị che khuất,
khó
q
uan sá
t
Hình 4-6. Dàn 16 phần tử định vị 35 nguồn, mỗi nguồn phát trên 40 tần số,
các hướn
g
són
g

tới cách đều 4
0
và thời
g
ian lan tru
y
ền cách nhau 2
μ
s.
Nguồn phát bị che khuất,
g
iờ đã
q
uan sát đư
ợ
c
Hình 4-7. Dàn 16 phần tử định vị 35 nguôn. Với cửa sổ quan sát hẹp, từ
g
óc 20
0
đến
g
óc 40
0
ta đ
ọ
c đư
ợ
c v
ị

trí n
g
uồn cần xác đ
ị
nh là
(
30
0
,
60
μ
s
)


23
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Chương 4 trình bày phương pháp đa tần định vị đồng thời nhiều nguồn
phát sử dụng thuật toán MUSIC và những nghiên cứu, đề xuất của tác giả
khi ứng dụng phương pháp này trong việc định vị cứu hộ tàu thuyền ven
biển với dàn anten thông minh làm việc ở tần số trung tâm 8,5 MHz.
1/. Phương pháp đa tần từng nấc cho phép định vị đồng thời nhiều phao
vô tuy
ến phát sóng chỉ với một dàn anten thu trên bờ.
2/. Dựa trên phương pháp mô phỏng, tác giả đã xây dựng đồ thị mối
quan hệ giữa số lượng các nguồn phát tối đa có thể định vị được K
MN
và số
số tần số phát N :
3/ Với cùng một cỡ dàn, cùng dải tần B, cùng một số nguồn phát K thì N

càng lớn hay bước nhảy tần Δf càng nhỏ thì độ phân biệt vị trí các tín hiệu
càng cao (thuật toán MUSIC ước lượng càng chính xác).
4/ Trên cơ sở đó tác giả đã đề xuất hai ý kiến cụ thể góp phần nâng cao
khả năng làm việc của hệ thống:
- Đề xuất thứ nhất là việ
c chia nhóm các tần số phát, cho phép một dàn
anten có thể định vị đồng thời nhiều nguồn phát hơn
- Đề xuất ước lượng MUSIC hai lần nhằm xác định các nguồn phát có vị
trí rất gần nhau, khó phân biệt hoặc bị che khuất.

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

1. CÁC KẾT LUẬN
1/ Xây dựng phương pháp định vị phao vô tuyến có thêm tần số phát
trong dải tần số (8,3-8,7)MHz để dàn anten thông minh đặ
t tại trạm bờ xác
định vị trí theo phương pháp đa tần có thể áp dụng cho công tác cứu hộ tàu
thuyền đánh cá loại vừa và nhỏ của ngành Thuỷ sản. Việc sử dụng định vị
sóng mặt cho phép định vị tàu thuyền xa bờ đến 100km, bao quát toàn bộ
phạm vi hoạt động của các tàu thuyền đánh cá loại này
Phương pháp định vị đa tần sử dụng thuật toán ước l
ượng MUSIC,
được xây dựng trong luận án, cho phép chỉ dùng một dàn anten thông minh
đặt ở trạm bờ có thể định vị đồng thời nhiều tàu thuyền. Điều này mở ra khả
năng với một số trạm bờ không lớn có thể tham gia định vị cứu hộ đồng thời
hàng trăm tàu thuyền bị nạn khi có bão.


24
2/ Xây dựng chương trình mô phỏng kết hợp đồng thời cả ước lượng

hướng sóng tới DOA và thời gian lan truyền sóng TOA mở rộng khả năng
ứng dụng của thuật toán phân loại tín hiệu đa đường MUSIC, cho phép định
vị được số nguồn phát K lớn hơn số phần tử của dàn anten M.
Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng phân biệt hướng sóng tới khi sử
dụng thu
ật toán ước lượng MUSIC tăng lên khi tăng số phần tử của dàn
anten M. Kết luận này cũng đúng với định vị đa tần, với cùng một cỡ dàn
anten M, cùng một dải tần làm việc của anten B, cùng một số lượng nguồn
phát K, khi tăng số tần số phát N khả năng phân biệt mục tiêu tăng và nếu
thực hiện ước lượng hai lần, như tác giả đề xuấ
t, thì khả năng phân biệt các
nguồn phát gần nhau sẽ tốt hơn.
3/ Dựa trên kết quả mô phỏng, tác giả đã xây dựng được đồ thị biểu thị
mối quan hệ giữa số nguồn phát tối đa có thể định vị được và số tần số phát
trong trường hợp định vị sóng mặt ở tần số 8,5MHz., từ đó có các kết luận:
- Trong phương pháp đ
a tần, với dàn anten có M phần tử, ta có thể xác
định được vị trí của (M-1) nguồn có cùng hướng sóng tới DOA và với số tần
số phát là.N ta có thể xác định được vị trí của (N-1) nguồn phát có cùng thời
gian lan truyền sóng TOA.
- Trong phương pháp đa tần, số lượng tối đa các nguồn phát có thể
định vị được phụ thuộc vào số tần số phát theo hàm số mũ. Do vậy nếu chia
nhóm các tần số phát, thì cùng một dàn anten, ta có th
ể định vị được đồng
thời nhiều tàu thuyền hơn. Đây là một hướng suy nghĩ hoàn toàn mới.

2. PHẦN KIẾN NGHỊ
Giải pháp chế tạo các phao vô tuyến phát sóng cấp cứu có thêm tần số
8,5MHz, sử dụng định vị sóng mặt, không những mở rộng khoảng cách định
vị, mà, với việc áp dụng phương pháp đa tần, sử dụng thuật toán ước lượng

MUSIC còn cho phép đị
nh vị đồng thời rất nhiều tàu thuyền đánh cá.
Đây là phương pháp mang tính kinh tế - kỹ thuật, hy vọng có thể ứng
dụng cho hệ thống thông tin cứu hộ của ngành Thuỷ sản Việt nam.

3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP
Trong luận án, khi xây dựng phương pháp đa tần, tần số được thay đổi
từng nấc Tuy nhiên, tần số cũng có thể được thay đổi một cách liên tục. Đây
là hướng sẽ được nghiên cứu tiếp để phương pháp thêm hoàn thiện.