Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN

1.1 ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ CÁC LOẠI HÌNH CỦA NÓ
Định vị vô tuyến (radar) là tên gọi của một lĩnh vực vô tuyến , mà lĩnh vực
này sử dụng sự phản xạ, sự bức xạ qua lại, hoặc sự bức xạ riêng của sóng điện từ để
phát hiện các mục tiêu khác nhau, đồng thời còn còn để đo tọa độ và tham số
chuyển động của các mục tiêu đó.
Mục tiêu của định vị vô tuyến là mục tiêu vật chất bất kỳ mà nó có thể phát
hiện được , có thể đo được vị trí của nó bằng các phương pháp định vị vô tuyến.
Tuỳ theo từng phương pháp định vị vô tuyến người ta phân loại chúng thành các
loại hình sau:
Loại 1: Định vị vô tuyến chủ động bởi việc chiếu sáng mục tiêu bằng năng
lượng điện từ , mà năng lượng này được bức xạ bằng anten của trạm phát radar và
sự hấp thụ năng lượng phản xạ từ mục tiêu.
Loai 2: Định vị vô tuyến chủ động với trả lời chủ động , khác với loại hình thứ
nhất ở chỗ là mục tiêu có đặt máy đáp vô tuyến, đây là thiết bị phát nhận, nó nhận
và trả lời các tín hiệu của radar.
Loại 3: Định vị vô tuyến bán chủ động, khác với loại hình chủ động ở chỗ
mục tiêu được chiếu sáng bằng một trạm radar còn sự thu còn sự thu và phát tín
hiệu phản xạ từ mục tiêu được thực hiện ở đối tượng khác
Loại 4: Định vị vô tuyến thụ động được thực hiện băng cách thu năng lượng
được bức xạ bởi mục tiêu.
Vấn đề phát hiện mục tiêu xét theo quan điểm kỹ thuật vô tuyến dẫn đến sự
phát hiện tín hiệu, mà được bức xạ qua lại bởi mục tiêu này trên nền các loại nhiễu
khác nhau.
Mục tiêu bất kỳ được radar chiếu sáng trở thành nguồn sáng thứ cấp. Công

suất của bức xạ thứ cấp phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố như : cường độ từ
trường mà được tạo bở máy radar gắn mục tiêu , các tham số của mục tiêu, vị trí
của mục tiêu so với radar , sự phân cực của từ trường sơ cấp và độ dài của sóng. Vv
...
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

7


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Định vị vô tuyến thụ động hình thành ở hiện tượng bức xạ năng lượng điện từ
bởi các vật thể. Vật thể bất kỳ mà nhiệt độ của nó lớn hơn không độ tuyệt đối đều
bức xạ năng lượng điện từ. Tất cả các mục tiêu đều thỏa mãn điều kiện này , vì vậy
có sự phát hiện mục tiêu mà không cần chiếu sáng ban đầu .
Định vị vô tuyến hình thành ở tính chất sóng vô tuyến lan truyền trong môi
trường đồng nhất với vận tốc không đổi, tính chất này cho phép xác định hướng tới
mục tiêu và độ dài quỹ đạo truyền sóng của chúng. Người ta chia nhỏ định vị vô
tuyến tương ứng thành đo khoảng cách vô tuyến và sự tìm phương bằng vô tuyến.
Đo khoảng cách vô tuyến là xác định khoảng cách tới mục tiêu bằng cách đo
độ dải quỹ đạo lan truyền của sóng vô tuyến tới mục tiêu và ngược lại.
Tìm phương bằng vô tuyến là xác định hướng tới mục tiêu, tức là đo tọa độ
góc của mục tiêu bằng cách xác định hướng đến của sóng vô tuyến phản xạ hoặc
phát ra từ mục tiêu.
1.2 PHƯƠNG PHÁP ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG XUNG VÔ TUYẾN

Khi xác định khoảng cách đến mục tiêu ( D ) , người ta đo thời gian trễ của tín
hiệu phản xạ tới xung thăm dò.
Xung thăm dò là xung có tần số cao, công suất lớn, xung này được hình thành
bởi máy phát và bức xạ vào không gian nhờ anten
Thời điểm bức xạ của xung thăm dò được đưa vào bộ đếm thời gian sóng vô
tuyến lan truyền.
Tín hiệu được phản xạ từ mục tiêu được thu trực tiếp bởi máy thu. Khoảng
thời gian giữa thời điểm bức xạ của xung thăm dò và thời điểm thu xung phản xạ
gọi là thời gian trễ của tín hiệu phản xạ
Ta có :
t z=

2D
c

(1.1.3a)

Do đó
D=

Nguyễn Huy Tùng
thông

c.t
2

z

(1.1.3b)

Khoa Điện tử viễn

8


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Trong đó D là khoảng cách giữa máy radar và mục tiêu, c là vận tốc truyền
sóng vô tuyến
Môi trường thực không phải là môi trường đồng nhất hoàn toàn, bởi thế quỹ
đạo truyền sóng không hoàn toàn là một đường thẳng , còn vận tốc truyền sóng
không hoàn toàn là không đổi trong tất cả các đường truyền. Tuy nhiên tỷ số dẫn ra
ở trên sẽ đúng với môi trường thực nếu c là vận tốc truyền sóng trung bình ở
khoảng cách D
Tùy theo phương pháp đo khoảng cách thời gian t , người ta chia thành những
phương pháp đo khoảng cách vô tuyến sau : xung, tần số , pha và xung tần số.
tương ứng người ta chia phương pháp định vị vô tuyến thành xung, tần số, pha và
xung tần số.
1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG XUNG VÔ TUYẾN
Nguyên tắc hoạt động của máy radar xung được chỉ ra ở sơ đồ khối rút gọn
sau :

Hình
Sơ đồ
hệ
vị vô
tuyến

Máy phát

Thiết bị
chuyển mạch
antenn
Máy phát

Máy thu

1.1:
khối
định
bằng

Bộ đồng bộ
Máy thu

Bộ phận
hiển thị

Bộ đồng
phương pháp nén xung.

bộ

Máy phát của máy đo khoảng cách vô tuyến bức xạ dao động tần số siêu cao ở
dạng xung thăm dò lặp lại theo chu kỳ khoảng thời gian giữa các xung thăm dò
diễn ra sự thu xung phản xạ. Từ lối ra của máy thu, xung đã thu được đưa vào thiết
bị chỉ báo, thiết bị này cho phép đo khoảng thời gian giữa lục bắt đầu bức xạ xung
thăm dò và lúc bắt đầu thu xung phản xạ. Vì vậy ta xác định được khoảng cách đến

mục tiêu theo công thức (1.1.3b )

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

9


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Ở bộ phận chỉ báo tỷ lệ của tia quét (l) và khoảng đo được D được liên hệ theo
công thức
l =v r .t z = v r .

2D
= M .D
c

Trong đó v r l là vận tốc quét không đổi
M=

2v
c

là tỷ lệ quét tuyến tính

Để máy thu của radar làm việc bình thường cần có sự đồng bộ giữa máy phát
xung với bộ chỉ báo , nghĩa là thời điểm bức xạ của xung thăm do và lúc bắt đầu
quét của bộ chỉ báo cần trùng nhau hoàn toàn
1.4

PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG SỰ NÉN XUNG

Hình 1.2 giản đồ thời gian của việc phát xung radar
1 xung radar gủi xung của sóng vô tuyến trong 1 khoảng thời gian nhỏ là T0
và sau đó ngừng gửi trong khoảng thời gian là T1 như hình ở trên, chu kỳ là T0 +
T1 , do đó tần số f = 1/(T0 + T1) .Trong khi bộ truyền hoạt động và gửi tín hiệu
trong thời gian T0 thì bộ nhận sẽ ngừng việc nhân tín hiệu, sau khoảng thời gian
T0 bộ truyền sẽ ngừng truyền và cho phép bộ nhận cảm nhận tín hiệu phản hồi từ
mục tiêu.
khoảng thời gian T0 thì nguồn của máy phát phải đảm bảo là tín hiệu được
truyền đi, đập vào mục tiêu và quay trỏ lại bộ nhận . vì vậy trong truờng hợp tín
hiệu vọng về được phát hiện thì năng lượng cần phải lớn nhất có thể. Điều này có
thể thực hiện nhờ tăng nguồn năng lượng phát hoặc tăng thòi gian phát T0. Việc bộ
phát sử dụng năng lượng lớn sẽ xuất hiện những vấn đề bởi vì nó phải đòi hỏi một
điên thế cỡ KV . điều này gây nguy hiêm, tốn kém..
Việc lựa chọn giải pháp đầu tiên đã không khả thi, giờ ta sẽ lựa chọn cách
thứ 2 là tăng khoảng thời gian truyền T0, tăng thời gian T0 thì lại mâu thuẫn với độ
phân giải cư ly, độ phân giải cự ly có nghĩa là ở khoảng cách xa nào đó mà 2 tín
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

10

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

hiệu phản hồi phải được tách dời vì vậy những tín hiệu dội có thể nhìn giống như 2
xung riêng rẽ. . Do đó chúng ta cần phải tăng T0 để tăng năng lượng truyền và nhận
một xung hẹp để cải thiện độ phân giải cự ly. Điều này dẫn đến việc nén xung.
Nén xung là việc gửi một xung dài để tăng năng lượng truyền và nén nó đến một
xung hẹp ở bộ nhận để tăng cao độ phân giải cự ly.
Độ phân giải cự ly = T0/2r , r là dải của mục tiêu, độ phân giải mục tiêu =
(1/2r)*(1/BW) trong đó BW = 1/ t0 băng thông của xung truyền . vì vậy nếu tăng
băng thông của xung truyền thì độ phân giải cự ly sẽ đuợc cải thiện.
1.4.1 Định vị sử dụng phương pháp xung - tần số
Sơ đồ khối đơn giản của radar với sự điều biến tần số tuyến tính trong xung
được mô tả trong hình 1.1.5

Thiết bị truyền

Thiết bị chuyển
mạch anten

Bộ đồng bộ

Máy thu

Bộ lọc nén

Thiết bị ra

Bộ tách sóng
Hình 1.3 Sơ đồ khối của máy radar

với sự điều biến tần số tuyến tính trong xung
Thiết bị truyền phát xung vô tuyến rộng t1. Tần số trong xung thay đổi theo
quy luật tuyến tính :
f = f0 – at ( 1.1.5 )
Trong đó a là vận tốc thay đổi tần số.

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

11


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Dạng xung vô tuyến và quy luật biến đổi tần số được mô tả trong hình
1.1.5a,b
Tín hiệu phản xạ của mục tiêu được thu bởi máy thu của trạm và đi đến bộ lọc
nén đặc biệt. trong bộ nén người ta sử dụng đường trễ mà thời gian trễ của nó phụ
thuộc tuyến tính vào tần số. ( hình 1.1.5c )
Với bộ lọc này tần số xung cao đến sớm được trễ nhiều hơn, còn tần số thấp
đến muộn hơn bi trễ ít hơn. Kết quả tất cả các thành phần tần số của xung bị dịch
chuyển trong thời gian trước khi hết xung, nghĩa là xung bị nén trong khoảng thời
gian đó

Mức đôj nén xung hoàn toàn được xác định theo giới hạn thay đổi tần số trong
xung ( theo độ lệch của tần số )
F0 = a. τ

in

Bộ nén
xung

Hình 1.4: Nguyên lý nén xung :
a) Dạng xung lối vào và lối ra của bộ lọc.
b) Vùng thay đổi tần số của xung.
c) Sự phụ thuộc thời gian trễ của bộ lọc vào tần số.
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

12


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Độ rộng của xung ở lối ra của bộ lọc
tic=1/fD

( 1.1.5a1 )

Hệ số nén xung là :
k = ti/tic = fD.ti

( 1.1.5b1)

Công suất xung ở lối ra của bộ lọc nén tăng lên k lần , nghĩa là :
Pi ra=k.Pi vµo ( 1.1.5c1 )
Chảng hạn, để nén xung băng thời gian 500.10^-6 s lên 100 lần, độ lệch tần số
của xung fD = 200 KHz , vận tốc thay đổi tần số a = 400MHz/s . Khi công suất
xung ở lối vào Pi vao = 10 ^-6 w . thì công suất xung ở lối ra của bộ lọc sẽ là P i ra =
100 .10^-6 w.
1.4.2 Định vị sử dụng điều biến pha

ng

Bộ khuyếch đại
với pha

Bộ tạo xung
tần só cao

Bộ khuyếch đại
công suât

Bộ chuyển
mạch anten

Bô khuyếch
đại với pha 0

Máy thu

Khối tạo dạng
mã

Bộ lọc nén

Bộ đồng bộ

Bộ lọc
thích ứng

Thiết bị ra

Bộ tách
sóng

Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ thống radar sử dụng phương pháp điều biến pha
trong xung
Thiết bị hình thành xung thăm dò có tần số không đổi và độ rộng là t1. Xung
này được phân thành những đoạn bằng nhau, khoảng mã r k. Trong phạm vi của mỗi
khoảng mã có pha ban đầu về dao động tần số cao.

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

13

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Uc(t)

y

y
U2
U1

y
U3

-y
U4

-y
U5

y

-y

U6
U7

Bô lấy tổng

Bộ lọc
thích ứng
với

Lèi ra

Hình 1.6 Sơ đồ xử lý tối ưu của xung điều biến pha
Độ rộng của mỗi khoảng mã rk được xác định bởi độ phân giải của máy.
Trong các đài rađa hiện nay sử dụng mã barker mà ở đó pha ban đầu của các
khoảng mã lân cận bằng 0 hoặc 180 độ còn số khoảng mã ở xung có thể là
3,4,5,7,11,13.

UC(
t)
a)

1 2
- +
1 1

3 4
- 1 1

5 6
+ +
1 1

7 8
+
1

9

1
0

Uε (
t)
b
)

1
1

1
2

1
3

t

t

Uϕ (
t)
c)

t

Hình 1.7 Sự biến đổi xung điều biến pha
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

14


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Trên hình 1.1.5.2 là sơ đồ đơn giản về sử lý tối ưu pha xung.
Trên hình 1.1.5.2a thể hiện tín hiệu mã gồm 7 khoảng mã ( n=7 ) , những
khoảng mã có pha ban đầu là 0 ( +1 ) còn khoảng mã có pha ban đầu là 180 độ là (1)
1.5 ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHẤP TẦN SỐ
Định vị vô tuyến sử dụng phương pháp tần số có sơ đồ khối biểu diễn trên
hình 1.9. Nguyên tắc hoạt động của nó như sau

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

15


Khoá luận tốt nghiệp đại học
Bộ

tạo sóng

Bộ
điều biến
tần số

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Bộ tạo
sóng tần
số cao

Bộ
tách
sóng

Thiết bị
đo
tần số

Bộ
khuyếch
đại

âm tần

Hình 1.8. Sơ đồ khối của máy rađa tần số

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

16


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

U
1

a
)

t

U
2

b
)

t

U
V

t

c
)

U
r

d
)

t

Hình 1.9 Biểu đồ điện áp giải thích làm việc của radar tần số.
Điện áp của tín hiệu trực tiếp Ui được điều biến theo tần số đi từ bộ tạo sóng
tần số cao vào bộ tách sóng (hình 1.10.a). Đồng thời tín hiệu phản xạ từ anten thu
U2 cũng đi vào bộ tách sóng (hình 1.10.b). Nếu khoảng cách đến mục tiêu phản xạ
trong suốt thời gian không thay đổi, thì sự điều chỉnh bổ xung (biên độ và tần số)
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

17


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

dao động khi phản xạ không xảy ra .Trong điều kiện này tín hiệu phản xạ chỉ khác

tín hiệu trực tiếp bởi biên độ. Có thể xác định thời gian trễ của tín hiệu phản xạ theo
công thức (1.1).
Khi cộng tín hiệu phản xạ và tín hiệu trực tiếp sẽ xuất hiện hiện tượng phách
(hình 1.10.c). Tín hiệu hợp thành là tín hiệu được điều chế cả theo tần số và biên
độ. Tần số phách phụ thuộc vào thời gian trễ của tín hiệu phản xạ, nghĩa là phụ
thuộc vào cự ly của mục tiêu phản xạ.
Bây giờ tách đường bao của tín hiệu hợp thành (hình 1.10.d) và sau khi
khuếch đại đưa đến thiết bị đo tần số, thì số chỉ của thiết bị đo tần số sẽ tương ứng
với khoảng cách được đo.
Tần số phách khi đIều khiển tần số tuyến tính bằng:
FP = a.2D/c

(1.9)

Với a là vận tốc thay đổi tần số.

f
f1
f0
FP

tZ

fD
TM

t

t

Hình 1.11 Sự phụ thuộc độ lớn hiệu tần số tín hiệu trực tiếp và tín hiệu
phản xạ vào thời gian khi điều biến theo quy luật tam giác đối xứng
Đối với trường hợp điều khiển theo quy luật đường cong tam giác đối xứng
(hình 1.11) thì:
FP = |f1-f2| = 4fDfMD/c

(1.10)

Trong đó : fD là độ lệch tần số.
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

18


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

fM là tần số biến điệu.
Công thức (1.10) chính xác khi : (f1 – f2) lớn hơn rất nhiều so với fM.
Trong trường hợp điều khiển theo quy luật sóng điều hoà thì:
FP = |f1 – f2| = |fD.sin()
Trong đó tz là thời gian trễ của tín hiệu phản xạ.
Từ biểu thức (1.11) ta nhận thấy khi điều biến theo quy luật sóng điều hoà thì
tần số phách thay đổi theo từng chu kỳ. Nhưng số chỉ của thiết bị đo (đo quán tính)
tương ứng với tần số phách trung bình và được xác định theo công thức (1.10).
Công thức (1.10) đối với trưòng hợp điều khiển theo quy luật đường cong

hình tam giác và quy luật sóng điều hoà chỉ là gần đúng .Vì thế khoảng cách được
đo sai khác đến D0, còn khi đo khoảng cách nhỏ có thể đến 2D0.
Với

D0 = c/4fD

(1.12)

Công thức (1.12) cho phép xác định độ chính xác của phép đo .
Nếu khoảng cách giữa máy đo và mục tiêu là thay đổi thì quy luật của tín hiệu phản
xạ sẽ khác quy luật thay đổi tần số của tín hiệu phát do hiệu ứng Doppler .Trong
trường hợp này tần số phách bằng :
FP = |FD -Fd|

(1.13)

Trong đó : FD là tần số phách do sự trễ của tín hiệu phản xạ và được tính
theo công thức (1.10).
Fd là tần số Doppler : Fd = fi.2vr/c =2vr/…
fi là tần số mang của máy đo
vrlà vận tốc hướng tâm của mục tiêu
…là bước sóng của máy phát

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

19

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

f

F1
F2
t

F1

F2

t

Hình 1.12 ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi điều khiển theo quy luật
đường cong tam giác đối xứng
Đối với trường hợp điều khiển theo quy luật đường cong tam giác đối xứng
(hình 1.12) có thể đo riêng khoảng cách tới mục tiêu và vận tốc dịch chuyển của
mục tiêu.
Nếu FD lớn hơn Fd thì :
FD = ( |F1| + |F2| )/2

(1.15)

fd = ( |F1| - |F2| )/2

(1.16)

Vì thế khi đo riêng rẽ F1 và F2 có thể tìm ra khoảng cách đến mục tiêu và vận
tốc đến mục tiêu.

Nguyễn Huy Tùng
thông

D = c.FD/2a

(1.17)

vr = c.Fd/2fi

(1.18)

Khoa Điện tử viễn

20


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

1.6 ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHA
Sơ đồ khối của máy đo khoảng cách vô tuyến sử dụng phương pháp pha được
biểu diễn trên hình (1.13)

Bộ tạo sóng
tần số tỉ lệ

Bộ tạo sóng
tần số cao

u1

Ph
a
u kế

Mục
tiêu

Máy
thu

u2

Hình 1.13 Sơ đồ khối máy đo khoảng cách vô tuyến bằng
phương pháp pha
Nguyên tắc hoạt động của nó như sau :Đi vào pha kế là hai điện áp :
-Từ bộ tạo sóng tần số tỷ lệ :
u1 = um1.sin( ω M..t + ϕ 0)

(1.19)

Trong đó : ω M là tần số tỷ lệ
ϕ 0 là pha ban đầu

-Từ lối ra của máy thu :

u2 = um2 .sin[ ω M.(t-tz) + ϕ 0- ϕ d- ϕ px]

(1.20)

Trong đó :
ϕ d là sự trễ của pha dao động trong mạch của máy đo khoảng cách vô tuyến.
ϕ px là góc lệch của pha dao động tỷ lệ ,xuất hiện khi phản xạ từ mục tiêu.
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

21


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

tz là thời gian trễ của tín hiệu phản xạ .
Độ lệch pha của điện áp u1 và u2 bằng:
ϕ p = ω M t z + ϕ d + ϕ px

(1.21)

Sự trễ pha ở mạch của máy đo và độ lệch pha xuất hiện khi phản xạ là không
đổi và có thể tính toán được hoặc xác định được bằng thực nghiệm . Khi đó nếu ta
đo độ lệch pha giữa điện áp u1 và u2 thì có thể xác định được khoảng cách đến mục
tiêu:
D=

c
(ϕ p − ϕ d − ϕ px )
2ω M

(1.22)

Để đảm bảo việc đo khoảng cách vô tuyến bằng phương pháp pha, cần lựa
chọn chính xác tín hiệu phản xạ từ mục tiêu. Để lựa chọn người ta sử dụng hiệu
ứng Doppler .Trong trường hợp nay người ta sử dụng 2 máy phát làm việc ở tần số
ω1 và ω 2

Bộ tạo sóng
tần số cao

Bộ lọc dải
(I)

Máy thu

Φ

MT

Bộ lọc dải
(II)
Bộ tạo sóng
tần số cao

Hình 1.14.Sơ đồ khối máy đo khoảng cách sử dụng hiệu ứng Doppler

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

22


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Đi vào máy thu (hình 1.14) là tín hiệu trực tiếp với tần số ω1 và ω 2 và tín
hiệu phản xạ từ mục tiêu ω1 + Ω1 và ω 2 + Ω 2 , trong đó Ω1 và Ω 2 là các tần số
Doppler :
Ω1 = ω 1

2v r
2v
và Ω 2 = ω 2 r
c
c

Điện áp của lối ra máy thu đi vào 2 bộ lọc dải, một trong số bộ lọc đó cho dải
tần số từ Ω1 min đến Ω1 max đi qua, còn bộ lọc kia cho dải tần số từ Ω 2 min đến Ω 2 max
đi qua. Tần số ω1 và ω 2 được lựa chọn để các dải trên được thoả mãn.
Nếu tần số ω1 và ω 2 khác nhau một chút thì Ω1 ≈ Ω 2 do đó:
D≈

⇒ ϕ pd = (ω 1 − ω 2 )

cϕ pd
2(ω 1 − ω 2 )

2 D là độ lệch pha giữa điện áp u1và u2được thu bởi máy thu
c

Như vậy khoảng cách trong trường hợp đang xét được xác định bằng cách đo
độ lệch pha dao động của 2 tần số Doppler
Máy đo khoảng cách pha đã xét ở phần trên không có khả năng xác định theo
khoảng cách, nhưng lại cho phép xác định vận tốc của mục tiêu. Vì vậy nó có thể
bảo đảm việc đo khoảng cách cả trong trường hợp trong tầm nhìn của máy rađa có
vài mục tiêu. Để làm được điều này, cần phải thay bộ lọc dải trên hình 1.14 bằng bộ
lọc dải có tần số cộng hưởng thay đổi.

1.7.PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ LIÊN TỤC VỚI SỰ ĐIỀU BIẾN PHA
Thiết bị truyền của rađa tạo dao động liên tục với tần số không thay đổi. Pha
ban đầu của dao động thay đổi theo mã đã được xác định. Chu kì lặp lại T i được lựa
chọn ứng với kgoảng cách lựa chọn của trạm.Chu kì này được phân thành các
khoảng thời gian τ k (khoảng thời gian τ k được lựa chọn theo khả năng cho phép
của máy rađa).
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

23

Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

t

Ti

Hình 1.15.Ví dụ về điều biến mã pha của tín hiệu liên tục
Số các khoảng đó là:
N=

Ti
τk

(1.24)

Việc điều khiển pha được thực hiện như sau : khoảng chừng một nửa khoảng
có pha ban đầu bằng ϕ 0 , phần còn lại có pha ban đầu là ϕ 0 + π . Sự xen kẽ pha
được lựa chọn theo một mã xác định (hình 1.15 là một ví dụ).
Tín hiệu điều khiển mã pha được bức xạ vào không gian, phản xạ từ mục tiêu
và được thu bởi máy thu. Trong máy thu tín hiệu nhận được đi vào bộ trộn, được
xử lí giống như tín hiệu chuẩn điều khiển mã pha nhưng bị trễ ở đường trễ. Từ thời
gian trễ của tín hiệu ta có thể phán đoán được khoảng cách đến mục tiêu.
Phương pháp này có hàng loạt ưu điểm so với phương pháp xung:
 Mức độ công suất cực đại bằng công suất trung bình bởi vậy không đòi hỏi
cao về độ bền của ống dẫn sóng, cũng như cách ly điện áp cao.
 Tính chống nhiễu của phương pháp này rất cao vì cho phép lọc dải hẹp và
nhạy với vận tốc của mục tiêu.
 Cho phép đo 3 loại tọa độ mục tiêu (khoảng cách, góc phương vị, góc tà và

vận tốc hướng tâm).
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

24


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

1.8.PHƯƠNG PHÁP BỨC XẠ LIÊN TỤC VỚI SỰ ĐIỀU BIẾN TẠP ÂM:
Để xác định khoảng cách khi bức xạ liên tục có thể sử dụng điều biến tạp âm
tín hiệu tần số cao. Việc điều biến có thể là biên độ hoặc pha

Bộ tạo sóng
âm tần

u(t)

Bộ
điều biến

Bộ tạo sóng
tần số cao

MT
Đường

trễ

u(t-)

Bộ
tương quan

Máy
thu

u(t-)

R()

Hình 1.16 .Sơ đồ khối rađa với điều biến tạp âm
Nguyên lí làm việc của máy rađa với sự điều biến tạp âm theo biên độ được
đưa ra trên hình 1.16. Bộ tạo sóng phát ra tín hiệu tạp âm u(t) hình 1.17a. Biên độ
dao động của bộ tạo sóng tần số cao được điều chế bởi tín hiệu này. Tín hiệu sau
khi phản xạ từ mục tiêu đi đến thiết bị thu.Ở lối ra của bộ tách sóng, tín hiệu tạp âm
ban đầu được tách ra khỏi nhưng bị trễ một khoảng thời gian τ z tương ứng với
khoảng cách tới mục tiêu (hình1.17b). Tín hiệu từ lối ra của bộ tách sóng đi tới bộ
tương quan. Đồng thời đi vào lối thứ hai của bộ này là tín hiệu tạp âm ban đầu u(t)
nhưng bị trễ ở đường trễ một khoảng thời gian là τ (hình 1.17c) . Thời gian trễ trên
đường này có thể thay đổi được.
Bộ tương quan thực hiện phép toán sau:
R (τ − τ z ) =

Nguyễn Huy Tùng
thông

1
TH

TH

∫ u (t − τ

z

)u (t − τ )dt

(1.25)

0

Khoa Điện tử viễn

25


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Trong đó: TH là thời gian quan sát.
Hàm R(τ − τ z ) trong lí thuyết các quá trình ngẫu nhiên được gọi là hàm tự
tương quan. Bởi vậy thiết bị này được gọi là bộ tương quan, ở lối ra của bộ tương
quan tạo ra điện áp tỉ lệ với hàm tương quan của tạp âm R(∆τ ) với ∆τ = τ − τ z .
Hàm tự tương quan lớn nhất khi ∆τ = 0
Vì vậy thời gian trễ của đường trễ bằng τ z thì ở lối ra của bộ tương quan điện

áp sẽ cực đại (hình1.17d). Để kiểm tra tất cả các khoảng trễ trên đường trễ cần phải
thay đổi từ 0 cho đến giá trị lớn nhất, giá trị lớn nhất sẽ ứng với khoảng cách tới
mục tiêu xa nhất.

u(t)

(a)

t

(b)

t

(c)

t

R(τ − τ z )

τ =τz

(d)

t

Hình1.17.Nguyên tắc làm việc của bộ tương quan với sự điều biến tạp âm
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

26


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Tính chất cơ bản của máy rađa với sự điều biến tạp âm là :

Tín hiệu tạp âm khác với tín hiệu điều chỉnh có chu kì, cho phép xác
định một cách đơn trị khoảng cách tới mục tiêu.

Sự áp dụng điều biến tạp âm, đặc biệt khi điều chế pha làm tăng công
suất trung bình của tín hiệu so với cơ chế xung cũng như ở rađa với sự bức
xạ liên tục thuộc các loại khác.

Được sử dụng ở những rađa có công suất không lớn, điều này làm
đơn giản kết cấu của máy phát và của hệ thống angten
Tín hiệu tạp âm của rađa, đặc biệt khi điều chế biên độ tương tự tạp âm ở bên
trong của máy thu, điều này cho phép rađa làm việc được bí mật hơn.

1.9.PHÁT HIỆN CÁC TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN:
Phát hiện các mục tiêu vô tuyến khi có sự giúp đỡ của các trạm rađa là quá
trình nhận lời giải về sự có mặt hoặc vắng mặt mục tiêu trong một vùng không gian
bằng phương pháp nhận và xử lí tín hiệu rađa
Việc nhận các tín hiệu luôn diễn ra trên nền nhiễu. Trong dải sóng mà vô
tuyến định vị sử dụng các dạng cơ bản của nhiễu tự nhiênlà: tạp nhiệt, tạp âm vũ
trụ, tạp nội của máy thu.

Sự có mặt của nhiễu dẫn đến tín hiệu bị sai lệch và xuất hiện các lỗi trong việc
đánh giá xử lí. Việc thu nhận và giải đáp về sự có mặt hay vắng mặt của mục tiêu
xảy ra ở 2 điều kiện loại trừ:
-Mục tiêu trên thực tế là có
-Mục tiêu trên thực tế là không có
Khi lựa chọn những lời giải những điều kiện này không được biết trước. Một
trong hai điều kiện trên tương ứng với 2 lời giải:
- “ có mục tiêu”
- “ không có mục tiêu”
Như vậy khi phát hiện có 4 khả năng lựa chọn : ở điều kiện mục tiêu trên thực
tế là có thì lời giải “có mục tiêu” là phát hiện đúng, còn lời giải “không có mục tiêu
” được gọi là bỏ sót mục tiêu; ở điều kiện mục tiêu trên thực tế là không có, thì lời
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

27


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

giải “không có mục tiêu” là sự không phát hiện đúng, còn lời giải “có mục tiêu”
được gọi là báo động nhầm. Bỏ sót mục tiêu và báo động nhầm là những sai sót khi
phát hiện mục tiêu.
Nói chung tín hiệu vô tuyến định vị là những hàm ngẫu nhiên của thời gian, vì
vậy việc nhận lời giải này hay lời giải khác đều mang tính chất ngẫu nhiên.
Khả năng xuất hiện những tình huống này là đặc trưng xác suất của lời giải

đúng và lời giải sai, ta kí hiệu:
 Xác suất phát hiện đúng là Pno
 Xác suất không phát hiện đúng là Pnh
 Xác suất bỏ sót mục tiêu là Pnp
 Xác suất báo động nhầm là Plt
Khi có mặt mục tiêu trong thực tế phát hiện đúng và bỏ sót mục tiêu sẽ tạo
thành nhóm đủ các sự kiện độc lập , bởi vậy:
Pno + Pnp = 1

(1.26)

Báo động nhầm và không phát hiện đúng cũng tạo thành nhóm đầy đủ các sự
kiện độc lập khi không có mục tiêu và:
Plt + Pnh =1

(1.27)

Từ công thức (1.26) và (1.27) ta thấy chỉ có 2 trong số các xác suất kể trên là
không phụ thuộc vào nhau. Thông thường dựa vào tính chất này và với đặc tính của
các dụng cụ phát hiện người ta sử dụng xác suất phát hiện đúng và xác suất báo
động nhầm.
Thiết bị xử lí thông tin vô tuyến định vị còn phải thoả mãn các yêu cầu trái
ngược nhau. Để tránh bỏ sót mục tiêu, người ta thường dùng lời giải về sự có mặt
của nó thậm chí cả trong trường hợp khi tín hiệu từ mục tiêu rất sai lệch bởi nhiễu
và không thể khẳng định được chính xác có mục tiêu. Khi đó xác suất báo động
nhầm tăng lên.

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

28


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Ngược lại nếu như xác suất báo động nhầm giảm thì cần phải nhận lời giải về
sự có mặt của mục tiêu khi tín hiệu vượt rõ trên nhiễu. Khi đó xác suất bỏ sót mục
tiêu tăng lên .
Bởi vậy chúng ta phải xem xét một cách hợp lí giữa các tiêu chuẩn trái ngược
nhau khi lựa chọn phương thức tối ưu về xử lí thông tin. Để nhận định về chất
lượng hoạt động của các thiết bị phát hiện cần phải sử dụng tiêu chuẩn nào đó để so
sánh giữa thiết bị này với thiết bị khác.Thiết bị tối ưu là thiết bị cho phép nhận giá
trị tốt nhất (khi so sánh với thiết bị khác) theo tiêu chuẩn đã lựa chọn ở những điều
kiện tương tự khác nhau.
Thông thường hay sử dụng nhiều nhất trong vô tuyến định vị là tiêu chuẩn
Hengman-Pico. Theo tiêu chuẩn này, thiết bị phát hiện tối ưu cần phải đảm bảo xác
suất phát hiện đúng Pno là lớn nhất khi đã cho trước giá trị xác suất của báo động
nhầm Plt
Trong thiết bị thu tối ưu, phát hiện tín hiệu vô tuyến định vị được thực hiện
hoặc là xác định xác suất hậu nghiệm của những thông tin khác nhau (ví dụ thông
tin có mục tiêu, thông tin về sự vắng mặt của mục tiêu) và đưa ra lời giải về những
thông tin mà xác suất của nó lớn hơn các thông tin còn lại, hoặc là xác định tỉ số
chắc chắn về thông tin truyền.
Tín hiệu lối ra của máy thu u(t) ở điều kiện mục tiêu trên thực tế là có, là tổng
của các quá trình ngẫu nhiên:
u(t) = uc(t) + un(t)

(1.28)

Trong đó: uc(t) là tín hiệu của mục tiêu
un(t) là tín hiệu của tạp âm
Nếu không có mục tiêu thì: u(t) =un(t)

(1.29)

Cũng như các quá trình ngẫu nhiên bất kì, tín hiệu u(t) hoàn toàn được mô tả
bởi mật độ phân bố xác suất đường bao ω (u ) và pha ω (ϕ ) .
Dạng phân bố xác suất đối với trường hợp (1.28) và (1.29) được chỉ ra ở hình
(1.18)
Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

29


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Pno

Pnp

Pno

Plt
u

U0
Hình1.18.Mật độ phân bố xác suất đường bao tạp âm và tín hiệu với tạp âm
Khi biết mật độ phân bố xác suất ω (u ) và giá trị giới hạn U 0 , có thể tính được
xác suất lời giải đúng và sai theo biểu thức sau :
∞

Pno = ∫ ω c ,n (u )du

(1.30)

U0

U0

Pnh = ∫ ω n (u )du

(1.31)

0

U0

Pnp = ∫ ω c ,n (u )du

(1.32)

0

∞

Plt = ∫ ω n (u )du

(1.33)

U0

Trong đó: ω c ,n (u ) là mật độ phân bố xác suất đường bao tín hiệu và tạp âm
ω n (u ) là mật độ phân bố xác suất đường bao tạp âm

U0 là điện áp ngưỡng , khi vượt qua giá trị này nhận được lời giải
về sự có mặt của tín hiệu

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

30


Khoá luận tốt nghiệp đại học

Chương 1. Tổng quan về hệ định vị vô tuyến

Tỉ số chắc chắn được xác định theo biểu thức:
λ=

ω c ,n (u )
ω n (u )

(1.34)

Theo tiêu chuẩn Hengman_Pico lời giải về sự có mặt của mục tiêu nhận được
nếu như tỉ số chắc chắn vượt qua giới hạn λ nop đã cho, tức là λ > λ nop
Giá trị λ nop được chọn sao cho xác suất báo động nhầm P lt không vượt quá giá trị
cho phép λ lt0 .Thực tế trong các rađa làm việc ở chế độ quan sát không gian thì tín
hiệu của mục tiêu là một nhóm xung. Số lượng xung trong nhóm xác định theo
công thức :
N i = Fi

ϕ 0,5
6n A

(1.35)

Trong đó: Fi là tần lặp lại của xung
ϕ 0,5 là độ rộng của biểu đồ định hướng ở mức độ nửa công suất

nA là vận tốc quay của anten (vòng/phút)
Việc tính toán xác suất phát hiện đúng mục tiêu và báo động nhầm ở dạng
tổng quát là rất khó . Tuy nhiên trong trường hợp tín hiệu nhỏ (trường hợp này có ý
nghĩa lớn trên thực tế) , các xác suất đã đưa có thể tính theo công thức:
Pno =

 Ni
ln λ nop

1
1 + Φ v
−

2
2 v 2Ni



Plt =

 ln λ nop
1
1 − Φ
 v 2N
2
i













(1.36)

(1.37)

Trong đó: Φ (x) là tích phân xác suất
v=

Pc
là tỉ số giữa công suất tín hiệu và công suất tạp âm ở lối ra
Pn

của máy thu

Nguyễn Huy Tùng
thông

Khoa Điện tử viễn

31