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

Kỹ thuật điện tử

XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ
HỎA LỰC BẮN TỈA DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ TDOA SÓNG ÂM
Phạm Văn Hòa*, Trần Quang Huy, Nguyễn Văn Hiếu, Trần Công Thìn
Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ
thống phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa dựa trên nguyên lý TDOA sóng âm.
Bằng việc sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác
định độ trễ về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor
thu âm để định vị hỏa lực, đồng thời điểu khiển camera để quan sát mục tiêu. Giải
pháp đã được kiểm tra, thử nghiệm trên máy tính và đã cho một số kết quả khả
quan, làm tiền đề cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa
phục vụ an ninh quốc phòng.
Từ khóa: Súng bắn tỉa, Hỏa lực bắn tỉa, Định vị sóng âm, TDOA, Định vị Hypebolic.

1. MỞ ĐẦU

Nhiều năm gần đây, các hệ thống định vị hỏa lực đang được nhiều nước trên thế
giới đầu tư phát triển, đứng đầu là Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nga... với nhiều chương
trình nghiên cứu, triển khai ứng dụng khác nhau trong các hoạt động quân sự và an
ninh. Các hệ thống có thể được đặt cố định trên mặt đất, các tòa nhà, công sự hoặc
trên các xe chiến đấu, máy bay, tàu chiến. Hầu hết các hệ thống định vị hỏa lực đều
dựa trên nguyên lý định vị thụ động để xác định vị trí của tiếng đạn nổ. Bằng việc
sử dụng các sensor thu âm đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống sẽ xác định độ trễ
về thời gian truyền sóng âm từ nguồn phát ra tiếng nổ tới các sensor để định vị hỏa
lực ở cự ly từ vài chục đến hàng nghìn mét. Một số hệ thống còn được tích hợp
thêm kính ngắm, camera để quan sát mục tiêu hoặc tự động truyền các thông số
định vị cho các lực lượng hỏa lực tiêu diệt mục tiêu một cách nhanh chóng. Bài
báo sẽ trình bày một số nội dung chính trong việc xây dựng hệ thống tự động phát
hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý sai lệch thời gian đến TDOA
(Time Differences Of Arrival) kết hợp với quang - điện tử.

2. PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA BẰNG SÓNG ÂM

2.1. Đặc trưng sóng âm của đạn
Khi một viên đạn được bắn ra từ súng, có 2 dạng sóng âm khác nhau được phát
ra như trên hình 1 gồm: tiếng nổ đầu nòng (Muzzle Blast) và sóng xung kích
(Shock Wave). Sóng xung kích được tạo ra khi viên đạn bay trong không khí với
tốc độ siêu âm, sóng âm có dạng hình nón dọc theo quỹ đạo của đạn, suy giảm
nhanh trong môi trường không khí, thời gian tồn tại ngắn (< 200s), tần số đặc
trưng cho mỗi loại đầu đạn và thường nằm trong dải từ 1-4kHz. Tiếng nổ đầu nòng
là âm thanh có cường độ lớn, vượt trội hơn so với các âm thanh từ môi trường
xung quanh, sóng lan truyền có dạng hình cầu, tỏa ra mọi hướng và có tần số tập

88

P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

trung trong dải 100-500Hz [2,3,4]. Do đó, trong các hệ thống cần phải nhận dạng
loại đạn, việc sử dụng sóng xung kích có lợi thế hơn, nhưng đòi hỏi phải có đủ
thông tin thống kê một số đặc trưng của các loại đạn. Với các hệ thống chỉ cần xác
định vị trí của hỏa lực thì việc thu và xử lý tiếng nổ đầu nòng là giải pháp đơn giản
hơn mà vẫn đạt được các yêu cầu về độ chính xác và thời gian xử lý [4].

Hình 1. Dạng tín hiệu sóng âm của đạn [2].
2.2. Nguyên lý TDOA trong định vị hỏa lực bằng sóng âm
Trong các bài toán định vị thụ động, nguyên lý TDOA được sử dụng rộng rãi,
có thể định vị với độ chính xác cao. Với các hệ thống định vị hỏa lực, các sensor
thu âm được đặt tại các vị trí sao cho cự ly đến điểm đặt hỏa lực khác nhau, do đó

thời điểm sóng âm truyền tới các sensor cũng khác nhau như trên hình 2.

Hình 2. Lan truyền của tiếng đạn nổ đến sensor [5].
Bên cạnh đó, hiệu cự ly R12 có thể biểu diễn qua tọa độ của các điểm M, S1 và
S2. Do đó ta có phương trình [1,5]:
Vat .t12 

2

2

 x1  x    y1  y    z1  z 

2



2

2

 x2  x    y2  y    z2  z 

2

(1)

Phương trình (1) được gọi là phương trình TDOA. Trong không gian 3 chiều, để
tìm tọa độ (x, y, z) của nguồn âm, cần tối thiểu 3 phương trình TDOA độc lập
tuyến tính, tương ứng cần có 4 sensor không cùng nằm trong một mặt phẳng. Khi

đó, hệ phương trình TDOA cho 4 sensor có dạng [1,5]:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

89


Kỹ thuật điện tử

 V .t  x  x 2  y  y 2  z  z 2  x  x 2  y  y 2  z  z 2
1   1  1 
 2   2   2 
 at 12

2
2
2
2
2
2
(2)
Vat .t23   x2  x    y2  y    z2  z    x3  x    y3  y    z3  z 

 Vat .t34  ( x3  x) 2  ( y3  y ) 2  ( z3  z ) 2  ( x4  x) 2  ( y4  y ) 2  ( z4  z ) 2

trong đó: (x1, y1, z1), (x2, y2, z2), (x3, y3, z3), (x4, y4, z4) tương ứng là tọa độ của 4
sensor S1, S2, S3 và S4.
Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình TDOA (2) đã được trình bày trong nhiều
tài liệu, nhất là [5] cho thấy, hệ phương trình TDOA thường có 2 nghiệm. Do đó,
bài toán định vị theo nguyên lý TDOA sẽ xác định được 2 điểm, trong đó có 1

điểm ảo. Để loại trừ các nghiệm ảo, có thể sử dụng các thông tin tiên nghiệm về vị
trí nguồn âm hoặc cần có thêm một hay nhiều trạm thu âm cùng hoạt động. Với các
hệ thống định vị hỏa lực bắn tỉa, nguyên lý TDOA mang lại nhiều ưu điểm như:
thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ triển khai, lắp đặt và sử dụng, giá thành thấp hơn các
phương pháp khác, nhưng lại có khả năng phát hiện, tính toán định vị nhanh,
không cần biết thời điểm đạn nổ. Ngoài ra, phương pháp định vị TDOA còn có thể
khử được nhiễu và sai số do các sensor gây ra do sử dụng các phép hiệu (-). Một số
hệ thống định vị đặc biệt cần phải kết hợp thêm một số phương pháp khác như:
định vị bằng laser, ống nhòm, camera...
3. HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ ĐỊNH VỊ HỎA LỰC BẮN TỈA

3.1. Mô hình hệ thống

Hình 3. Mô hình hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa
Mô hình hệ thống phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa được trình bày như trên
hình 3, gồm: 2 Trạm định vị và Trung tâm xử lý. Tại mỗi trạm định vị, cụm sensor
gồm 4 sensor thu âm được bố trí trên đỉnh của tứ diện đều (bảo đảm 4 sensor

90

P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

không đồng thời nằm trên một mặt phẳng), tín hiệu sóng âm từ tiếng đạn nổ được
các sensor thu nhận và đưa tới khối thực hiện giải bài toán định vị cùng với tọa độ
của trạm do máy thu GPS cung cấp. Thông tin từ các Trạm định vị được đóng gói
và truyền về Trung tâm xử lý qua hệ thống thông tin vô tuyến. Tại đây, máy tính
trung tâm sẽ xác định được bộ tham số định vị chính xác, hiển thị trên bản đồ số,

đồng thời ra lệnh điều khiển camera nhanh chóng quay về hướng mục tiêu, hiển thị
hình ảnh mục tiêu trên màn hình quan sát.
3.2. Sơ đồ chức năng hệ thống tự động phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa
3.2.1. Sơ đồ chức năng của Trạm định vị
Sơ đồ chức năng của trạm định vị được xây dựng như trên hình 4, cụm sensor
được thiết kế gồm 4 tạo ra 3 cặp TDOA độc lập với nhau. Sensor trạng thái và máy
thu GPS sẽ cho biết thông tin về vị trí và hướng đặt của cụm sensor, từ đó xác định
được tọa độ của mỗi sensor. Tín hiệu sóng âm từ tiếng nổ đầu nòng được 4 sensor
thu tại 4 thời điểm khác nhau. Do đặc tính của tín hiệu tiếng nổ đầu nòng của đạn,
khâu lọc thông dải 100-500Hz sẽ ngăn chặn và làm suy hao các tín hiệu không có
ích. Tín hiệu tiếp tục đưa tới khối phát hiện ngưỡng để xác định các thời điểm của
xuất hiện tín hiệu tiếng nổ. Bộ ADC thực hiện biến đổi tín hiệu thành tín hiệu số,
thuận tiện cho các thuật toán xử lý và nhận dạng tín hiệu. Khối lọc tương quan sẽ
xác định mối tương quan giữa các cặp tín hiệu thu được trên các cặp sensor tương
ứng, nhằm bảo đảm tín hiệu thu được là tín hiệu sóng âm của đạn nổ.

Hình 4. Sơ đồ chức năng của Trạm định vị.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

91


Kỹ thuật điện tử

Thời điểm đến của tín hiệu tại 4 sensor cùng với tọa độ các sensor là những
tham số quan trọng trong hệ phương trình TDOA. Kết quả việc giải hệ phương
trình TDOA sẽ xác định tọa độ (x, y, z) của điểm nổ. Thông tin định vị một mặt
được hiển thị tại chỗ, đồng thời được đóng gói và truyền về Trung tâm xử lý qua
thiết bị thông tin vô tuyến.

3.2.2. Sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý
Hình 5 mô tả sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý. Thông tin định vị nhận
được từ các Trạm định vị qua thiết bị thông tin vô tuyến được khối Điều khiển
trung tâm tách ra gồm: tọa độ Trạm định vị, tọa độ điểm nổ... sẽ truyền tới Máy
tính trung tâm. Tại đây, phần mềm máy tính sẽ loại bỏ các tọa độ ảo, chính xác hóa
tọa độ định vị, lưu trữ và hiển thị trên bản đồ số, đồng thời đưa tới khối Điều khiển
trung tâm thực hiện điều khiển hệ thống camera quan sát quay về vị trí đặt hỏa lực.
Bàn điều khiển được sử dụng trong trường hợp cần thiết lập chế độ làm việc của hệ
thống camera, thiết bị ghi hình, chế độ hiển thị... bằng tay. Tín hiệu video từ
camera quan sát được đưa tới thiết bị ghi hình và hiển thị trên màn hình.

Hình 5. Sơ đồ chức năng của Trung tâm xử lý.
3.3. Một số kết quả tính toán và đánh giá
Phần mềm máy tính trung tâm được xây dựng trên ngôn ngữ Visual Basic có
giao diện như trên hình 6, thực hiện một số chức năng cơ bản sau:
- Phân tích thông tin từ các Trạm định vị để loại bỏ các tọa độ ảo (do tính chất
của hệ phương trình TDOA đã trình bày ở trên), chính xác hóa tọa độ điểm nổ;
- Hiển thị thông tin định vị trên bản đồ số, lưu trữ thông tin hoạt động, điều
khiển hệ thống camera để quan sát mục tiêu.

92

P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

- Mô phỏng việc giải bài toán định vị TDOA dựa trên các thông tin lưu trữ thực
tế hoặc lựa chọn giả định.

Hình 6. Giao diện phần mềm và kết quả tính toán.
Một trong các chức năng mô phỏng của phần mềm cho phép kiểm nghiệm thuật
toán giải hệ phương trình TDOA trên máy tính phục vụ cho việc thiết kế Trạm
định vị. Với tính chất của bài toán định vị hỏa lực bắn tỉa (phạm vi phát hiện từ 50300m), hoàn toàn có thể giả thiết sóng âm được lan truyền trong điều kiện bình
thường (Vat  340m/s). Trên cơ sở tọa độ (kinh độ, vĩ độ và độ cao) của cụm sensor
và điểm nổ giả định được chọn tùy ý trên bản đồ số (trong phạm vi 50-300m), phần
mềm sẽ xác định TDOA cho các cặp sensor, thực hiện giải hệ phương trình TDOA
để xác định tọa độ điểm nổ tính toán. Bảng 1 thể hiện một số kết quả tính toán theo
hai tham số cơ bản (cự ly và phương vị) với nhiều vị trí của cụm sensor và điểm nổ
giả định khác nhau, với các cự ly từ 50-300m ở các góc phương vị khác nhau. So
sánh số liệu tính toán và giả định cho thấy, sai số về cự ly đạt < 8,5x10-6 %, sai số
phương vị < 1.21x10-9 độ.
Bảng 1. Kết quả tính toán so với số liệu giả định.
T
T
1
2
3
4

Điểm nổ giả định

Điểm nổ tính toán

Cự ly (m) Phương vị (độ) Cự ly (m)
51.762943
92.68174088 51.762943
_869
_269
_867

115.925808
72.68380902 115.925808
_595
_206
_600
138.485462 228.20927897 138.485462
_350
_249
_348
146.214732
46.14386406 146.214732
_918
_616
_928

Phương vị (độ)
92.68174088
_277
72.68380902
_227
228.20927897
_209
46.14386406
_736

Sai số tính toán
Cự ly (%)

Phương vị (độ)

0.0000001 0.00000000008
0.0000004 0.00000000022
0.0000002 0.00000000041
0.0000009 0.00000000121

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

93


Kỹ thuật điện tử
5
6
7
8
9
1
0

150.766555
_425
161.648744
_130
179.669738
_487
192.080619
_609
231.133410
_617
245.304790

_075

314.57483415
_390
155.84464429
_037
0.93385212
_290
272.00608146
_709
88.85643503
_732
335.54465811
_701

150.766555
_416
161.648744
_134
179.669738
_481
192.080619
_560
231.133410
_702
245.304790
_067

314.57483415
_508

155.84464428
_989
0.93385212
_290
272.00608146
_736
88.85643503
_755
335.54465811
_764

0.0000009 0.00000000118
0.0000004 0.00000000048
0.0000006 0.00000000000
0.0000049 0.00000000028
0.0000085 0.00000000023
0.0000008 0.00000000063

4. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu xây dựng hệ thống
phát hiện và định vị các hỏa lực bắn tỉa, sử dụng nguyên lý định vị TDOA sóng âm
kết hợp với camera quan sát. Trong trường hợp các thông số đầu vào đủ chính xác,
kết quả giải bài toán định vị TDOA trên máy tính cho thấy: sai số tính toán không
đáng kể, thời gian tính toán nhanh. Đây là những kết quả quan trọng, làm tiền để
cho việc nghiên cứu chế tạo hệ thống tự động phát hiện và định vị hỏa lực bắn tỉa
phục vụ an ninh quốc phòng và các ứng dụng khác. Tuy nhiên trong thực tế, độ
chính xác của máy thu GPS và tính thời gian trễ truyền sóng luôn có sai số, phụ
thuộc vào nhiều yếu tố, ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác định vị của hệ
thống sẽ là những hướng tiếp theo cần nghiên cứu giải quyết.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Anish Chandak, “Sound Localization Using Microphone Arrays”, The
University of North Carolina at Chapel Hill, USA, 2006.
[2]. David Lindgren, Olof Wilsson Fredrik, Gustafsson, Hans Habberstad,
“Shooter Localization in Wireless Sensor Networks”, Swedish Defence
Research Agency, Linkăoping, Sweden, 2010.
[3]. Gregory L. Duckworth, James E. Barger, Douglas C. Gilbert, “Acoustic
counter-sniper system”, United States Patent, 2001.
[4]. Janos Sallai, Peter Volgyesi, Ken Pence and Akos Ledeczi, “Fusing
Distributed Muzzle Blast and Shockwave Detections”, 14th International
Conference on Information Fusion Chicago, Illinois, USA, 2011.
[5]. Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from
four stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA,
2002.

94

P.V. Hòa, Tr.Q. Huy, N.V. Hiếu, Tr. C. Thìn, “Xây dựng hệ thống … TDOA sóng âm.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

ABSTRACT

BUILDING THE SYSTEM DETECTING AND POSITIONING
THE SNIPER RIFLES BASED ON PRINCIPLE TDOA OF SOUND WAVES
The article presents some results in researching and building the system
detecting and positioning the sniper rifles based on principle TDOA of sound
waves. By using the acoustic sensors set in different locations, the system

determines the delay time of sound waves transmited from the acoustic source
to the sensors to position the rifles, and control camera to observe the target.
The solution was been tested and experimented on the computer and
archieved some positive results, this is as the premise for researching and
manufacturing the systems detecting and positioning the sniper rifles for the
security and defense activities.
Keywords: Sniper shooter, Sniper rifles, Acoustic position, TDOA, Hypebolic position.

Nhận bài ngày 21 tháng 07 năm 2015
Hoàn thiện ngày 10 tháng 08 năm 2015
Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 09 năm 2015

Địa chỉ: Viện Điện tử/ Viện KH-CN quân sự.
* Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 10 - 2015

95