Giải pháp nâng cao độ chính xác định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình

Nghiên cứu khoa học công nghệ

GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN
KẾT QUẢ ĐỊNH HƯỚNG VÀ THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM ĐỊA HÌNH
Lê Thanh Hải, Nguyễn Tuấn Minh*
Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng góc
phương vị và các tham số địa hình. Giải pháp này phù hợp trong môi trường truyền
dẫn chỉ có các tín hiệu phản xạ tới máy thu. Thông tin tiên nghiệm địa hình được
mô hình hoá dựa trên các tham số mặt phản xạ. Bên cạnh đó, bài báo cũng trình
bày mô hình định vị 3D áp dụng giải pháp này trong thực tế và đề xuất giải pháp
nâng cao độ chính xác định vị dựa trên giới hạn sai số các phép đo. Hiệu quả của
giải pháp đề xuất được kiểm chứng trên phần mềm Matlab.
Từ khóa: LOS; NLOS; Góc phương vị; Mặt phản xạ; Trung bình cực tiểu.

1. MỞ ĐẦU
Trong các bài toán định vị, các tín hiệu đặc trưng được xét đến là LOS hoặc
NLOS. Các phương pháp, thuật toán sử dụng tín hiệu LOS đã được nghiên cứu
nhiều như: RSSI [1]; AOA [2, 3], TOA [4]; TDOA [5]; RSSI-DOA [6]. Theo đó,
môi trường truyền tín hiệu phải đáp ứng điều kiện không có vật cản giữa nguồn
bức xạ và máy thu hoặc sự ảnh hưởng của vật cản lên tín hiệu vô tuyến là không
đáng kể. Trong trường hợp NLOS, kết quả định vị không đảm bảo độ chính xác do
ảnh hưởng của vật cản đến cường độ tín hiệu là rất lớn. Đã có một số các công
trình nghiên cứu nhằm giải bài toán định vị trong địa hình có cả tín hiệu LOS và
NLOS [7, 8]. Với địa hình chỉ có tín hiệu NLOS, phần lớn các tín hiệu thu được tại
máy thu là do hiện tượng phản xạ. Phương pháp định vị sử dụng tín hiệu phản xạ
đã được đề cập trong nghiên cứu [9], trong đó sử dụng mô hình truyền tín hiệu kết
hợp với kỹ thuật đo chỉ số cường độ tín hiệu (RSSI) theo độ suy hao tín hiệu
(Pathloss). Trong thực tế, thông tin tiên nghiệm về công suất phát, tần số hoạt động
và dạng điều chế tín hiệu của nguồn bức xạ có thể không biết trước nên việc định
vị dựa vào các tham số này vẫn là một khó khăn lớn. Với bối cảnh đó, bài báo này
trình bày giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm

địa hình và đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác định vị.
2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT
2.1. Xây dựng lý thuyết
Hình 1 biểu diễn một dạng mô hình truyền tín hiệu bị che khuất hoàn toàn bởi
yếu tố địa hình trong hệ tọa độ oxy với véc tơ ox là đường phương vị chuẩn (có
góc phương vị bằng không) chung đối với tất cả các góc. Xét một nguồn bức xạ
đặt tại vị trí cố định Tx có tọa độ (xTx, yTx) phát tín hiệu tới hai bề mặt phản xạ
tương ứng với hai góc phương vị là β1 và β2. Giả thiết các bề mặt phản xạ là phẳng
có kích thước đủ lớn để thỏa mãn điều kiện phản xạ [9, 10] và các tín hiệu tới máy
thu chỉ đến từ một nguồn bức xạ duy nhất. Ngoài ra, trong phạm vi nghiên cứu chỉ
xét đến trường hợp một lần phản xạ tín hiệu. Gọi α1 và α2 lần lượt là là các góc
phương vị của véc tơ pháp tuyến n1 và n2. Giả sử máy thu tại vị trí Rx có tọa độ
(xRx, yRx) thu nhận được tối thiểu hai tín hiệu đến từ hai bề mặt phản xạ với các góc
phương vị tương ứng là ϕ1 và ϕ2. Gọi PPx1 và PPx2 là hai điểm phản xạ có tọa độ là
(xPx1, yPx1) và (xPx2, yPx2). Khi đó:
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

139


Kỹ thuật điện tử

( )

(1)

(

(2)

)
β1

PPx1

n1
α1
ϕ1

Rx
y

β1
Tx

ϕ2

α2
n2

x

β2

o
β2

PPx2

Hình 1. Mô hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với một mặt phản xạ nằm trong

góc phần tư thứ nhất và một mặt phản xạ nằm trong góc phần tư thứ hai.
Hệ phương trình (1) và (2) gồm hai tham số
và
chưa biết nên không thể
tìm được nghiệm duy nhất. Tuy nhiên, với thông tin tiên nghiệm địa hình đã biết
thì hoàn toàn có thể xác định được các tham số α1 và α2. Tuỳ theo vị trí các mặt
phản xạ so với đường phương vị chuẩn sẽ có các dạng địa hình tương ứng khác
nhau, như miêu tả ở hình 1, 2, 3, và 4.
β1
PPx1

β2
PPx2

n2
y

ϕ2

Rx

ϕ1

n1
α2
α1

β2

β1

x
o

Tx

Hình 2. Mô hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với hai mặt phản xạ
nằm trong góc phần tư thứ nhất.
β1
PPx1

n1
α1
ϕ1

Rx

y

ϕ2

x
o

β1
Tx
α2
β2

n2

PPx2
β2

Hình 3. Mô hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với một mặt phản xạ nằm trong
góc phần tư thứ nhất và một mặt phản xạ nằm trong góc phần tư thứ ba.
140

L. T. Hải, N. T. Minh, “Giải pháp nâng cao độ chính xác … tiên nghiệm địa hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ
β1
PPx1
β2
β1

β2

PPx2
n2

n1

ϕ2

α2

ϕ1

y

Tx
α1

Rx
o

x

Hình 4. Mô hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với một mặt phản xạ nằm trong
góc phần tư thứ nhất và một mặt phản xạ nằm trong góc phần tư thứ tư.
Khi xem xét với tất cả các trường hợp địa hình ở trên ta thu được kết quả tổng
quát như sau:
(3)
(4)
Do đó:
(

)

(5)

(

)

(6)

Thực hiện biến đổi phương trình (5) và (6) thu được:
Ax = B

Trong đó:
[
(
(

[
[

]

(
(

(8)
)
)

)
)

(7)

]

(9)
]

(10)

Với:

( )(
(11)
)
( )(
(12)
)
Nhận thấy rằng, tọa độ nguồn bức xạ phụ thuộc vào bộ tham số ( , , ,
,
,
,
,
). Trong đó:
và
xác định được nhờ sử dụng máy thu định hướng;
và
xác định được nhờ sử dụng thiết bị định vị;
- , ,
,
xác định được dựa trên mô hình địa hình cụ thể.
Trong trường hợp có nhiều hơn hai tín hiệu phản xạ tới máy thu như miêu tả
trong hình 5 thì tọa độ nguồn bức xạ là giao hội của ba đường thẳng. Khi đó, toạ
độ nguồn bức xạ có thể là ba điểm A, B hoặc C nên không thể định vị được chính
xác. Để giải quyết hiện tượng đa trị này thường có các giải pháp như sau:
- Sử dụng thông tin nghiệm về vị trí nguồn bức xạ;
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

141


Kỹ thuật điện tử

- Sử dụng phương pháp dự đoán để loại trừ các tọa độ không phù hợp trên mô
hình địa hình và phương pháp lấy trọng tâm giữa các điểm để xác định tọa độ gần
đúng.
PPx1
PPx2

y

Rx
A
x

o

C
B

PPx3

Hình 5. Mô hình địa hình có ba tín hiệu NLOS.
2.2. Mô hình định vị 3D dựa trên kết quả định hướng và thông tin tiên nghiệm
địa hình
Hình 6 miêu tả mô hình tổng quát nguyên lý định vị sử dụng mô hình địa hình
3D. Việc kết hợp các thông tin về tọa độ máy thu, góc phương vị các tín hiệu tới và
mô hình địa hình 3D sẽ cho phép xác định được các đối tượng phản xạ. Sử dụng
phương pháp nội suy để trích xuất các thông tin liên quan đến các đối tượng phản
xạ như: Tọa độ điểm phản xạ, góc phương vị của pháp tuyến bề mặt phản xạ. Qúa
trình thực hiện này có thể được thực hiện theo hai cách thông thường như sau: Sử
dụng thuật toán Ray-Tracer [11] hoặc phần mềm Google Earth.

Mô hình địa hình 3D với hệ tọa độ GPS

Xác định
đối tượng phản xạ

Tọa độ máy thu
và góc phương vị
tín hiệu tới

Trích xuất thông tin
đối tượng phản xạ: Tọa
độ, góc pháp tuyến,
góc lệch

Sử dụng giải
pháp định vị
đề xuất

Tọa độ
nguồn bức xạ

Hình 6. Giải pháp định vị dựa trên mô hình địa hình 3D.
- Giải pháp định vị tự động sử dụng thuật toán dò tia Ray-Tracer. Khi đó, tín
hiệu được giả định như một tia sáng đặt tại vị trí máy thu với góc phương vị là góc
của tia. Thuật toán Ray-Tracer minh họa trên hình 7 được thực hiện theo trình tự các
bước như sau:
(1) Tọa độ: Xác định tọa độ máy thu Rx (xRx, yRx);
(2) Tạo tia: Gốc của tia là tọa độ máy thu, hướng của tia là góc phương vị của
tín hiệu tới máy thu;
142

L. T. Hải, N. T. Minh, “Giải pháp nâng cao độ chính xác … tiên nghiệm địa hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

(3) Xác định đối tượng: Việc xác định đối tượng phản xạ được dựa trên hàm xác
định giao điểm của tia và vật thể, hàm tính véc tơ trực chuẩn tại một điểm trên vật thể;
(4) Danh sách đối tượng: Bao gồm tất cả các đối tượng phản xạ đã xác định được;
(5) Các thông tin về đối tượng sử dụng mô hình địa hình 3D để xác định các
tham số về các đối tượng như dạng bề mặt phản xạ, tọa độ điểm phản xạ và góc
phương vị của pháp tuyến bề mặt phản xạ.
Tọa độ

Xác định
đối tượng

Tạo tia

Danh sách
đối tượng

Các thông tin
về đối tượng

Hình 7. Mô hình sử dụng thuật toán Ray-Tracer.
- Giải pháp định vị trên phần mềm Google Earth: Đây là phần mềm mô phỏng
địa hình trái đất trong không gian ba chiều với hướng Bắc được chọn là hướng
phương vị chuẩn. Những tính năng sẵn có của phần mềm này cho phép xác định
được các thông tin về địa hình như tọa độ, độ cao, chiều dài giữa hai điểm, kích

thước cũng như góc phương vị của pháp tuyến đối với một bề mặt cụ thể,...
2.3. Đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác định vị dựa trên kết quả định
hướng và thông tin tiên nghiệm địa hình
Trong thực tế, bộ tham số để xác định tọa độ nguồn bức xạ được xác định như sau:
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
(20)
Trong đó: ,
là góc phương vị thực của pháp tuyến mặt phản xạ 1 và 2; ,
là góc phương vị thực của hai tín hiệu phản xạ tới máy thu;
,
là tọa độ
thực của điểm phản xạ 1 và 2;
,
là tọa độ thực của máy thu;
,
là sai
số phương vị của pháp tuyến n1 và n2;
,
là sai số tọa độ điểm phản xạ 1
và 2;
,
là sai số kết quả định hướng;
,
là sai số tọa độ máy thu.

Khi đó, tọa độ nguồn bức xạ Tx’( ,
) được xác định bởi phương trình sau:
A’x’ = B’
(21)
Ở đây:
[
[
[

]

(22)

[(

)

(

)]

[(

)

(

)]

]

[(

)

(

)](

)

[(

)

(

)](

)

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

(23)
]

(24)

143

Kỹ thuật điện tử

Với:
(
(

)[(
)[(

)
)

(
(

)]
)]

(25)
(26)

Nhận thấy rằng, kết quả định vị phụ thuộc nhiều vào các sai số của bề mặt phản
xạ, sai số trong xác định hướng của tín hiệu phản xạ tới máy thu và sai số toạ độ
máy thu. Các sai số là các đại lượng ngẫu nhiên nên sai số tọa độ nguồn bức xạ
cũng ngẫu nhiên.
3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN
3.1. Số liệu đầu vào
Giả thiết mô hình địa hình có hai tín hiệu NLOS với hai mặt phản xạ nằm trong
góc phần tư thứ nhất có các giá trị như trong bảng 1 và sai số giới hạn của mỗi

phép đo như trong bảng 2.
Bảng 1. Bảng tham số tương ứng với mô hình địa hình có hai tín hiệu NLOS
với hai mặt phản xạ nằm trong góc phần tư thứ nhất.
Tham số
ϕ1
ϕ2
α1
α2
xPx1
xPx2
(xRx, yRx)

Giá trị
17,5
44,3
7
11
15,5
18,2
(0,8; 0,5)

Ý nghĩa
Góc phương vị 1 tại máy thu (độ)
Góc phương vị 2 tại máy thu (độ)
Góc phương vị của pháp tuyến n1 (độ)
Góc phương vị của pháp tuyến n2 (độ)
Tọa độ theo phương x điểm phản xạ 1 (km)
Tọa độ theo phương x điểm phản xạ 2 (km)
Tọa độ máy thu (km)
Bảng 2. Bảng sai số giới hạn phương pháp đo.

Tham số
,
,
,
,

Giá trị
± 0,5

Ý nghĩa
Sai số giới hạn góc pháp tuyến bề mặt phản xạ (độ)

± 0,2

Sai số giới hạn góc phương vị (độ)

± 40

Sai số giới hạn tọa độ phản xạ (m)

± 0,5

Sai số giới hạn tọa độ máy thu (m)

3.2. Phương pháp, công cụ mô phỏng
Trong thực tế, sai số đối với các giới hạn phương pháp đo là các đại lượng ngẫu
nhiên. Do đó, bài báo thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab theo phương
pháp Monter – Carlo với nhiều các lần thử độc lập tương ứng với các mẫu địa hình
khác nhau.

3.3. Kết quả mô phỏng và bình luận
Kết quả mô phỏng trên hình 8 biểu diễn kết quả định vị tương ứng với 200 mẫu
địa hình ngẫu nhiên.
Nhận thấy rằng, tọa độ nguồn bức xạ là tập hợp các điểm có phân bố rải rác khá
rộng trong không gian. Khi đó không thể xác định được tọa độ nguồn bức xạ. Để
144

L. T. Hải, N. T. Minh, “Giải pháp nâng cao độ chính xác … tiên nghiệm địa hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

giải quyết vấn đề này, bài báo đề xuất sử dụng phương pháp trung bình cực tiểu
theo phương trình như sau:
∑

()

(27)

∑

()

(28)

Trong đó, N là số lần thử độc lập, L là số mẫu địa hình và (
trị tọa độ tương ứng với dạng địa hình i.

( ),

( )) là giá

Hình 8. Kết quả định vị khi xét đến sự ảnh hưởng của các sai số phép đo.
Hình 9 biểu diễn kết quả mô phỏng tọa độ thực và tọa độ định vị được với L =
200 mẫu địa hình ngẫu nhiên. Mỗi địa hình thực hiện N = 1000 lần thử độc lập
khác nhau. Quan sát cho thấy kết quả định vị khá chính xác với sai số theo
và
lần lượt là 322,5m và 81,1m. Dựa trên các kết quả thu được cho thấy, giải
pháp đề xuất đã xác định thành công tọa độ nguồn bức xạ trong điều kiện biết sai
số giới hạn của phép đo.

Hình 9. Kết quả ước lượng tọa độ nguồn bức xạ vô tuyến.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

145


Kỹ thuật điện tử

4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày giải pháp định vị dựa trên kết quả định hướng và thông tin
tiên nghiệm địa hình trong điều kiện chỉ có tín hiệu NLOS. Giải pháp này có thể
được áp dụng dựa trên mô hình 3D sử dụng thuật toán Ray-Tracer hoặc phần mềm
Google Earth. Bên cạnh đó, bài báo cũng đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác
định vị dựa trên giới hạn sai số các phép đo sử dụng phương pháp trung bình cực
tiểu. Các kết quả thu được cho thấy giải pháp đề xuất đã xác định thành công tọa
độ nguồn bức xạ vô tuyến. Trong thực tế, để cải thiện độ chính xác định vị cần sử
dụng thiết bị định hướng và tiếp tục nghiên cứu xây dựng mô hình bộ dữ liệu tham

số địa hình có độ chính xác cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Konrad L. and Matt W. (2007), “A Robust, decentralized approach to RFBased Location Tracking”, Personal and Ubiquitous Computing, vol. 11, no.
6, pp. 489-503.
[2]. Evans J. E., Johnson J. R., Sun D. F (1981), “High Resolution Angular
Spectrum Estimation Techniques for Terrain Scattering Analysis and Angle of
Arrival Estimation”, Proceedings 1st ASSP Workshop Spectral Estimation,
pp. 134–139.
[3]. Girod L., Lukac M., Trifa V. and Estrin D. (2006), “The Design and
Implementation of a Self-Calibrating Distributed Acoustic Sensing Platform”,
Proc. Fourth Int’l Conf. Embedded Networked Sensor Systems, pp. 71-84.
[4]. Goud P., Sesay A. and Fattouche M. (1991), “A Spread Spectrum Radiolocation
Technique and Its Application to Cellular Radio”, Proc. IEEE Pacific Rim Conf.
Comm., Computers and Signal Processing, vol. 2, pp. 661-664.
[5]. Jin B., Xu X. and Zhang T. (2018), “Robust Time-Difference-of-Arrival
(TDOA) Localization Using Weighted Least Squares with Cone Tangent
Plane Constraint”, Sensors, 18, 778.
[6]. Dai F., Liu Y. and Chen L. (2012), “A Hybrid Localization Algorithm for
Improving Accuracy Based on RSSI/AOA in Wireless Network”, International
Conference on Computer Science & Service System (CSSS).
[7]. Schroeder J., Galler S., Kyamakya K. and Jobmann K. (2007), “NLOS
detection algorithms for ultra-wideband localization”, 4th Workshop on
Positioning, Navigation and Communication, pp. 159 –166.
[8]. Venkatraman S. and Caffery J. (2002), “Location using LOS range
estimation in NLOS environments”, Vehicular Technology Conference, IEEE
55th, vol. 2, pp. 856 – 860.
[9]. Wielandt S. and Strycker L. (2017), “Indoor Multipath Assisted Angle of Arrival
Localization”, Sensors.
[10]. Popovic Z. B. and Popovic B. D. (2000), “Introductory Electromagnetics”,
Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, USA.

[11]. Yun Z. and Iskander M.F. (2005), “Characterization of angle of arrival
based on ray-tracing for an indoor wireless communications environment”,
IEEE/ACES International Conference on Wireless Communications and
Applied Computational Electromagnetics, pp. 736–739.

146

L. T. Hải, N. T. Minh, “Giải pháp nâng cao độ chính xác … tiên nghiệm địa hình.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

ABSTRACT
SOLUTIONS TO IMPROVE THE ACCURACY OF
RADIO SOURCE NAVIGATION BASED ON DIRECTION FINDING
RESULTS AND A-PRIORI INFORMATION OF TOMOGRAPHY
In this paper, a radio source navigation solution based on azimuth and
topographic parameters is presented. The approach is suitable for the
transmission environment with only reflected signals to the receiver. The apriori information of tomography is modeled based on reflective surface
parameters. In addition, a 3D positioning model allowing the application
of this solution in practice and propose a solution to improve the
positioning accuracy based on the measurement of error limits is also
presented in the paper. The effectiveness of the proposed solution is
verified using Matlab simulation.
Keywords: LOS; NLOS; Azimuth; Reflective surface; Minimum average.

Nhận bài ngày 29 tháng 4 năm 2020
Hoàn thiện ngày 30 tháng 7 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020
Địa chỉ: Viện Điện tử - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.

*Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020

147