Ứng dụng phương pháp TDOA để xác định tọa độ phương tiện bay không người lái siêu nhẹ flycam

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TDOA ĐỂ XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ
PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI SIÊU NHẸ FLYCAM
Nguyễn Huy Hoàng1*, Nguyễn Lê Cường2, Trần Vũ Kiên2
Tóm tắt: Việc sử dụng Radar chủ động để đo đạc các tham số tọa độ các
phương tiện bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) như các Flycam thường
gặp phải tình huống là ở cự ly xa do diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) rất nhỏ (chỉ
từ 0.01m2 đến 0,05m2) nên việc phát hiện là khó khăn và bị hạn chế khi gặp các vật
cản che khuất, do đó, rất khó có thể đo liên tục được. Trong khi đó, các phương tiện
bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) thường truyền dữ liệu xuống thiết bị
điều khiển qua sóng vô tuyến (RF), do đó, bằng cách đo thời gian tới của tín hiệu
tại các ăng ten thu và sau đó sử dụng phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA)
thì sẽ xác định tọa độ của PTBKNLSN trong không gian.
Từ khóa: Phương tiện bay không người lái siêu nhẹ; Phương pháp TDOA.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Việc xác định các toạ độ nguồn phát xạ vô tuyến đặt trên PTBKNLSN trong hệ thống
nhiều vị trí thụ động có thể được thực hiện bằng sử dụng phương pháp sai lệch thời gian
tới (TDOA: Time Difference Of Arrival) hay còn gọi là phương pháp hypecbol [1, 2].
Trong phương pháp này, căn cứ vào sai lệch thời gian tới của tín hiệu (truyền dữ liệu hình
ảnh) bức xạ từ PTBKNLSN tới các trạm thu thụ động người ta xây dựng được các
hypecbol có tiêu điểm là vị trí các trạm thu này, giao điểm của các hypecbol vừa dựng
được sẽ cho ta toạ độ chính xác của nguồn phát xạ vô tuyến hay nói một cách khác là tọa
độ của PTBKNLSN.

Hình 1. Phương pháp định vị sử dụng nguyên lý TDOA.
Trên hình 1 mô tả việc xác định tọa độ nguồn bức xạ bằng phương pháp TDOA, trong
đó, R1, R2, R3, R4 là các máy thu giám sát vô tuyến, vị trí nguồn phát xạ vô tuyến là điểm
S được xác định bởi giao nhau của các đường hypecbol.
2. XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ PTBKNLSN

TRONG KHÔNG GIAN VỚI BỐN TRẠM THU
Xét hệ 4 vị trí thu đặt trên mặt đất, gồm 4 trạm: Trạm 1 trùng với trạm trung tâm tọa độ
0(0, 0, 0), trạm 2 tọa độ T2(x2, y2, 0), trạm 3 tọa độ T3(x3, y3, 0), trạm 4 tọa độ T4(x4, y4, 0),
như hình 2 (thông thường, người ta bố trí các trạm sao cho có thể bỏ qua độ cong của trái
đất, coi chúng như nằm trên một mặt phẳng). Các trạm được bố trí cách trạm trung tâm với
khoảng cách L1, L2, L3với:

166

Li  xi2  yi2

(L1, L2, L3 là các đường đáy).

N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 2. Xác định tọa độ mục tiêu trong không gian 3D theo phương pháp TDOA.
Giả sử mục tiêu nằm trong không gian có tọa độ M(x, y, z), thời gian trễ khi tín hiệu
truyền từ mục tiêu đến trạm 2, trạm 3 và trạm 4 so với trạm trung tâm lần lượt là: dt1, dt2,
dt3, tương ứng với khoảng cách d1, d2, d3.
Ta có:
di  c.dti
Với tốc độ ánh sang là: 3.108m/s.
Cự ly, phương vị và góc tà của mục tiêu so với trung tâm (điểm 0(0, 0, 0)), được tính
như sau [1]:



3

r

 L2i  di2  sin i



Li
i 1

(1)

di sin i
Li
i 1
3

2

c12  c22  2c1c2 cos3
sin 2 3
c cos 2  c2 cos1 c1 cos3  c3 cos1 c2 cos3  c3 cos 2
tg   1


c2 sin 1  c1 sin  2 c3 sin 1  c1 sin 3 c3 sin  2  c2 sin 3
cos  

(2)

(3)

Trong đó: Li là các đường đáy; αi là góc phương vị của các trạm so với phương Bắc.

1  3   2 ,2  1  3 ,3   2  1
ci  

d1 L2i  di2

Li 2.r.Li

Tương tự, ta tìm được toạ độ (x, y, z) của mục tiêu. Từ hệ phương trình:

d1  c.dt1  ( x  x2 )2  ( y  y2 )2  z 2  x2  y 2  z 2

(4)

d2  c.dt2  ( x  x3 )2  ( y  y3 )2  z 2  x 2  y 2  z 2

(5)

d3  c.dt3  ( x  x4 )2  ( y  y4 )2  z 2  x2  y 2  z 2

(6)

3. XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG
Thách thức chính của hệ thống là PTBKNLSN hoạt động trong môi trường lẫn với các
tín hiệu Wifi khác. Tham khảo các nghiên cứu trước đây về việc xây dựng một hệ thống
phát hiệnPTBKNLSN [4, 5], nhóm tác giả đã thiết kế hệ thống thu thụ động để xác định

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020

167


Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường

tọa độ của PTBKNLSN như trong hình 2. Hệ thống bao gồm bốn bộ thu để xác định tọa
độ nguồn phát xạ vô tuyến được đặt trên PTBKNLSN xuất hiện trong khu vực giám sát.
Mỗi vị trí triển khai bộ thu của hệ thống giám sát bao gồm một ăng ten vô hướng để phát
hiện sự hiện diện của tín hiệu PTBKNLSN và hệ tám ăng ten định hướng để thu tín hiệu
downlink của PTBKNLSN. Hệ thống chuẩn thời gian bằng GPS.

Hình 3. Sơ đồ khối một trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN.
Cấu hình của 01 trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN trong hệ thống để xác định hướng
của PTBKNLSN dựa trên việc đo thời gian đến ăng ten đặt ở các góc của tín hiệu
downlink như được minh họa trong hình 3.
Mỗi hướng thu tín hiệu từ PTBKNLSN được phát hiện dựa trên ăng ten định hướng để
xác định các góc tới. Kết hợp các tín hiệu thu được ở các thời gian khác nhau từ các ăng
ten thu của mỗi trạm và tọa độ đã biết của các trạm thu, khi đó, bằng nguyên lý TDOA cài
đặt trong máy tính chủ đặt tại một trong 04 trạm thu thì tọa độ của PTBKNLSN sẽ được
tính toán và cho ra kết quả.
Mô-đun phân tích tín hiệu PTBKNLSN được sử dụng để phát hiện sự hiện diện và xác
định vị trí của nó. Mô-đun gồm một máy thu RF được kết nối với ăng ten đa hướng và thụ
động để thu thập tín hiệu PTBKNLSN khi giao tiếp điều khiển của nó trên các kênh RF.
Khi các mẫu RF được thu thập, khối xử lý phân tích các tín hiệu thu sử dụng biến đổi
Fourier nhanh [4, 5] để xác định xem có tín hiệu PTBKNLSN hay không. Khi một
PTBKNLSN được phát hiện, đầu ra FFT chứa tín hiệu được thu thập của PTBKNLSN sau
đó được sử dụng làm mẫu để nhận diện nó luôn.

168

N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

4. ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm tại một khu vực bay trong khuôn viên
một bãi đất trống để xác nhận tính khả thi của phương pháp này. Có bốn trạm được triển
khai trong thời gian thử nghiệm cách nhau theo các khoảng cách là 250m. Mỗi thiết lập
trạm cảm biến được minh họa trong hình 4.

a)
b)
Hình 4. Cấu hình bố trí trạm thu (a) Ngôi sao (b) Hình chữ T.
Hệ thống đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN bao gồm 04 máy tính dạng
Box, 04 bo mạch USRP B210, 04 bộ điều khiển ăng ten định hướng (hình vẽ ăng ten định
hướng), một ăng ten vô hướng (9dBi). Máy tính xách tay làm máy trung tâm có CPU i7
chạy hệ điều hành Ubuntu 18.04 LTS cài đặt GNURadio 3.7.12 được sử dụng trong quá
trình thử nghiệm. Hệ 08 ăng ten định hướng được điều khiển bởi một mô-đun chuyển
mạch để điều khiển ăng-ten quay về các hướng để tìm kiếm tín hiệu của. PTBKNLSN.
Trong thử nghiệm của bài báo là loại Phantom 4 của DJI được điều khiển bay ở các độ cao
20m, 50m và 100m với các góc phương vị và góc ngẩng cho trước, khoảng cách từ
PTBKNLSN đến máy thu gần nhất là 200m. Máy bay không người lái DJI hoạt động ở tần
số 2,4065 GHz, công suất phát của thiết bị RF trên máy bay là 100mW và đã được thiết kế
lại có thể thay đổi lại theo các mức % công suất khác nhau. Do các thí nghiệm được tiến
hành tại một khu vực gần khu dân cư nên trong thử nghiệm có ảnh hưởng của Wi-Fi.
4.1. Kết quả thực nghiệm
Bảng 1. Kết quả xử lý tín hiệu đối với Flycam Phantom 4 ở khoảng cách 200m so với trạm

gần nhất, với số lượt thử là 10 lần, công suất phát 30%.
Sai số
Ảnh hưởng của
%
Góc phương vị
Góc ngẩng
Cự ly
nhiễu nền đến
chất lượng thu tín
Độ cao
hiệu
*(35,6 - 38,4)% *(37,5- 41,3)%
*(31,2-35,5)%
Do gần mặt đất
20m
có nhiều ảnh
**(37,2-40,1)% **(39,2-43,1)%
**(33,3-38,1)% hưởng của nhiễu
Wifi
50m
*(29,4- 33,5)%
*(27,3-31,7)%
*(18,5-29,2)%
Đã
bớt
ảnh
hưởng của nhiễu
**(31,2-35,6)% **(29,1-40,5)%
**(19.8-31.5)% Wifi
100m

*(15,2-20,6)%
*(9,5- 11,3)%
*(3,7-10,5)%
Đã
bớt
ảnh
hưởng
của
nhiễu
**(17,5-22,4)% **(12,1-15,5)%
**(5,3-12,1)%
Wifi

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020

169


Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường

Bảng 2. Kết quả xử lý tín hiệu đối Flycam Phantom 4 với ở khoảng cách 200m so với trạm
gần nhất, với số lượt thử là 10 lần , công suất phát 50%.
Sai số %
Ảnh hưởng của
Góc phương vị
Góc ngẩng
Cự ly
nhiễu nền đến
Độ cao
chất lượng thu tín

hiệu
*(25,3 - 28,7)% *(23,2- 27,5)%
*(21,3-25,7)%
Do gần mặt đất có
20m
nhiều ảnh hưởng
**(28,5-31,2)% **(25,7-30,8)%
**(23,7- 29,5)% của nhiễu Wifi
50m
*(21,5- 23,7)%
*(20,3-24,2)%
*(12,2-19,7)%
Đã bớt ảnh hưởng
của nhiễu Wifi
**(24,3-27,5)% **(23,5-28,5)%
**(15,5-21,2)%
100m
*(10,5-15,2)%
*(6,3- 11,3)%
*(2,5-8,2)%
Đã bớt ảnh hưởng
của nhiễu Wifi
**(14,2-18,5)% **(8,7-15,5)%
**(4,8-11,5)%

Sai
%
Độ cao
20m

50m
100m

Bảng 3. Kết quả xử lý tín hiệu đối với Flycam Phantom 4 ở khoảng cách 200m
so với trạm gần nhất, với số lượt thử là 10 lần, công suất phát 100%.
số
Ảnh hưởng của
Góc phương vị
Góc ngẩng
Cự ly
nhiễu nền đến
chất lượng thu tín
hiệu
*(12,6 - 18,4)%
*(17,5- 21,3)%
*(21,5-25,2)%
Do gần mặt đất có
nhiều ảnh hưởng
**(15,2-21,7)%
**(19,3-23,5)% **(23,3-29,7)% của nhiễu Wifi
*(5,4- 8,5)%

*(4,5-7,2)%

*(4,5-7,2)%

**(7,5-11,3)%

**(7,2-10,3)%

**(6,3-10,7)%

*(4,2-7,6)%

*(3,5- 6,3)%

*(3,7-6,5)%

**(7,5-9,8)%

**(5,2-9,7)%

**(5,3-8,7)%

Đã bớt ảnh hưởng
của nhiễu Wifi
Đã bớt ảnh hưởng
của nhiễu Wifi

Ghi chú: * là trạm thu bố trí hình sao, ** là trạm thu bố trí hình chữ T.
4.2. Sai số trong phép đo thời gian đến của tín hiệu trên PTBKNLSN
Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sai số đo thời gian trong hệ thống TDOA: đó là
sự đồng bộ thời gian giữa các trạm thu. Trong mỗi hệ thống TDOA, việc đồng bộ phải
đảm bảo gắn thời gian cho quá trình phát hiện nguồn bức xạ vô tuyến, để có thể xác định
phương vị nguồn bức xạ bằng cách nhận dạng các tín hiệu từ nguồn bức xạ vô tuyến, và
giải hệ thống các phương trình theo độ trễ của tín hiệu khi đi từ nguồn bức xạ vô tuyến đến
trạm trung tâm và các trạm bên. Hệ thống thu thụ động TDOA trong bài báo thực hiện hợp
nhất thông tin ở thị tần. Tại mỗi trạm thu sử dụng một máy thu GPS chuyên dụng, máy thu
này có xung tần số 1Hz và dao động chuẩn 50MHz được đồng bộ với nhau. Dao động
chuẩn 50MHz đồng thời được làm xung Clock cho bộ ADC tín hiệu thị tần tại đầu ra của

trạm. Như vậy, chu kỳ của dao động chuẩn 50MHz (tương ứng với 20ns) là yếu tố quan
trọng quyết định đến sai số hệ thống của việc đo thời gian. Rõ ràng, muốn giảm sai số đo
thời gian cho hệ thống thì phải tăng tần số dao động chuẩn. Tuy nhiên, không thể tăng tùy
ý bởi khi đó phải tính đến dung lượng bộ nhớ cũng như tốc độ tính toán của hệ thống.
5. KẾT LUẬN
Trên cơ sở xây dựng một hệ thống đo thời gian tới của tín hiệu cảm ứng trên ăng ten của
các trạm thu và được truyền về trạm xử lý trung tâm, tại đây, tiến hành tính toán theo nguyên

170

N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để … Flycam.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

lý TDOA các kết quả cho thấy việc đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN phụ
thuộc vào cách bố trí các trạm thu (trong trường hợp này thì trạm thu bố trí hình sao cho sai
số định vị nhỏ hơn bố trí hình chữ T), tỷ số tín/tạp tại máy thu, và các độ cao khác nhau của
PTBKNLSN, việc thiết kế hệ 08 ăng ten định hướng cũng đã góp phần nâng cao chất lượng
xác định tọa độ so với các hệ dùng 04 ăng ten. Để tăng độ chính xác hơn hiện các hãng chế
tạo trên thế giới đã sử dụng hệ 16 ăng ten, tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải có phần cứng xử
lý mạnh hơn và đi theo nó là phải trả giá là giá thành cao hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Huy Hoàng, “Cơ sở định vị vô tuyến”, Nhà xuất bản quân đội nhân dân,
Năm 2018
[2]. Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from four
stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA, 2002.
[3]. David L. Adamy, “A Second Course in Electronic Warfare”, ISBN 1-58053-686-7
[4]. P. Nguyen, H. Truong, M. Ravindranathan, A. Nguyen, R. Han, and T. Vu. Matthan:
“Drone Presence Detection by Identifying Physical Signatures in the Drone’s RF

Communication”. In Proceedings of the 15th Annual International Conference on
Mobile Systems, Applications, and Services, MobiSys ’17, pages 211–224, New
York, NY, USA, 2017. ACM. event-place: Niagara Falls, New York, USA.
[5]. P. Nguyen, H. Truong, M. Ravindranathan, A. Nguyen, R. Han, and T. Vu. “CostE
!ective and Passive RF-Based Drone Presence Detection and Characterization”.
GetMobile: Mobile Comp. and Comm., 21(4):30–34, Feb. 2018.
ABSTRACT
MEASURING THE ARRIVAL TIME OF SIGNAL TO DETERMINE
COORDINATES OF ULTRA-LIGHT DRONE
The use of the active radar to measure the coordinates of ultra-light drones is
frequently difficult due to long distance, absolutely small radar cross section (RCS)
and obstacles. Since ultra-light drones are usually controlled by the radio frequency
(RF), a method to measure the coordinates of ultra-light drones in the space based
on the arrival time of signal at receiving antennas and the time difference of arrival
(TDOA) is proposed in the paper. The experimental results demontrasted that the
proposed method is potential and high accurate.
Keywords: Ultra-light drone; TDOA.

Nhận bài ngày 14 tháng 7 năm 2020
Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020
Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự;
2
Đại học Điện lực.
*
Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020

171