- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Thuật toán cải tiến định vị tàu biển dựa trên tín hiệu hệ thống nhận dạng tự động (AIS) theo phương pháp độ sai lệch thời gian tới
Xem mẫu
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Thuật toán cải tiến định vị tàu biển dựa trên tín hiệu
hệ thống nhận dạng tự động (AIS) theo phương pháp
độ sai lệch thời gian tới
A novel algorithm for the marine vessel positioning using
AIS signal based on time difference of arrival
Phạm Việt Hưng1, Nguyễn Trọng Các2
Email: cacdhsd@gmail.com
1
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
2
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 10/01/2020
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/3/2020
Ngày chấp nhận đăng: 30/3/2020
Tóm tắt
Trong thông tin hàng hải, hệ thống AIS vốn được sử dụng để truyền thông các thông tin về vị trí tàu, số
hiệu tàu, các thông tin chuyến đi của tàu giữa tàu với đài bờ hoặc giữa các tàu với nhau. Bài báo này đề
xuất một thuật toán mới dựa trên phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA) để định vị tàu biển khi thu
nhận tín hiệu AIS. Thuật toán này sẽ cải thiện tốc độ định vị cũng như giảm khối lượng tính toán trong quá
trình xử lý tín hiệu của bộ thu.
Từ khoá: Hệ thống AIS; tàu biển; phương pháp sai lệch thời gian tới; xử lý tín hiệu.
Abstract
In maritime information, the AIS system is originally used to communicate information about the ship’s
position, its number, the ship’s information between the ship and shore stations or between ships. This
paper proposes a new algorithm based on Time Difference Of Arrival (TDOA) to locate the ship when
receiving AIS signals. This algorithm will improve the positioning speed as well as reduce the calculation
volume during the signal processing of the receiver.
Keywords: AIS-Automatic Indentification System; sea ship; time difference of arrival; signal processing.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ thể được hiển thị trên màn hình hay trên hệ thống
thông tin và hiển thị biểu đồ điện tử (ECDIS). Hiện
Hệ thống nhận dạng tự động AIS (AIS - Automatic
nay hệ thống AIS đang được áp dụng rộng rãi trong
Indentification System) ra đời từ tháng 12/2004 từ
ngành hàng hải, khi được áp dụng trên tàu cá sẽ
khi Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) và Công ước
góp phần đảm bảo an toàn cho những chuyến ra
quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển
khơi của bà con. Đây là hệ thống thời gian thực,
(SOLAS) quy định tất cả các tàu có tổng dung tích
tin cậy, được ví như “Đôi mắt thần” trên các luồng
từ 300 GT trở lên tham gia vận tải quốc tế, các tàu
và vùng biển. AIS dùng công nghệ thông tin truyền
hàng có tổng dung tích từ 500 GT trở lên tham gia
giữa các thiết bị trên tàu và đất liền bằng truyền
vận tải nội địa, ven biển, các tàu chở khách phải
trang bị AIS [1]. Hệ thống AIS là hệ thống nhận và dẫn vệ tinh và trên làn sóng điện dải tần số cực
phát tín hiệu để truyền vị trí, tốc độ, hướng đi cùng cao VHF, hệ thống hoạt động liên tục 365/365 ngày
với một số thông tin cố định khác như: tên tàu, số trong năm 24/24 giờ trong ngày. Các tàu hay các
nhận dạng (số ID), kích thước và chi tiết chuyến đối tượng hàng hải liên quan được lắp đặt hệ thống
đi,… Hệ thống sẽ tự động trao đổi dữ liệu với các AIS sẽ liên tục có chu kỳ phát các thông tin về tàu
tàu ở gần cũng như các trạm cố định và vệ tinh mình và các thông tin an toàn hàng hải, trao đổi
(hệ thống AIS nhận dạng vệ tinh được ký hiệu là thông tin với các tàu khác hay với các đài trên đất
S-AIS). Thông tin được cung cấp bởi thiết bị AIS có liền được trang bị AIS.
AIS ban đầu được dự định để giúp các tàu biển
Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường tránh va chạm cũng như giúp các cơ quan chức
2. TS. Chử Đức Hoàng năng thuộc cảng biển kiểm soát lưu lượng ra vào
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 11
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
cảng tốt hơn. Bộ thu phát AIS bao gồm một GPS 2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU THEO
để thu thập vị trí và chuyển động chi tiết của tàu, TDOA
một bộ phát tín hiệu VHF sử dụng trên hai kênh tần 2.1. Phương pháp TDOA
số 161,975 MHz và 162,025 MHz (kênh VHF 87 và
88 cũ). Các thông tin này sẽ được phát quảng bá, Trong phương pháp TDOA áp dụng cho định vị
tàu biển bằng tín hiệu AIS, các đài bờ (BS) phát
các tàu và trạm cố định có thể nhận các thông tin
tín hiệu đến đài tàu (MS): đài bờ BSi sẽ gửi tín
này và xử lý nó bằng một phần mềm chuyên biệt
hiệu yi(t)(i = 0,1,2,3…N) tới đài tàu MS, trong đó i
và hiển thị thông tin về vị trí tàu trên thiết bị vẽ biểu = 0 ứng với BS0 được lấy làm đài bờ tham chiếu.
đồ hay máy tính. Khi đó tương quan chéo giữa tín hiệu giữa các tín
Thông thường, hệ thống AIS là hệ thống truyền hiệu yi(t) (i = 1,2,3…N) với tín hiệu y0(t) tạo thành
thông. Thông tin về vị trí tàu mà hệ thống AIS phát N hàm tương quan chéo Ri0(τ) (i = 1,2,3…N). Quá
trình xử lý lựa chọn đỉnh tương quan cực đại của
đi được thu nhận từ các bộ thu hệ thống định vị
Ri0(τ), đồng thời loại bỏ nhiễu và các đỉnh lân cận
GPS được tích hợp bên trong máy thu AIS hoặc từ
(đỉnh dễ gây nhầm lẫn), độ sai lệch thời gian tới sẽ
hệ thống GPS ở trên tàu. Tuy nhiên, để nâng cao an được xác định. Trên cơ sở sai lệch thời gian tới, sai
toàn trong hàng hải, đảm bảo cung cấp thông tin về lệch về khoảng cách từ các BS tới MS sẽ được xác
vị trí trong mọi tình huống ngay cả khi mất tín hiệu định theo: ri0 = cτi0, i = 1,2,3…N. Trong đó: τi0 là sai
GPS, tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) đã khuyến lệch thời gian tới giữa đài bờ thứ i tới MS và đài bờ
cáo việc trang bị thêm một hệ thống dự phòng. Hệ thứ 0 tới MS.
thống AIS đã được IMO đề xuất như một hệ thống
Gọi zp = [x, y]T là tọa độ của MS; BSi có tọa độ là
thay thế cho GPS. Để thực hiện được việc xác định si = [xi, yi]T (i = 0,1,2,3…N). Khi đó khoảng cách giữa
vị trí tàu, đài thu AIS trên tàu phải thu được tín hiệu MS và BS thứ i (bao gồm cả đài bờ tham chiếu)
AIS từ ít nhất ba (03) đài bờ. Mặt khác, các đài bờ được xác định bởi:
phải có vị trí (kinh độ, vĩ độ) được xác định và đính
ri2 = (x - xi)2 + (y - yi)2, i = 0,1,2,3…N (1)
kèm trong bản tin AIS gửi tới đài tàu.
Tập hợp các giá trị về sai lệch thời gian TDOA giữa
Phương pháp định vị dựa trên sai lệch thời gian
các BSi với BS0 được xác định. Trong điều kiện
tới (TDOA) được các đài tàu thực hiện. Trong đó, truyền thẳng LOS, với tốc độ ánh sáng c, ta sẽ
đài tàu đóng vai trò là các bộ thu bị động, thu nhận nhận được N phương trình hyberpol liên quan để
các tín hiệu AIS từ các đài bờ, tính toán thời gian xác định zp:
thu các tín hiệu này, xác định sai lệch giữa các thời
ri0 = cτi0= ri -r0, i = 1,2,3…N (2)
điểm thu nhận tín hiệu. Trên cơ sở đó, tính ra được
khoảng cách giữa đài tàu và các đài bờ, rồi xác Khi đó, tọa độ của đài tàu MS được tính toán từ
định được vị trí của đài tàu theo nguyên lý tam giác. các phương trình ở trên. Phương pháp định vị theo
TDOA được minh họa ở trên hình 1. Trong điều
Nguyên tắc định vị của phương pháp TDOA: dựa kiện không có nhiễu, không có lỗi, để tính ra được
trên sai lệch khoảng cách giữa đài tàu và 02 đài bờ, tọa độ của đài tàu MS, cần phải có ít nhất 2 phương
các sai lệch này tạo ra các đường cong hyperbol. trình như ở (2). Tuy nhiên, 2 hyberpol có thể không
Giao điểm của các đường cong hyperbol tương giao nhau (ứng với vị trí thật của MS) do sai số
ứng với vị trí của đài tàu. Các thuật toán TOA được trong quá trình tính toán sai lệch thời gian. Đồng
sử dụng để xác định vị trí của đài tàu bao gồm SI, thời, ngoài ra cũng có thể xuất hiện các giao điểm
SX, Chan và chuỗi Taylor [3÷5]. Với phương pháp không đúng về vị trí của MS. Do vậy, để nâng cao
độ chính xác, tránh xảy ra các tình huống như ở
TDOA, sai số hệ thống sẽ được loại bỏ và độ chính
trên, cần thiết phải có ít nhất 4 đài bờ BS tương
xác của quá trình định vị sẽ được cải thiện. Do đó, ứng có 4 phương trình để tối ưu quá trình ước
phương pháp TDOA này rất phù hợp cho quá trình lượng vị trí đài tàu MS.
định vị tàu biển dựa trên tín hiệu AIS khi hầu hết
các tín hiệu AIS từ đài bờ tới đài tàu đều không
được truyền thẳng do bị che chắn bởi nhiều vật cản
như tòa nhà,...
Bài báo này đề xuất một thuật toán để giải các
phương trình phi tuyến trong phương pháp TDOA
theo hướng giải thiểu khối lượng tính toán để tăng
tốc độ xử lý của các khâu xử lý tín hiệu cũng như
đảm bảo hoặc cải thiện độ chính xác của quá trình
định vị dựa trên TDOA. Hình 1. Phương pháp định vị TDOA
12 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Từ (2), ri2 = (ri0 + r0)2, i = 1,2,3…N do đó (1) có thể giá trị cụ thể của zp trong một phạm vi nào đó là
được viết lại thành: không chính xác, đồng nghĩa sai số của r0 không
ảnh hưởng đến zp. Xét bổ sung thêm một số thông
‖si‖2 + ‖zp‖2 - 2siTzp= ri02 + 2 ri0 r0+ r02,i = 0,1,2,3…N (3)
tin chính xác như hướng góc tới chính xác, sai số
Khi i = 0, ri0= 0. Ta có: của zp chỉ tăng lên ở hướng xuyên tâm và tương
đối nhỏ ngay cả khi sai số của r0 lớn.
‖s0‖2 + ‖zp‖2 - 2s0Tzp= r02 (4)
Vì vậy hướng của thuật toán trong bài báo này đó
Kết hợp giữa (3) và (4), ta nhận được:
là đầu tiên tính toán giá trị của r0 rồi sau đó xác định
‖si‖2 - ‖s0‖2 - 2(si - s0)Tzp= ri02 + 2 ri0 r0,i=1,2,3…N (5) giá trị của zp.
Trong trường hợp xét đến tác động của nhiễu,
được biến đổi thành:
xix + yiy + ri0r0= -0.5(ri02 - Ki + K0) + φi,i = 1,2,3…N (6)
Trong đó:
r0 = (x - x0 )2 + ( y - y0 )2 là khoảng cách giữa MS
và BS0;
φi (i = 1,2,3…N) là sai số;
Ki = xi2 + yi2, i = 0,1,2,3…N.
Biến đổi (6) sang dạng ma trận: Hình 2. Mối quan hệ giữa khoảng cách
và các tọa độ
éxù
(7)
Ga êê y úú = ha + F 2.2. Thuật toán TDOA đề xuất
êër0 úû 2.2.1. Bước 1: Tách khoảng cách từ các phương
Trong đó: trình và ước lượng giá trị khoảng cách
é x1 y1 r1 ù Thực hiện các phép toán ma trận theo hàng trên
êx y2 r2 ú các nhóm phương trình ở (7), sau đó loại bỏ biến x
Ga = ê 2 ú, và y, ta nhận được:
ê! ! ! ú
ëê x N yN rN 0 ûú é1 0 k1 ù
ê ú
é r10 - K 1 + K 0 ù
2
é j1 ù ê0 1 k2 ú
ê 2 ú êj ú éxù
1 r - K2 + K0 ú ê0 0 k3 ú ê ú
ha = - ê 20 F = ê 2ú ê ú y = ha¢ + F¢ (9)
2ê ! ú, ê ! ú. ê0 0 k4 ú ê ú
ê 2 ú ê ú êr0 ú
ëêrN 0 - K N + K 0 ûú ëj N û
ê! ! ! úë û
ê ú
Giả sử zp và r0 là độc lập khi đó, các phương trình êë0 0 k N úû
trên là tuyến tính. Tuy nhiên, trên thực tế giữa zp Trong đó:
và r0 luôn phụ thuộc lẫn nhau. Vì vậy, các thuật haʹ, Φʹ, ki (i = 1,2,3…N) được tạo ra từ các phép
toán được đề xuất trước đó đều phải xét đến yếu toán theo hàng:
tố này như: thuật toán SI thực hiện tìm giá trị gần
é ha1¢(2´1) ù ì ha1¢ = A -1 × ha1
đúng nhất với giả sử bỏ qua (1). Thuật toán Chan ha¢ = ê ú, í ,
tính toán zp và r0 là 4 biến số độc lập và hiệu chỉnh ëha2¢ (( N -2 )´1) û îha 2¢ = ha 2 - B × ha1¢
chúng thông qua (1). Do đó, chắc chắn sẽ dẫn đến
mâu thuẫn trong việc xác định giá trị của zp và r0. é ha1(2´1) ù
Nếu các giá trị này được hiệu chỉnh một cách đơn ha = ê ú,
giản thì kết quả phải tuân theo (1) nhưng sẽ bị phân ëha2 (( N -2 )´1) û
tán kết quả. Do đó cần phải có các giải pháp, thuật é F1¢ (2´1) ù ì F 1¢ = A -1 × F 1
toán để đạt được các giải pháp tối ưu. F¢ = ê
F ¢ ú, í ,
ë 2 ( ( N - 2 )´1 ) F
û î 2 ¢ = F 2 - B × F ¢
1
Bỏ qua các thành phần bậc cao ở (1), phương trình
vi phân nhận được sẽ là:
é F1(2´1) ù
¶r0 =
(x - x0 ) ¶x + ( y - y0 ) ¶y . F=ê ú,
r0 r0
(8) ëF 2 (( N -2 )´1) û
é k3 ù é r30 ù
Từ (1) và (8) thấy rằng: zp quyết định giá trị của r0 é k1 ù r
-1 é 10 ù , ê ú ê ú é k1 ù
,
sai số của zp ảnh hưởng đến r0 như minh họa ở êk ú = A × êr ú ê ! ú = ê ! ú - B × êk ú
ë 2û ë 20 û êk ú êr ú ë 2û
hình 2. Ngược lại, mặc dù giá trị r0 được xác định, ë N û ë N0 û
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 13
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Ma trận hiệp phương sai:
é é r10 ù ù
ê A(2´2 ) êr ú ú ér1 0 ! 0 ù
ê ë 20 û ú é x3 y3 ù
éx y1 ù ê0 r ! 0 ú
Ga = ê é r30 ù ú , A = ê 1 , B = ê! ! úú .
y2 úû y = c2 × B ×Q × B , B = ê ú,
2
ê
ê ê ! úú ë x2 ê" " # " ú
ê B(( N -2 )´2 ) ê úú êë x N y N úû
ê ú
êë êërN 0 úû úû ë 0 0 ! rN û
ri là khoảng cách giữa đài bờ BSi và đài tàu MS có
Hai phương trình đầu tiên của (9) chứa 1 biến thể được tạm thời tính thông qua: ri = ri 0 + rˆ0 .
chưa xác định trong x và y ngoại trừ r0. Ý nghĩa
Ngoài ra:
vật lý ở đây đó là 2 phương trình TDOA được tạo
é 1 0.5 ! 0.5ù
bởi 2+1 đài bờ BS trực giao trên 1 mặt phẳng. Các ê0.5 1 ! 0.5ú
BS tương ứng khi được thực hiện các phép toán Q = c 2s 2 ê ú σσ là độ lệch chuẩn
theo hàng trong 2 phương trình này sẽ tiệm cận ê " " # " ú
ê ú
đến điểm trực giao do đó sai số trong phép biến ë0.5 0.5 ! 1 û
đổi này là nhỏ nhất. Trường hợp các đài bờ BS số của sai số trong quá trình xác định vị trí.
0, 1, 2 không đồng phẳng tương ứng với |A| ≠ 0.
Trên cơ sở tính toán, các kết quả dựa trên độ chính
Bên cạnh đó, như đã nêu ra ban đầu, cần ít nhất 4
xác của rˆ0 và không phụ thuộc vào (1). Trên thực
đài bờ (N ≥ 3). Như vậy, N - 2 phương trình còn lại tế, sai số của rˆ0 tương đối nhỏ so với cự ly của các
trong (9) tạo thành nhóm các phương trình mang ý đài. Do đó, giá trị (xˆ, yˆ ) tính toán được của vị trí đài
nghĩa hiệu chỉnh cho biến chưa xác định: tàu tương đối tin cậy và chính xác theo (1).
ga·r0 = ha2ʹ + Φ2ʹ (10) 2.2.3. Bước 3: Hiệu chỉnh các điều kiện ràng buộc
Trong đó:
Thêm các điều kiện ràng buộc vào (7) và áp dụng
é k3 ù WLS cho tất cả. Một điều kiện ràng buộc là:
ga = êê ! úú . r0 = rˆ0 (14)
êëk N úû Để tính toán giá trị tọa độ của đài bờ, mối quan hệ
Bỏ qua sai số Φ2ʹ, trị bình phương tối thiểu của r0 là: r02 = (x - x0)2 + (y - y0)2 tương đương với hình nón
trong không gian x, y and r0. Phương pháp WLS
(
rˆ0 = ga T × ga )-1
× ga T × ha 2¢ (11) cho các phương trình:
ì 1 2
í
( 2
)
ï xi x + yi y + z i z + ri 0 r0 = - ri 0 - K i + K 0 + j
(15)
2.2.2. Bước 2: Ước lượng vị trí theo các khoảng
ïî 2 2
r0 = ( x - x0 ) + ( y - y 0 )
2
cách giữa đài tàu và các đài bờ i
Kết hợp (11) và (7), phương trình xác định vị trí Là tương đương với một điểm của khoảng cách
sẽ là: tối thiểu có trọng số tới các mặt phẳng và khối
é xù hình chóp. Xác định một mặt phẳng tiếp tuyến gần
Gb ê ú = hb + F (12) nhất với (xˆ, yˆ )được coi là xấp xỉ theo 1 phương, ta
ë yû
sẽ biến đổi từ hình nón về mặt phẳng. Giả sử (x0,
Trong đó: y0) là gốc, vector chỉ phương của mặt phẳng sẽ là
é x1 y1 ù [- xˆ - yˆ ]
xˆ 2 + yˆ 2 .. Do đó, phương pháp WLS là tìm
êx ra điểm giữa các mặt phẳng khoảng cách tối thiểu
y2 úú
Gb = ê 2 , có trọng số và mặt phẳng tiếp tuyến như minh họa
ê! ! ú ở hình 3.
ê ú
ë xN yN û
é 2r10 rˆ0 + r10 2 - K 1 + K 0 ù é j1 ù
ê 2 ú êj ú
1 ê 2r20 rˆ0 + r20 - K 2 + K 0 ú ê 2 ú.
hb = - , F =
2 ê ! ú ê ! ú
ê ú ê ú
ëj N û
2
ëê2rN 0 rˆ0 + rN 0 - K N + K 0 ûú
Vị trí của MS có thể xác định nhờ phương pháp
WLS (bình phương tối thiểu có trọng số).
-1
(xˆ, yˆ )T (
= GbT ×y -1 × Gb ) × GbT ×y -1 × hb (13)
Trong đó: Hình 3. Tuyến tính hóa hình nón ràng buộc
14 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
Vì vậy, mặt phẳng hình nón được tuyến tính hóa 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
sẽ là:
Thực hiện các mô phỏng Monte-Carlo để đánh giá
éxù
(16) hiệu quả của phương pháp được đề xuất trong bài
[ ˆ
-x -y ˆ x + y × êê y úú = 0 .
ˆ 2
ˆ 2
] báo với các phương pháp khác trước đó. Các kết
êër0 úû quả thống kê được tính toán trong các điều kiện
Kết hợp (7), (14) và (16) ta nhận được: nhiễu ngẫu nhiên ở dạng RMSE và phương sai
chuẩn. Các kết quả mô phỏng được phân tích theo
éxù 2 hướng khác nhau: ảnh hưởng của độ chính xác
Gc êê y úú = hc + F (17) đến khoảng cách tính toán được; và sai số của quá
êër0 úû trình đo đạc. Sai lệch thời gian được mô phỏng
theo thực tế bằng cách bổ sung thêm tạp âm trắng
Trong đó: chuẩn Gauss. Mô hình mô phỏng bao gồm: 1 đài
é x1 y1 r10 ù bờ tham chiếu và 6 đài bờ khác được sử dụng để
ê r20 ú xác định vị trí đài tàu. Tọa độ của các đài bờ được
ê x2 y2 ú minh họa ở bảng 1.
ê ! ! ! ú
Gc = ê
xN y N rN 0 ú, Bảng 1. Tọa độ của các đài bờ
ê ú
ê0 0 1 ú BS number Coordinates (unit: m)
ê- xˆ - yˆ 2ú
xˆ + yˆ û
2
ë 0(ref) (0,0)
é r10 - K 1 + K 0 ù
2
é j1 ù 1 (800,0)
ê 2 ú êj ú
r
ê 20 - K + K 0 ú
2 (400,693)
2
ê 2 ú
1ê ! ú ê ! ú 3 (-400,693)
hc = - ê 2 ú, F = êj ú .
r
2 ê N0 - K N + K 0ú N 4 (-800,0)
ê ú
ê 2rˆ0 ú j
ê r ú
5 (-400,-693)
ê ú êj xyz ú 6 (400,-693)
ë 0 û ë û
Ước lượng tối ưu nhận được Với hướng thứ nhất, sai số tính toán sai lệch thời
gian là 5×10-3s, đài tàu MS di chuyển theo đường
(x, y, r0)T = (GcT·ψʹ-1·Gc)-1·GcT·ψʹ-1·hc (18) thẳng từ (140,260) đến (-4200, 4600) với bước di
Trong đó: chuyển là 70 m. Sau mỗi bước di chuyển, thực hiện
tính toán vị trí của đài tàu ứng với 1000 điểm tính
éy 0 0ù toán để tính ra ra giá trị trung bình. Cuối cùng, tiến
ê ú
0 ú,y = c × B × Q × B ,
2
y ¢ = ê 0 fr hành phân tích các giá trị RMSE và độ lệch chuẩn
ê0 0 f xy úû của 1000 điểm đó như mô tả ở hình 4.
ë
ér1 0 ! 0ù
ê0 r2 ! 0 úú
B=ê ,
ê" " # "ú
ê ú
ë0 0 ! rN û
ri = (xˆ - xi )2 + ( yˆ - yi )2 + (zˆ - z i )2 ,
s rˆ
fr = , f xy = 0
ˆr0 s
Do việc xác định ma trận hiệp phương sai ψ’ sẽ
gặp rất nhiều khó khăn, phức tạp, một số giả định
được đề xuất. Thứ nhất, các biến φxy, φr và φi là
độc lập với nhau, do đó phương sai là bằng 0.
Thứ hai, φxy và φr tỉ lệ nghịch với nhau. Thứ hai,
điều kiện ràng buộc hình chóp chỉ ảnh hưởng ở
cự ly gần, có thể bỏ qua ở khoảng cách xa. Thay Hình 4. Vị trí của đài tàu MS và các đài bờ BSi
đổi các trọng số có thể cân bằng được những ảnh Các kết quả mô phỏng được minh họa ở hình 5.
hưởng này đến khoảng cách tính toán. Mặt khác, Trong hình 5, ta thấy ở cự ly xa thì phương pháp
ở cự ly xa, điều kiện ràng buộc khoảng cách điều Chan cho kết quả kém nhất, nhưng kết quả sẽ
chỉnh độ chính xác và phải được đánh trọng số được cải thiện khi ở cự ly gần. Ngược lại, SI thì
lớn hơn. Trong khi đó, ở cự ly gần, điều kiện về có hiệu năng tốt cự ly xa nhưng lại kém hơn Chan
hình nón sẽ có ý nghĩa hơn. ở cự ly gần. Thuật toán tốt nhất ở đây là chuỗi
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 15
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Taylor, hiệu năng của thuật toán này tốt trên toàn 4. KẾT LUẬN
dải di chuyển của đài tàu. Thuật toán được đề xuất
rõ ràng tốt hơn hẳn so với Chan và SI và có hiệu Bài báo đã đề xuất thuật toán xác định vị trí của
năng tương đương với chuỗi Taylor. Ưu điểm, của đài tàu dựa trên việc thu tín hiệu AIS theo phương
phương pháp đề xuất so với chuỗi Taylor đó là tính pháp sai lệch sóng tới TDOA. Thuật toán được
toán đơn giản và không cần phải có giá trị khởi tạo. đề xuất đạt hiệu năng tốt trong các điều kiện về
cự ly cũng như nhiễu môi trường xung quanh. So
với thuật toán chuỗi Taylor, thuật toán đề xuất có
hiệu năng tương đương nhưng không bị mất hội
tụ kết quả như thuật toán Taylor. Ngoài ra, thuật
toán đề xuất còn có khối lượng tính toán ít hơn so
với Taylor. Do đó, thuật toán này đặc biệt thích hợp
trong các bộ thu AIS có giá rẻ, phù hợp với các đội
tàu hoạt động trên các tuyến đường thủy nội địa,
hoặc tuyến pha sông biển.
Hình 5. So sánh RMSE của 4 thuật toán ở các cự
ly khác nhau
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Với hướng thứ 2, vị trí của MS được lựa chọn ngẫu
nhiên trong 1 phạm vi hình chữ nhật có độ dài
[1] J.S. Ning, Y.T. Wu, D.J. Sun (2014), The
200 m, trung tâm ở (350,200). Chuỗi các sai số đo
development of LBL acoustic positioning
đạc được liệt kê ở bảng 2.
system and its application, HSAC. 34, 72.
Bảng 2. Độ lệch chuẩn của TDOA [2] D.Eswara Chaitanya, G.Sasibhushana Rao
num 1 2 3 4 5 6
(2016), Unknown radio source localization
based on a modified closed form solution
σ(s) 1×10 -4
5×10 -4
1×10 -3
5×10 -3
1×10 -2
4.5×10-2 using TDOA measurement technique, PCS.
Hình 6 minh họa sai lệch vị trí tăng lên khi sai số 87, 184.
đo đạc tăng lên. Mặt khác, khi tạp âm lớn, phương [3] Y.T. Chan, H. Yau, C. Hang. Pakchung Ching
pháp chuỗi Taylor sẽ không hội tụ do giá trị khởi tạo (2006), Exact and Approximate Maximum
không hợp lý như minh họa ở hình 7. Tuy nhiên, Likelihood Localization Algorithms, IEEE
phương pháp đề xuất có tính ổn định tốt hơn. Transactions. 55, 10.
[4] Z. Fang, Y.D. Ni, Y. Liu (2015), New method
of hybrid location based on least square and
Taylor series expansion, CE. 41, 316.
[5] Z.J. Wang, H.Y. Yu, Y.P. Hu (2014), Improved
Chan algorithm based on maximum likelihood
criterion, CAAS, 31, 240.
[6] Mauro Boccadoro. Guido De Angelis (2012),
TDOA positioning in NLOS scenarios by
particle filtering, WN 18, 579.
[7] L. An, X.F. Zhang, L.J. Chen (2011), The
Hình 6. So sánh RMSE của 4 thuật toán trong các
array measurement and cross-correlation
điều kiện nhiễu khác nhau
peak tracing method for flexible array passive
localization system, TA. 30, 210.
[8] Chan Y T, Ho K C (1994), A simple and
efficient estimator for hyperbolic location,
IEEE Transactions, 48,1905.
[9] X.M. Qu, L.H. Xie (2016), An efficient convex
constrained weighted least squares source
localization algorithm based on TDOA
measurements, PS. 119, 142.
Hình 7. Độ lệch chuẩn của 4 thuật toán trong các
điều kiện nhiễu khác nhau
16 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
THÔNG TIN TÁC GIẢ
Phạm Việt Hưng
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2003: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện tử viễn thông chuyên ngành Điện tử viễn
thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội
+ Năm 2007: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Điện tử viễn thông chuyên ngành Điện tử viễn thông
- Đại học Bách Khoa Hà Nội
Năm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Điện tử viễn thông chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông
- Đại học Bách Khoa Hà Nội
- Lĩnh vực quan tâm: Xử lý tín hiệu trong hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, truyền thông kỹ
thuật số, truyền thông hàng hải
- Điện thoại: 0916588889
Nguyễn Trọng Các
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2002: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện, chuyên ngành Điện nông nghiệp, Trường Đại
học Nông nghiệp I Hà Nội
+ Năm 2005: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật tự động hóa, chuyên ngành Tự động hóa,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
+ Năm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Kỹ thuật điện tử, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: DCS, SCADA, NCS
- Email: cacdhsd@gmail.com
- Điện thoại: 0904369421
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 17
nguon tai.lieu . vn
