Xem mẫu
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ CÁC TRẠM THU TRONG
TRIỂN KHAI HỆ THỐNG MLAT GIÁM SÁT TRÊN SÂN BAY
Nguyễn Đức Việt*
Tóm tắt: Bài báo trình bày về hệ thống MLAT(Multilateration), cấu trúc chính
và các thành phần của hệ thống, ứng dụng triển khai hệ thống để giám sát vị trí các
phương tiện di chuyển trên sân bay, áp dụng thuật toán để tối ưu hóa vị trí các trạm
thu trong hệ thống với tiêu chí giảm nhỏ sai số, các vấn đề kĩ thuật khi triển khai hệ
thống trên thực tế.
Từ khóa: Radar thụ động, Hệ thống MLAT, Tối ưu hóa vị trí trạm thu.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
- Việc triển khai các hệ thống MLAT (Mutilateration) cho mục đích giám sát tại sân bay
trong các giai đoạn bay đã được trình bày ở các bài báo trước đây[10]. Tuy nhiên, cùng
với việc gia tăng các chuyến bay đến và đi tại các sân bay của Việt Nam thì số lượng các
phương tiện phục vụ trên sân bay cũng tăng lên một cách đáng kể, điều này dẫn đến các vụ
mất an toàn Hàng không do va chạm giữa các phương tiện phục vụ trên sân (xe Buýt, xe
thang, xe khí, xe taxi...) với nhau, và giữa các phương tiện phục vụ với Tàu bay [9]. Từ
thực tế nêu trên việc triển khai một hệ thống MLAT để giám sát các phương tiện phục vụ
và Tàu bay khi di chuyển trên sân bay là hết sức cần thiết và cấp bách đối với các sân bay
ở Việt nam (sân bay Quốc tế Nội Bài, Cát Bi, Tân Sơn Nhất...).
- Bài báo trình bày cấu trúc tổng quát và hoạt động của một hệ thống MLAT khi triển
khai trên sân bay để giám sát các phương tiện phục vụ và Tàu bay khi di chuyển trong
phạm vi mặt đất của sân bay.
- Xây dựng thuật toán tối ưu hóa vị tri các trạm thu khi bố trí hệ thống MLAT ở sân
bay quốc tế Nội Bài.
- Kết quả thực tế khi triển khai hệ thống MLAT ngoài thực địa.
2. CẤU TRÚC TỔNG QUÁT VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MLAT
2.1. Cấu trúc hệ thống MLAT
Một hệ thống MLAT cơ bản được trình bày trong hình 1 bao gồm:
- Trạm xử lý trung tâm (Central Processing Subsystems – CPS) là nơi tiếp nhận và xử
lý, tính toán vị trí của các mục tiêu (Máy bay hoặc các xe chuyên dụng), các tính toán này
dựa trên sự khác biệt về thời gian tới từ mục tiêu đến các trạm thu (Time Different Of
Arrival – TDOA), vì vậy, phương pháp tính này còn có tên gọi là phương pháp Hypecbol.
- Các trạm thu từ trạm thứ 1 đến trạm thứ N, là nơi tiếp nhận tín hiệu trả lời từ các
Transponder (trên Tàu bay hoặc các phương tiện cần giám sát) sau khi nhận được tín hiệu
hỏi từ máy hỏi của đài ra đa thứ cấp (SSR). Căn cứ vào tín hiệu đồng bộ và tín hiệu trả lời
từ các Transponder, các trạm thu sẽ có kết quả là các tín hiệu TDOA để gửi về trạm xử lý
trung tâm (CPS).
- Các Transponder (máy trả lời tích cực) được gắn trên các tàu bay và các phương tiện
cần giám sát có nhiệm vụ phát trả tín hiệu trả lời (có cấu trúc nhất định) khi nhận được tín
hiệu hỏi từ máy hỏi của đài ra đa thứ cấp.
- Máy hỏi là thiết bị được trang bị trên các đài ra đa thứ cấp tại sân bay (với các sân
bay không có đài ra đa thứ cấp thì máy hỏi được trang bị như một thiết bị độc lập). Máy
hỏi phát ra tín hiệu hỏi theo lệnh từ trạm CPS hay có thể hỏi theo chu kì lập sẵn tùy theo
cấu trúc từng hệ thống MLAT.
78 Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí… hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.”
- Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ
- Trong hệ thống MLAT này mỗi một phương tiện cần giám sát sẽ được gắn một
Transponder ((các
các Transponder trên các tàu bay là phương tiện có sẵn
sẵn).
). Số lượng và
vị trí các trạm thu sẽ phụ thuộc vào địa hình và yêu cầu cụ thể của mỗi sân bay
bay. Đây
là bài toán tối ưu mà bài báo sẽ trình bày ở các phần sau
sau..
Hình 1. Sơ đồ các khối chức năng hệ thống MLAT tiêu chuẩn chuẩn.
2.22.Thuật
Thuật toán tối ưu hóa vị trí các trạm thu cho hệ thống MLAT
2.2.1. Tiêu chí ccủaủa bbài
ài toán ttối
ối ưu hóa vvịị trí các trạm thu
Vịị trí các trạm thu của hệ thống ban đầu đđư ược
ợc lựa chọn theo địa hhình ình thực
thực tế của sân
bay, các vvịị trí này
này đư
được
ợc chọn thuận lợi nhất cho việc thi công, triển khai hệ thống truyền số
liệu…
ệu… Một yếu tố quan trọng llàà các tr trạm
ạm thu luôn luôn phải đặt trong vvùng ùng ph
phủ sóng ccủa
ủa
mụcục ti
tiêu
êu cần
cần giám sát. Việc lựa chọn vị trí ban đầu của các trạm thu luôn llàà các phép th thửử
và sai và nó ph phụụ thuộc nhiều vvào ào kinh nghi
nghiệm
ệm của ng ngườiời thiết kế hệ thống [10]. Sau khi
lựa
ựa chọn đđư ược
ợc vị trí ban đầu ththìì nhiệm
nhiệm vụ của bbài ài toán tối
t ưu là ttìm ra mộtmột vị trí tối ưu ở
lân ccận
ận vị trí ban đầu (bán kính của vvùng ùng llựa
ựa chọn nnàyày phụ
phụ thuộc vvàoào địa
địa hình
h ình đặt
ặt trạm vvàà
yêu ccầu
ầu cụ thể của hệ thống, th thường
ờng th
thìì bán kính này được
được chọn khoảng 300m đến 1000m)
sao cho hhệệ thống tạo ra một vùng quan sát vvới ới sai số cho trước ớc có diện tích lớn nhất.
Đểể thực hiện việc tối ưu hóa vvịị trí các trạm thu của hệ thống ra đa thụ động chúng ta
cần
ần đđưa
ưa ra một
một số các khái niệm nh như
ư sau:
Điều kiện khảo sát: Các kết quả tối ưu sẽ chỉ đúng trong các điều kiện khảo sát cho
Điều
trước
trước,, khi triển
triển khai thực tế có thể kết quả sẽ sai lệch ttùy ùy thu
thuộc
ộc vvào
ào điđiều
ều kiện từng môi
trường tiến
trường tiến hành
hành như: Nhi
Nhiễu
ễu Vô tuyến, ccông ông su
suất
ất thực tế tại đầu vvào
ào máy thu nơi đđặt ặt trạm ...
Vịị trí tối ưu: là vvịị trí của các trạm thu m màà tại
tại đó với một số llượng ợng các trạm thu nhất
định (N)) và với một sai số (δδ) cho trước trước,, hệ thống luôn tạo ra một vùng không gian quan
sát có sai số trung bình nhỏ nhất hay diện tích vùng quan sát lớn nhất nhất..
Vùng không gian quan sát: Là vùng không gian gi giới
ới hạn bởi đđư
ường
ờng cong sai số δ= const,
trong vùng không gian đó sai ssố ố của hệ thống khi xác định vị trí của mục ti tiêu
êu luôn ≤ δ.
Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số 511, 10 - 2017
20 7 79
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
Quần thể ban đầu: Chính là tọa độ của các trạm thu được lựa chọn ban đầu (theo địa
hình và vùng phủ sóng), Trong vùng M cho trước ta chọn ngẫu nhiên một tập hợp N trạm
thu: ( , , ), ( , , ), ( , , ) … ( , , )
Không gian lời giải: Vùng không gian lời giải chính là một mặt phẳng giới hạn bởi
đường tròn, có tâm là điểm đặt trạm ban đầu và bán kính là R. Giá trị R được chọn phụ thuộc
vào địa hình xung quanh điểm đặt trạm ban đầu, R càng lớn thì độ chính xác càng cao, tuy
nhiên thời gian tính toán càng lâu, thực tế R được chọn trong khoảng 300 – 1000 (m).
Lai ghép: Từ các vị trí đặt trạm ban đầu ta lấy ngẫu nhiên các điểm mới trong một mặt
phẳng hình tròn có bán kính là r (r ≤ R), r có thể chọn = 10, 20, … hay 50m tùy thuộc
vào tốc độ tính và yêu cầu về độ chính xác của việc tính toán.
Đột biến: Quá trình đột biến nảy sinh khi mà đã thực hiện quá trình lai ghép hết trong
không gian lời giải nhưng vẫn chưa tìm được các cá thể có giá trị thích nghi thích hợp. Khi
đó thuật toán đưa ra thông báo cần thay đổi vị trí đặt trạm ban đầu.
Giá trị thích nghi: Với mỗi tập hợp N các trạm thu sẽ tạo ra các tập giá trị sai số ( )
tại k điểm x, y xung quanh các vị trí đặt trạm, giá trị trung bình của các giá trị sai số này
∑
= được chọn làm giá trị thích nghi của thuật toán. Số lượng các điểm k càng lớn
thì độ chính xác càng cao, nhưng tốc độ tính toán lại càng chậm.
Điều kiện hội tụ: Thuật giải sẽ dừng lại khi mà giá trị thích nghi STN của thế hệ
đang xét có giá trị bằng bao nhiêu lần so với giá trị thích nghi của thế hệ ban đầu, ví dụ
là bằng 0.6.
Điều kiện lựa chọn: Các cá thể được lựa chọn khi có giá trị thích nghi nhỏ hơn một
ngưỡng nào đó so với giá trị thích nghi của cá thể ban đầu, việc quyết định ngưỡng này sẽ
có tác dụng đến độ chính xác của thuật toán, tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào tốc độ tính
toán của máy tính của hệ thống khi lựa chọn tham số này. Ví dụ có thể chọn bằng 0.95.
Hình 2. Thuật toán tìm vị trí tối ưu các trạm thu.
80 Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí… hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.”
- Nghiên ccứu
ứu khoa học công nghệ
Theo [7] [ ] đểđể tối ưu hóa vvịị trí của các trạm thu theo ti tiêu
êu chí ttạo
ạo ra vùng
vùng quan sát DN có
diện
ện tích lớn nhất, tác giả xây dựng thuật toán nh nhưư sau:
Bước 1: Trong vùng M cho trước trước, chọn ngẫu nhiên một tập hợp N trạm thu thu:: M1(x1, y1,
z1), M2(x2, y2, z2), M3(x3, y3, z3) …. MN (xN, yN, zN). Dựa trên kết quả đã tính toán toán,, với tổ
hợp V1 (M1, M2, M3….. MN) đã chọn sẽ có giá trị thích nghi là STN1.
Bước 2: Từ
Bước Từ các điểm đặt trạm ban đầu M1(x1, y1, z1), llấy ấy ngẫu nhi nhiên
ên các đi
điểm
ểm M11,
M12, M13…. M1n (n là ssố ố tự nhiên
nhiên được
được chọn theo yyêuêu cầu
cầu ngư
người
ời ddùng
ùng và khkhảả năng tính toán
của
ủa máy tính), các điểm M11, M12, M13…. M1n nằm nằm trên
trên một
một đđưường
ờng tròn
tròn có tâm là điểm ểm M1
và bán kính là R= 50m, đđểể đảm bảo có ccùng ùng m
một
ột phân bố
Bước 3: Từ
Bước ừ tập hợp các điểm MNn, xây dựn dựng g được
được các tập Vn, m mỗiỗi tập Vn này sẽsẽ có các
giá tr
trịị thích nghi ttương
ương ứng llàà STNn.
Bước 4: Kiểm
Bước Kiểm tra điều kiện lựa chọn của các STNn và chọn chọn ra các tập gần tối ưu Vn*.
Bước 5: Với
Bước Với các tập Vn* kiểmkiểm tra điều kiện hội tụ. Nếu đúng th chỉ ra tập Vn* ttối
thìì chỉ ối ưu.
*
Nếu
ếu sai th thìì thay Vn bbằng
ằng Vn và lặp lặp lại bbước
ớc 2.
2.2.2. K Kết
ết quả tối ưu vvịị trí các trạm thu
Việc tính toán số lượng tối thiểu các trạm thu đảm bảo sai số cần thiết trên các vùng
cần quan sát được đã được trình bày ở [9]], theo đó số ttrạm rạm thu cần thiết để đảm bảo sai số
mong muốn δ = 44,5m m là NN=1111 trạm.
trạm Việc tối ưu hóa vị trí đặt các trạm thu sẽ tạo ra một hệ
thống
ống giám sát có vvùng ùng quan sát vvới ới diện tích lớn nhất. Ở bbàiài toán ccụ ụ thể này
này vùng quan
sát ssẽẽ đđư
ược
ợc tính cho giá trị sasaii số
số làlà δ = 4,5m.
Vùng sai số
Hình 33..Vùng số tr
trên
ên đường băng khi ch
đường chưa
ưa tối
tối ưu vị
vị trí các trạm, diện tích vvùng
ùng sai ssố
ố
4,5m là 25,5990 km2.
Vùng sai ssốố tr
Hình 44.Vùng trên
ên đường băng sau khi đđã
đường ã tối
tối ưu vị
vị trí các trạm, diện tích vvùng
ùng sai ssố
ố
4,5m là 30,1531 Km2.
Như vậy
vậy, sau khi ttối
ối ưu thì
thì trên toàn bbộộ đđường
ờng băng chúng ta đđãã thu được
đư ợc vvùng
ùng sai ssố
ố
giám sát mong mumuốn
ốn với4,5m< δ < 5m 5m.
Với
ới kết quả tính toán tối ưu trên, di
diện
ện tích vvùng ố 4,5m từ 25,5990 Km 2 đã tăng
ùng sai ssố ăng lên
2
thành 30,1531Km . Toàn bbộ ộ các đư
đường
ờng băng vvàà đường
đường lăn ccủa
ủa sân bay đđãã nằm
nằm hohoàn
àn toàn
trong vùng sai ssố
ố mong muốn4,5m< δ < 5m.
Tạp
ạp chí Nghi
Nghiên
ên cứu
cứu KH&CN quân
uân sự,
sự, Số 511, 10 - 2017
20 7 81
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
3. KẾT QUẢ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG MLAT TRÊN THỰC TẾ
Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống MLAT được triển khai thực tế tại sân bóng của HVKTQS (vì nhiều lý do như
kinh phí, thủ tục an ninh sân bay, thời gian... mà dự kiến triển khai hệ thống tại sân bay
Nội Bài và Cát Bi chưa được triển khai). Một hệ thống MLAT yêu cầu tối thiểu 3 trạm thu
[6], tuy nhiên, ở hệ thống triển khai lần này chúng tôi đã tiến hành với 4 trạm thu, sơ đồ
khối được trình bày ở hình 5.
Đường truyền dữ liệu giữa các trạm thu, với trạm xử lý trung tâm là các tuyến cáp
quang, hệ thống máy hỏi được dùng trong hệ thống là máy hỏi đáp nhận biết chủ quyền
quốc gia của HVKTQS triển khai ở mức 25% công suất phát. Các thiết bị trong hệ thống
là sản phẩm của đề tài cấp bộ GTVT “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống
giám sát tàu bay và phương tiện trên sân bay theo phương pháp đa điểm công nghệ
MLAT” mã số 163058.
Hình 5. Sơ đồ khối chức năng hệ thống MLAT.
Việc bố trí các trạm thu tại bốn góc của sân bóng, và trạm trung tâm tại tòa nhà H3 của
Học viện KTQS đã được tính toán và căn chỉnh khoảng cách giữa các trạm thu và trạm
trung tâm, số liệu được trình bày ở bảng số 1.
Bảng 1. Tọa độ thực tế các trạm thu và trạm trung tâm.
STT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ Độ cao (m)
1 Trạm trung tâm 105.785 21.0483 0
2 Trạm số 1 105.786 21.0477 0
3 Trạm số 2 105.785 21.0477 0
4 Trạm số 3 105.785 21.0486 0
5 Trạm số 4 105.786 21.0486 0
Kết quả tọa độ của mục tiêu (vị trí của Transponder trên sân bóng) được thể hiện trên
các hình 6 và hình 7 cho thấy các vị trí đo được qua 1001 chu kì hỏi/đáp thăng giáng trong
một đường tròn có bán kính là sai số của hệ thống.
82 Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí… hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
Kết quả của hình 6 là kết quả khi chưa tối ưu vị trí của các trạm thu, sai số là 5m
Kết quả ở hình 7 là kết quả sau khi tối ưu vị trí trạm thu, sai số là 4,2m.
Các kết quả ở hình 6 và hình 7 là khi mục tiêu cần giám sát đứng yên, khi mục tiêu
chuyển động ( tốc độ 50Km/h là tốc độ cho phép trên sân bay) ta có kết quả ở hình 8, khi
đó kết quả sai số đo được là 7,1m.
Hình 6. Tọa độ mục tiêu và sai số khi chưa tối ưu.
Hình 7. Tọa độ mục tiêu và sai số sau khi tối ưu.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 83
- Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
Hình 8. Mục tiêu di chuyển với sai số 7,1m.
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày tổng quan về một hệ thống MLAT với các thành phần và chức
năng chính trong hệ thống, ứng dụng hệ thống trong việc giám sát các phương tiện di
chuyển trên sân bay, trình bày và áp dụng thuật toán để tối ưu hóa vị trí các trạm thu trong
hệ thống theo tiêu chí giảm nhỏ sai số định vị.
Thuật toán được xây dựng trong bài báo được áp dụng hiệu quả với bài toán tối ưu hóa
vị trí các trạm thu khi xây dựng hệ thống MLAT, các chỉ tiêu về sai số đã đạt được mức độ
sai số cho việc giám sát các phương tiện trên sân bay mà yêu cầu đề bài đã đưa ra. Mỗi
một hãng khi triển khai thiết bị cho hệ thống MLAT của mình đều có các thuật toán riêng
của mình để tối ưu hóa vị trí của các trạm thu, tuy nhiên, vì lý do bảo mật mà họ không
cung cấp chi tiết thuật toán của mình.
Việc triển khai hệ thống MLAT trong thực tế với các thiết bị do Viêt Nam sản xuất còn
có nhiều vấn đề kĩ thuật cần giải quyết như: đồng bộ thời gian cho hệ thống, thời gian giữ
chậm của Transponder, góc ngẩng của anten thu ..., khoảng cách giữa các trạm thu còn nhỏ
hơn nhiều so với các tính toán cho bài toán tối ưu [8]. Tuy nhiên, hệ thống đã có một kết
quả tương đối khả quan, sai số đặt được 4,2m là nhỏ hơn nhiều so với mục tiêu ban đầu
đặt ra là 7,5m, với việc triển khai thử nghiệm trên sân bay thực tế (kích thước sân bay Nội
bài là 5x3Km) thì kết quả sai số sẽ chính xác hơn, bên cạnh đó khi số lượng các trạm thu
tăng lên, trạm CPS sẽ có nhiều lựa chọn để đưa ra quyết định xác định chính xác vị trí
mục tiêu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. H.B.Lee,“Accuracy Limitations of Hyperbolic Multilateration Systems”,IEEE
TRANSACTIONS AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. AES-11,
No. 1 JANUARY 1975.
[2]. DANIEL jean-pierre, "Multilateration course", ENAC/CNS. 21 June 2010.
[3]. IvanA. Mantilla Gaviria, “New Strategies to Improve Multilateration Systems in
the Air Traffic Control”, Valencia, Spain 2013.
[4]. EUROCAE-WG-70, "ED-142, Technical specification for Wide Area Multilateration
(WAM) systems,", The European Organisation for Civil Aviation Equipment
(EUROCAE), September 2010.
84 Nguyễn Đức Việt, “Thuật toán tối ưu hóa vị trí… hệ thống MLAT giám sát trên sân bay.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
[5]. Eurocontrol, "The ATM Surveillance Strategy for ECAC", Eurocontrol, 2008.
[6]. Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Đức Việt, “Nghiên cứu hợp nhất dữ liệu cải thiện độ
chính xác cho hệ thống ra đa thụ động giám sát mục tiêu bay”, Tạp chí Nghiên cứu
Khoa học và Công nghệ quân sự (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự), 19-25, 2-
2012.
[7]. Trịnh Đăng Khánh, Nguyễn Đức Việt, “Cải thiện độ chính xác cho hệ thống ra đa thụ
động giám sát sân bay”, Tạp chí Khoa học và Kĩ thuật (Học viện Kĩ thuật quân sự) số
163, 8-2014.
[8]. Nguyễn Đức Việt, Trần Mạnh Hoàng “Improve The Accuracy Of Passive Radar
Systems For Monitoring Airports”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân
sự (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự), số 36, 4-2015.
[9]. Nguyễn Đức Việt, Trịnh Đăng Khánh, “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cao tới sai số
khi xác định vị trí mục tiêu trong hệ thống ra đa thụ động”,Tạp chí Khoa học và Kĩ
thuật (Học viện Kĩ thuật quân sự) số 168, 6-2015.
[10].Nguyễn Đức Việt, Trịnh Đăng Khánh, “Tối ưu hóa mạng các trạm ra đa thụ động
giám sát sân bay theo tiêu chuẩn sai số và vùng phủ sóng”,Tạp chí Khoa học và Kĩ
thuật (Học viện Kĩ thuật quân sự) số 171, 12-2015.
ABSTRACT
AN ALGORITHM FOR OPTIMIZING LOCATIONS OF RECEIVING STATIONS OF
A MLAT SYSTEM FOR MONITORING AN AIRPORT
In this paper, the main structure and components of an MLAT system are
presented. The proposed system has been deployed to monitor positions of
vehicles moving in an airport. An optimisation scheme has been employed in
order to find optimal locations of the receiving stations with respect to minimal
error. Technical issues related to practical implementation of the system are also
discussed in this paper.
Keywords: Passive radar, MLAT system, Optimisation of the locationsof the receiving sations.
Nhận bài ngày 31 tháng 7 năm 2017
Hoàn thiện ngày 05 tháng 9 năm 2017
Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017
Địa chỉ: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
*
Email:vietnd@ptit.edu.vn.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 85
nguon tai.lieu . vn
