Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Giải pháp nâng cao chất lượng định hướng nguồn bức xạ vô tuyến - Nguyễn Tuấn Minh, Viện KHCN Quân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------------ NGUYỄN TUẤN MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐỊNH HƢỚNG NGUỒN BỨC XẠ VÔ TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ---------------------- NGUYỄN TUẤN MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐỊNH HƢỚNG NGUỒN BỨC XẠ VÔ TUYẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS LÊ THANH HẢI 2.TS NGUYỄN TRỌNG LƯU HÀ NỘI – NĂM 2020 luan an i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan dưới đây là công trính nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trìch dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Tuấn Minh luan an ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Thanh Hải và TS.

Nguyễn Trọng Lưu, những người đã động viên, hướng dẫn tận tính và giúp đỡ tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trính nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các nhà khoa học tại Viện Điện tử, đại học Bách khoa Hà Nội, đại học Công nghệ - đại học Quốc gia Hà Nội, đại học Công nghiệp Hà Nội đã có những nhận xét và gợi ý vô cùng quý báu về luận án của tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Điện tử, Phòng Đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trính thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và gia đính đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong thời gian làm Luận án.

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Tuấn Minh luan an iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xi MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH HƢỚNG NGUỒN BỨC XẠ VÔ TUYẾN. Giới thiệu về định hƣớng nguồn bức xạ vô tuyến. Tổng quan tình hình nghiên cứu. Bài toán định hƣớng tổng quát.

Một số thuật toán định hƣớng nguồn bức xạ điển hình. Thuật toán MUSIC. Thuật toán ESPRIT. Thuật toán PM.

Một số thuật toán khác. Một số phƣơng pháp định vị dựa trên kết quả định hƣớng. Phương pháp giao hội. Phương pháp cự ly.

Phương pháp hiệu cự ly. Phương pháp góc - cự ly. Đặt vấn đề nghiên cứu. Kết luận chƣơng.

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƢỚNG SỬ DỤNG. 39 THUẬT TOÁN PM CẢI TIẾN. Giới thiệu chƣơng. 39 luan an iv 2.

Thuật toán PM cải tiến. Đề xuất giải pháp sử dụng thuật toán PM cải tiến trong định hƣớng 2D các nguồn bức xạ không tƣơng quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA- UCA. Xây dựng mô hính và đề xuất giải pháp. Mô phỏng đánh giá kết quả.

Đề xuất giải pháp sử dụng thuật toán PM cải tiến trong định hƣớng nhanh 1D các nguồn bức xạ tƣơng quan áp dụng cho dàn ăng ten ULA 56 2. Xây dựng mô hính và đề xuất giải pháp. Mô phỏng đánh giá kết quả. Kết luận chƣơng.

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH HƢỚNG 2D TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄU MÀU, BẤT ĐỊNH THÔNG TIN TIÊN NGHIỆM SỐ LƢỢNG NGUỒN BỨC XẠ VÀ GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ DỰA TRÊN KẾT QUẢ ĐỊNH HƢỚNG. Giới thiệu chƣơng. Đề xuất giải pháp định hƣớng 2D sử dụng dàn ăng ten chữ L trong điều kiện nhiễu màu Toeplitz đối xứng. Nhiễu màu Toeplitz đối xứng.

Xây dựng mô hính và đề xuất giải pháp. Mô phỏng đánh giá kết quả. Đề xuất giải pháp định hƣớng 2D sử dụng dàn ăng ten ULA-ULA trực giao cùng tâm pha đối xứng trong điều kiện bất định thông tin tiên nghiệm số lƣợng nguồn bức xạ. Xây dựng mô hính và đề xuất giải pháp.

Mô phỏng đánh giá kết quả. Đề xuất mô hình định vị dựa trên kết quả định hƣớng và thông tin tiên nghiệm địa hình. Cở sở lý thuyết và xây dựng mô hình. Mô phỏng đánh giá kết quả.

Đề xuất giải pháp định vị sử dụng mô hính địa hình 3D. Đánh giá sự ảnh hưởng của các sai số đến kết quả định vị. Kết luận chƣơng. 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.

113 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 114 luan an vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu Trực giao ‖‖ Chuẩn véc tơ Euclide Giả nghịch đảo Thời gian trễ của tín hiệu giữa phần tử ăng ten thứ i và vị trí tham chiếu [.]* Liên hợp phức [.]H Chuyển đổi liên hợp phức [.]T Chuyển vị Dấu bằng theo định nghĩa A(θ) Ma trận chỉ phương trong mặt phẳng góc ngẩng A(θ, ϕ) Ma trận chỉ phương trong mặt phẳng góc ngẩng và góc phương vị A(ϕ) Ma trận chỉ phương trong mặt phẳng góc phương vị c Tốc độ truyền tín hiệu d Khoảng cách giữa các phần tử ăng ten E[.] Giá trị kỳ vọng En Véc tơ riêng của nhiễu Es Véc tơ riêng tìn hiệu L Số mẫu tín hiệu M Số phần tử ăng ten N Số lần thử độc lập p Số lượng nguồn bức xạ tới dàn ăng ten P(θ) Phổ công suất tín hiệu r Bán kình đường tròn R Ma trận hiệp phương sai ζ Độ dịch pha θ Góc ngẩng luan an vii λ Bước sóng nguồn bức xạ σ2 Phương sai của nhiễu ϕ Góc phương vị ω Tần số tín hiệu Véc tơ nguồn bức xạ trên miền tần số Véc tơ tìn hiệu thu được bởi dàn ăng ten trên miền tần số Thời gian cần thiết để tín hiệu tới các phần tử ăng ten 2. Các chữ viết tắt AAR Đáp ứng góc thích nghi (Adaptive Angular Response) AIC Tiêu chuẩn thông tin Akaike (Akaike Information Criterion) ALI Phát hiện vị trí tự động (Automatic Location Identification ) AOA Góc tới (Angle of Arrival) AR Tự hồi quy (Auto – Regressive ) ARMA Tự hồi quy và trung bính trượt (Auto - Regressive and Moving Average Model) BPSK Điều chế pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying) CP Pha sóng mang (Carrier Phase) CS Lấy mẫu nén (Compressive Sensing) DFT Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) DML Hợp lý cực đại tất định (Deterministic Maximum Likelihood) ESPRIT Kỹ thuật bất biến luân phiên (Estimation Signal Parameters via Rotational Invariance Technique) EVD Khai triển giá trị riêng (Eigen Value Decomposition) FBSS Làm mịn không gian thuận ngược (Forward/Backward Spatial Smoothing) FOC Nửa bất bất biến bậc bốn (Fourth Order Cumulant) FSS Làm mịn không gian thuận (Forward Spatial Smoothing) HF Sóng ngắn (High Frequency) luan an viii ISDS Làm mịn vi sai cải tiến (Improved Spatial Difference Smoothing) LOS Tầm nhìn thẳng (Line Of Sight) LS Bính phương cực tiểu (Least Square) MA Trung bính trượt (Moving Average) MDL Độ dài mô tả cực tiểu (Minimum Description Length) ME Entropy cực đại (Maximum Entropy) MEM Phương pháp Entropy cực đại (Maximum Entropy Method) MLM Phương pháp hợp lý cực đại (Maximum Likelihood Method) MUSIC Phân loại đa tìn hiệu (Multiple Signal Classification) NLA Dàn ăng ten thẳng không cách đều (Non-Uniform Linear Antenna Array) NLOS Không theo tầm nhìn thẳng (None Line Of Sight) PLL Vòng khóa pha (Phase Locked Loop) PM Phương pháp hàm truyền (Propagator Method) QAM Điều chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulator) RMSE Sai số căn quân phương (Root Mean Square Error) RSSI Chỉ số cường độ tín hiệu thu (Received Signal Strength Indication) SIR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal to Interference Ratio) SML Hợp lý cực đại ngẫu nhiên (Stochastic Maximum Likelihood) SNR Tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Signal to Noise) SS Làm mịn không gian (Spatial Smoothing) TDOA Độ chênh lệch thời gian sóng tới (Time Difference of Arrival) TFBMP Ma trận Pencil thuận ngược (Total Forward Backward Matrix Pencil) TLS Tổng bính phương cực tiểu (Total Least – Squares) TNA Thuật toán tạp nhiêt (Thermal Noise Algorithm) TOA Thời gian sóng tới (Time Of Arrival) UCA Dàn ăng ten đồng dạng tròn đều (Uniform Circular Antenna Array) UHF Sóng siêu cao tần (Ultra High Frequency) ULA Dàn ăng ten thẳng cách đều (Uniform Linear Antenna Array) luan an ix URA Dàn ăng ten chữ nhật đồng dạng (Uniform Rectangular Antenna Array) VHF Sóng cao tần (Very High Frequency) WSF Lọc không gian con trọng số (Weighted Subspace Filting) luan an x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA-UCA trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian …………….2: Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA-UCA trong điều kiện nhiễu phi tuyến ………………….3: Độ phân giải định hướng các nguồn bức xạ không tương quan của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA ………………… 62 Bảng 2.4: Độ phân giải định hướng các nguồn bức xạ tương quan của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA ……………………….1: Độ phân giải định hướng của giải pháp đề xuất với dàn ăng ten ULA-ULA trong điều kiện màu tương quan ………………….2: Tổng hợp khả năng định hướng của một số phương pháp …….3: Bảng tham số dạng địa hình 1………………………………….4: Bảng tham số dạng địa hình 2………………………………….5: Bảng tham số dạng địa hình 3………………………………….6: Bảng tham số dạng địa hình 4………………………………….7: Bảng sai số giới hạn phương pháp đo ………………………… 108 luan an xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Dàn ăng ten gồm các phần tử bố trí tùy ý trong không gian.2: Biểu diễn tín hiệu trên miền thời gian - tần số …………….3: Dàn ăng ten ULA sáu phần tử được tách thành hai dàn ăng ten con gồm ba phần tử không xếp chồng lên nhau ……….4: Dàn ăng ten ULA sáu phần tử được tách thành hai dàn ăng ten con gồm năm phần tử xếp chồng lên nhau …………….5: Sơ đồ khối hệ thống định hướng vô tuyến sử dụng thuật toán CV …………………………………………………….6: Nguyên lý định vị theo góc ………………………………… 33 Hình 1.7: Nguyên lý định vị kiểu cự ly ……………………………….8: Nguyên lý định vị hiệu cự ly ……………………………….9: Nguyên lý định vị góc - cự ly ……………………………… 36 Hình 2.1: Mô hính dàn ăng ten ULA-UCA ………………………… 41 Hình 2.2: Mô hính định hướng ULA-UCA ………………………….3: Lưu đồ thuật toán định hướng 2D sử dụng dàn ăng ten ULA-UCA .4: Kết quả định hướng góc ngẩng hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian ……….5: Kết quả định hướng góc phương vị hai nguồn bức xạ (25o, 46 luan an xii 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu trắng Gaussian ….6: Kết quả định hướng góc ngẩng hai nguồn bức xạ (25o, 70o) và (80o, 310o) trong điều kiện nhiễu phi tuyến …………….