(Luận văn thạc sĩ) các công nghệ định hướng, định vị và ứng dụng trong kiểm soát tần số

Ngược lại với máy thu định hướng theo nguyên lý cực đại, phương pháp này sử dụng các loại anten có giản đồ hướng vùng cực tiểu của chúng là khá hẹp, lúc này hướng... Một anten khung có g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN KHẮC HUỲNH

CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG

TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN KHẮC HUỲNH

CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG, ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG

TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN MINH TUẤN

HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn “Các công nghệ định hướng, định vị và ứng dụng trong kiểm soát tần số ” là sản phẩm do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn

của PGS.TS.Trần Minh Tuấn Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014

TÁC GIẢ

Nguyễn Khắc Huỳnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các các thầy cô giáo trong Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tận tình và chu đáo để tôi có môi trường tốt học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Trần Minh Tuấn người trực tiếp đã hướng dẫn, chỉ bảo tôi tận tình trong suốt quá trình nghiên

cứu và hoàn thiện luận văn này

Một lần nữa tôi xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua Tôi xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc

Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014

TÁC GIẢ

Nguyễn Khắc Huỳnh

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN PHÁT XẠ 9

1.1 Định hướng sử dụng anten có hướng tính cao 9

1.2 Ứng dụng hiệu ứng Doppler 10

1.3 Nguyên lý Watson-Watt 12

1.4 Nguyên lý so pha 18

1.5 Nguyên lý so pha tương quan 19

CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT XẠ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG KIỂM SOÁT TẦN SỐ 34

2.1 Ứng dụng ịnh hướng ngu n ph t v tuy n iện trong i so t tần s 34

2.2 Kỹ thuật ịnh vị thủ c ng 34

2.3 Kỹ thuật ịnh vị triangulation 35

2.4 Định vị TDOA 36

CHƯƠNG III: ĐỊNH HƯỚNG ĐỊNH VỊ NGUỒN GÂY NHIỄU TRONG THỰC TẾ 41 3.1 Đ nh gi ph vi ảnh hưởng của ngu n nhiễu c ng suất thấp 41

3.2 Định hướng, ịnh vị ngu n nhiễu bằng thi t bị so pha tương quan 42

3.3 Định vị TDOA 53

3.4 Nhận ét 58

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TDOA Time Difference of Arrival Sai khác thời gian tín hiệu tới

ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Kết quả định hướng tại Thành phố Vinh 44

Bảng 3.2: Kết quả định hướng tại Thành phố Cần Thơ 47

Bảng 3.3: Kết quả định hướng tại Thành phố Long Xuyên – An Giang 50

Bảng 3.5: Tổng kết thử nghiệm định vị TDOA 58

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Thiết bị định hướng theo nguyên lý cực đại 9

Hình 1.2: Tạo giản đồ hướng cực tiểu từ việc cộng giản đồ hướng của 2 anten 10

Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler 11

Hình 1.4: Mô tả qua trình quét anten và dạng sóng sin Doppler thu được 11

Hình 1.5: Sơ đồ khối đơn giản máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler 12

Hình 1.6: Máy định hướng Watson-Watt với anten vòng chéo 13

Hình 1.7: Anten Adcock 14

Hình 1.8: Phân tích nguyên tắc tạo các tín hiệu mang thông tin về góc phương vị của anten Adcock 15

Hình 1.10: Cấu hình một bộ định hướng hiện đại vận hành theo nguyên lý Watson-Watt 18

Hình 1.11: Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha 18

Hình 1.12 So pha tương quan 19

Hình 1.13 : Thiết bị so pha với N kênh thu 20

Hình 1.14: Xác định biên độ phức của năng lượng trường điện từ trong mảng anten có n phần tử 21

Hình 1.15: Giao thoa so pha với hệ thống anten 3 phần tử 23

Hình 1.16: Thiết bị giao thoa tương quan 24

Hình 1.17: Phổ của tín hiệu vô tuyến điện được thu đồng thời bởi máy thu dải rộng 25

Hình 1.18: Sơ đồ búp sóng, góc ngẩng 60o 258

Hình 1.19: Sự phụ thuộc của búp sóng của mảng anten 8 phần tử vào góc ngẩng của RES:(a) β = 0; (b) β = 30◦; (c) β = 60◦ 31

Hình 1.20: Sự phụ thuộc của búp sóng của mảng anten 8 phần tử vào góc ngẩng của RES với f = 250 MHz (trái) và f = 500 MHz (phải): 31

(a) β = 0 , (b) β = 30◦ , (c) β = 60◦ 31

Hình 1.21: Sơ đồ vector của các tín hiệu 32

Hình 1.22: Máy thu so pha tương quan 1 kênh 33

Hình 2.1 Định vị sử dụng thiết bị định hướng cầm tay 35

Hình 2.2 Định vị triangulation 36

Hình 2.3: Định vị TDOA 38

Hình 2.4: Thuật toán TDOA 38

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán TDOA 39

Hình 2.6: Ước tính vị trí trong định vị TDOA 40

Hình 3.1: Mô phỏng nguồn gây nhiễu băng VHF 41

Hình 3.2: Mô phỏng nguồn gây nhiễu băng UHF 42

Hình 3.3: Định hướng tại Vinh 42

Hình 3.4 Công cụ tính toán góc Azimuth 43

Hình 3.5 : Phần mềm Scorpior Client 44

Hình 3.6: Định hướng tại Cần Thơ 47

Hình 3.7: Định hướng tại An Giang 50

Hình 3.8: Định hướng tại Kiên Giang 53

Hình 3.9: Vị trí các điểm đặt sensor (hình vuông màu vàng) và các điểm phát dùng bộ đàm cầm tay 54

Hình 3.10: Định vị đài FM 100MHz 55

Hình 3.11: Sai số định vị đài FM 100MHz 55

Hình 3.12: Định vị đài phát hình 770MHz 56

Hình 3.13: Kết quả định vị đài phát hình 770MHz 57

Hình 3.14: Định vị đài Taxi Sao Việt 167.725Mhz 57

Hình 3.15: Sai số định vị đài Taxi Sao Việt 57

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự bùng nổ của truyền dẫn vô tuyến, tần số vô tuyến điện trở thành một nguồn tài nguyên hữu hạn vô cùng quý giá, và ngày càng trở nên chật hẹp, vì vậy cần được sử dụng một cách hiệu quả Với việc ngày càng có nhiều nguồn phát vô tuyến dẫn tới việc xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn gây nhiễu tiềm tàng (máy phát

có thể phát không đúng tần số được cấp phép, phát ra các sản phẩm hài, phát xạ ngoài băng… gây can nhiễu tới các hệ thống thông tin vô tuyến khác) Bên cạnh đó, với sự phát triển của truyền dẫn thông tin số, việc giải điều chế các tín hiệu vô tuyến để từ nội dung đó, truy tìm ra nguồn nhiễu sẽ không khả thi, do vậy cần định hướng, định vị được nguồn phát Từ những yêu cầu thực tế trên, luận văn “Các công nghệ định hướng, định vị và ứng dụng trong kiểm soát tần số” được thực hiện với mục đích nghiên cứu, giới thiệu các công nghệ, kỹ thuật định hướng, định vị hiện có và việc ứng dụng các công nghệ trên vào công tác kiểm soát tần số

CHƯƠNG I: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH HƯỚNG NGUỒN PHÁT XẠ 1.1 Định hướng sử dụng anten có hướng tính cao

Đây là một kỹ thuật định hướng đơn giản, dựa vào đặc tính hướng của anten thu Hệ thống định hướng chỉ gồm anten có hướng tính cao và 1 máy thu Việc xác định hướng sóng tới dựa trên nguyên lý: điện áp tín hiệu thu là một hàm của góc quay anten Đặc điểm của phương pháp này là cấu trúc hệ thống đơn giản nhưng độ chính xác không cao, thời gian định hướng lớn Phương pháp này được sử dụng theo hai nguyên lý cơ bản sau:

1.1.1 Định hướng theo nguyên lý cực đại

Hình 1.1: Thiết bị định hướng theo nguyên lý cực đại

Sử dụng loại anten có tính hướng tính cao (độ rộng búp sóng cỡ vài độ), khi quay anten, hướng có cường độ tín hiệu cực đại chính là hướng đài phát đang hoạt động Sai

số định hướng lúc này có giá trị bằng một nửa độ rộng búp sóng của anten Trong giải tần sóng ngắn và sóng cực ngắn, việc chế tạo được anten có búp sóng cỡ vài độ là cực

kỳ khó khăn, vì vậy phương pháp này chỉ dùng ở giải tần cỡ vài GHz trở lên

1.1.2 Định hướng theo nguyên lý cực tiểu

Ngược lại với máy thu định hướng theo nguyên lý cực đại, phương pháp này sử dụng các loại anten có giản đồ hướng vùng cực tiểu của chúng là khá hẹp, lúc này hướng

của đài phát đang làm việc chính là hướng mà tại đó cường độ tín hiệu thu được là nhỏ nhất Để tạo ra dạng giản đồ hướng cực tiểu hẹp thường sử dụng biện pháp bù trừ giản

đồ hướng của hai hoặc vài loại anten khác nhau Ví dụ, máy thu định hướng xách tay AN/PRC-10 của Mỹ sử dụng 2 anten Một anten khung có giản đồ hướng hình số 8 và một anten cần có giản đồ hướng tròn, khi cộng hai giản đồ hướng này với nhau, ta sẽ nhận được một giản đồ hướng mong muốn dạng Cácđiôit

Giản đồ hướng anten khung

Giản đồ hướng anten cần

Giản đồ hướng tổng cộng

hình cácđiôit

Hình 1.2: Tạo giản đồ hướng cực tiểu từ việc cộng giản đồ hướng của 2 anten Phương pháp định hướng theo nguyên lý cực tiểu có ưu điểm là chỉ cần một máy thu với anten có kết cấu gọn nhẹ, dễ triển khai, thuận tiện cho việc cơ động, trinh sát luồn lách vào gần khu vực đối phương Tuy nhiên do đo tại vùng cực tiểu của giản đồ hướng anten nên độ nhạy chung của hệ thống giảm đáng kể và làm giảm cự ly làm việc của máy thu định hướng Do vậy, máy thu định hướng cực tiểu thường là máy thu định hướng cự ly gần, trang bị cho lực lượng trinh sát kỹ thuật luồn sâu đến sát khu vực của đối phương để thực hiện định hướng kiểm chứng số liệu về hướng do các đài trinh sát tầm xa hơn đã xác định

1.2 Ứng dụng hiệu ứng Doppler

Đây là một phương pháp được áp dụng khá phổ biến trong các máy thu định hướng dải sóng cực ngắn Phương pháp này sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định hướng đến của nguồn phát xạ Hiệu ứng Doppler là hiệu ứng thay đổi tần số của tín hiệu thu khi

có sự chuyển động tương đổi giữa máy phát và máy thu Khi chuyển động này là theo hướng tiến lại gần nhau thì tần số tín hiệu thu sẽ tăng lên một lượng F gọi là tần số Doppler Ngược lại, tần số thu sẽ giảm xuống Tần số Doppler sẽ đạt giá trị lớn nhất (về giá trị tuyệt đối ) nếu hướng chuyển động là trùng với hướng sóng tới Khi này, ta có:

F

c

  (1.1) Với : v là vận tốc chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu

c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không

Khi sự chuyển động là không trùng với hướng sóng tới thì F giảm xuống Khi này ta có:

Hướng chuyển động tương đối giữa máy thu

và máy phát trùng với hướng lan truyền sóng

Hướng chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát tạo với hướng lan truyền sóng một góc 



Hình 1.3: Hiệu ứng Doppler

Như vậy việc đo giá trị F sẽ cho phép ta xác định giá trị góc , tức là giá trị hướng

mô phỏng được quá trình quay một anten bằng cơ khí Như vậy, ta sẽ có:

6 7

q

Hình 1.4: Mô tả qua trình quét anten và dạng sóng sin Doppler thu được

Tín hiệu sin Doppler sẽ cắt “0” tại hai điểm : điểm A (điểm anten gần nguồn phát nhất)

và điểm B (điểm xa nhất) Như vậy, ta chỉ việc xác định được vị trí điểm A so với điểm chuẩn (hướng Bắc) là xác định được góc phương vị q

Từ đây, ta có thể mô tả sơ đồ khối đơn giản của máy thu định hướng sử dụng nguyên

lý giả Doppler như sau:

Hệ thống anten và

chuyển mạch điện tử Máy thu FM

Tách tín hiệu dịch tần Doppler

Đo và chỉ thị góc phương vị q

Tạo các tín hiệu

điều khiển

RF in Audio out

Hình 1.5: Sơ đồ khối đơn giản máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler

Ta thấy rằng, cấu trúc của máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler là khá đơn giản Máy thu FM được sử dụng trong hệ thống không cần là máy thu chuyên dụng, có thể lựa chọn loại máy bất kỳ, điều này cho phép thiết kế, chế tạo thiết bị thu định hướng trên cơ sở sử dụng các máy thu vô tuyến điện đã có sẵn

Khó khăn nhất đối với việc thiết kế, chế tạo máy thu định hướng sử dụng nguyên lý Doppler cơ bản hiện nay chỉ còn gặp phải ở hệ thống anten và chuyển mạch điện tử

Đó là:

Việc chế tạo đồng nhất các chấn tử anten về các tham số hình học và các tham số điện

Sự cảm ứng tương hỗ vào chấn tử anten đang hoạt động từ các chấn tử khác còn lại (đang ở trạng thái hở mạch) gây sai số định hướng

Việc chuyển mạch anten gây ra các đột biến về cảm ứng điện từ, làm giảm độ nhạy của máy thu

Hiện nay, các vấn đề này đã được giải quyết tương đối thoả đáng bằng nhiều biện pháp, đảm bảo đáp ứng được các yêu cầu về độ nhạy cũng như độ chính xác định hướng

Tóm lại, ưu điểm của phương pháp định hướng sử dụng nguyên lý Doppler:

Có độ nhạy, độ chính xác cao

Cấu trúc đơn giản, phù hợp với điều kiện công nghệ ở nước ta

Hạn chế được ảnh hưởng của tín hiệu phản xạ đa đường do hiệu ứng “capture”: tín hiệu lớn sẽ nén tín hiệu nhỏ ở trong máy thu FM sử dụng trong hệ thống

Về mặt nguyên lý, tín hiệu thu được từ đầu ra của anten có giản đồ hướng tính dạng sin/cosin (anten vòng chéo, anten feritte, anten adcock) sẽ được lọc, khuyếch đại và đưa tới 2 bản lệch X và Y của 1 ống cathode 1 tín hiệu blanking thu từ 1 anten vô hướng (như trên hình vẽ) có pha liên hệ biết trước cũng được đưa vào máy định

hướng Màn hình máy định hướng sẽ hiển thị một hình lissajuos có độ nghiêng tương ứng với góc tới của tín hiệu Giá trị của góc phương vị được tính theo công thức:

α = artan (Vx / Vy)

Hình 1.6: Máy định hướng Watson-Watt với anten vòng chéo

Trong trường hợp lý tưởng hình lissajous sẽ là 1 đường th ng Trong trường hợp có can nhiễu ở môi trường xung quanh, Vx và Vy có độ di pha ,hình hiển thị sẽ là 1 elip

Lúc đó hướng của tín hiệu tới là trục chính của elip Giá trị góc phương vị có thể tính toán như sau:

Anten Adcock là loại anten được sử dụng rộng rãi nhất trong các thiết bị thu định hướng Watson-Watt (Từ đây sẽ gọi là hệ thống định hướng Adcock - Watson-Watt) Đây cũng là phương pháp định hướng sử dụng trong đa số các trang thiết bị hiện có của ngành kiểm soát tần số

Anten Adcock thường bao gồm 4 chấn tử (đơn cực hoặc lưỡng cực) bố trí cố định thành hai cặp theo hướng Bắc - Nam và Đông - Tây (hình 2.8) Kích thước và khoảng cách giữa các chấn tử được thiết kế, lựa chọn để đảm bảo độ nhạy thu và tính chính xác định hướng trong dải tần làm việc Ở giữa anten có bố trí một mạch tạo điện áp Mạch này có nhiệm vụ biến đổi các sức điện động cảm ứng trên các chấn tử anten thành các điện áp có giá trị biên độ tỉ lệ với sin hoặc cosin của góc sóng tới q

: độ lệch pha tạo bởi đường truyền và được tính l





  2

(l là quãng đường truyền lan sóng tới điểm cần xét)

Biên độ E0 trên khoảng cách không lớn giữa các chấn tử anten thay đổi không đáng

U2 = U0 sin t2 (l1l)





 (1.6) Vậy pha ở chấn tử 2 sẽ chậm hơn so với chấn tử 1 một lượng là  l

Như vậy, điện áp cảm ứng ở hai chấn tử là hai điện áp có giá trị biên độ bằng nhau

Trong đó: U’1 và U’2 là thành phần đồng pha;

U’’1 và U’’2 là thành phần ngược pha

U’1 = U’2 = U0 cos /2

U’’1 = U’’2 = U0 sin /2

Ở đây: U0 = U1 = U2 là giá trị biên độ điện áp cảm ứng trên các chấn tử

Gọi: U là biên độ tổng các thành phần đồng pha

U là biên độ tổng các thành phần ngược pha

Ta có: U = 2U0 cos /2 = 2U0 cos 

b (1.8) Khi thỏa mãn điều kiện triển khai: b

b  2U0 bcosq

 (1.10) Nếu đặt 2U0 b

 = Uđh0 thì ta có:

U = 2U0

U = Uđh0 cosqĐến đây, ta thấy rằng thông tin về hướng của nguồn phát xạ được xuất hiện trong thành phần U Thành phần U không mang thông tin về hướng

Xét tương tự với cặp chấn tử anten Đông - Tây ta cũng sẽ có:

U = 2U0

U = Uđh0 cosqVậy dạng điện áp tổng hợp ở đầu ra anten Adcock (đầu ra bộ tạo điện áp) là:

UBN = Uđh0 cosq sin(t + ) (1.11)

UĐT = Uđh0 sinq sin(t + ) (1.12) Uvô hướng = 2U0 sin(t + ) (1.13) Mạch tạo điện áp có nhiệm vụ lấy tổng các thành phần điện áp đồng pha và ngược pha của các cặp chấn tử

Như vậy, ở đầu ra anten Adcock ta đã nhận được các giá trị điện áp mà thông tin về hướng tới (cosq và sinq) nằm trong thành phần biên độ của chúng Trên cơ sở các điện

áp này, bằng các phương pháp xử lý (biến đổi và chỉ thị thông tin) khác nhau ta sẽ nhận được giá trị hướng sóng tới q

Tất cả các phương pháp xử lý để biến đổi và chỉ thị thông tin góc phương vị q đều nhằm mục đích là thực hiện phép tính:

q = arctang(UĐT / UBN) (1.14)

Nghiệm của phương trình (1.12) là đa trị: q ± k (với k = 1, 2, 3, …)

Để lấy đơn trị kết quả q, phải thực hiện thêm việc xét dấu của hàm sinq và cosq để đưa

ra quyết định q thuộc góc phần tư nào Từ đó quyết định lấy nghiệm đơn trị q thuộc cung phần tư đó

Sơ đồ chức năng đơn giản của hệ thống định hướng Adcock - Watson Watt được chỉ ra trên hình 1.10

Anten Adcock Khối tính toán

góc phương vị

Khối chỉ thị góc phương vị

Kênh Đứng

Kênh Vô hướng

Kênh ngang Máy thu nhiều kênh

Kênh

vô hướng

Hình 1.9: Sơ đồ khối máy thu định hướng Adcock - Watson Watt

Tín hiệu từ anten Adcock đưa tới máy thu nhiều kênh gồm UB-N , UĐT và UVH Kênh vô hướng được sử dụng để loại bỏ tính đa trị của giá trị góc phương vị q và để thu nghe kiểm tra

Máy thu nhiều kênh là các máy thu có hệ số truyền đạt phức là bằng nhau, có nhiệm

vụ khuếch đại, biến đổi tín hiệu đưa đến khối tính toán góc phương vị

Ưu điểm cơ bản của hệ thống định hướng Adcock – Watson Watt là thời gian định hướng nhanh, cho phép định hướng các tín hiệu có thời gian tồn tại ngắn do tốc độ chỉ thị chỉ phụ thuộc vào thời gian xử lý của hệ thống thu chỉ thị

Nhược điểm: hệ thống máy thu nhiều kênh đòi hỏi phải có hàm truyền đạt phức của các kênh hoàn toàn giống nhau Điều này dẫn đến việc phải xây dựng hệ thống cân bằng biên độ và cân bằng pha cho các kênh thu là tương đối phức tạp

Các máy định hướng hiện đại không còn hiển thị điện áp IF của tín hiệu anten trên CRT mà xử lý tín hiệu số sau khi chuyển đổi chúng vào một băng tần IF tương đối rộng (Hình 1.10)

Hình 1.10: Cấu hình một bộ định hướng hiện đại vận hành theo nguyên lý

Yêu cầu triển khai đối với một mạng anten 3 chấn tử thì khoảng cách giữa các chấn tử không được vượt quá nửa bước sóng Nếu  1 ,  2 ,  3 là pha của tín hiệu trên các chấn

Hình 1.11: Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha

Hệ thống định hướng theo nguyên lý so pha có ưu điểm là có thể sử dụng các hệ thống anten có độ mở anten lớn do đó cho phép giảm tối thiểu ảnh hưởng do phản xạ đa đường, có độ nhạy, độ chính xác cao, thời gian định hướng nhanh Cho phép đo hướng tới với cả giá trị góc phương vị q và góc ngẩng  Nhược điểm là cấu trúc thiết bị phức tạp đòi hỏi các máy thu phải có đặc tính pha giống nhau

1.5 Nguyên lý so pha tương quan

Về cơ bản, phương pháp so pha tương quan cũng áp dụng nguyên lý định hướng như phương pháp so pha Tuy nhiên, phương pháp giao thoa tương quan có thêm quá trình

so sánh/tương quan Nguyên tắc cơ bản của so pha tương quan bao gồm trong so sánh

sự khác biệt giữa tập giá trị pha đo được trên thực tế với các tập giá trị độ lệch pha đã biết tương ứng với các góc tới mảng anten của tín hiệu

Hình 1.12 So pha tương quan

Sơ đồ cấu trúc tổng quát của một thiết bị định hướng sử dụng phương so pha với thiết

bị thu kỹ thuật số N kênh như trong hình 1.13

Hình 1.13 : Thiết bị so pha với N kênh thu

Đối với trường tín hiệu điện từ, năng lượng tại trung tâm của mảng anten là:

])(cos[

)(t E0 0t t 0

 là pha ban đầu của tín hiệu tại trung tâm của mảng anten

Năng lượng điện từ trường được tạo ra ở phần tử thứ n tại thời điểm có cùng pha ban đầu 0 với năng lượng tạo ra ở trung tâm mảng anten là:

đến vector Rn

là tích độ lớn vector |r0

| với hình chiếu vector Rn

lên phương vector r0

Để tính toán, cho gốc hai vector trùng với gốc tọa độ, tức là từ trung tâm mảng anten Hình chiếu vector Rn

lên vector đơn vị r0

sẽ bằng sự khác nhau về quãng đường truyền sóng từ phần tử anten thứ n đến trung tâm của mảng anten:

(1.21) Trong đó:

T T

z y x

r0  [ 0, 0, 0] là véc tơ đơn vị trùng với hướng đến RES và được xác định bởi hình chiếu của nó lên các trục toạ độ Đề-các

)

(t E0 0t0  t 0

n T

n r R

0





T n n n

z y y x x j E

z y x

r0 [ 0, 0, 0] trong hệ tọa độ Đề-các sang hệ tọa độ cầu Ta có:

y x

j E

Trong định hướng thực tế, các góc θ thường được sử dụng để xác định góc phương vị, tính từ trục y theo chiều kim đồng hồ và β dùng để xác định góc ngẩng Các góc θ và

β có quan hệ với các góc q0 và 0 trong hệ toạ độ cầu bởi hệ thức đơn giản sau:

0 0

x j E

Từ các phương trình trên, chúng ta xác định sự dịch pha giữa hai thành phần của mảng anten của thiết bị định hướng:

]sin)(

cos)[(

2)arg(

n n

n n

Phương trình này chứa hai biến số chưa biết: góc phương vị q0và góc ngẩng 0 Để xác định các biến này, chúng ta cần có hai phương trình Điều này dẫn đến cần phải biết được ít nhất hai giá trị dịch pha khác nhau giữa các phần tử của mảng anten Do

đó, số lượng phần tử tối thiểu của mảng anten bằng ba

Giả sử trong trường hợp tối thiểu, hệ thống anten có ba phần tử, đo sự dịch pha giữa phần tử thứ nhất và thứ hai là 1 , 2và dịch pha giữa phần tử thứ nhất và thứ ba là 1,3 Khi đó, tính toán hai biến số góc phương vị q0 và góc ngẩng 0 bằng hai phương trình phi tuyến sau:

]sin)(

cos)[(

2

]sin)(

cos)[(

2

0 3

1 0 3

1 3

, 1

0 2

1 0 2

1 2

, 1

q





q





y y x

x

y y x

x

-



Hình 1.15: Giao thoa so pha với hệ thống anten 3 phần tử

hệ phương trình (1.29) được đơn giản hóa:

3 , 1 0 0

2 , 1 0 0

cossin

2

sinsin2

2 , 1 0

2 2

sin)cos(sin

2 , 1

2 3 , 1 2 2 , 1

Tại một số giá trị của góc phương vị và tỷ lệ B / λ, sự dịch pha trên những phần tử của mảng anten có thể vượt quá 3600 Kết quả là, sự sai lệch đo hướng xảy ra Ví dụ, cho pha sóng tới bằng 20 và 3800

, thiết bị đo pha sẽ cho ra giá trị giống nhau gây sai số

Do vậy, để tránh hiện tượng này cần hạn chế sự khác pha không vượt quá ± 1800

Vì vậy, cần thêm điều kiện là khoảng cách giữa các phần tử của mảng anten không được vượt quá một nửa bước sóng của tín hiệu phân tích: B <λ / 2

Khi kích thước mảng anten càng lớn, độ chính xác của kết quả đo giá trị khác pha giữ các phần tử trong mảng anten càng tăng và tăng độ chính xác của phép định hướng Tuy nhiên, ta cũng chỉ có thể tăng tới giá trị đảm bảo điều kiện B <λ / 2

Vì vậy, trong các thiết bị định hướng so pha băng tần rộng, các hệ thống anten đa khoảng cách (các phần tử anten được bố trí, theo các khoảng cách lớn nhỏ khác nhau)

- được sử dụng, trong đó, việc loại bỏ hiện tượng định hướng sai nói trên được thực hiện bằng cách sử dụng mảng anten có khoảng cách nhỏ "Phương pháp sàng lọc" được biết đến như là một cách tiếp cận trong kỹ thuật định hướng, trong đó chia thành hai bước, bước một sử dụng mảng anten có khoảng cách nhỏ, độ chính xác thấp hơn,

để loại bỏ hiện tượng sai số nói trên Sau đó, thiết bị sẽ sử dụng mảng anten có khoảng cách lớn hơn để tăng độ chính xác định hướng

Một phương pháp khác xây dựng các hệ thống so pha đa khoảng cách dựa trên việc tối

ưu hoá thống kê trên toàn bộ mẫu dịch pha đo được Việc tối ưu hoá cũng đảm bảo việc loại bỏ sự sai lệch nói trên Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là nguyên lý chọn theo xác suất cực đại

Trong thực tế, cấu hình anten ba phần tử thường được tăng cường bởi các anten phụ cho phép sử dụng anten trong dải tần số rộng Cơ cấu thường được áp dụng cho các anten đó là cấu trúc tam giác vuông cân hoặc mảng hình tròn

Việc áp dụng các ma trận tam giác bị giới hạn bởi dải tần số từ 30MHz trở xuống Tại các tần số cao hơn, khuyến nghị áp dụng các mảng hình tròn được vì chúng đảm bảo

các kết nối tương tự giữa các thành phần anten, và kết nối anten tối thiểu với các cột

đỡ Do tính đối xứng trung tâm, ta có thể tạo các đặc tính độc lập về hướng

Khi sử dụng thiết bị đo so pha đa phần tử, khả năng sau đây xuất hiện: khi sử dụng các nhóm anten đầy đủ: sự khác pha giữa các phần tử kề nhau luôn luôn dưới 1800, do đó

để tránh sự sai lệch , ta sử dụng nhóm anten “ thiếu ”: có ít nhất một cặp phần tử có sự khác pha lớn hơn 1800

j E

(1.35) Trong đó:

Tín hiệu vô tuyến chồng chất từ RES khác nhau được thu bởi các phần tử mảng anten

và chuyển đến đầu vào của bộ chuyển mạch anten, bộ chuyển mạch anten đưa các tín hiệu từ các cặp phần tử anten được lựa chọn tới đầu vào hai bộ thu dải rộng Tín hiệu

vô tuyến tại các đầu vào bộ thu, được chuyển đổi thành tần số trung gian và, nếu cần thiết, thành tần số video

Băng thông của máy thu dải rộng (vốn để khảo sát đồng thời nhiều kênh) có độ rộng hơn rất nhiều độ rộng phổ tín hiệu của từng RES riêng biệt Do đó, một số lượng lớn các kênh vô tuyến có thể lọt vào trong băng tần số thu bởi máy thu, như trong hình 1.16 Trong trường hợp tổng quát, các tín hiệu trong các kênh này có thể có chiều rộng phổ tần khác nhau và có thể được phân loại vào các loại phát xạ khác nhau

Hình 1.17: Phổ của tín hiệu vô tuyến điện được thu đồng thời bởi máy thu dải rộng Tín hiệu ở tần số trung gian truyền từ đầu ra bộ thu đển đầu vào ADC, nơi chúng được chuyển đổi đồng bộ thành tín hiệu kỹ thuật số với độ dài N n mẫu

Sử dụng biến đổi Fourier rời rạc (DFT), ta được N n mẫu phổ phức cho mỗi tín hiệu Sau đây, để đơn giản hóa việc xử lý, chỉ N n/2 mẫu phức của từng phổ được sử dụng,

và N n/2 mẫu khác, tương ứng với các tần số âm, có thể được coi như là số không Phổ tín hiệu trong các kênh vô tuyến thứ k tương ứng với các tín hiệu của nguồn phát xạ vô tuyến thứ k

Xét hệ thức sau đây:

e

h U

E / (1.36) Trong đó: E là cường độ điện từ trường;

U là điện áp đo tại đầu ra anten,

e

h là chiều dài hiệu dụng của anten đo, Biên độ phức của tín hiệu radio kênh thứ k cho các tín hiệu Z S(n1,t)và tín hiệu tham chiếu Z ref(n2,t) bằng nhau, tương ứng:

Trong đó:

e

h là chiều cao hiệu dụng của phần tử anten cho các kênh radio thứ k

đặt ở đầu vào máy thu

0

E là biên độ của cường độ trường điện từ đối với các tín hiệu vô

tuyến trong kênh vô tuyến thứ k

K, K' và φ, φ' là các hệ số tăng ích và độ trễ pha của tín hiệu và của tham chiếu

tương ứng cho kênh radio thứ k

 là những góc độ vị trí của phần tử anten trong mảng

Các giá trị tần số trung tâm f k của các kênh vô tuyến trong băng thông df của phân tích đồng thời và độ rộng kênh dF được tìm ra bằng việc tách sóng tín hiệu Chiều rộng

df của băng thông phân tích được thực hiện bởi phần cứng Số kênh vô tuyến {k} (1 k kmax,kmax df /dF), trong đó các tín hiệu vô tuyến được phát hiện sẽ được lưu trữ Mỗi con số này tương ứng với số lượng N ncác ranh giới kênh phát sóng có chiều rộng dF, được tính thành số lượng phổ thành phần trong băng thông phân tích df,: ví

dụ, tại df = 4MHz và dF = 25 kHz, chúng ta có kmax= 160 Nếu N n= 4.000, chúng ta

có 2.000 cặp mẫu phổ phức liên tiếp nhau thông qua các

2 /

n N

q , và mỗi mẫu bao gồm phần thực và phần ảo, (tương ứng với biên độ và pha) Có được các số thứ tự ấn định cho các phổ thành phần của kênh vô tuyến, chúng ta sẽ có chuỗi các số mẫu phổ tương ứng với các băng tần số của các kênh vô tuyến

Đối với mỗi kênh vô tuyến, trong đó tín hiệu được phát hiện, các mẫu phức của phổ tín hiệu cho phần tín hiệu S S(k,i,n1)được nhân với mẫu phức liên hợp của phổ tín hiệu cho của phần tham chiếu S ref(k,i,n2) Các sản phẩm thu được:

),,(),,

2 ,

i S n

n  

Trong đó:

k là số thứ tự của kênh vô tuyến điện: 1 k kmax

i là số thứ tự của mẫu phổ tần số trong các kênh, i = 0,1, , q - 1

Do sự tổng hợp của các sản phẩm mẫu phổ cùng tên cho các kênh vô tuyến thứ k, thành phần phổ được hình thành tương ứng với các tần số sóng mang không điều chế của tín hiệu radio Xét phương trình (1.37), (1.38), ta nhận được vector tín hiệu tương tác từ (1.39):

)]

'(

exp[

')sin

2 ,

0 2 1 0 1 2

n n

n được xác định:

)]

'(

exp[

)sin(

),,(

),,(),,(

3 , 1 0

0 3

*

3

* 1 3

,

ref S

n

n i k S

n i k S n i k S





Ở giai đoạn thứ hai, các vector tương tác giữa các phần tử anten thứ n2 và n3được xác định:

)]

'(

exp[

)sin(

),,(

),,(),,(

3 , 2 0

0 3

*

3

* 2 3

,

ref S

n

n i k S

n i k S n i k S

)sin

* 3 , 1 3 , 1 2 ,

Xác định sự trễ pha n 1 n, 2 giữa các tín hiệu thu được bởi các phần tử mảng anten cho phép thành lập (tổng hợp) một mô hình tính hướng của mảng anten, các búp chính của

nó quay về với hướng thu tín hiệu radio, đảm bảo điều kiện tốt nhất để thu tín hiệu từ các hướng khác nhau và đo được chính xác nhất cường độ của trường điện từ của nó

Mô hình hai chiều của búp sóng Dp của cặp định hướng là các mô hình búp sóng của

mỗi cặp anten được hình thành bằng cách nhân liên tiếp vector tương tác với vector của tín hiệu tham chiếu không gian (RSS) đã biến đổi về hệ tọa độ không gian góc Trong trường hợp của chúng ta, các búp sóng này được định nghĩa là:



))cos(

)sin(

)cos(

(sin

))cos(

)sin(

)cos(

(sin[2exp)sin(

),(

2 2

0 0

2

1

1 0 0

1 2

0

n n

n

n

n n

p

d L d

L r

d L d

L

r j K

hE d

L d L D

 q



 q



 q



 q

-

-

ngẩng RSS:0 L Lmax - 1

Hình 1.18: Sơ đồ búp sóng Góc ngẩng θ = 60◦

Hình 1.18 cho thấy độ lớn, các phần thực và phần ảo của búp sóng của máy thu dải rộng Các phần tử anten của máy thu dải rộng nằm trên trục x, khoảng cách giữa chúng bằng 2r Các hướng đến của sóng tới tính theo chiều kim đồng hồ từ trục y và bằng θ =

600 Chúng ta có thể nhìn thấy từ hình 2.6 rằng độ lớn và phần thực của búp sóng có giá trị tối đa cho các góc tương ứng với hướng tới RES, và tại đó, phần ảo bằng không Búp sóng có vài điểm cực đại, đó là bằng chứng về sự bất cập của việc định hướng với hai phần tử anten nếu muốn đạt được một kết quả rõ ràng Khi giảm bước sóng, sự không rõ ràng của việc định hướng tăng lên

Để loại bỏ sự không rõ ràng của việc xác định hướng đến của tín hiệu, người ta sử dụng kết hợp một vài búp sóng Theo đó, tổng hợp của các búp sóng của máy thu dải rộng thường được sử dụng, tương ứng với các phương pháp tiếp cận đã biết của tổng hợp trực tiếp búp sóng Việc tích hợp các búp sóng của máy thu dải rộng cũng được sử dụng như một phương pháp bao gồm tổng hợp các búp sóng của máy thu dải rộng sau khi tích hợp chúng Búp sóng tổng hợp của các mảng anten đối với các phương pháp tổng hợp đầu tiên, thứ hai và thứ ba được xác định bởi các phương trình sau đây:



 P

p p

A L d L d D L d L d D

1

),()

B L d L d D L d L d D

1

),()

n

n

d L d L D d

L d L D

1 1

),()

,

với pn' là số búp sóng thu dải rộng của mảng anten n '

Việc dự đoán góc phương vị và góc ngẩng của RES làm giảm việc khảo sát các điểm cực đại trong búp sóng DA,DB,hoặc

C

D , tùy thuộc vào phương pháp tổng hợp Sự

phụ thuộc của công suất tín hiệu đầu ra trên các vị trí góc(Lqdq,Ld) của hướng tham chiếu là một hàm của đầu ra Hình 1.19 cho thấy sự thay đổi của hình dạng búp sóng tổng hợp của mảng anten bốn phần tử (ba phần tử anten theo vòng tròn, một phần tử ở trung tâm) theo góc ngẩng của RES Tỷ lệ bán kính vòng tròn mảng anten so với bước sóng là r/0.45, và góc ngẩng là 00

, 300, và 600