Tóm tắt Luận án Nghiên cứu thuật toán nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu trong rađa thụ động sử dụng nguyên lý TDOA

 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
PHẠM QUYẾT THẮNG 
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC 
ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU TRONG RAĐA THỤ ĐỘNG 
SỬ DỤNG NGUYÊN LÝ TDOA 
Chuyên ngành: Kỹ thuật Ra đa - dẫn đường 
Mã số: 62 52 02 04 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
HÀ NỘI – 2017 
Công trình được hoàn thành tại: 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
BỘ QUỐC PHÒNG 
Người hướng dẫn khoa học: 
1. TS. TRẦN VĂN HÙNG 
2. PGS, TS. LÊ ANH DŨNG 
Phản biện 1: PGS. TS Trương Vũ Bằng Giang 
Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội 
Phản biện 2: PGS. TS Vũ Văn Yêm 
Đại học Bách khoa Hà Nội 
Phản biện 3: TS Phạm Phương Thái 
Viện Kỹ thuật quân sự Phòng không – Không quân 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp 
tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi  ngày .. 
tháng  năm 2017. 
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 
- Thư viện Quốc gia Việt Nam 
1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài 
Ngày nay, các hệ thống định vị thụ động đã trở nên quan trọng trong nền 
kinh tế, quân sự trên thế giới. Trong nước đang khai thác một số hệ thống ra 
đa thụ động nhập ngoại sử dụng nguyên lý TDOA nhưng việc nghiên cứu và 
làm chủ công nghệ chế tạo và thuật toán xử lý, phần mềm nói chung là rất khó 
khăn vì đây là lĩnh vực bảo mật không công bố của các hãng sản xuất và các 
nhà nghiên cứu. Chính vì vậy, các nhà khoa học trong nước cũng đang quan 
tâm nghiên cứu, thiết kế, chế thử một số mẫu ra đa thụ động định vị mục tiêu 
theo nguyên lý TDOA. Trong đó vấn đề lựa chọn sử dụng thuật toán định vị 
sao cho đạt được độ chính xác cao, thời gian xử lý phù hợp, đáp ứng được các 
yêu cầu của một hệ thống ra đa thụ động là một vấn đề khá nan giải. Vì vậy, 
đề tài này vừa có tính cấp thiết về khoa học và cả thực tiễn nhằm đáp ứng nhu 
cầu làm chủ công nghệ xử lý tín hiệu, giải bài toán định vị trong ra đa thụ 
động, tiến tới thiết kế chế thử hệ thống ra đa thụ động định vị theo nguyên lý 
TDOA ở nước ta. 
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 
Mục tiêu của luận án: 
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất, lựa chọn các thuật toán phù 
hợp để nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu, đồng thời đảm bảo đáp ứng 
được yêu cầu về tốc độ tính toán. 
Nội dung nghiên cứu của luận án: 
Nghiên cứu tổng quan thuật toán định vị trong hệ thống ra đa thụ động 
sử dụng nguyên lý TDOA, trong đó có thuật toán áp dụng trong hệ thống ra 
đa thử nghiệm RTh. 
Nghiên cứu và đề xuất sử dụng thuật toán di truyền cải tiến, thuật toán 
tiến hóa vi phân trong việc giải hệ phương trình phi tuyến cho bài toán định 
vị hyperbol; Nghiên cứu và đề xuất việc kết hợp thuật toán định vị trực tiếp 
trong hệ thống Ra đa thụ động 3, 4 trạm thu (thuật toán 1) trong hệ tọa độ đề-
các (được áp dụng trong ra đa thử nghiệm RTh) với thuật toán di truyền cải 
tiến, thuật toán tiến hóa vi phân để tăng tốc độ thực hiện của thuật toán cũng 
như nâng cao độ chính xác định vị; Nghiên cứu và đề xuất giải bài toán bố trí 
trạm thu tối ưu theo sai số định vị nhỏ nhất bằng thuật toán di truyền. 
Xây dựng chương trình mô phỏng, phân tích kết quả và kiểm chứng bằng 
dữ liệu thực tế trên các thuật toán đề xuất đã nêu. 
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 
2 
Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu các thuật toán định vị nhằm 
tìm ra các thuật toán có thể áp dụng để nâng cao độ chính xác định vị, đồng 
thời có thời gian tính toán hợp lý trong hệ thống ra đa thụ động sử dụng 
nguyên lý TDOA trong thực tế. 
Phạm vi nghiên cứu: Các thuật toán định vị; các phương pháp tính sai số 
định vị; các yếu tố ảnh hưởng đến sai số và thuật toán tối ưu bố trí trạm thu 
trong hệ thống ra đa thụ động nhằm tăng độ chính xác định vị có tính đến thời 
gian thực hiện. 
4. Phương pháp nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu các thuật 
toán định vị mục tiêu, phân tích các kết quả nghiên cứu định vị mục tiêu đã 
có trước đây; nghiên cứu các thuật toán định vị về mặt toán học để tìm ra 
thuật toán định vị hợp lý nhằm đạt được mục đích đề ra. Từ phân tích toán 
học, luận án dùng các công cụ mô phỏng để kiểm chứng bằng dữ liệu thực 
của hệ thống thử nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của các kết quả nghiên 
cứu. 
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
Ý nghĩa khoa học: Bổ sung ứng dụng các thuật toán định vị và thuật toán 
tối ưu bố trí trạm thu sao cho sai số định vị nhỏ nhất vào lý thuyết định vị 
trong hệ thống ra đa thụ động sử dụng nguyên lý TDOA nhằm nâng cao độ 
chính xác định vị, đó là: Áp dụng thuật toán di truyền cải tiến, thuật toán tiến 
hóa vi phân để giải bài toán định vị trong hệ thống ra đa thụ động TDOA; Kết 
hợp thuật toán định vị trực tiếp trong hệ thống ra đa thử nghiệm RTh với thuật 
toán di truyền cải tiến hoặc thuật toán tiến hóa vi phân để để nâng cao độ 
chính xác định vị; Giải bài toán bố trí trạm thu để có sai số định vị nhỏ nhất 
và làm giảm ảnh hưởng của yếu tố hình học lên độ chính xác định vị, chỉ ra 
phương án tốt nhất bố trí trạm thu trong hệ thống. 
Ý nghĩa thực tiễn: Đóng góp giải pháp và thuật toán vào việc nâng cao 
độ chính xác xác định tọa độ mục tiêu của các hệ thống ra đa thụ động thuộc 
nhiệm vụ xây dựng, thiết kế chế thử các hệ thống ra đa thụ động quy mô vừa 
và nhỏ cũng như trong công tác khảo sát trận địa triển khai chiến đấu thực tế. 
6. Bố cục của luận án 
Chương 1: Tổng quan thuật toán định vị theo nguyên lý TDOA: Giới 
thiệu mô hình hệ thống và một số thuật toán định vị; các yếu tố ảnh hưởng 
đến độ chính xác định vị; Mô tả thuật toán Thuật toán định vị trong ra đa thử 
nghiệm RTh 3 trạm thu và thuật toán Thuật toán định vị trong hệ thống 4 trạm 
thu sử dụng để mô phỏng nâng cao độ chính xac định vị. 
3 
Chương 2: Nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu trong ra đa thụ động 
TDOA bằng các giải pháp mới: Đề xuất áp dụng những thuật toán mới cho 
việc nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu, đó là: Thuật toán 2: Thuật toán 
di tuyền cải tiến và Thuật toán 3: Thuật toán tiến hóa vi phân để giải hệ 
phương trình phi tuyến hyperbol; Kết hợp hai thuật toán 1 và thuật toán 2 hoặc 
thuật toán 1 với thuật toán 3 để giải hệ phương trình phi tuyến hyperbol nhằm 
làm tăng tốc độ thực hiện của thuật toán đồng thời làm giảm sai số định vị; 
Giải bài toán bố trí trạm thu tối ưu bằng thuật toán di truyền. So sánh kết quả 
đạt được. 
Chương 3: Kết quả mô phỏng, phân tích và kiểm chứng: Trình bày một 
số kết quả mô phỏng, từ đó đưa ra nhận xét, so sánh hiệu năng giữa phương 
pháp đã có và đề xuất sử dụng các thuật toán nâng cao độ chính xác định vị. 
Kết luận: Nêu lên các kết quả đạt được của luận án và kiến nghị hướng 
nghiên cứu tiếp và ứng dụng kết quả luận án vào thực tế. 
1 Chương 1 
TỔNG QUAN THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ THEO NGUYÊN LÝ TDOA 
Kỹ thuật định vị theo nguyên lý TDOA bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn 
1: Bộ phân tích tương quan xác định hiệu thời gian τi đến từ trạm thu thứ i 
trong hệ thống với trạm trung tâm, còn gọi là giai đoạn xử lý tương quan chéo; 
Giai đoạn 2: Các hiệu thời gian τi được đưa tới bộ phân tích để hình thành hệ 
phương trình (1.3). Tại đây, các thuật toán đánh giá khác nhau sẽ được sử 
dụng kết hợp để định vị mục tiêu (giao điểm của các hyperbol). Các giao điểm 
giả sẽ được loại. Từ các giao điểm thật các quỹ đạo sẽ được khởi tạo và bám 
sát. Từ nguyên lý trên, rõ ràng phần tính toán xử lý mang tính đa kênh và tính 
toán song song rõ rệt, cần các thuật toán tốt để thực thi trong thời gian thực. 
1.1 Mô hình toán học định vị mục tiêu theo nguyên lý TDOA 
Mục này sẽ trình bày mô hình toán học hệ thống ra đa thụ động định vị 
theo nguyên lý TDOA. Giả sử tọa độ của mục tiêu T (nguồn phát xạ) chưa 
biết (𝑥𝑡 , 𝑦𝑡 , 𝑧𝑡) cần phải định vị. Một hệ thống rađa thụ động gồm bốn máy 
thu có tọa độ đã biết Si(xi, yi, zi), i=0..3 lần lượt là: một trạm thu và xử lý trung 
tâm S0, các trạm còn lại là S1, S2, S3 bố trí như hình 1.1. 
Ký hiệu thời gian truyền của xung từ tọa độ của mục tiêu 𝑇(𝑥𝑡 , 𝑦𝑡 , 𝑧𝑡) 
đến trạm thu (thứ i) Si tương ứng là Ti (i=0..3) sẽ bằng khoảng cách từ mục 
tiêu đến trạm thứ i chia cho tốc độ của sóng điện từ c (bằng tốc độ ánh sáng): 
𝑇𝑖 =
1
𝑐
(√(𝑥𝑡 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦𝑡 − 𝑦𝑖)2 + (𝑧𝑡 − 𝑧𝑖)2) , 𝑣ớ𝑖 𝑖 = 0. .3 (1.1) 
4 
Nếu lấy tọa độ trung tâm xử lý làm gốc tọa độ sẽ có: 𝑇0 =
1
𝑐
(√𝑥𝑡
2 + 𝑦𝑡
2 + 𝑧𝑡
2) 
Khoảng cách từ mục tiêu 𝑇(𝑥𝑡 , 𝑦𝑡 , 𝑧𝑡) đến các máy thu trong hệ tọa độ 
Đề-các được xác định theo công thức: 
𝑟0 = √𝑥𝑡
2 + 𝑦𝑡
2 + 𝑧𝑡
2 
𝑟𝑖 = √(𝑥𝑡 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦𝑡 − 𝑦𝑖)2 + (𝑧𝑡 − 𝑧𝑖)2, 𝑖 = 1. .3 
(1.2) 
Thì hiệu thời gian tới giữa các xung tới trực tiếp tại vị trí trung tâm với 
thời gian của xung tới các máy thu tương ứng có thể được biểu diễn: 
𝜏𝑖 = 𝑇𝑖 − 𝑇0 =
1
𝑐
(√(𝑥𝑡 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦𝑡 − 𝑦𝑖)2 + (𝑧𝑡 − 𝑧𝑖)2
−√𝑥𝑡
2 + 𝑦𝑡
2 + 𝑧𝑡
2)𝑣ớ𝑖 𝑖 = 1. .3 
(1.3) 
Hệ phương trình (1.3) mô 
tả một tập hợp các đường 
hyperbol với tiêu điểm F1, .., 
FN-1 đến tọa độ S1 ... SN-1. 
Nghiệm của hệ phương trình 
phi tuyến (1.3) là vec-tơ Rt của 
vị trí mục tiêu. 
Việc xác định vị trí mục 
tiêu trở thành bài toán tìm giao 
điểm của các mặt hyperbol. Ở 
dạng tổng quát hệ này không có 
nghiệm giải tích và nghiệm gần đúng được tìm bằng các phương pháp tính số. 
Khi đó phát sinh các vấn đề cần phải xem xét: Tính hội tụ của phương pháp; 
Có tìm được nghiệm hay vô nghiệm; Tính ổn định của nghiệm khi các dữ liệu 
vào có sai số. Từ nguyên lý trên, rõ ràng phần tính toán xử lý mang tính đa 
kênh và tính toán song song rõ rệt, cần các thuật toán tốt để thực thi trong thời 
gian thực, sự dung hòa giữa tốc độ tính toán và tính khả nghiệm. 
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số định vị trong ra đa thụ động 
TDOA 
1.3 Một số thuật toán giải hệ phương trình phi tuyến định vị hyperbol 
- Thuật toán của Fang [18] cho kết quả chính xác khi số đo TOA bằng với 
số mục tiêu và trong các tình huống tầm nhìn thẳng tới mục tiêu. Nhược điểm 
là không thể sử dụng các số đo bổ sung của các trạm thu khác để nâng cao độ 
Hình 1-1. Nguyên lý TDOA với bốn máy thu 
5 
chính xác và khi sai số định vị tại một trạm thu tăng lên thì hiệu quả của thuật 
toán được Fang đề xuất bị ảnh hưởng đáng kể. 
- Cheung/Chan/Ma [28] đề xuất thuật toán hai bước bình phương bé nhất 
(thuật toán LS [25]). Phương pháp giải này có nghiệm dạng kín là một bộ ước 
lượng xấp xỉ hợp lý cực đại khi sai số ước lượng TDOA nhỏ. Ưu điểm là thực 
hiện tốt hơn so với phép nội suy cầu và có mức ngưỡng nhiễu cao hơn phương 
pháp chia để trị (DAC) trước khi thực hiện thoát khỏi ngưỡng CRLB, hiệu 
quả định vị tốt đối với kiểu truyền quảng bá với nhiễu tạp Gauss trắng 
(AWGN) [52]. Nhược điểm là tính toán phức tạp và hiệu quả định vị giảm 
mạnh trong các tình huống tầm nhìn thẳng hạn chế và nếu các sai số ước 
lượng cao hơn ngưỡng, thì thuật toán không còn tối ưu [52]. 
- Thuật toán Taylor có ưu điểm cho kết quả ước lượng chính xác khi mức 
nhiễu lớn đáng kể. Nhược điểm là giá trị khởi tạo giả định phải sát với giá trị 
nghiệm thực để tránh cực tiểu cục bộ [19]. Trong thực tế việc lựa chọn giá trị 
khởi tạo giả định là không đơn giản. 
1.4 Định vị trực tiếp trong hệ thống Ra đa thụ động 3 trạm thu 
Mục này trình bày bài toán định vị trực tiếp trong hệ thống Ra đa thụ 
động 3 trạm thu trong hệ tọa độ đề-các dựa trên phương pháp ứng dụng trong 
trắc địa thực tế khi thông qua 1 số phép đo gián tiếp (các góc, cạnh) có thể 
tính được tọa độ điểm không tiếp cận được. Trong trường hợp của bài toán 
TDOA đó là hiệu khoảng cách ∆𝑟1 và ∆𝑟2. Cách giải ở đây dựa trên tìm kiếm 
nghiệm bài toán tam giác phẳng. Đặc điểm phương pháp này là tường minh 
và dễ trình bày bằng hình học, quy về giải một hệ phương trình bậc 2, hệ này 
thông thường cho 2 nghiệm. Thuật toán này có ưu điểm là tốc độ tính toán 
nhanh, nhưng có những trường hợp không phân biệt được nghiệm thật, 
nghiệm giả, và có sai số định vị lớn khi bị ảnh hưởng bởi sai số đo hiệu thời 
gian đến hoặc vô nghiệm dẫn đến hệ thống không hoàn thành nhiệm vụ. 
1.5 Định vị trực tiếp trong hệ thống Ra đa thụ động 4 trạm thu 
Thuật toán định vị trực tiếp trong hệ thống Ra đa thụ động 4 trạm thu 
trong hệ tọa độ đề-các [49] cũng tương tự như thuật toán định vị trong hệ 
thống 3 trạm thu nhưng giải bài toán định vị trong không gian 3D. Kết quả 
biến đổi cũng đưa về một hệ phương trình bậc 2. Giải hệ này sẽ có nghiệm là 
tọa độ mục tiêu. Ưu điểm và nhược điểm cũng giống như thuật toán 1. 
1.6 So sánh hiệu quả các thuật toán 
Qua khảo sát cho thấy giới hạn của mỗi thuật toán trong các điều kiện 
mô phỏng khác nhau. Số trạm thu khác nhau, các mức tác động khác nhau của 
nhiễu lên số liệu đo để đánh giá mức độ ảnh hưởng đến độ chính xác định vị. 
6 
Khi hệ thống ra đa thụ động bị giới hạn số trạm thu thì lựa chọn thuật 
toán Chan/Ho, Taylor và thuật toán 1 định vị trực tiếp 3 trạm thu trong hệ tọa 
độ đề-các vì chúng có khả năng ít bị thay đổi khi cường độ nhiễu tăng lên. 
Nếu không có đủ thông tin ưu tiên để loại bỏ nghiệm giả thì thuật toán 
Chan/Ho là lựa chọn tốt nhất. 
Nếu yêu cầu định vị mục tiêu có tốc độ tính toán nhanh thì các thuật toán 
tính trực tiếp (không lặp) là lựa chọn tốt, nhưng khả năng có nghiệm và độ 
chính xác phải cân nhắc trong một số trường hợp (như thuật toán 1). 
Trong thực tế, nói chung các thuật toán đã nêu đều phải giải hệ phương 
trình phi tuyến hyperbol thông qua các bước trung gian, dẫn đến sai số không 
mong muốn. Kết quả đo đạc thử nghiệm cho thấy sai số định vị bằng thuật 
toán định vị trực tiếp trong hệ thống Ra đa thụ động 3 trạm thu (thuật toán 1) 
có độ chính xác thấp hơn so với các đài ra đa thụ động hiện đang sử dụng vì 
thế chưa thỏa mãn yêu cầu đề ra. 
1.7 Kết luận chương 
Các hạn chế chủ yếu của các thuật toán 1 xét trong toàn hệ thống TDOA 
chủ yếu là: 
Trường hợp vô nghiệm dẫn đến hệ thống không định vị được mục tiêu. 
Khi đó giải pháp đề xuất sử dụng thuật toán lặp tìm nghiệm tối ưu toàn cục 
với tính hội tụ đã được chứng minh. Tuy nhiên thời gian tính toán của hệ 
thống sẽ tăng lên. 
Trường hợp khi có hai nghiệm phân biệt, nếu dùng các phương pháp loại 
trừ đã nêu mà không chọn được nghiệm thì sử dụng phương pháp mới sẽ được 
nghiên cứu. 
Bố trí trạm thu trong hệ thống TDOA cũng góp phần quan trọng làm cho 
sai số định vị lớn hay nhỏ do mục tiêu cần phát hiện được phân bố ngẫu nhiên 
trong trận địa bố trí trạm thu. Theo phân tích vùng có nghiệm hay không có 
nghiệm của thuật toán 1 giải pháp để giảm sai số định vị là phải tìm phương 
án bố trí trạm thu tối ưu với sai số định vị nhỏ nhất, khi biết trước hướng giả 
định hay vùng phân bố của mục tiêu. 
Các giải pháp đề xuất trên sẽ trình bày, phân tích trong chương 2. 
2 Chương 2 
NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ MỤC TIÊU TRONG RA ĐA 
THỤ ĐỘNG TDOA BẰNG CÁC GIẢI PHÁP MỚI 
Trong chương 2, Luận án đề xuất các giải pháp để khắc phục những hạn chế 
của các thuật toán đã nêu trong chương 1 và nhằm cải thiện độ chính xác  ... huật toán 1 không có nghiệm tại một thời điểm nào đó thì hệ thống phải chờ 
đến lần lấy mẫu tiếp theo mới xác định được, tại thời điểm này có thể sử dụng 
kết quả của thuật toán 2. Nếu thuật toán 1 có 2 nghiệm thì ước lượng kết quả 
của thuật toán 2 sẽ được sử dụng để làm thông tin hỗ trợ cho thuật toán 1 lựa 
chọn kết quả. Điều này cũng làm tăng tốc độ xác định mục tiêu cho hệ thống. 
- Thuật toán bố trí trạm thu tối ưu theo giá trị sai số định vị nhỏ nhất: Đã 
giải bài toán bố trí trạm thu tối ưu bằng thuật toán di truyền, làm tăng tốc độ 
tính toán và đưa ra được bố trí trạm thu tối ưu có sai số định vị nhỏ nhất. 
Các nhận định về ưu điểm của thuật toán 2, thuật toán 3, kết hợp thuật toán 
1 với thuật toán 2, thuật toán 3 sẽ được mô phỏng, đánh giá và kiểm chứng 
trong chương 3. 
3 Chương 3 
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH VÀ KIỂM CHỨNG 
Trong chương 2, luận án đã so sánh độ chính xác định vị và tốc độ thực 
hiện của thuật toán 2, và thuật toán 3 so với các thuật toán thông thường cho 
thấy tính hiệu quả của giải pháp mới. Trong chương 3 sẽ thử nghiệm và mô 
phỏng những thuật toán này một số trường hợp để minh chứng các giải pháp 
có thể sử dụng vào thực tế. Các trường hợp thử nghiệm và mô phỏng như sau: 
1. Thử nghiệm các thuật toán bằng dữ liệu thực ra đa thụ động thử nghiệm 
RTh. Trường hợp kiểm chứng này cho thấy tính khả thi của thuật toán đề xuất 
vào hệ thống thực. 
2. Thử nghiệm thuật toán 2 với dữ liệu thực của hệ thống ra đa thụ động 
định vị theo nguyên lý TDOA, mẫu thử RTh. Trường hợp thử nghiệm này sử 
dụng nhiều mẫu thử để kiểm chứng sai số định vị trung bình trong giới hạn 
cho phép. 
3. Mô phỏng nâng cao độ chính xác định vị của hệ thống TDOA bằng 
phương pháp sử dụng thuật toán di truyền. Trường hợp này mô phỏng kiểm 
chứng nâng cao độ chính xác cho hệ thống 4 trạm thu, định vị trong không 
gian 3 chiều. 
4. Khảo sát ảnh hưởng bố trí hình học trạm thu đến sai số định vị mục tiêu 
di động. Trường hợp thử nghiệm này cho thấy tác động của bố trí trạm thu lên 
sai số định vị và sự cần thiết phải tìm bố trí trạm thu tối ưu. 
5. Mô phỏng và kiểm thử thuật toán di truyền tìm bố trí trạm thu tối ưu 
với dữ liệu thực. Trường hợp thử nghiệm này để kiểm chứng tính đúng đắn 
của thuật toán tìm bố trí trạm thu tối ưu khi biết được dữ liệu thực của một số 
mục tiêu đã được đo thực tế. 
19 
3.1 Thử nghiệm các thuật toán bằng dữ liệu thực của hệ thống ra đa 
thụ động thử nghiệm RTh 
Quá trình thiết lập hệ thống ra đa thụ động định vị mục tiêu theo nguyên 
lý TDOA thử nghiệm trên hình 3-1. Kết quả thu từ hệ thống thực qua thuật 
toán 1 cho thấy sai số định vị lớn (Bảng 3-1, bảng P-1, Phụ lục 1). 
3.2 Thử nghiệm thuật toán 2 với dữ liệu thực của hệ thống ra đa thụ 
động định vị theo nguyên lý TDOA, mẫu thử RTh 
Bảng 3-2. Kết quả định vị trên mẫu thử nghiệm RTh khi thu tín hiệu nguồn 
phát thứ nhất bằng thuật toán 1 và thuật toán 2 
Lần 
đo 
Kết quả đo được 
Mục tiêu có tọa độ thực tại 21,1064oN, 105,7656oE 
Thuật toán 1 Thuật toán 2 
Tạo độ mục tiêu 
(Vĩ độ, Kinh độ) 
Sai số 
cự ly 
(m) 
Tạo độ mục tiêu 
(Vĩ độ, Kinh độ) 
Sai số 
cự ly 
(m) 
1. 21.1077oN, 105.7673oE 228,27 21.1065oN, 105.7674oE 187,25 
2. 21.1077oN, 105.7672oE 220,34 21.1077oN, 105.7666oE 178,11 
3. 21.1080oN, 105.7672oE 243,57 21.1065oN, 105.7676oE 207,99 
4. 21.1075oN, 105.7672oE 206,40 21.1074oN, 105.7669oE 174,97 
5. 21.1076oN, 105.7672oE 213,19 21.1073oN, 105.7671oE 185,20 
6. 21.1080oN, 105.7673oE 250,54 21.1062oN, 105.7675oE 209.03 
7. 21.1076oN, 105.7671oE 206,87 21.1063oN, 105.7678oE 228,73 
8. 21.1075oN, 105.7671oE 200,82 21.1061oN, 105.7671oE 159,31 
9. 21.1078oN, 105.7673oE 236,58 21.1062oN, 105.7673oE 177,94 
10. 21.1076oN, 105.7673oE 222,62 21.1064oN, 105.7656oE 129,01 
 Sai số cự ly lớn nhất 
(m) 
250,54 
Sai số cự ly lớn nhất 
(m) 
228,73 
 Sai số cự ly nhỏ nhất 
(m) 
200,82 
Sai số cự ly nhỏ nhất 
(m) 
129,01 
 Sai số trung bình (m) 222,2 Sai số trung bình (m) 183,75 
So với kết quả thu được khi sử dụng thuật toán 1 thì thuật toán 2 cải 
thiện hơn, trong đó sai số cự ly trung bình giảm được 17,3% ((222,2-
183,75)*100/222,2). Do đó, thuật toán 2 góp phần làm giảm sai số định vị khi 
có nhiễu vô tuyến tác động lên các phép đo thời gian trễ của tín hiệu đến cũng 
như các yếu tố khác tác động đến thời gian truyền giữa các trạm. 
3.3 Mô phỏng nâng cao độ chính xác định vị của hệ thống TDOA 
bằng phương pháp sử dụng thuật toán di truyền 
 Kết quả mô phỏng trên hình 3-6, hình 3-8 cho thấy sai số trung bình và độ 
lệch chuẩn khi áp dụng thuật toán di truyền vào hệ thống ra đa thụ động định 
20 
vị theo nguyên lý TDOA trong không gian 3D giảm rõ rệt khi số trạm thu tăng 
lên. 
Hình 3-6. Độ chính xác áp dụng thuật toán 
di truyền vào hệ thống ra đa thụ động định 
vị theo nguyên lý TDOA 
Hình 3-8. Độ chính xác định vị khi sử 
dụng thuật toán di truyền vào hệ thống 
ra đa thụ động định vị theo nguyên lý 
TDOA trong không gian 3D 
3.4 Khảo sát ảnh hưởng bố trí hình học trạm thu đến sai số định vị 
(a) Bố trí cân bằng trạm thu 
(b) Sai số vị trí khi mục tiêu cơ động 
qua trận địa bố trí cân bằng có 
cùng sai số thời gian giữ chậm 
Hình 3-10. Bố trí hình học trạm thu dạng cân bằng 
Trên Hình 3-10(b) cho thấy sai số vị trí RMSE của thuật toán 1, RTh và 
thuật toán LS không ổn định, trong khi thuật toán 2, di truyền cải tiến và thuật 
toán 3, tiến hóa vi phân cải tiến có sai số ổn định hơn, bám sát gần như sát 
cận dưới của sai số trung bình của hai thuật toán 1 và LS, trên hình cũng cho 
thấy sự tuyến tính với chiều hướng mà mục tiêu di chuyển, tức đi vào vùng 
có sai số định vị tăng dần. 
Trên Hình 3-11(b) cho thấy sai số vị trí RMSE của thuật toán 1, RTh và 
thuật toán LS không ổn định, trong khi thuật toán 2, di truyền cải tiến và thuật 
toán 3, tiến hóa vi phân cải tiến có sai số ổn định hơn, và tuyến tính với chiều 
21 
hướng mà mục tiêu di chuyển, gần tương tự như trường hợp bố trí cân bằng. 
Sai số trung bình của hai thuật toán 2, 3 bám sát gần như sát cận dưới của sai 
số trung bình của hai thuật toán 1 và LS, nhưng cao hơn so với bố trí cân bằng. 
(a) Bố trí hình vuông trạm 
thu 
(b) Sai số vị trí khi mục tiêu cơ động 
qua trận địa bố trí hình vuông có 
cùng sai số thời gian giữ chậm 
Hình 3-11. Bố trí hình học trạm thu dạng hình vuông 
(a) Bố trí trạm thu 
hình tam giác 
(b) Sai số vị trí khi mục tiêu cơ động 
qua trận địa bố trí tam giác có 
cùng sai số thời gian giữ chậm 
Hình 3-1. Bố trí hình học trạm thu dạng tam giác 
Trên Hình 3-12(b) cho thấy sai số vị trí RMSE của thuật toán 1, RTh và 
thuật toán LS không ổn định, trong khi thuật toán 2, di truyền cải tiến và thuật 
toán 3, tiến hóa vi phân cải tiến có sai số ổn định hơn, và tuyến tính với chiều 
hướng mà mục tiêu di chuyển, gần tương tự như trường hợp bố trí cân bằng. 
Sai số trung bình của hai thuật toán 2, 3 bám sát gần như sát cận dưới của sai 
số trung bình của hai thuật toán 1 và LS, nhưng cao hơn so với bố trí cân bằng, 
22 
phần đầu cho thấy sai số trung bình của thuật toán 2, 3 gần như là trung bình 
sai số của sai số trung bình của hai thuật toán 1 và LS. 
3.5 Mô phỏng và kiểm thử thuật toán bố trí trạm thu tối ưu 
Bài toán tối ưu được kiểm thử theo thực tế. Tìm bộ vị trí trạm thu thỏa 
mãn tính năng kỹ thuật của hệ thống phát hiện mục tiêu với sai số định vị nhỏ 
nhất, bố trí trạm thu đề xuất như Hình 3-17. Hình 3.1 thể hiện quá trình thiết 
lập hệ thống ra đa thụ động định vị mục tiêu theo nguyên lý TDOA thử 
nghiệm. 
(a) Bố trí trạm thu tối ưu 3 trạm 
(b) Bố trí trạm thu tối ưu 4 trạm 
Hình 3-17. Kết quả vị trí trạm thu tối ưu (dấu o màu đỏ: thiết lập ban 
đầu; dấu + màu xanh: bố trí trạm thu tối ưu đề xuất) 
Để thấy hiệu quả của bố trí trạm thu tối ưu, ta so sánh như sau: Đầu tiên 
với các vị trí thiết lập ban đầu của các trạm hệ thống TDOA, tính các giá trị 
CEP cho tất cả các vị trí mục tiêu. Sau đó với vị trí các trạm trong hệ thống 
tối ưu, tính toán giá trị CEP 
với cùng tập dữ liệu mục tiêu 
dã có sau đó đem so sánh với 
CEP của hệ thống ban đầu như 
Hình 3-14. 
Từ Hình 3-14 cho thấy hiệu 
quả phân bố vị trí trạm thu cho 
hệ thống TDOA xảy ra khi giá 
trị CEP ở mức 50% thay đổi 
các giá trị đối với mỗi vị trí 
mục tiêu. Đối với hầu hết các 
vị trí đạt được mục tiêu giảm 
sai số đáng kể, nhưng một số 
vị trí khác giá trị CEP là tương đương hoặc cao hơn. Vì lý do này mà luận án 
sử dụng một tiêu chuẩn để so 
Hình 3-14: Biểu đồ sai số CEP mức 50% 
của từng vị trí mục tiêu trước 
23 
sánh CEP trung bình, giá trị lớn nhất của CEP và giá trị nhỏ nhất của CEP. 
Dữ liệu cụ thể trong Bảng 3-7. 
3.6 Kết luận chương 
 Mô phỏng được thiết kế trong môi trường sóng truyền thẳng để kiểm tra 
hiệu quả của ước lượng kết hợp với cường độ nhiễu khác nhau và với số trạm 
thu khác nhau. Kết quả cho thấy độ chính xác vị trí của ước lượng kết hợp cao 
hơn các ước lượng riêng lẻ của từng thuật toán trong đa số trường hợp và tỉ lệ 
thuận với số trạm thu. 
Khi sử dụng ước lượng của thuật toán 1 để khởi tạo thuật toán 2, thì kết 
quả ước lượng của thuật toán 2 có thể được cải thiện hơn. Sai số ước lượng 
kết quả của thuật toán 2 không thể lớn hơn sai số của thuật toán 1, điều này 
hiển nhiên vì không gian tìm kiếm của thuật toán 2 là không gian có bán kính 
là sai số ước lượng của thuật toán 1 và độ chính xác vị trí RMSE/CEP là chấp 
nhận được so với các mức sai số định vị của các thuật toán [10], [18], [19], 
[25], [26], [28] được công bố. 
Qua hệ thống thử nghiệm và dữ liệu kết quả định vị một số nguồn phát 
cố định để kiểm chứng độ chính xác của thuật toán định vị trực tiếp trong mẫu 
thử RTh, và thuật toán di truyền cải tiến, thuật toán tiến hóa vi phân cho thấy 
độ chính xác định vị khi sử dụng thuật toán 2 và 3 đã có cải thiện hơn so với 
thuật toán 1. Kết quả cho thấy độ chính xác định vị với sai số trung bình 
191.39m khi sử dụng thuật toán di truyền nhỏ hơn so với 230,31m khi sử dụng 
thuật toán 1. 
Giải bài toán bố trí trạm thu bằng thuật toán di truyền cải tiến cho kết quả 
cho kết quả bố trí trạm thu với sai số định vị nhỏ nhất. Thuật toán này cũng 
làm tăng tốc độ tính toán hơn gấp 3 lần đối với hệ thống 3 trạm thu và hơn 4 
lần đối với đối với hệ thống 4 trạm thu so với thuật toán tối ưu vét cạn [54] 
khi khảo sát cùng một tập hợp phân bố mục tiêu. 
4 KẾT LUẬN 
1. Kết quả nghiên cứu 
Luận án đã trình bày hệ thống các thuật toán đã và đang được cộng đồng 
nghiên cứu trong và ngoài nước sử dụng để giải các bài toán định vị cho hệ 
thống TDOA. Trong đó thuật toán 1 với 3 trạm thu định vị trực tiếp được ứng 
dụng trong hệ thống ra đa thử nghiệm RTh, thuật toán 1 với 4 trạm thu để mô 
phỏng nâng cao độ chính xác định vị. Luận án cũng nghiên cứu và đề xuất 
ứng dụng các thuật toán di truyền cải tiến và thuật toán tiến hóa vi phân cho 
hệ thống ra đa thụ động TDOA nhằm tăng khả năng hoàn thành nhiệm vụ của 
hệ thống. Trong đó kết hợp thuật toán 1 với thuật toán di truyền làm tăng độ 
chính xác định vị và làm tăng tốc độ thực hiện của thuật toán di truyền. Luận 
24 
án cũng đề xuất áp dụng các bước cải tiến trong thuật toán di truyền vào thuật 
toán tiến hóa vi phân với ưu điểm hội tụ nhanh hơn và cũng làm tăng độ chính 
xác định vị. Việc phân tích các điều kiện, các bước ứng dụng, cài đặt và áp 
dụng thuật toán quan trọng trong cho bài toán định vị cũng được trình bày chi 
tiết. Nội dung cuối cùng mà luận án hoàn thành là áp dụng thành công thuật 
toán di truyền cải tiến để giải các bài toán tối ưu bố trí trạm thu với sai số định 
vị nhỏ nhất và các điều kiện ràng buộc chặt chẽ. 
2. Những đóng góp mới 
- Thuật toán định vị cải tiến: Luận án đề xuất sử dụng thuật toán di truyền 
cải tiến (Thuật toán 2) và thuật toán tiến hóa vi phân (Thuật toán 3) để giải 
bài toán định vị cho hệ thống ra đa thụ động TDOA. Luận án đề xuất thay thế 
phương pháp lai ghép ngẫu nhiên thông thường bằng phương pháp lai ghép 
kết hợp khả năng hoạt động của hệ thống với tác vụ lai ghép để chọn gen tốt 
hơn, đồng thời sử dụng toán tử đột biến không đồng nhất để sinh ra các gen 
mới nhằm làm tăng sự đa dạng các lời giải trong quần thể, tăng khả năng tìm 
được nghiệm tối ưu toàn cục. Kết hợp thuật toán 1 với thuật toán 2 (Thuật 
toán 1-2), thuật toán 1 với thuật toán 3 (Thuật toán 1-3) cho kết quả định vị 
mục tiêu chính xác hơn, tốc độ thực hiện của thuật toán cũng nhanh hơn, kết 
quả làm tăng khả năng hoàn thành nhiệm vụ của hệ thống. 
- Thuật toán bố trí trạm thu tối ưu: Luận án đã xây dựng phương pháp 
xác định bố trí trạm thu tối ưu bằng thuật toán di truyền cho hệ thống 3, 4 trạm 
thu trong một số điều kiện cụ thể để có được sai số định vị nhỏ nhất và tốc độ 
thực hiện nhanh hơn. 
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo 
Từ kết quả nghiên cứu mà luận án đạt được chúng tôi đề xuất những 
phương hướng nghiên cứu có thể triển khai tiếp theo: 
Nghiên cứu phát triển giải pháp nâng cao độ chính xác định vị trong môi 
trường phức tạp, nhiễu sóng điện từ, truyền sóng không trực tiếp, phản xạ đa 
đường và mục tiêu di động chú trọng giải pháp làm giảm tác động sai số trong 
giai đoạn một định vị, đó là: Giảm sai số xác định thời gian đến của tín hiệu, 
giải bài toán tương quan tìm hiệu thời gian tới của tín hiệu đến từng trạm thu 
và kết hợp giải pháp giảm sai số của cả hai giai đoạn định vị. 
Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán di truyền, thuật toán tiến hóa vi phân 
và kết hợp các thuật toán đã nêu vào bài toán định vị trong thiết kế chế thử hệ 
thống ra đa thụ động định vị theo nguyên lý TDOA ở nước ta.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 
[1] Phạm Quyết Thắng, Nguyễn Mạnh Cường, (10/2014), “Thuật toán nâng 
cao độ chính xác định vị mục tiêu trong ra đa thụ động TDOA”, Tạp chí Nghiên 
cứu khoa học và công nghệ quân sự, Viện KH&CNQS, số 33, tr. 28-35. 
[2] Phạm Quyết Thắng, Nguyễn Đức Minh, Trần Vũ Hợp, Trần Phú Ninh, 
(2/2015) “Thuật toán tối ưu hóa phân bố vị trí trạm thu của hệ thống ra đa thụ 
động sử dụng nguyên lý TDOA”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ 
quân sự, Viện KH&CNQS, số 35, tr. 37-43. 
[3] Phạm Quyết Thắng, Trần Văn Hùng, Phạm Văn Hùng, Vũ Văn Đáng, 
Phạm Văn Toàn, (12/2015) “Nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu trong hệ 
thống ra đa thụ động TDOA bằng thuật toán di truyền”, Tạp chí Nghiên cứu 
khoa học và công nghệ quân sự, Viện KH&CNQS, số 40, tr. 63-69. 
[4] Phạm Quyết Thắng, Trần Văn Hùng, (4/2016), “Nghiên cứu sử dụng thuật 
toán tiến hóa vi phân để nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu trong hệ thống 
ra đa thụ động TDOA”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, 
Viện KH&CNQS, số 42, tr. 51-60. 
[5] Phạm Quyết Thắng, Trần Văn Hùng, (2016), “Kết hợp thuật toán định vị 
trực tiếp trong hệ tọa độ đề-các và thuật toán di truyền để tăng tốc độ thực hiện 
và nâng cao độ chính xác định vị mục tiêu trong hệ thống ra đa thụ động 
TDOA”, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học Viện Kỹ thuật quân sự, số 180, 
tr. 39-46.