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

ận bài: 10/01/2020 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 26/3/2020 Ngày chấp nhận đĕng: 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 Hệ thống nhận dạng tự động AIS (AIS - Automatic Indentification System) ra đời từ tháng 12/2004 từ khi Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) và Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển (SOLAS) quy định tất cả các tàu có tổng dung tích từ 300 GT trở lên tham gia vận tải quốc tế, các tàu hàng có tổng dung tích từ 500 GT trở lên tham gia vận tải nội địa, ven biển, các tàu chở khách phải trang bị AIS [1]. Hệ thống AIS là hệ thống nhận và phát tín hiệu để truyền vị trí, tốc độ, hướng đi cùng với một số thông tin cố định khác như: tên tàu, số nhận dạng (số ID), kích thước và chi tiết chuyến đi, Hệ thống sẽ tự động trao đổi dữ liệu với các tàu ở gần cũng như các trạm cố định và vệ tinh (hệ thống AIS nhận dạng vệ tinh được ký hiệu là S-AIS). Thông tin được cung cấp bởi thiết bị AIS có thể được hiển thị trên màn hình hay trên hệ thống thông tin và hiển thị biểu đồ điện tử (ECDIS). Hiện nay hệ thống AIS đang được áp dụng rộng rãi trong ngành hàng hải, khi được áp dụng trên tàu cá sẽ góp phần đảm bảo an toàn cho những chuyến ra khơi của bà con. Đây là hệ thống thời gian thực, tin cậy, được ví như “Đôi mắt thần” trên các luồng và vùng biển. AIS dùng công nghệ thông tin truyền giữa các thiết bị trên tàu và đất liền bằng truyền dẫn vệ tinh và trên làn sóng điện dải tần số cực cao VHF, hệ thống hoạt động liên tục 365/365 ngày trong nĕm 24/24 giờ trong ngày. Các tàu hay các đối tượng hàng hải liên quan được lắp đặt hệ thống AIS sẽ liên tục có chu kỳ phát các thông tin về tàu mình và các thông tin an toàn hàng hải, trao đổi thông tin với các tàu khác hay với các đài trên đất liền được trang bị AIS. AIS ban đầu được dự định để giúp các tàu biển tránh va chạm cũng như giúp các cơ quan chức nĕng thuộc cảng biển kiểm soát lưu lượng ra vào Người phản biện: 1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường 2. TS. Chử Đức Hoàng 12 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 cảng tốt hơn. Bộ thu phát AIS bao gồm một GPS để thu thập vị trí và chuyển động chi tiết của tàu, một bộ phát tín hiệu VHF sử dụng trên hai kênh tần số 161,975 MHz và 162,025 MHz (kênh VHF 87 và 88 cũ). Các thông tin này sẽ được phát quảng bá, các tàu và trạm cố định có thể nhận các thông tin này và xử lý nó bằng một phần mềm chuyên biệt và hiển thị thông tin về vị trí tàu trên thiết bị vẽ biểu đồ hay máy tính. Thông thường, hệ thống AIS là hệ thống truyền thông. Thông tin về vị trí tàu mà hệ thống AIS phát đi được thu nhận từ các bộ thu hệ thống định vị GPS được tích hợp bên trong máy thu AIS hoặc từ hệ thống GPS ở trên tàu. Tuy nhiên, để nâng cao an toàn trong hàng hải, đảm bảo cung cấp thông tin về vị trí trong mọi tình huống ngay cả khi mất tín hiệu GPS, tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) đã khuyến cáo việc trang bị thêm một hệ thống dự phòng. Hệ thống AIS đã được IMO đề xuất như một hệ thống thay thế cho GPS. Để thực hiện được việc xác định vị trí tàu, đài thu AIS trên tàu phải thu được tín hiệu AIS từ ít nhất ba (03) đài bờ. Mặt khác, các đài bờ phải có vị trí (kinh độ, vĩ độ) được xác định và đính kèm trong bản tin AIS gửi tới đài tàu. Phương pháp định vị dựa trên sai lệch thời gian tới (TDOA) được các đài tàu thực hiện. Trong đó, đài tàu đóng vai trò là các bộ thu bị động, thu nhận các tín hiệu AIS từ các đài bờ, tính toán thời gian thu các tín hiệu này, xác định sai lệch giữa các thời điểm thu nhận tín hiệu. Trên cơ sở đó, tính ra được khoảng cách giữa đài tàu và các đài bờ, rồi xác định được vị trí của đài tàu theo nguyên lý tam giác. Nguyên tắc định vị của phương pháp TDOA: dựa trên sai lệch khoảng cách giữa đài tàu và 02 đài bờ, các sai lệch này tạo ra các đường cong hyperbol. Giao điểm của các đường cong hyperbol tương ứng với vị trí của đài tàu. Các thuật toán TOA được sử dụng để xác định vị trí của đài tàu bao gồm SI, SX, Chan và chuỗi Taylor [3÷5]. Với phương pháp TDOA, sai số hệ thống sẽ được loại bỏ và độ chính xác của quá trình định vị sẽ được cải thiện. Do đó, phương pháp TDOA này rất phù hợp cho quá trình 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 tĕng 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. 2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU THEO TDOA 2.1. Phương pháp TDOA Trong phương pháp TDOA áp dụng cho định vị tàu biển bằng tín hiệu AIS, các đài bờ (BS) phát tín hiệu đến đài tàu (MS): đài bờ BSi sẽ gửi tín hiệu y i (t)(i = 0,1,2,3N) tới đài tàu MS, trong đó i = 0 ứng với BS0 được lấy làm đài bờ tham chiếu. Khi đó tương quan chéo giữa tín hiệu giữa các tín hiệu y i (t) (i = 1,2,3N) với tín hiệu y0(t) tạo thành N hàm tương quan chéo Ri0(τ) (i = 1,2,3N). Quá trình xử lý lựa chọn đỉnh tương quan cực đại của Ri0(τ), đồng thời loại bỏ nhiễu và các đỉnh lân cận (đỉnh dễ gây nhầm lẫn), độ sai lệch thời gian tới sẽ được xác định. Trên cơ sở sai lệch thời gian tới, sai lệch về khoảng cách từ các BS tới MS sẽ được xác định theo: ri0 = cτi0, i = 1,2,3N. Trong đó: τi0 là sai lệch thời gian tới giữa đài bờ thứ i tới MS và đài bờ thứ 0 tới MS. Gọi z p = [x, y]T là tọa độ của MS; BSi có tọa độ là s i = [x i , y i ]T (i = 0,1,2,3N). Khi đó khoảng cách giữa MS và BS thứ i (bao gồm cả đài bờ tham chiếu) được xác định bởi: r i 2 = (x - x i )2 + (y - y i )2, i = 0,1,2,3N (1) Tập hợp các giá trị về sai lệch thời gian TDOA giữa các BSi với BS0 được xác định. Trong điều kiện truyền thẳng LOS, với tốc độ ánh sáng c, ta sẽ nhận được N phương trình hyberpol liên quan để xác định z p : ri0 = cτi0= ri -r0, i = 1,2,3N (2) Khi đó, tọa độ của đài tàu MS được tính toán từ các phương trình ở trên. Phương pháp định vị theo TDOA được minh họa ở trên hình 1. Trong điều kiện không có nhiễu, không có lỗi, để tính ra được tọa độ của đài tàu MS, cần phải có ít nhất 2 phương trình như ở (2). Tuy nhiên, 2 hyberpol có thể không giao nhau (ứng với vị trí thật của MS) do sai số trong quá trình tính toán sai lệch thời gian. Đồng thời, ngoài ra cũng có thể xuất hiện các giao điểm không đúng về vị trí của MS. Do vậy, để nâng cao độ chính xác, tránh xảy ra các tình huống như ở trên, cần thiết phải có ít nhất 4 đài bờ BS tương ứng có 4 phương trình để tối ưu quá trình ước lượng vị trí đài tàu MS. Hình 1. Phương pháp định vị TDOA 13 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Từ (2), r i 2 = (r i0 + r0)2, i = 1,2,3N do đó (1) có thể được viết lại thành: ‖s i ‖2 + ‖z p ‖2 - 2s i Tz p = ri0 2 + 2 ri0 r0+ r02,i = 0,1,2,3N (3) Khi i = 0, r i0= 0. Ta có: ‖s0‖2 + ‖zp‖2 - 2s0Tzp= r02 (4) Kết hợp giữa (3) và (4), ta nhận được: ‖s i ‖2 - ‖s0‖2 - 2(si - s0)Tzp= ri02 + 2 ri0 r0,i=1,2,3N (5) Trong trường hợp xét đến tác động của nhiễu, được biến đổi thành: x i x + y i y + r i0r0= -0.5(ri02 - Ki + K0) + φi,i = 1,2,3N (6) Trong đó: là khoảng cách giữa MS và BS0; φ i (i = 1,2,3N) là sai số; K i = x i 2 + y i 2, i = 0,1,2,3N. Biến đổi (6) sang dạng ma trận: (7) Trong đó: Giả sử z p và r0 là độc lập khi đó, các phương trình trên là tuyến tính. Tuy nhiên, trên thực tế giữa z p và r0 luôn phụ thuộc lẫn nhau. Vì vậy, các thuật toán được đề xuất trước đó đều phải xét đến yếu tố này như: thuật toán SI thực hiện tìm giá trị gần đúng nhất với giả sử bỏ qua (1). Thuật toán Chan tính toán z p và r0 là 4 biến số độc lập và hiệu chỉnh chúng thông qua (1). Do đó, chắc chắn sẽ dẫn đến mâu thuẫn trong việc xác định giá trị của z p và r0. Nếu các giá trị này được hiệu chỉnh một cách đơn giản thì kết quả phải tuân theo (1) nhưng sẽ bị phân tán kết quả. Do đó cần phải có các giải pháp, thuật toán để đạt được các giải pháp tối ưu. Bỏ qua các thành phần bậc cao ở (1), phương trình vi phân nhận được sẽ là: (8) Từ (1) và (8) thấy rằng: z p quyết định giá trị của r0 sai số của z p ảnh hưởng đến r0 như minh họa ở hình 2. Ngược lại, mặc dù giá trị r0 được xác định, giá trị cụ thể của z p trong một phạm vi nào đó là không chính xác, đồng nghĩa sai số của r0 không ảnh hưởng đến z p . Xét bổ sung thêm một số thông tin chính xác như hướng góc tới chính xác, sai số của z p chỉ tĕng lên ở hướng xuyên tâm và tương đối nhỏ ngay cả khi sai số của r0 lớn. Vì vậy hướng của thuật toán trong bài báo này đó là đầu tiên tính toán giá trị của r0 rồi sau đó xác định giá trị của z p . Hình 2. Mối quan hệ giữa khoảng cách và các tọa độ 2.2. Thuật toán TDOA đề xuất 2.2.1. Bước 1: Tách khoảng cách từ các phương trình và ước lượng giá trị khoảng cách Thực hiện các phép toán ma trận theo hàng trên các nhóm phương trình ở (7), sau đó loại bỏ biến x và y, ta nhận được: (9) Trong đó: haʹ, Φʹ, k i (i = 1,2,3N) được tạo ra từ các phép toán theo hàng: ( ) ( )20200 yyxxr -+-= F+= úú ú û ù êê ê ë é ha r y x Ga 0 , úú úú û ù êê êê ë é = 0 222 111 NNN ryx ryx ryx Ga !!! , . úú úú ú û ù êê êê ê ë é +- +- +- -= 0 2 0 02 2 20 01 2 10 2 1 KKr KKr KKr ha NN ! úú úú û ù êê êê ë é =F Nj j j ! 2 1 . ( ) ( ) yr yyxr xxr ¶-+¶-=¶ 0 0 0 0 0 F¢+¢= úú ú û ù êê ê ë é úú úú úú úú û ù êê êê êê êê ë é ah r y x k k k k k N 0 4 3 2 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 !!! , , , ( ) ( )( ) úû ùêë é ¢ ¢ =¢ ´- ´ 122 121 Nah ahah îí ì ¢×-=¢ ×=¢ - 122 1 1 1 ahBhaah haAah ( ) ( )( ) úû ùêë é = ´- ´ 122 121 Nha haha , , , ( ) ( )( ) úû ùêë é F¢ F¢ =F¢ ´- ´ 122 121 N îí ì F¢×-F=F¢ F×=F¢ - 122 1 1 1 B A ( ) ( )( ) úû ùêë é F F =F ´- ´ 122 121 N , , úû ùêë é×=úû ùêë é - 20 101 2 1 r rAk k úû ùêë é×- úú ú û ù êê ê ë é = úú ú û ù êê ê ë é 2 1 0 303 k kB r r k k NN !! 14 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Hai phương trình đầu tiên của (9) chứa 1 biến chưa xác định trong x và y ngoại trừ r0. Ý nghĩa vật lý ở đây đó là 2 phương trình TDOA được tạo bởi 2+1 đài bờ BS trực giao trên 1 mặt phẳng. Các BS tương ứng khi được thực hiện các phép toán theo hàng trong 2 phương trình này sẽ tiệm cận đến điểm trực giao do đó sai số trong phép biến đổi này là nhỏ nhất. Trường hợp các đài bờ BS số 0, 1, 2 không đồng phẳng tương ứng với |A| ≠ 0. Bên cạnh đó, như đã nêu ra ban đầu, cần ít nhất 4 đài bờ (N ≥ 3). Như vậy, N - 2 phương trình còn lại trong (9) tạo thành nhóm các phương trình mang ý nghĩa hiệu chỉnh cho biến chưa xác định: ga·r0 = ha2ʹ + Φ2ʹ (10) Trong đó: Bỏ qua sai số Φ2ʹ, trị bình phương tối thiểu của r0 là: (11) 2.2.2. Bước 2: Ước lượng vị trí theo các khoảng cách giữa đài tàu và các đài bờ Kết hợp (11) và (7), phương trình xác định vị trí sẽ là: (12) Trong đó: , . úú úú ú û ù êê êê ê ë é +-+ +-+ +-+ -= 0 2 000 02 2 20020 01 2 10010 ˆ2 ˆ2 ˆ2 2 1 KKrrr KKrrr KKrrr hb NNN ! úú úú û ù êê êê ë é =F Nj j j ! 2 1 Vị trí của MS có thể xác định nhờ phương pháp WLS (bình phương tối thiểu có trọng số). (13) Trong đó: Ma trận hiệp phương sai: r i là khoảng cách giữa đài bờ BSi và đài tàu MS có thể được tạm thời tính thông qua: 00 rˆrr ii += . Ngoài ra: σ là độ lệch chuẩn của sai số trong quá trình xác định vị trí. Trên cơ sở tính toán, các kết quả dựa trên độ chính xác của 0ˆr và không phụ thuộc vào (1). Trên thực tế, sai số của 0ˆr tương đối nhỏ so với cự ly của các đài. Do đó, giá trị ( )yx ˆ,ˆ tính toán được của vị trí đài tàu tương đối tin cậy và chính xác theo (1). 2.2.3. Bước 3: Hiệu chỉnh các điều kiện ràng buộc Thêm các điều kiện ràng buộc vào (7) và áp dụng WLS cho tất cả. Một điều kiện ràng buộc là: 00 rˆr = (14) Để tính toán giá trị tọa độ của đài bờ, mối quan hệ r02 = (x - x0)2 + (y - y0)2 tương đương với hình nón trong không gian x, y and r0. Phương pháp WLS cho các phương trình: (15) Là tương đương với một điểm của khoảng cách tối thiểu có trọng số tới các mặt phẳng và khối hình chóp. Xác định một mặt phẳng tiếp tuyến gần nhất với được coi là xấp xỉ theo 1 phương, ta sẽ biến đổi từ hình nón về mặt phẳng. Giả sử (x0, y0) là gốc, vector chỉ phương của mặt phẳng sẽ là . [ ]22 ˆˆˆˆ yxyx +-- Do đó, phương pháp WLS là tìm ra điểm giữa các mặt phẳng khoảng cách tối thiểu có trọng số và mặt phẳng tiếp tuyến như minh họa ở hình 3. Hình 3. Tuyến tính hóa hình nón ràng buộc , , . ( ) ( )( ) úú úú úú û ù êê êê êê ë é úú ú û ù êê ê ë é úû ùêë é = ´- ´ 0 30 22 20 10 22 N N r r B r rA Ga ! úû ùêë é = 22 11 yx yxA úú ú û ù êê ê ë é = NN y y x x B !! 33 . úú ú û ù êê ê ë é = Nk k ga ! 3 ( ) 2 1 0ˆ ahgagagar TT ¢×××= - F+=úû ùêë é hby xGb , úú úú û ù êê êê ë é = NN y y y x x x Gb !! 2 1 2 1 ( ) ( ) hbGbGbGbyx TTT ×××××= --- 111ˆ,ˆ yy , , BQBc ×××= 2y úú úú û ù êê êê ë é = Nr r r B ! "#"" ! ! 00 00 00 2 1 úú úú û ù êê êê ë é = 15.05.0 5.015.0 5.05.01 22 ! "#"" ! ! scQ ( ) ( ) ( )ïî ïí ì -+-= ++--=+++ i iiiiii yyxxr KKrrrzzyyxx 2 0 2 0 2 0 0 2 000 2 1 j ( )yx ˆ,ˆ 15 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Vì vậy, mặt phẳng hình nón được tuyến tính hóa sẽ là: (16) Kết hợp (7), (14) và (16) ta nhận được: (17) Trong đó: Ước lượng tối ưu nhận được (x, y, r0)T = (GcT·ψʹ-1·Gc)-1·GcT·ψʹ-1·hc (18) Trong đó: Do việc xác định ma trận hiệp phương sai ψ’ sẽ gặp rất nhiều khó khĕn, 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 đổi các trọng số có thể cân bằng được những ảnh hưởng này đến khoảng cách tính toán. Mặt khác, ở cự ly xa, điều kiện ràng buộc khoảng cách điều chỉnh độ chính xác và phải được đánh trọng số lớn hơn. Trong khi đó, ở cự ly gần, điều kiện về hình nón sẽ có ý nghĩa hơn. 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Thực hiện các mô phỏng Monte-Carlo để đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất trong bài báo với các phương pháp khác trước đó. Các kết quả thống kê được tính toán trong các điều kiện nhiễu ngẫu nhiên ở dạng RMSE và phương sai chuẩn. Các kết quả mô phỏng được phân tích theo 2 hướng khác nhau: ảnh hưởng của độ chính xác đến khoảng cách tính toán được; và sai số của quá trình đo đạc. Sai lệch thời gian được mô phỏng theo thực tế bằng cách bổ sung thêm tạp âm trắng chuẩn Gauss. Mô hình mô phỏng bao gồm: 1 đài bờ tham chiếu và 6 đài bờ khác được sử dụng để xác định vị trí đài tàu. Tọa độ của các đài bờ được minh họa ở bảng 1. Bảng 1. Tọa độ của các đài bờ BS number Coordinates (unit: m) 0(ref) (0,0) 1 (800,0) 2 (400,693) 3 (-400,693) 4 (-800,0) 5 (-400,-693) 6 (400,-693) Với hướng thứ nhất, sai số tính toán sai lệch thời gian là 5×10-3s, đài tàu MS di chuyển theo đường thẳng từ (140,260) đến (-4200, 4600) với bước di chuyển là 70 m. Sau mỗi bước di chuyển, thực hiện tính toán vị trí của đài tàu ứng với 1000 điểm tính toán để tính ra ra giá trị trung bình. Cuối cùng, tiến hành phân tích các giá trị RMSE và độ lệch chuẩn của 1000 điểm đó như mô tả ở hình 4. Hình 4. Vị trí của đài tàu MS và các đài bờ BSi Các kết quả mô phỏng được minh họa ở hình 5. Trong hình 5, ta thấy ở cự ly xa thì phương pháp Chan cho kết quả kém nhất, nhưng kết quả sẽ được cải thiện khi ở cự ly gần. Ngược lại, SI thì có hiệu nĕng tốt cự ly xa nhưng lại kém hơn Chan ở cự ly gần. Thuật toán tốt nhất ở đây là chuỗi . [ ] 0ˆˆˆˆ 0 22 = úú ú û ù êê ê ë é ×+-- r y x yxyx F+= úú ú û ù êê ê ë é hc r y x Gc 0 , úú úú úú ú û ù êê êê êê ê ë é +-- = 22 0 20 10 2 1 2 1 ˆˆ 1 ˆ 0 ˆ 0 yx r r r y y y y x x x x Gc NNN !!! , . úú úú úú ú û ù êê êê êê ê ë é +- +- +- -= 0 ˆ2 2 1 0 0 2 0 02 2 20 01 2 10 r KKr KKr KKr hc NN ! úú úú úú ú û ù êê êê êê ê ë é =F xyz r N j j j j j ! 2 1 , , úú ú û ù êê ê ë é =¢ xy r f f y y 00 00 00 BQBc ×××= 2y , úú úú û ù êê êê ë é = Nr r r B ! "#"" ! ! 00 00 00 2 1 , ( ) ( ) ( )222 ˆˆˆ iiii zzyyxxr -+-+-= , 0ˆrr sf = sf 0ˆr xy = 16 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Taylor, hiệu nĕng của thuật toán này tốt trên toàn dải di chuyển của đài tàu. Thuật toán được đề xuất rõ ràng tốt hơn hẳn so với Chan và SI và có hiệu nĕng tương đương với chuỗi Taylor. Ưu điểm, của phương pháp đề xuất so với chuỗi Taylor đó là tính toán đơn giản và không cần phải có giá trị khởi tạo. Hình 5. So sánh RMSE của 4 thuật toán ở các cự ly khác nhau Với hướng thứ 2, vị trí của MS được lựa chọn ngẫu nhiên trong 1 phạm vi hình chữ nhật có độ dài 200 m, trung tâm ở (350,200). Chuỗi các sai số đo đạc được liệt kê ở bảng 2. Bảng 2. Độ lệch chuẩn của TDOA num 1 2 3 4 5 6 σ(s) 1×10-4 5×10-4 1×10-3 5×10-3 1×10-2 4.5×10-2 Hình 6 minh họa sai lệch vị trí tĕng lên khi sai số đo đạc tĕng lên. Mặt khác, khi tạp âm lớn, phương pháp chuỗi Taylor sẽ không hội tụ do giá trị khởi tạo không hợp lý như minh họa ở hình 7. Tuy nhiên, phương pháp đề xuất có tính ổn định tốt hơn. Hình 6. So sánh RMSE của 4 thuật toán trong các điều kiện nhiễu khác nhau Hình 7. Độ lệch chuẩn của 4 thuật toán trong các điều kiện nhiễu khác nhau 4. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất thuật toán xác định vị trí của đài tàu dựa trên việc thu tín hiệu AIS theo phương pháp sai lệch sóng tới TDOA. Thuật toán được đề xuất đạt hiệu nĕng 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 nĕng 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.S. Ning, Y.T. Wu, D.J. Sun (2014), The development of LBL acoustic positioning system and its application, HSAC. 34, 72. [2] D.Eswara Chaitanya, G.Sasibhushana Rao (2016), Unknown radio source localization based on a modified closed form solution using TDOA measurement technique, PCS. 87, 184. [3] Y.T. Chan, H. Yau, C. Hang. Pakchung Ching (2006), Exact and Approximate Maximum Likelihood Localization Algorithms, IEEE 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 array measurement and cross-correlation 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. 17 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 Nguyễn Trọng Các - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Nĕm 2002: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện, chuyên ngành Điện nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội + Nĕm 2005: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật tự động hóa, chuyên ngành Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Nĕm 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 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): + Nĕm 2003: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện tử viễn thông chuyên ngành Điện tử viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội + Nĕm 2007: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Điện tử viễn thông chuyên ngành Điện tử viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội Nĕm 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