Ứng dụng phương pháp TDOA để xác định tọa độ phương tiện bay không người lái siêu nhẹ Flycam

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 
 N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để  Flycam.” 166 
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TDOA ĐỂ XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ 
PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI SIÊU NHẸ FLYCAM 
Nguyễn Huy Hoàng1*, Nguyễn Lê Cường2, Trần Vũ Kiên2 
Tóm tắt: Việc sử dụng Radar chủ động để đo đạc các tham số tọa độ các 
phương tiện bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) như các Flycam thường 
gặp phải tình huống là ở cự ly xa do diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) rất nhỏ (chỉ 
từ 0.01m2 đến 0,05m2) nên việc phát hiện là khó khăn và bị hạn chế khi gặp các vật 
cản che khuất, do đó, rất khó có thể đo liên tục được. Trong khi đó, các phương tiện 
bay không người lái siêu nhẹ (PTBKNLSN) thường truyền dữ liệu xuống thiết bị 
điều khiển qua sóng vô tuyến (RF), do đó, bằng cách đo thời gian tới của tín hiệu 
tại các ăng ten thu và sau đó sử dụng phương pháp sai lệch thời gian tới (TDOA) 
thì sẽ xác định tọa độ của PTBKNLSN trong không gian. 
Từ khóa: Phương tiện bay không người lái siêu nhẹ; Phương pháp TDOA. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Việc xác định các toạ độ nguồn phát xạ vô tuyến đặt trên PTBKNLSN trong hệ thống 
nhiều vị trí thụ động có thể được thực hiện bằng sử dụng phương pháp sai lệch thời gian 
tới (TDOA: Time Difference Of Arrival) hay còn gọi là phương pháp hypecbol [1, 2]. 
Trong phương pháp này, căn cứ vào sai lệch thời gian tới của tín hiệu (truyền dữ liệu hình 
ảnh) bức xạ từ PTBKNLSN tới các trạm thu thụ động người ta xây dựng được các 
hypecbol có tiêu điểm là vị trí các trạm thu này, giao điểm của các hypecbol vừa dựng 
được sẽ cho ta toạ độ chính xác của nguồn phát xạ vô tuyến hay nói một cách khác là tọa 
độ của PTBKNLSN. 
Hình 1. Phương pháp định vị sử dụng nguyên lý TDOA. 
Trên hình 1 mô tả việc xác định tọa độ nguồn bức xạ bằng phương pháp TDOA, trong 
đó, R1, R2, R3, R4 là các máy thu giám sát vô tuyến, vị trí nguồn phát xạ vô tuyến là điểm 
S được xác định bởi giao nhau của các đường hypecbol. 
2. XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ PTBKNLSN 
TRONG KHÔNG GIAN VỚI BỐN TRẠM THU 
Xét hệ 4 vị trí thu đặt trên mặt đất, gồm 4 trạm: Trạm 1 trùng với trạm trung tâm tọa độ 
0(0, 0, 0), trạm 2 tọa độ T2(x2, y2, 0), trạm 3 tọa độ T3(x3, y3, 0), trạm 4 tọa độ T4(x4, y4, 0), 
như hình 2 (thông thường, người ta bố trí các trạm sao cho có thể bỏ qua độ cong của trái 
đất, coi chúng như nằm trên một mặt phẳng). Các trạm được bố trí cách trạm trung tâm với 
khoảng cách L1, L2, L3với: 
2 2
i i iL x y (L1, L2, L3 là các đường đáy). 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 167 
Hình 2. Xác định tọa độ mục tiêu trong không gian 3D theo phương pháp TDOA. 
Giả sử mục tiêu nằm trong không gian có tọa độ M(x, y, z), thời gian trễ khi tín hiệu 
truyền từ mục tiêu đến trạm 2, trạm 3 và trạm 4 so với trạm trung tâm lần lượt là: dt1, dt2, 
dt3, tương ứng với khoảng cách d1, d2, d3. 
Ta có: .i id c dt 
Với tốc độ ánh sang là: 3.108 m/s. 
Cự ly, phương vị và góc tà của mục tiêu so với trung tâm (điểm 0(0, 0, 0)), được tính 
như sau [1]: 
3
2 2
1
3
1
sin
sin
2
i
i i
i i
i i
i i
L d
L
r
d
L


(1) 
2 2
1 2 1 2 3
2
3
2 cos
cos
sin
c c c c 

 (2) 
1 3 3 1 2 3 3 21 2 2 1
2 1 1 2 3 1 1 3 3 2 2 3
cos cos cos coscos cos
sin sin sin sin sin sin
c c c cc c
tg
c c c c c c

 (3) 
Trong đó: Li là các đường đáy; αi là góc phương vị của các trạm so với phương Bắc. 
1 3 2 2 1 3 3 2 1
2 2
1
, ,
2. .
i i
i
i i
d L d
c
L r L
Tương tự, ta tìm được toạ độ (x, y, z) của mục tiêu. Từ hệ phương trình: 
2 2 2 2 2 2
1 1 2 2. ( ) ( )d c dt x x y y z x y z (4) 
2 2 2 2 2 2
2 2 3 3. ( ) ( )d c dt x x y y z x y z 
(5) 
2 2 2 2 2 2
3 3 4 4. ( ) ( )d c dt x x y y z x y z 
(6) 
3. XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG 
Thách thức chính của hệ thống là PTBKNLSN hoạt động trong môi trường lẫn với các 
tín hiệu Wifi khác. Tham khảo các nghiên cứu trước đây về việc xây dựng một hệ thống 
phát hiệnPTBKNLSN [4, 5], nhóm tác giả đã thiết kế hệ thống thu thụ động để xác định 
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 
 N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để  Flycam.” 168 
tọa độ của PTBKNLSN như trong hình 2. Hệ thống bao gồm bốn bộ thu để xác định tọa 
độ nguồn phát xạ vô tuyến được đặt trên PTBKNLSN xuất hiện trong khu vực giám sát. 
Mỗi vị trí triển khai bộ thu của hệ thống giám sát bao gồm một ăng ten vô hướng để phát 
hiện sự hiện diện của tín hiệu PTBKNLSN và hệ tám ăng ten định hướng để thu tín hiệu 
downlink của PTBKNLSN. Hệ thống chuẩn thời gian bằng GPS. 
Hình 3. Sơ đồ khối một trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN. 
Cấu hình của 01 trạm thu tín hiệu từ PTBKNLSN trong hệ thống để xác định hướng 
của PTBKNLSN dựa trên việc đo thời gian đến ăng ten đặt ở các góc của tín hiệu 
downlink như được minh họa trong hình 3. 
Mỗi hướng thu tín hiệu từ PTBKNLSN được phát hiện dựa trên ăng ten định hướng để 
xác định các góc tới. Kết hợp các tín hiệu thu được ở các thời gian khác nhau từ các ăng 
ten thu của mỗi trạm và tọa độ đã biết của các trạm thu, khi đó, bằng nguyên lý TDOA cài 
đặt trong máy tính chủ đặt tại một trong 04 trạm thu thì tọa độ của PTBKNLSN sẽ được 
tính toán và cho ra kết quả. 
Mô-đun phân tích tín hiệu PTBKNLSN được sử dụng để phát hiện sự hiện diện và xác 
định vị trí của nó. Mô-đun gồm một máy thu RF được kết nối với ăng ten đa hướng và thụ 
động để thu thập tín hiệu PTBKNLSN khi giao tiếp điều khiển của nó trên các kênh RF. 
Khi các mẫu RF được thu thập, khối xử lý phân tích các tín hiệu thu sử dụng biến đổi 
Fourier nhanh [4, 5] để xác định xem có tín hiệu PTBKNLSN hay không. Khi một 
PTBKNLSN được phát hiện, đầu ra FFT chứa tín hiệu được thu thập của PTBKNLSN sau 
đó được sử dụng làm mẫu để nhận diện nó luôn. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 169 
4. ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG 
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm tại một khu vực bay trong khuôn viên 
một bãi đất trống để xác nhận tính khả thi của phương pháp này. Có bốn trạm được triển 
khai trong thời gian thử nghiệm cách nhau theo các khoảng cách là 250m. Mỗi thiết lập 
trạm cảm biến được minh họa trong hình 4. 
a) b) 
Hình 4. Cấu hình bố trí trạm thu (a) Ngôi sao (b) Hình chữ T. 
Hệ thống đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN bao gồm 04 máy tính dạng 
Box, 04 bo mạch USRP B210, 04 bộ điều khiển ăng ten định hướng (hình vẽ ăng ten định 
hướng), một ăng ten vô hướng (9dBi). Máy tính xách tay làm máy trung tâm có CPU i7 
chạy hệ điều hành Ubuntu 18.04 LTS cài đặt GNURadio 3.7.12 được sử dụng trong quá 
trình thử nghiệm. Hệ 08 ăng ten định hướng được điều khiển bởi một mô-đun chuyển 
mạch để điều khiển ăng-ten quay về các hướng để tìm kiếm tín hiệu của. PTBKNLSN. 
Trong thử nghiệm của bài báo là loại Phantom 4 của DJI được điều khiển bay ở các độ cao 
20m, 50m và 100m với các góc phương vị và góc ngẩng cho trước, khoảng cách từ 
PTBKNLSN đến máy thu gần nhất là 200m. Máy bay không người lái DJI hoạt động ở tần 
số 2,4065 GHz, công suất phát của thiết bị RF trên máy bay là 100mW và đã được thiết kế 
lại có thể thay đổi lại theo các mức % công suất khác nhau. Do các thí nghiệm được tiến 
hành tại một khu vực gần khu dân cư nên trong thử nghiệm có ảnh hưởng của Wi-Fi. 
4.1. Kết quả thực nghiệm 
Bảng 1. Kết quả xử lý tín hiệu đối với Flycam Phantom 4 ở khoảng cách 200m so với trạm 
gần nhất, với số lượt thử là 10 lần, công suất phát 30%. 
 Sai số 
% 
Độ cao 
Góc phương vị 
Góc ngẩng 
Cự ly 
Ảnh hưởng của 
nhiễu nền đến 
chất lượng thu tín 
hiệu 
20m 
*(35,6 - 38,4)% *(37,5- 41,3)% *(31,2-35,5)% Do gần mặt đất 
có nhiều ảnh 
hưởng của nhiễu 
Wifi 
**(37,2-40,1)% **(39,2-43,1)% **(33,3-38,1)% 
50m *(29,4- 33,5)% *(27,3-31,7)% *(18,5-29,2)% Đã bớt ảnh 
hưởng của nhiễu 
Wifi 
**(31,2-35,6)% **(29,1-40,5)% **(19.8-31.5)% 
100m *(15,2-20,6)% *(9,5- 11,3)% *(3,7-10,5)% Đã bớt ảnh 
hưởng của nhiễu 
Wifi 
**(17,5-22,4)% **(12,1-15,5)% **(5,3-12,1)% 
Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường 
 N. H. Hoàng, N. L. Cường, T. V. Kiên, “Ứng dụng phương pháp TDOA để  Flycam.” 170 
Bảng 2. Kết quả xử lý tín hiệu đối Flycam Phantom 4 với ở khoảng cách 200m so với trạm 
gần nhất, với số lượt thử là 10 lần , công suất phát 50%. 
 Sai số % 
Độ cao 
Góc phương vị 
Góc ngẩng 
Cự ly 
Ảnh hưởng của 
nhiễu nền đến 
chất lượng thu tín 
hiệu 
20m 
*(25,3 - 28,7)% *(23,2- 27,5)% *(21,3-25,7)% Do gần mặt đất có 
nhiều ảnh hưởng 
của nhiễu Wifi 
**(28,5-31,2)% **(25,7-30,8)% **(23,7- 29,5)% 
50m *(21,5- 23,7)% *(20,3-24,2)% *(12,2-19,7)% Đã bớt ảnh hưởng 
của nhiễu Wifi 
**(24,3-27,5)% **(23,5-28,5)% **(15,5-21,2)% 
100m *(10,5-15,2)% *(6,3- 11,3)% *(2,5-8,2)% Đã bớt ảnh hưởng 
của nhiễu Wifi 
**(14,2-18,5)% **(8,7-15,5)% **(4,8-11,5)% 
Bảng 3. Kết quả xử lý tín hiệu đối với Flycam Phantom 4 ở khoảng cách 200m 
so với trạm gần nhất, với số lượt thử là 10 lần, công suất phát 100%. 
 Sai số 
% 
Độ cao 
Góc phương vị 
Góc ngẩng 
Cự ly 
Ảnh hưởng của 
nhiễu nền đến 
chất lượng thu tín 
hiệu 
20m 
*(12,6 - 18,4)% *(17,5- 21,3)% *(21,5-25,2)% Do gần mặt đất có 
nhiều ảnh hưởng 
của nhiễu Wifi **(15,2-21,7)% **(19,3-23,5)% **(23,3-29,7)% 
50m 
*(5,4- 8,5)% *(4,5-7,2)% *(4,5-7,2)% Đã bớt ảnh hưởng 
của nhiễu Wifi **(7,5-11,3)% **(7,2-10,3)% **(6,3-10,7)% 
100m 
*(4,2-7,6)% *(3,5- 6,3)% *(3,7-6,5)% Đã bớt ảnh hưởng 
của nhiễu Wifi 
**(7,5-9,8)% **(5,2-9,7)% **(5,3-8,7)% 
Ghi chú: * là trạm thu bố trí hình sao, ** là trạm thu bố trí hình chữ T. 
4.2. Sai số trong phép đo thời gian đến của tín hiệu trên PTBKNLSN 
Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sai số đo thời gian trong hệ thống TDOA: đó là 
sự đồng bộ thời gian giữa các trạm thu. Trong mỗi hệ thống TDOA, việc đồng bộ phải 
đảm bảo gắn thời gian cho quá trình phát hiện nguồn bức xạ vô tuyến, để có thể xác định 
phương vị nguồn bức xạ bằng cách nhận dạng các tín hiệu từ nguồn bức xạ vô tuyến, và 
giải hệ thống các phương trình theo độ trễ của tín hiệu khi đi từ nguồn bức xạ vô tuyến đến 
trạm trung tâm và các trạm bên. Hệ thống thu thụ động TDOA trong bài báo thực hiện hợp 
nhất thông tin ở thị tần. Tại mỗi trạm thu sử dụng một máy thu GPS chuyên dụng, máy thu 
này có xung tần số 1Hz và dao động chuẩn 50MHz được đồng bộ với nhau. Dao động 
chuẩn 50MHz đồng thời được làm xung Clock cho bộ ADC tín hiệu thị tần tại đầu ra của 
trạm. Như vậy, chu kỳ của dao động chuẩn 50MHz (tương ứng với 20ns) là yếu tố quan 
trọng quyết định đến sai số hệ thống của việc đo thời gian. Rõ ràng, muốn giảm sai số đo 
thời gian cho hệ thống thì phải tăng tần số dao động chuẩn. Tuy nhiên, không thể tăng tùy 
ý bởi khi đó phải tính đến dung lượng bộ nhớ cũng như tốc độ tính toán của hệ thống. 
5. KẾT LUẬN 
Trên cơ sở xây dựng một hệ thống đo thời gian tới của tín hiệu cảm ứng trên ăng ten của 
các trạm thu và được truyền về trạm xử lý trung tâm, tại đây, tiến hành tính toán theo nguyên 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 171 
lý TDOA các kết quả cho thấy việc đo thời gian tới để xác định tọa độ PTBKNLSN phụ 
thuộc vào cách bố trí các trạm thu (trong trường hợp này thì trạm thu bố trí hình sao cho sai 
số định vị nhỏ hơn bố trí hình chữ T), tỷ số tín/tạp tại máy thu, và các độ cao khác nhau của 
PTBKNLSN, việc thiết kế hệ 08 ăng ten định hướng cũng đã góp phần nâng cao chất lượng 
xác định tọa độ so với các hệ dùng 04 ăng ten. Để tăng độ chính xác hơn hiện các hãng chế 
tạo trên thế giới đã sử dụng hệ 16 ăng ten, tuy nhiên, điều này đòi hỏi phải có phần cứng xử 
lý mạnh hơn và đi theo nó là phải trả giá là giá thành cao hơn. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Huy Hoàng, “Cơ sở định vị vô tuyến”, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, 
Năm 2018 
[2]. Sreeram Potluri, “Hyperbolic position location estimator with TDOAs from four 
stations”, Master of Science, New Jersey Institute of Technology, USA, 2002. 
[3]. David L. Adamy, “A Second Course in Electronic Warfare”, ISBN 1-58053-686-7 
[4]. P. Nguyen, H. Truong, M. Ravindranathan, A. Nguyen, R. Han, and T. Vu. Matthan: 
“Drone Presence Detection by Identifying Physical Signatures in the Drone’s RF 
Communication”. In Proceedings of the 15th Annual International Conference on 
Mobile Systems, Applications, and Services, MobiSys ’17, pages 211–224, New 
York, NY, USA, 2017. ACM. event-place: Niagara Falls, New York, USA. 
[5]. P. Nguyen, H. Truong, M. Ravindranathan, A. Nguyen, R. Han, and T. Vu. “CostE 
!ective and Passive RF-Based Drone Presence Detection and Characterization”. 
GetMobile: Mobile Comp. and Comm., 21(4):30–34, Feb. 2018. 
ABSTRACT 
MEASURING THE ARRIVAL TIME OF SIGNAL TO DETERMINE 
COORDINATES OF ULTRA-LIGHT DRONE 
The use of the active radar to measure the coordinates of ultra-light drones is 
frequently difficult due to long distance, absolutely small radar cross section (RCS) 
and obstacles. Since ultra-light drones are usually controlled by the radio frequency 
(RF), a method to measure the coordinates of ultra-light drones in the space based 
on the arrival time of signal at receiving antennas and the time difference of arrival 
(TDOA) is proposed in the paper. The experimental results demontrasted that the 
proposed method is potential and high accurate. 
Keywords: Ultra-light drone; TDOA. 
Nhận bài ngày 14 tháng 7 năm 2020 
Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 
Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự; 
2Đại học Điện lực. 
*
Email: huyhoangvtdt686@gmail.com.