Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPSINS

BÁO CÁO LUẬN VĂN THẠC SỸ
Đề tài: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp
GPS/INS
Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRUNG
Học viên thực hiện : ĐINH HẢI NAM
Lớp
: 12BKTTT-VH

Hà Nội, 09-2014
1


 Cùng với sự phát triển của ngành công nghệ thông tin và
ngành điện tử viễn thông, rất nhiều công nghệ mới đã ra đời
nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin của mọi người.
 Với mục đích nắm bắt và làm chủ công nghệ, luận văn này sẽ
tập trung nghiên cứu, phân tích và mô phỏng anten thu phát
thiết bị đầu cuối, cụ thể tác giả sẽ đi vào thiết kế và mô phỏng
một mẫu anten PIFA, ứng dụng cho hệ thống thu phát vô
tuyến GSM.

2


 Phân tính, tính toán các tham số của anten
 Sử dụng phần mềm để thực hiện mô phỏng
 Tối ưu hóa thiết kế dùng phần mềm
 Chế tạo mẫu và đo đạc thực

3

• Các kỹ thuật phân tích và thiết kế anten, kỹ thuật
truyền phát thông tin vô tuyến
• Một số bài viết trên các báo về công nghệ thu/phát vô
tuyến GSM và công trình nghiên cứu về đặc tính của
anten PIFA
• Kỹ thuật mô phỏng để ứng dụng trong công tác
nghiên cứu và chế tạo

4


NỘI DUNG
Tổng quan về định vị điểm chính xác PPP GPS
Giới thiệu sơ lược ....
Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS
Giới thiệu ........
Giải pháp tích hợp GPS và INS
Tính toán,
Kết quả mô phỏng thực
Kết quả thu được khi mô phỏng sai số vị trí giữa các hệ thống rời
rạc và tích hợp

5


Tổng quan về định vị điểm chính xác PPP GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Gồm 3 phân hệ:
Phần vũ trụ : (Space segment)

Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ, được
phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng
20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo
Phần diều khiển : (Control Segment )
MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh và
duy trì thời gian GPS. Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ
tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Ba trạm truyền số liệu có khả
năng chuyển số liệu lên vệ tinh.
Phần sử dụng : (Use Segment)
Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận
tốc, và thời gian. Để tính toán các thông số vị trí và thời gian, chúng ta cần ít nhất
bốn vệ tinh.

6


Tổng quan về định vị điểm chính xác PPP GPS

Phương pháp đo tín hiệu ở bộ thu GPS
Đo giả khoảng cách:
Đo giả sóng mang:
Đo dịch tần Doppler:

7


Tổng quan về định vị điểm chính xác PPP GPS
Sai số đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh

Trễ tầng đối lưu

Tầng điện ly

8


Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS
Các hệ tọa độ trong hệ thống INS
Hệ tọa độ quán tính (i-Frame)
Gốc tọa độ: Tâm trái đất.
Trục Xi: Hướng về điểm xuân phân
Trục Yi: Vuông góc với trục X và Trục Y và hợp thành một tam diện
thuận với hai trục Xi, Yi
Trục Zi: Song song với trục quay của trái đất.
Hệ tọa độ cố định tâm trái đất (ECEF hoặc e-frame)
Gốc tọa độ: Tâm trái đất.
Trục Xe : Hướng về điểm giao giữa kinh tuyến gốc và đường xích
đạo.
Trục Ye : Vuông góc với trục X và Trục Y và hợp thành một tam
diện thuận với hai trục Xe , Ye
Trục Ze: Song song với trục quay của trái đất.
9


Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS
Các hệ tọa độ trong hệ thống INS
Hệ tọa độ định vị (LLF hoặc l-frame)
Gốc tọa độ: Trùng với tâm của cảm biến.
Trục Xl: Chỉ về hướng đông.
Trục Yl: Chỉ về phương bắc.

Trục Zl: Vuông góc với đường kinh tuyến đi qua cảm biến và hướng
lên.
Hệ tọa độ gắn liền vật thể (b-frame)
Gốc tọa độ: Tâm của IMU
Trục Xb: Chỉ về bên phải của phương tiện
Trục Yb: Chỉ theo hướng di chuyển.
Trục Zb: Vuông góc với trục X và Trục Y và hợp thành một tam
diện thuận với hai trục Xb , Yb
10


Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS

Hệ tọa độ tâm trái đất và hệ
tọa độ trắc địa

Hệ tọa độ gắn liền vật thể
11


Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS
Hệ thống định vị quán tính INS
Các thành phần cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính:
INS = IMU + Navigation computer
Trong đó INS: hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation
System)
IMU (có khi còn gọi là IRU) (đơn vị đo quán tính)
= Acc + Gyros
+Acc: gia tốc kế (Accelerometer)
+Gyros: con quay (Gyroscope)

Navigation computer: Máy tính hàng hải làm nhiệm vụ chuyển đổi
các hệ tọa độ, tính toán gia tốc trọng trường và thực hiện các thuật
toán tích phân.

12


Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS
Bộ xử lý INS

Sơ đồi thuật toán xử lý INS
13


Giải pháp tích hợp giữa INS và GPS
Phương pháp tích hợp GPS/INS

Hệ thống tích hợp chặt chẽ.

14


Giải pháp tích hợp giữa INS và GPS
Phương pháp tích hợp GPS/INS

Hệ thống tích hợp chặt lỏng GPS/INS
15


Giải pháp tích hợp giữa INS và GPS

Bộ lọc Kalman

Quy trình tính toán của bộ lọc Kalman
16


Tích hợp định vị điểm chính xác GPS và INS
Hệ thống PPP GPS/INS theo phương pháp chặt chẽ

17


Tích hợp định vị điểm chính xác GPS và INS
Hệ thống PPP GPS/INS theo phương pháp lỏng

18


Mô Phỏng – Kết quả
Kịch bản
Đánh giá và so sánh sai số giữa các hệ thống GPS, hệ
thống INS, và hệ thống tích hợp GPS/INS lỏng sử dụng
bộ lọc Kalman.
Mô tả tổng quan:
Thiết kế mô hình mô phỏng, sơ đồ khối hệ thống, phân
tích đầu vào đầu ra, sơ đồ khối giải thuật, sơ đồ khối xử
lý, triên khai mã nguồn thể hiện ứng dụng GPS/INS
trong dự đoán sai số vị trí của đối tượng.

19

Mô Phỏng – Kết quả
Sơ đồ khối bài toán mô phỏng

Sơ đồ khối mô phỏng tích hợp lỏng PPP GPS/INS
20


Mô Phỏng – Kết quả
Kết quả mô phỏng

21


Mô Phỏng – Kết quả
Kết quả mô phỏng

22


Mô Phỏng – Kết quả
Kết quả mô phỏng

23


Mô Phỏng – Kết quả
Kết quả mô phỏng

24


Mô Phỏng – Kết quả
Kết quả mô phỏng

25