Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

PHẠM VĂN HÒA

VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG
ĐỊNH VỊ CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI THEO
BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số:

62 52 02 03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Nguyễn Thế Hiếu
2. TS Lê Kỳ Biên
Phản biện 1: PGS. TS Trần Đức Tân
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
Phản biện 2: PGS. TS Lê Vĩnh Hà

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
Phản biện 3: TS Phan Nhật Giang
Học viện Kỹ thuật Quân sự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện
họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi …… ngày …… tháng
…… năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Viện KH&CN quân sự.
- Thư viện Quốc gia Việt Nam.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Gần đây, máy bay không người lái (UAV) đã trở thành nhân tố quan
trọng, phát huy hiệu quả trong tác chiến hiện đại, nhưng khả năng hoạt
động lại phụ thuộc nhiều vào các hệ thống định vị và dẫn đường trên
khoang. Việc nghiên cứu các phương pháp định vị và dẫn đường cho UAV
và thiết bị bay luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Tuy nhiên
do liên quan đến ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp
chi tiết cho các hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình (TAN), nhất là
TAN sử dụng thiết bị định vị vô tuyến (ĐVVT) trên khoang ít được công
bố rộng rãi, ở nước ta vẫn chưa được quan tâm nhiều. Vì vậy, nghiên cứu
phương pháp TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang cho UAV là cần
thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở nước ta hiện nay.
Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài nghiên
cứu cho luận án tiến sĩ “Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị
cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương”.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo
bản đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt
đất, sử dụng thiết bị ĐVVT, hàm tương quan cực trị (ECF) và hệ thống
dẫn đường quán tính (INS).
- Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên
phần cứng dựa trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước
của thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu hệ thống ĐVVT trên khoang theo bản đồ địa phương.
Xây dựng một số giải pháp và mô hình hệ thống ĐVVT cho UAV kiểu
trực thăng (bay ở độ cao từ 100 - 500m, tốc độ bay dưới 80km/giờ) theo
bản đồ địa phương ở Việt Nam.


2
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Vận dụng lý thuyết định vị vô tuyến, xác suất thống kê và tính toán
giải tích để xây dựng mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong
bài toán định vị theo bản đồ địa phương. Đánh giá kết quả bằng mô phỏng
thống kê trên máy tính và thử nghiệm thuật toán định vị trên phần cứng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án đặt ra và giải quyết nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và
khoa học trong xây dựng giải pháp định vị cho UAV theo bản đồ địa
phương, cho phép cải thiện hiệu quả và độ tin cậy định vị. Các kết quả đạt
được của luận án phù hợp và đáp ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay và trong
tương lai, mở ra các hướng nghiên cứu ứng dụng khả thi ở Việt Nam.
6. Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án
1) Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích các cơ
sở toán học để xây dựng các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương.

2) Đề xuất giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa
phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất.
3) Xây dựng mô hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo bản đồ
địa phương sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS.
4) Xây dựng thuật toán định vị theo bản đồ địa phương, đề xuất phương
pháp lựa chọn các tham số nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất định vị.
5) Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên
phần cứng để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra một
số khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của
tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung luận án gồm 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống định vị và dẫn đường trên khoang cho
UAV; Chương 2. Thông tin định vị vô tuyến và xây dựng giải pháp tạo
bản đồ địa phương; Chương 3. Xây dựng mô hình hệ thống và giải pháp
định vị theo bản đồ địa phương cho UAV.


3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ
VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN KHOANG CHO UAV
1.1. Nhu cầu phát triển hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV
Sử dụng các hệ thống định vị và dẫn đường phức hợp, có thể hỗ trợ
nhau trong nhiều tình huống tác chiến là xu thế phát triển của UAV và
thiết bị bay hiện đại, đang đặt ra nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu.
1.2. Hệ tọa độ trong các hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV
1.2.1. Hệ tọa độ tham chiếu vuông góc không gian
1.2.2. Hệ tọa độ địa lý toàn cầu WGS-84
1.2.3. Hệ quy chiếu tọa độ vuông góc phẳng
1.3. Hệ thống dẫn đường quán tính

1.3.1. Sơ đồ chức năng của hệ thống dẫn đường quán tính
1.3.2. Phương trình dẫn đường quán tính
1.3.3. Khả năng ứng dụng của INS và hệ thống dẫn đường kết hợp
INS hoạt động không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài, không bị gây
nhiễu, nhưng tồn tại sai số tích lũy theo thời gian nên thường cần kết hợp với
các hệ thống tham chiếu khác: định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS), TAN…
1.4. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
1.4.1. Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
1.4.2. Nguyên lý tính toán và định vị trong hệ thống GNSS
1.4.3. Độ chính xác định vị của hệ thống GNSS
Hệ thống GNSS có độ chính xác cao, dễ sử dụng nhưng chịu tác động
bởi nhiều yếu tố, dễ bị gây nhiễu từ bên ngoài hoặc bị tạo giả.
1.5. Hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình
1.5.1. Sự phát triển và ứng dụng của dẫn đường TAN
TAN sử dụng phép so ghép đặc trưng địa hình mặt đất để xác định tọa
độ cho phương tiện mang. Do hoạt động chủ động, TAN khó bị gây nhiễu
hơn GNSS nhưng luôn cần có sự khác biệt về đặc trưng địa hình.


4
1.5.2. Dẫn đường theo độ cao địa hình TERCOM và SITAN
TERCOM và SITAN là 2 phương pháp TAN điển hình, sử dụng đặc
trưng đường bao độ cao địa hình để định vị cho phương tiện mang, đang
được ứng dụng trên nhiều UAV và tên lửa hành trình.
1.5.3. Dẫn đường theo bản đồ địa hình số DTM
Biểu diễn đặc trưng địa hình dạng bản đồ địa hình số (DTM) cho phép
cải thiện độ chính xác và khả năng tính toán. TAN sử dụng thiết bị ĐVVT
có thể hoạt động ở mọi ví trí, điều kiện thời tiết, khó bị gây nhiễu…
1.5.4. Phương pháp dẫn đường trong môi trường chưa biết SLAM
1.6. Một số nghiên cứu về dẫn đường tham chiếu địa hình

Trong các kết quả nghiên cứu đã công bố, việc xây dựng phương pháp
tự động định vị cho UAV theo đặc trưng phản xạ của bề mặt mặt đất sử
dụng thiết bị ĐVVT vẫn còn một số vấn đề chưa được đề cập hoặc không
được công bố rộng rãi, cần tiếp tục được nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn.
1.7. Bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương
1.7.1. Đặt bài toán
Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo bản
đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất,
sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS. Thực
nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng dựa
trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước của thiết bị
ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất.
1.7.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán
Bài toán được giải trong những điều kiện và giới hạn sau:
- Tại thời điểm định vị, UAV trong giai đoạn bay bằng, ổn định trạng
thái trên cơ sở dẫn đường INS (có mô hình sai số tọa độ theo thời gian có
thể ước lượng trước), giữ độ cao và hướng bay đúng theo hành trình định
trước. Việc thu thập, phân tích tín hiệu phản xạ và xử lý thông tin định vị
có thể xem là quá trình dừng so với tốc độ tính toán.


5
- Các thông số kỹ thuật của thiết bị ĐVVT trên khoang đã xác định
trước và cố định trong suốt quá trình hoạt động, chức năng quét mặt đất của
thiết bị ĐVVT có thể thực hiện chuẩn xác theo yêu cầu của hệ thống định vị.
Các tham số cung cấp cho hệ thống từ thiết bị ĐVVT và cảm biến trên
khoang (trạng thái góc anten và độ cao bay) là đủ chính xác và tức thời.
- Để phục vụ mô phỏng, thư viện bản đồ theo hệ số phản xạ của bề mặt
mặt đất (tại các khu vực và độ cao bay trong hành trình bay của UAV) sẽ
được tạo bằng phương pháp giả định, được xem là đủ tin cậy và tương ứng

với các thông số của thiết bị ĐVVT đã chọn. Mô hình thống kê và phạm vi
các yếu tố ngẫu nhiên tác động đến tín hiệu phản xạ có thể dự đoán. Dữ liệu
tra cứu từ các tài liệu tham khảo trong luận án là đủ độ tin cậy.
1.7.3. Phương pháp, nội dung nghiên cứu và hướng giải quyết
1.8. Kết luận chương 1
Dựa trên các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra một số nhận xét sau:
1. Để đáp ứng yêu cầu về khả năng tác chiến và các nhu cầu ứng dụng
ngày càng cao của UAV và thiết bị bay, việc sử dụng các hệ thống dẫn
đường phức hợp dựa trên dẫn đường INS, GNSS và TAN nhằm hỗ trợ
nhau trong nhiều tình huống thực tế phức tạp, nâng cao độ chính xác, độ
ổn định và khả năng chống nhiễu là xu thế tất yếu.
2. Dẫn đường TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang vẫn chưa
được nghiên cứu nhiều, nhất là tại Việt Nam và ít được công bố rộng rãi do
các yếu tố liên quan đến ứng dụng quân sự. Các kết quả nghiên cứu theo
hướng này cho UAV vẫn còn một số nội dung chưa được công bố, cần có
những nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn.
Do đó, bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương
được đặt ra và giải quyết trong luận án có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn. Trên cơ sở đó, 5 nội dung nghiên cứu chính đã được đặt
ra và sẽ thực hiện trong các chương 2 và 3 của luận án.


6
Chương 2
THÔNG TIN ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ
XÂY DỰNG GIẢI PHÁP TẠO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG
2.1. Đặc trưng phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất
2.1.1. Tính chất phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất
Kích thước phần tử phân giải mặt đất có thể tính theo biểu thức:
d x   R / cos   c. / (2cos  )

(2.1)

d y   B  2.R.sin( / 2)  R.
với  R  c. / 2 và  B  2.R.sin( / 2) tương ứng là độ phân giải theo cự ly
và phương vị của thiết bị ĐVVT,  - độ rộng búp sóng anten,  - độ rộng
xung phát,  - góc chiếu xạ, c = 3.108 m/s - tốc độ truyền sóng điện từ
trong không khí, R - cự ly đến vùng mặt đất chiếu xạ.
Gọi H là độ cao của thiết vị ĐVVT so với mặt đất, ta có R = H / sin,
do đó diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của vùng mặt đất chiếu xạ là:
 .H . .c.
(2.5)

2.cos 
với  là hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất chiếu xạ.
2.1.2. Phương trình xác định hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất
Dạng phổ biến của phương trình radar và ĐVVT có dạng:
Рt 

Pр .G 2 . 2 .
(4 ) 3 .R 4 .L

(2.13)

trong đó: Pp - công suất phát đỉnh, G - tăng ích anten,  - bước sóng xung
thăm dò, L - suy giảm công suất tín hiệu.
Vì biểu thức (2.5) được sử dụng để tính RCS cho mục tiêu dạng bề
mặt của mặt đất, thay  từ (2.5) và R = H / sin vào (2.13) ta nhận được:
2
2
4

1 Pр .G . . .c. .sin 
(2.16)
Pt  3 .
.
H .L
128. 3 .cos 
Trong phạm vi của luận án, C 

Pр .G 2 . 2 . .c. .sin 4 
128. 3 .cos 

là hằng số. Từ

biểu thức (2.16), hệ số phản xạ  có thể xác định dưới dạng đơn vị dB:


7
 dB  Pt dB  C dB  3.H dB  LdB

(2.20)

Các phương trình (2.1) và (2.20) là cơ sở để xây dựng bản đồ địa
phương và các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương.
2.1.3. Đặc trưng thống kê biên độ của tín hiệu phản xạ
Hàm mật độ xác suất (PDF) của biên độ tín hiệu phản xạ có dạng:
 U 2  U 02   U .U 0 
U
(2.30)
f (U )  2 exp  
 .I 0 



2 2    2 

trong đó: I 0  U .U2 0   1
  

2

2

 U .U 0 .cos  
 d  là hàm Bessel loại I bậc 0,
 2


 exp 
0

U - biên độ tín hiệu phản xạ tổng hợp, U0 - biên độ thành phần phản xạ
chính,  2 - phương sai biên độ các thành phần phản xạ phụ.
2.2. Sự suy giảm công suất tín hiệu phản xạ
2.2.1. Các yếu tố làm suy giảm công suất tín hiệu phản xạ
Suy giảm công suất tín hiệu phản xạ được chia thành:
dB
LdB  LdB
c  Lf
dB
dB
trong đó: Lc - suy hao cố định, L f - thăng giáng công suất.

(2.32)

Với thiết bị ĐVVT trên khoang, suy hao cố định gồm:
dB
dB
dB
LdB
c  La  Lant  LB
dB
a

dB
ant

với L , L

(2.33)

dB
B

, L tương ứng là suy hao do khí quyển, do dạng búp sóng

anten và do hệ số độ rộng búp sóng anten.
2.2.2. Mô hình thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ
Từ (2.30), hàm PDF của biên độ tín hiệu phản xạ có các dạng sau:
- Phân bố Rice theo (2.30) nếu tín hiệu phản xạ gồm thành phần phản
xạ chính và các thành phần phụ.
- Phân bố Reyleigh nếu tín hiệu phản xạ chỉ có các thành phần phụ.

- Tiến tới phân bố Gaussian khi thành phần phản xạ chính rất mạnh
hơn các thành phần phản xạ phụ.
Đây là cơ sở cho việc thực hiện mô phỏng sự tác động của yếu tố
thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ trong luận án.


8
2.3. Bản đồ địa phương và bản đồ thăm dò
2.3.1. Xác định các tham số của phần tử phân giải mặt đất
- Kích thước phần tử phân giải mặt đất:
 d x  c. / (2 cos  )

 d y  H . / sin 

(2.36)

- Hệ số phản xạ của phần tử phân giải mặt đất:
dB
 dB  Pt dB  C dB  3.H dB  LdB
c  Lf

(2.37)

2.3.2. Bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất
Bản đồ địa phương (M x N) pixel có thể biểu diễn dưới dạng ma trận
tham chiếu ACh gồm (M x N) phần tử.
2.3.3. Bản đồ thăm dò, ma trận thăm dò và ma trận chuẩn
Để biểu diễn bản đồ thăm dò, có thể sử dụng ma trận thăm dò ATD
gồm (m x n) phần tử. Bài toán định vị theo bản đồ địa phương k quy về tìm
ma trận chuẩn ACh-k-i,j trong ma trận tham chiếu ACh-k giống nhất với ma

trận thăm dò ATD cùng kích thước, từ đó tìm được bộ chỉ số định vị (I, J).
2.4. Đề xuất giải pháp xây dựng bản đồ địa phương
2.4.1. Giải pháp xác định các tham số của bản đồ địa phương
1) Kích thước của phần tử phân giải bản đồ (dxk, dyk): xác định theo
biểu thức (2.36) dựa trên các tham số chiếu xạ (, , Hk, k, k).
2) Kích thước của bản đồ (Dxk x Dyk): được chọn sao cho, vùng bản đồ
thăm dò quét được luôn nằm trong bản đồ địa phương k tương ứng.
3) Tọa độ gốc của bản đồ (x0k, y0k): chọn để tâm bản đồ địa phương
nằm trên quỹ đạo bay định trước của UAV.
dB
4) Các giá trị hệ số phản xạ  của các pixel bản đồ: xác theo biểu

thức (2.37) hoặc dựa trên bản đồ phản xạ có độ phân giải cao:
Q

 i , j    i , j (q ).S (q)

(2.39)

q 1

trong đó, Q - số vùng đồng nhất nằm trong pixel thứ (i, j), mỗi vùng có
diện tích S(q) và hệ số phản xạ đồng nhất i,j(q).


9
2.4.2. Giải pháp xây dựng ma trận tham chiếu
Kích thước của ma trận tham chiếu có thể tính theo biểu thức:
 N  int( Dx / d x )


 M  int( Dy / d y )

(2.40)

Mỗi phần tử ma trận tham chiếu ACh(i, j) chính là hệ số phản xạ  i , j ,
được xác định theo Pt trong biểu thức (2.37) nhờ bộ biến đổi ADC:

ACh (i, j)  int( i, j .15/  Max )

(2.41)

trong đó,  Max là hệ số phản xạ lớn nhất của bề mặt mặt đất.
Do đó, mỗi byte bộ nhớ có thể lưu trữ được 2 phần tử của ma trận
tham chiếu, cho phép hạn chế dung lượng bộ nhớ lưu trữ trên khoang.
2.4.3. Giải pháp xây dựng bộ cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương
Tọa độ gốc (x0k, y0k) được chọn sao cho bản đồ địa phương k có độ bất
đồng về hệ số phản xạ cao nhất. Một số tham số của bản đồ địa phương
được xác định dựa trên tốc độ sai số tọa độ của INS (  d IN S [m/s]) và giới
hạn sai số tọa độ theo nhiệm vụ bay của UAV ( dUAV [m]):
1) Chu kỳ định vị Tdv:
Td v   d UAV /  d INS [s]

(2.43)

2) Cự ly tối đa giữa các bản đồ địa phương liên tiếp:
(2.44)

ddv  Tdv .VUAV [m]

với VUAV - tốc độ bay trung bình của UAV.

3) Số bản đồ địa phương KMax cần xây dựng cho một hành trình bay:
K =d / d  d .d / (d .V )
(2.45)
Max

UAV

dv

UAV

INS

UAV

UAV

trong đó, dUAV là tổng độ dài hành trình theo nhiệm vụ bay của UAV.
4) Kích thước của mỗi bản đồ địa phương:
 Dx  2.dUAV + n.d x [m]

 Dy  2.dUAV + m.d y [m]

(2.46)

5) Bộ tham số (dx, dy), (x0, y0), (M, N), ACh đã xác định ở trên.
Giải pháp xây dựng bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt
mặt đất tạo ra bộ cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT trên khoang.

10
2.5. Xây dựng thuật toán và phần mềm tạo các bản đồ địa phương
2.5.1. Xây dựng thuật toán tạo các bản đồ địa phương

Hình 2.12. Lưu đồ thuật toán xây dựng các bản đồ địa phương
2.5.2. Xây dựng phần mềm tạo bản đồ địa phương
Với thuật toán đã đề xuất, phần mềm tạo các bản đồ địa phương có
các độ phân giải khác nhau được xây dựng trên Visual Basic (hình 2.13).

Hình 2.13. Giao diện phần mềm xây dựng bản đồ địa phương


11
Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật chính của thiết bị ĐVVT giả định
STT
1
2
3
4
5

Thông số kỹ thuật
Công suất phát đỉnh
Bước sóng
Độ rộng xung phát
Độ rộng búp sóng
Tăng ích anten

Ký hiệu
Pp




G

Đơn vị
dB
m
m
độ
dB

Giá trị
30
0,03
0,1.10-6
3
12

Để tạo cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương với các tham số khác
nhau như hình 2.16 phục vụ thực nghiệm và mô phỏng, luận án chọn một
bộ tham số của thiết bị ĐVVT băng X giả định trên bảng 2.2 và bản đồ
phản xạ giả định dựa trên bản đồ khu vực sân bay Cát Bi (Hải Phòng).

Hình 2.16. Các bản đồ địa phương tại các độ cao bay khác nhau
2.6. Kết luận chương 2
1. Tính chất phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất, đặc trưng bởi
kích thước phần tử phân giải và hệ số phản xạ, có thể xác định dựa trên các
thông số cho trước của thiết bị ĐVVT trên khoang.

2. Tín hiệu phản xạ là biến ngẫu nhiên, chịu tác động của các yếu tố
làm suy hao và thăng giáng công suất, ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy
định vị theo bản đồ địa phương, cần được nghiên cứu và đánh giá chi tiết.
3. Giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa phương dựa
trên các thông số của thiết bị ĐVVT, mô hình sai số của INS và yêu cầu
nhiệm vụ bay của UAV cho phép: tạo ra bộ cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ
thống ĐVVT trên khoang UAV, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy định vị.


12
Chương 3
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ GIẢI PHÁP
ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG CHO UAV
3.1. Một số phương pháp so ghép ma trận trong hệ thống TAN
3.1.1. Phương pháp sai số trung bình bình phương nhỏ nhất
 1 m n
2
MMSE ( I , J )  Min 
ACh i , j ( p, q )  ATD ( p, q)  


(i , j )
 m.n p 1 q 1


(3.4)

Gọi Kng là ngưỡng quyết định so ghép ma trận, nếu MMSE(I, J) < Kng,
việc xác định ma trận ACh-I,J là đủ tin cậy và có bộ chỉ số định vị (I, J).
3.1.2. Phương pháp sai số tuyệt đối trung bình tối thiểu

 1 m n

LMAE ( I , J )  Min 
ACh i , j ( p, q)  ATD ( p, q) 

(i , j )
 m.n p 1 q 1


(3.8)

Nếu LMAE(I, J) < Kng, việc xác định ma trận chuẩn ACh-I,J là đủ tin cậy.
3.1.3. Phương pháp tương quan cực trị
m n




 А ( p, q )  А   А ( p, q)  А 

p 1 q 1
 (3.11)
rMax ( I , J )  Max 

m n
m n
(i , j )
2
   А ( p, q)  А    А ( p, q)  А 2 
 p 1 q 1


p 1 q 1
với: АCh  i,j , АTD là giá trị trung bình các phần tử của ma trận ACh-i,j và ATD.
Ch  i,j

Ch  i,j

Ch  i,j

Ch  i,j

TD

TD

TD

TD

Nếu rMax(I, J) > Kng, ma trận chuẩn ACh-I,J tìm được là đủ tin cậy.
3.2. Xây dựng một số giải pháp trong hệ thống định vị theo bản đồ địa
phương cho UAV
3.2.1. Xác định thời điểm mở đầu dò định vị vô tuyến trên khoang
Cự ly từ UAV tại điểm M(xM, yM, zM) đến tâm bản đồ địa phương k:
R  ( xM  xTk ) 2  ( y M  yTk ) 2  ( z M  zTk ) 2

(3.15)

Cự ly từ điểm bắt đầu mở đầu dò đến tâm bản đồ địa phương k là:
Rk  Hk .sin k

(3.16)

Giám sát cự ly R, khi bắt đầu xảy ra R  Rk, UAV thâm nhập vào bản
đồ địa phương k là thời điểm đầu dò của thiết bị ĐVVT được mở.


13
3.2.2. Giải pháp xác định tọa độ của UAV theo bản đồ địa phương
Tọa độ của UAV được xác định theo biểu thức:
 xM  x0 k  J .d xk .sin k  I .d yk .cos k  H k .cot  k .cos k

 yM  y0 k  J .d xk .cos k  I .d yk .sin k  H k .cot  k .sin k

(3.20)

trong đó: (I, J) - chỉ số định vị, (dxk, dyk) - kích thước phần tử phân giải,
(x0k, y0k) - tọa độ gốc của bản đồ địa phương k, Hk - độ cao bay so với mặt
đất, k - góc phương vị và k - góc chiếu xạ.
3.3. Xây dựng mô hình hệ thống và thuật toán định vị theo bản đồ địa
phương cho UAV
3.3.1. Xây dựng mô hình hệ thống định vị vô tuyến trên khoang

Hình 3.3. Mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV
Khi UAV thâm nhập vào bản đồ thứ k, thiết bị ĐVVT sẽ phát xung
thăm dò và quét mặt đất để xác định (m x n) pixel của bản đồ thăm dò, tạo
ra ma trận thăm dò ATD. Việc so ghép sử dụng hàm ECF sẽ tìm ra ma trận
chuẩn ACh-k-i,j trong ma trận tham chiếu ACh-k giống nhất với ma trận thăm
dò ATD, xác định được tọa độ của UAV, làm thông tin hiệu chỉnh cho INS.
3.3.2. Xây dựng thuật toán định vị theo bản đồ địa phương

Trong thuật toán định vị (hình 3.5), ngưỡng quyết định so ghép Kng
liên quan đến yêu cầu mức độ tin cậy định vị của hệ thống ĐVVT. Với hệ
thống định vị sử dụng hàm ECF, yêu cầu độ tin cậy càng cao thì ngưỡng


14
Kng phải chọn càng gần 1. Còn với phương pháp LMAE và MMSE, Kng
phải chọn càng gần 0. Với nội dung “Thoát lặp”, luận án đề xuất giải pháp
thích nghi nhằm bảo đảm độ tin cậy định vị: giám sát số lần định vị không
đủ tin cậy để tăng hoặc giảm kích thước (m x n) của ma trận thăm dò một
cách tự động, thích nghi với mức tác động của thăng giáng công suất Lf.

Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán định vị theo bản đồ địa phương
3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng định vị
Chất lượng định vị của mô hình hệ thống ĐVVT (độ tin cậy và thời
gian thực hiện định vị) chịu ảnh hưởng của các yếu tố: suy hao cố định,
thăng giáng ngẫu nhiên của các phần tử ma trận thăm dò, phương pháp so
ghép ma trận (ECF, LMAE và MMSE) và kích thước của ma trận thăm dò
(m x n). Do đó, đánh giá tác động của các yếu tố này đến chất lượng định
vị của mô hình hệ thống ĐVVT và thuật toán định vị là cần thiết.


15
3.3.4. Sai số của phương pháp định vị theo bản đồ địa phương
Sai số tọa độ định vị cho UAV tính theo biểu thức:
  xM  1,5.( d xk .sin  k  d yk .cos k )

  y M  1,5.( d xk .cos k  d yk .sin  k )

(3.24)

3.4. Xây dựng phương pháp đánh giá các kết quả nghiên cứu
3.4.1. Phương pháp đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng Monte-Carlo
Để đánh giá thống kê tính hiệu quả, độ tin cậy định vị của mô hình hệ
thống ĐVVT và thuật toán định vị đã đề xuất, luận án sử dụng phương
pháp Monte-Carlo được thực hiện trên Matlab với 1000 mẫu.
3.4.2. Phương pháp đánh giá kết quả bằng thử nghiệm trên phần cứng
Dựa trên thuật toán định vị đã đề xuất, phần mềm định vị được xây
dựng trên ngôn ngữ C nạp cho chip ARM trên Kit STM32F4 Discovery
(hình 3.8), thực hiện theo cả 3 phương pháp so ghép ma trận: MMSE,
LMAE và ECF. Các ma trận thăm dò và ma trận tham chiếu được tạo từ
phần mềm máy tính ở chương 2 và truyền cho Kit STM32F4 Discovery
qua cổng RS232. Chip STM32F407VGT6 sẽ thực hiện so ghép ma trận để
tìm ra bộ chỉ số định vị (I, J) và xác định thời gian tính toán định vị, truyền
trở lại máy tính để thống kê, đánh giá.

Hình 3.8. Kit STM32F4 Discovery thử nghiệm thuật toán định vị


16
3.5. Đánh giá hiệu quả của mô hình hệ thống sử dụng hàm ECF
3.5.1. Đánh giá hiệu quả dựa trên xác suất định vị đúng

a. Ma trận 5 x 5

b. Ma trận 9 x 9

c. Ma trận 11 x 11

d. Ma trận 13 x 13

e. Ma trận 15 x 15
f. Ma trận 17 x 17
Hình 3.10. Xác suất định vị đúng với các phương pháp so ghép ma trận


17
Hình 3.10 biểu diễn một số kết quả mô phỏng đánh giá xác suất định
vị đúng Pd theo mức thăng giáng ngẫu nhiên Lf cho cả 3 phương pháp so
ghép ma trận (ECF, LMAE và MMSE) với mức suy hao Lc = 1,3dB. Hình
3.10a với kích thước ma trận thăm dò (5 x 5), tại mức Lf = 1,0dB, Pd sử
dụng hàm ECF cao hơn MMSE khoảng 20% và cao hơn LMAE khoảng
30%. Với các kích thước ma trận thăm dò khác (hình 3.10b, c, d, e, f) cũng
cho kết quả Pd sử dụng hàm ECF cao hơn sử dụng MMSE và LMAE.
3.5.2. Đánh giá hiệu quả dựa trên việc chọn ngưỡng so ghép ma trận
Hình 3.11 biểu diễn một số kết quả mô phỏng các giá trị ECF, LMAE
và MMSE theo sự thay đổi của mức suy hao công suất Lc, với mức thăng
giáng Lf = 0,5dB. Các giá trị ECF  1, còn LMAE và MMSE thay đổi tỷ lệ
với Lc. Do đó, việc chọn ngưỡng quyết định so ghép ma trận Kng sử dụng
phương pháp LMAE và MMSE khó khăn hơn so với sử dụng hàm ECF.

a. Ma trận 5 x 5

b. Ma trận 9 x 9

c. Ma trận 13 x 13
d. Ma trận 17 x 17
Hình 3.11. Ngưỡng quyết định với các phương pháp so ghép ma trận

18
3.5.3. Đánh giá thời gian tính toán của thuật toán định vị
Kết quả thử nghiệm trên Kit STM32F4 Discovery với kích thước ma
trận tham chiếu (23 x 23) để xác định thời gian tính toán định vị như trên
bảng 3.1. Thuật toán định vị sử dụng phương pháp MMSE luôn cho thời
gian tính toán nhỏ nhất (khoảng 5,5ms). Với phương pháp ECF và LMAE,
thời gian tính toán gần tương đương nhau, tương ứng là 14,7ms và 14,6ms.
Bảng 3.1. Thời gian tính toán định vị với các phương pháp so ghép ma trận
TT

Kích thước ma trận thăm dò

1
2
3
4
5
6
7

Ma trận thăm dò (5 x 5)
Ma trận thăm dò (7 x 7)
Ma trận thăm dò (9 x 9)
Ma trận thăm dò (11 x 11)
Ma trận thăm dò (13 x 13)
Ma trận thăm dò (15 x 15)
Ma trận thăm dò (17 x 17)
Thời gian định vị trung bình

ECF (ms) MMSE (ms) LMAE (ms)

15,2
17,7
18,8
18,2
15,5
11,3
6,3
14,7

4,2
6,0
7,1
7,3
6,4
4,8
2,8
5,5

10,6
15,7
18,9
19,5
17,3
13,0
7,4
14,6

3.6. Đánh giá độ tin cậy của thuật toán định vị theo bản đồ địa phương
3.6.1. Tác động của suy hao công suất tín hiệu phản xạ

a. Ma trận 5 x 5 với Lf =1,2dB

b. Ma trận 9 x 9 với Lf =2,5dB

c. Ma trận 13 x 13 với Lf =3,6dB
d. Ma trận 17 x 17 với Lf =5,0dB
Hình 3.12. Xác suất định vị đúng theo yếu tố suy hao công suất Lc


19
Mô phỏng tác động của suy hao công suất Lc đến xác suất định vị
đúng Pd được thực hiện với mức thăng giáng công suất Lf không đổi. Các
kết quả mô phỏng cho thấy, Pd sử dụng hàm ECF gần như không đổi và
không chịu ảnh hưởng của Lc (hình 3.12).
3.6.2. Tác động của thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ

a. Ma trận 5 x 5

b. Ma trận 9 x 9

c. Ma trận 11 x 11

d. Ma trận 13 x 13

e. Ma trận 15 x 15
f. Ma trận 17 x 17
Hình 3.13. Xác suất định vị đúng theo yếu tố thăng giáng công suất Lf


20

Mô phỏng tác động của thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ Lf đến
xác suất định vị đúng Pd được thực hiện với suy hao Lc được chọn không
đổi. Các kết quả mô phỏng cho thấy, Pd giảm nhanh khi tăng mức Lf. Tuy
nhiên, các kích thước ma trận thăm dò càng lớn thì Pd càng cao. Hình 3.13
là một số kết quả mô phỏng với Lc = 5,0dB: với ma trận thăm dò (5 x 5),
Pd chỉ duy trì ở mức 90% với mức Lf khoảng 1,2dB (hình 3.13a). Ma trận
(11 x 11) có thể duy trì Pd = 90% với mức Lf = 3,5dB (hình 3.13c) và ma
trận (17 x 17) có thể duy trì Pd = 90% với mức Lf = 6,1dB (hình 3.13f).
3.6.3. Vai trò của kích thước ma trận thăm dò với độ tin cậy định vị
Các kết quả mô phỏng tác động của thăng giáng công suất Lf đã cho
thấy vai trò của kích thước ma trận thăm dò (m x n) với độ tin cậy định vị.
Nếu chọn ngưỡng Kng = 0,8 và để đạt Pd > 90%, các kích thước ma trận
thăm dò ứng với các mức thăng giáng Lf cao nhất chỉ ra trên bảng 3.2. Nếu
chọn (m x n) càng lớn (với m < M, n < N), độ tin cậy định vị càng cao
nhưng thời gian tính toán càng lớn. Giải pháp lựa chọn thích nghi kích
thước ma trận thăm dò (m x n) theo mức thăng giáng công suất tín hiệu
phản xạ Lf đã thể hiện tính mới và hiệu quả của mô hình hệ thống ĐVVT
trên khoang cho UAV theo bản đồ địa phương mà luận án đề xuất.
Bảng 3.2. Khả năng định vị đúng của kích thước ma trận với thăng giáng
STT
1
2
3
4
5
6
7

Kích thước ma trận (m x n)
5x5

7x7
9x9
11 x 11
13 x 13
15 x 15
17 x 17

Mức thăng giáng cao nhất [dB]
1,2
2,1
2,8
3,5
4,2
5,3
6,1

Bên cạnh đó theo tính chất của hàm ECF, kết quả so ghép ma trận chỉ
phụ thuộc vào tổng số phần tử của ma trận (tích m.n) mà không phụ thuộc
vào các chỉ số m và n. Hình 3.15 là trường hợp mô phỏng với ma trận thăm
dò 36 phần tử, tương ứng có ba loại ma trận (6 x 6), (4 x 9) và (9 x 4), xác
suất định vị đúng với các ma trận thăm dò này gần như tương đương nhau.


21

a. Ma trận (6 x 6) và (4 x 9)
b. Ma trận (6 x 6) và (9 x 4)
Hình 3.15. Xác suất định vị đúng với ma trận thăm dò 36 phần tử
3.7. Một số nhận xét và khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT
3.7.1. Nhận xét về hiệu quả và và độ tin cậy định vị

Từ các kết quả mô phỏng Monte-Carlo và thử nghiệm trên phần cứng
để đánh giá hiệu quả và và độ tin cậy định vị của mô hình hệ thống ĐVVT
trên khoang và thuật toán định vị, có thể rút ra một số nhận xét sau:
1) Về hiệu quả định vị của mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho
UAV sử dụng hàm ECF mà luận án đề xuất so với các phương pháp
LMAE và MMSE đã công bố trong các nghiên cứu trước đây:
- Khi có tác động của yếu tố thăng giáng ngẫu nhiên công suất tín
hiệu phản xạ Lf, mô hình hệ thống sử dụng hàm ECF có độ tin cậy định vị
cao hơn so với sử dụng phương pháp LMAE và MMSE.
- Với mức suy hao công suất tín hiệu phản xạ Lc thay đổi hoặc khó dự
đoán trước, việc lựa chọn ngưỡng quyết định Kng trong so ghép ma trận với
phương pháp LMAE và MMSE khó khăn hơn so với sử dụng hàm ECF.
- Tuy nhiên, việc so ghép ma trận trong thuật toán định vị sử dụng
hàm ECF đòi hỏi tài nguyên để thực hiện nhiều hơn và thời gian tính toán
lớn hơn so với phương pháp LMAE và MMSE.
2) Độ tin cậy của thuật toán định vị sử dụng hàm ECF không bị ảnh
hưởng bởi suy hao cố định Lc, nhưng chịu tác động đáng kể bởi mức thăng
giáng ngẫu nhiên Lf. Giải pháp lựa chọn thích nghi kích thước ma trận


22
thăm dò (m x n) theo mức thăng giáng công suất Lf cho phép bảo đảm
được cả độ tin cậy và thời gian tính toán định vị. Kết quả thử nghiệm trên
phần cứng đã khẳng định tính khả thi về công nghệ thực hiện và khả năng
đáp ứng thời gian tính toán của thuật toán định vị.
3.7.2. Một số khuyến nghị với mô hình ĐVVT trên khoang
Với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang theo bản đồ địa phương mà
luận án đề xuất, độ chính xác định vị, độ tin cậy định vị và thời gian tính
toán định vị là những chỉ tiêu quan trọng. Tùy theo từng nhiệm vụ và yêu
cầu ứng dụng, luận án đưa ra một số khuyến nghị sau:

1) Thiết bị ĐVVT trên khoang và cảm biến góc chiếu xạ: băng tần
công tác (hay bước sóng ), độ rộng xung phát  và độ rộng búp sóng 
của thiết bị ĐVVT quyết định độ tin cậy và sai số định vị. Độ ổn định các
thông số kỹ thuật của thiết bị ĐVVT và cảm biến góc chiếu xạ ảnh hưởng
đến toàn bộ các chỉ tiêu của hệ thống. Do đó, luận án khuyến nghị chọn
thiết bị ĐVVT băng X, các thông số kỹ thuật có độ ổn định cao, sử dụng
các cảm biến góc chính xác, cũng như tiếp tục nghiên cứu ứng dụng một
số kỹ thuật để cải thiện độ phân giải (như: nén xung, radar SAR…).
2) Thiết bị dẫn đường quán tính INS và hệ thống điều khiển bay: sai
số tọa độ INS theo thời gian ảnh hưởng đến việc xây dựng bản đồ địa
phương và xác định thời điểm mở đầu dò thiết bị ĐVVT. Độ chính xác của
hướng bay k và độ cao bay Hk ảnh hưởng đến độ tin cậy và sai số định vị.
Tùy theo nhiệm vụ và điều kiện ứng dụng hệ thống ĐVVT trên khoang, có
thể lựa chọn thiết bị INS có độ chính xác phù hợp, hệ thống điều khiển bay
cần duy trì độ chính xác theo hành trình trước các tác động từ bên ngoài.
3) Xây dựng quỹ đạo bay định trước và lập bài toán bay cho UAV: liên
quan đến việc xây dựng bộ cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương cho hệ
thống ĐVVT. Luận án khuyến nghị ưu tiên chọn bản đồ địa phương có độ
bất đồng cao về hệ số phản xạ. Trong một số trường hợp, có thể điều chỉnh
việc chọn quỹ đạo bay định trước cho UAV để chọn bản đồ địa phương.


23
4) Chọn ngưỡng quyết định so ghép ma trận: tùy theo yêu cầu về độ tin
cậy định vị, có thể chọn ngưỡng Kng phù hợp (các kết quả mô phỏng thực
hiện với Kng = 0,8), kết hợp với chọn kích thước ma trận thăm dò (m x n).
5) Lựa chọn kiểu ma trận thăm dò: để bảo đảm tính tương đồng về
hình học giữa các pixel của bản đồ thăm dò, luận án khuyến nghị chọn ma
trận thăm dò dạng ma trận vuông (m = n).
3.8. Kết luận chương 3

1. Trước các tác động làm suy hao hoặc thăng giáng ngẫu nhiên công
suất tín hiệu phản xạ, mô hình hệ thống ĐVVT sử dụng hàm ECF cho hiệu
quả và độ tin cậy định vị cao hơn các phương pháp LMAE và MMSE.
2. Giải pháp lựa chọn kích thước ma trận thăm dò theo mức thăng
giáng công suất phản xạ cho phép cải thiện chất lượng của hệ thống ĐVVT
trên khoang, bảo đảm được cả độ tin cậy và thời gian tính toán định vị.
3. Kết quả thử nghiệm trên phần cứng đã khẳng định được tính khả thi
về công nghệ thực hiện và khả năng đáp ứng thời gian tính toán của thuật
toán định vị đã đề xuất.
KẾT LUẬN
A. Các kết quả nghiên cứu của luận án
Với các mục tiêu, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu đã được
đặt ra và giải quyết trong luận án, có thể rút ra một số nhận xét sau:
1) Để đáp ứng yêu cầu về khả năng tác chiến và các nhu cầu ứng dụng
của UAV và thiết bị bay, các hệ thống dẫn đường trên khoang cần được
xây dựng theo hướng phức hợp, trong đó có sử dụng hệ thống ĐVVT trên
khoang, nhằm nâng cao độ chính xác, độ ổn định và khả năng chống nhiễu.
2) Việc xác định kích thước phần tử phân giải, hệ số phản xạ của bề
mặt mặt đất và phân tích các yếu tố tác động là những cơ sở quan trọng để
giải quyết bài toán định vị cho UAV theo bản đồ địa phương.
3) Giải pháp và thuật toán xây dựng bản đồ địa phương dựa trên các
thông số của thiết bị ĐVVT, mô hình sai số của hệ thống INS và yêu cầu