Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRẦN TRUNG CHUYÊN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG
GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THÔNG MINH
ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRẦN TRUNG CHUYÊN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG
GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THÔNG MINH
ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số: 9520503

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Nguyễn Trường Xuân

2. TS. Đào Ngọc Long

HÀ NỘI - 2018


i

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả của luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Nghiên cứu sinh

Trần Trung Chuyên


ii

Lời cảm ơn
Luận án tiến sĩ kỹ thuật này được chính phủ Việt Nam hỗ trợ một phần
kinh phí thông qua Đề án 911 và được thực hiện tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn
thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai cùng sự hỗ trợ của Bộ môn
Tin học trắc địa, Khoa Công nghệ thông tin, sự hỗ trợ về mặt thủ tục của Phòng
Đào tạo sau đại học, Trường đại học Mỏ - Địa chất, sự hỗ trợ trong thực nghiệm
của Phòng thí nghiệm Địa tin học, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng thí
nghiệm Vi cơ điện tử và Vi hệ thống, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
gia Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn các đơn vị, tổ chức này đã giúp đỡ tôi
trong thời gian nghiên cứu.
Luận án sẽ không thể thực hiện nếu không có sự hướng dẫn, hợp tác và
hỗ trợ của một số cá nhân đã đóng góp rất nhiều cho việc chuẩn bị và hoàn

thành nghiên cứu này. Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn NGƯT.PGS.TS.
Nguyễn Trường Xuân và TS. Đào Ngọc Long đã trực tiếp tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ, luôn sẵn lòng và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình
nghiên cứu. Tôi rất biết ơn PGS.TS. Đỗ Ngọc Đường và PGS.TS. Đặng Nam
Chinh đã giúp tôi có được ý tưởng ban đầu về đề tài nghiên cứu, chia sẻ cho tôi
nhiều kinh nghiệm và hiểu biết. Tôi rất biết ơn PGS.TS. Trần Đình Trí đã luôn
quan tâm và giúp đỡ tôi từ thời gian chuẩn bị cho đến khi hoàn thành luận án.
Xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Xuân Trường, PGS.TS. Trần Vân Anh
và TS. Trần Trung Anh về sự quan tâm sâu sắc, đã chỉ đạo sát sao, tạo điều
kiện giúp đỡ tích cực và chia sẻ nhiều hiểu biết cho các nghiên cứu sinh. Tôi biết
ơn GS.TSKH. Phan Văn Lộc, TS. Trần Thùy Dương đã chia sẻ cho tôi nhiều
hiểu biết liên quan đến nội dung nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn PGS.TS.
Nguyễn Văn Sáng, TS. Đinh Công Hòa, PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc, PGS.TS.
Nguyễn Văn Trung, TS. Phạm Quốc Khánh, TS. Nhữ Việt Hà vì sự góp ý rất
chân thành và thẳng thắn, giúp cho luận án của tôi được hoàn thiện tốt hơn. Xin
chân thành cảm ơn GS.TS. Trương Xuân Luận, PGS.TS. Phạm Vọng Thành,


iii

TS. Diêm Công Hoàng, ThS. Nông Thị Oanh về sự giúp đỡ, động viên và hỗ
trợ. Tôi rất biết ơn GS.TS. Bùi Tiến Diệu, làm việc tại University College of
Southeast Norway đã phản hồi, hợp tác và sáng tạo đã đóng góp rất nhiều cho
nghiên cứu của tôi. Nhờ có TS. Nguyễn Thị Mai Dung, TS. Lê Hồng Anh, TS.
Dương Thành Trung mà tôi được thường xuyên hợp tác trong nghiên cứu, trao
đổi thảo luận về các kết quả nghiên cứu của tôi. Tôi rất biết ơn PGS.TS. Trần
Đức Tân, phó trưởng khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội về những giúp đỡ, thảo luận và giải thích một số kết
quả nghiên cứu của tôi cũng như những hiểu biết sâu sắc mà PGS chia sẻ.
Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà nghiên cứu: ThS. Nguyễn Đình Chinh
làm việc tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ

tôi trong quá trình sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến; ThS.
Phạm Anh Dũng làm việc tại Leica Geosystems, KS. Phùng Thanh Tùng làm
việc tại Công ty cổ phần thiết bị và khảo sát Việt Nam, ThS. Đào Xuân Vương,
ThS. Nguyễn Đức Hạnh làm việc tại Công ty Cổ phần Dịch vụ Thương mại
Khảo sát Hà Đông và KS. Trần Hữu Đức đã giúp tôi trong xác định tuyến tham
chiếu bằng công nghệ RTK với máy thu Trimble R2; KS. Nguyễn Đạt Quảng
cùng KS. Quách Mạnh Tuấn làm việc tại Công ty TNHH Máy đo đạc Miền Bắc
và KS. Bùi Tiến Dũng, đã giúp tôi trong sử dụng UAV để bay chụp và xử lý
ảnh khu vực thử nghiệm.
Tôi xin cảm ơn tất cả các bạn của tôi vì đã có nhiều thời gian vui vẻ ngoài
giờ làm việc như hội lớp, các kỳ nghỉ, bóng đá, và những khoảnh khắc thư giãn
khác, để sau đó tôi có thể tập trung vào nghiên cứu được tốt hơn.
Cuối cùng, tôi muốn nói lời cảm ơn đặc biệt tới vợ tôi Mai Ngọc Liên,
con gái tôi Trần Mai Anh và con trai tôi Trần Trung Hiếu về tình yêu và sự cảm
thông, cho phép tôi dành nhiều thời gian cho công việc nghiên cứu. Tôi hết lòng
biết ơn bố mẹ tôi về tình yêu và sự cống hiến to lớn để tôi trưởng thành như
ngày hôm nay, cảm ơn các anh chị của tôi về tình yêu gia đình và sự quan tâm
giúp đỡ của họ cho công việc này.


iv

Mục lục
Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Danh mục các ký hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
Danh mục các thuật ngữ và từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Danh sách bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x

Danh sách hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Tổng quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1 Ước lượng sai số cảm biến quán tính của Smartphone . . . . . . 11
1.1 Tóm tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Mô hình sai số và bù nhiễu cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 Kỹ thuật hiệu chuẩn cảm biến sáu vị trí . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.3 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5 Phân tích và mô hình hóa dữ liệu cảm biến quán tính . . . . . . . . 26
1.5.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5.2 Phương pháp luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.3 Phân tích nhiễu dùng phương sai Allan . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.4 Chất lượng ước lượng phương sai Allan . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5.5 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

v

2 Tích hợp GNSS/INS trên Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1 Tóm tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Khái quát các hệ tọa độ và động học Trái Đất . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Các hệ tọa độ được sử dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2 Động học Trái Đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Hệ thống dẫn đường quán tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6 Sử dụng Smartphone để xác định vị trí điểm . . . . . . . . . . . . . 58
2.7 Xây dựng IMU trong Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7.1 Định hướng từ cảm biến tốc độ góc . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.7.2 Định hướng từ cảm biến gia tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.7.3 Giải thuật định hướng kết hợp để xây dựng IMU . . . . . . . . . 61
2.8 Tích hợp GNSS/INS trong Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.8.1 Kiến trúc tích hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.8.2 Xử lý dữ liệu với phép lọc Kalman mở rộng . . . . . . . . . . . . 68
2.9 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3 Thực nghiệm và các kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1.2 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2 Phân tích và mô hình hóa dữ liệu cảm biến quán tính . . . . . . . . 80
3.2.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.2 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 Tích hợp GNSS/INS trên Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.3.2 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 Ứng dụng trong Trắc địa - Bản đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88


vi

3.4.2 Khu vực thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.4.3 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Kết luận và kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Một số công trình đã công bố của tác giả . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Bài báo tạp chí khoa học trong nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Bài báo hội nghị khoa học quốc tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Phần mềm ứng dụng di động App Store . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Phụ lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

I

Phụ lục A Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến gia tốc . . . . . . . . . . . .

II

Phụ lục B Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc . . . . . . . . . III
Phụ lục C So sánh các kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
Phụ lục D Một số mã nguồn Matlab được phát triển . . . . . . . V
. III
D.1 Mã nguồn mô-đun hiệu chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . .VIII
D.2 Mã nguồn hàm bù nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII

D.3 Mã nguồn hàm tính trọng lực cục bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII


vii

Danh mục các ký hiệu
B Nhiễu bất ổn độ lệch (Bias Instability)
fˆ Véc-tơ dữ liệu đầu ra của cảm biến gia tốc
f Véc-tơ gia tốc thực của cảm biến gia tốc

g Trọng trường cục bộ (Local gravity)
h Độ cao so với mực nước biển (Altitude hoặc Elevation)
H Độ cao so với mặt Ellipsoid (Height)
ι Kinh độ (Longitude)
µ Vĩ độ trắc địa (Latitude)
ω
ˆ Véc-tơ dữ liệu đầu ra của cảm biến tốc độ góc
ω Véc-tơ tốc độ góc thực của cảm biến tốc độ góc
ωe Tốc độ quay trái đất (Speed of the Earth’s Rotation)
p Tốc độ góc theo trục x
φ Góc liệng (Roll)
ψ Góc hướng (Yaw hoặc Heading)
q Tốc độ góc theo trục y
Q Nhiễu lượng tử hóa (Quanization Noise)
r Tốc độ góc theo trục z
N Nhiễu bước ngẫu nhiên (Random Walk)
R Nhiễu tỷ lệ răng cưa (Rate Ramp)
K Nhiễu tỷ lệ bước ngẫu nhiên (Rate Random Walk)
θ Góc chúc (Pitch)

viii

Danh mục các thuật ngữ và từ viết tắt
A-GNSS Hệ thống tăng cường GNSS - Assisted GNSS
A-GPS Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS
Accelerometer Cảm biến gia tốc
AHRS Hệ tham chiếu thế hướng - Attitude and Heading Reference Systems
API Giao diện lập trình - Application Programming Interface
Autonomous Tự chủ động (hay tự trị)
b-frame Hệ tọa độ vật thể
Beidou Hệ thống định vị vệ tinh khu vực độc lập do Trung Quốc điều hành
C6D Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp trực tiếp
C6W Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp có trọng số
C6X Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp đề xuất
ECEF Hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm định vị Trái Đất - EarthCentered, Earth-Fixed
ECI Hệ quy chiếu quán tính Trái Đất - Earth-Centered Inertial
EGNOS Dịch vụ lớp phủ định vị quốc tế Châu Âu - European Geostationary
Navigation Overlay Service
EKF Phép lọc Kalman mở rộng - Extended Kalman Filter
Galileo Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu do Liên minh Châu Âu và các đối
tác phát triển
Gimbal Hệ INS có đế
GLONASS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu do Nga điều hành


ix

GNSS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems
GPS Hệ thống định vị toàn cầu - Global Positioning System

Gyroscope Cảm biến tốc độ góc
IF Hệ quy chiếu quán tính - Inertial Frame
IMU Bộ đo quán tính - Inertial Measurement Unit
INS Hệ thống dẫn đường quán tính - Inertial Navigation System
KF Phép lọc Kalman - Kalman Filter
Magnetometer Cảm biến từ trường
MEMS Hệ thống vi cơ điện tử - Microelectromechanical systems
n-frame Hệ tọa độ địa phương
NHC Điều kiện ràng buộc “vận tốc không”- None - Holonomic Constrain
Pitch Góc chúc
PSD Mật độ phổ công suất - Power Spectral Density
Quaternion Đại số quaternion
Roll Góc liệng
SBAS Hệ thống tăng cường không gian - Satellite-Based Augmentation System
Smartphone Điện thoại thông minh
Strapdown Hệ INS không đế
TĐBĐ Trắc địa - Bản đồ
UAV Máy bay không người lái - Unmanned Aerial Vehicle
WAAS Hệ thống tăng cường diện rộng - Wide Area Augmentation System
Yaw Góc hướng


x

Danh sách bảng
Bảng 1.1.

Đặc tính và cách xử lý các nguồn sai số của cảm biến . . 14

Bảng 1.2.

Tổng hợp các mô hình hiệu chuẩn cảm biến quán tính . . 18

Bảng 1.3.

Đặc tính các nguồn sai số ngẫu nhiên của cảm biến . . . . 32

Bảng 3.1.

Dữ liệu đầu ra của cảm biến tại các vị trí hiệu chuẩn . . . 74

Bảng 3.2.

Các hệ số cảm biến gia tốc (C6D) . . . . . . . . . . . . . . 74

Bảng 3.3.

Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W) . . . . . . . . . . . . . . 74

Bảng 3.4.

Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6D) . . . . . . . . . . . . 76

Bảng 3.5.

Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W) . . . . . . . . . . . 76

Bảng 3.6.

Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W phương pháp đề xuất) . 78

Bảng 3.7.

Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W phương pháp đề xuất) 78

Bảng 3.8.

Độ lệch Allan của các cảm biến trong iPhone 6 Plus . . . 82

Bảng 3.9.

Ước lượng các nhiễu của cảm biến quán tính iPhone 6 Plus 82

Bảng 3.10. Độ chính xác định vị tích hợp GNSS/INS iPhone 6 Plus . 85


xi

Danh sách hình vẽ
Hình 1.1.

Cảm biến chuyển động trên Smartphone . . . . . . . . . . 13

Hình 1.2.

Mô hình hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc của Smartphone 20

Hình 1.3.

Mô hình hiệu chuẩn cảm biến gia tốc của Smartphone . . 21

Hình 1.4.

Lấy mẫu theo các cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Hình 1.5.

Minh họa kết quả phân tích đường cong phương sai Allan 32

Hình 2.1.

Hai hệ tọa độ trực giao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Hình 2.2.

Các trục của hệ ECI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Hình 2.3.

Các trục của hệ ECEF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Hình 2.4.

Các trục của hệ N ED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Hình 2.5.

Các trục của hệ vật thể b . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Hình 2.6.

Các góc Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Hình 2.7.

Mô tả bài toán tư thế trong hệ Strapdown . . . . . . . . 46

Hình 2.8.

Định hướng của hệ β so với hệ α xoay quanh trục αˆr . . 48

Hình 2.9.

Sơ đồ cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính . . 50

Hình 2.10.

Sơ đồ bộ xử lý dẫn đường quán tính . . . . . . . . . . . . 51

Hình 2.11.

Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ ECI . . . . . . 52

Hình 2.12.

Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ ECEF . . . . . 53

Hình 2.13.

Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ định vị cục bộ

Hình 2.14.

Sử dụng tín hiệu của bốn vệ tinh để định vị . . . . . . . . 57

Hình 2.15.

Nguyên lý định vị phổ biến các Smartphone (A-GNSS) . 58

Hình 2.16.

Sơ đồ khối bộ lọc định hướng xây dựng IMU . . . . . . . 62

Hình 2.17.

Kiến trúc tổng quát hệ thống tích hợp GNSS/INS trong

54

Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Hình 2.18.

Kiến trúc tích hợp GNSS/INS điển hình . . . . . . . . . . 65

Hình 2.19.

Kiến trúc cải chính INS vòng lặp mở và vòng lặp đóng . 66


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full