Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho các vật thể chuyển động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Van Tang

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
DẪN ĐUỜNG TÍCH HỢP INS/GPS DÙNG

CHO CÁC VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG

LUẬN ÁN TIẾN SI VẬT LÝ

Hà Nội – 2017
i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phạm Van Tang

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG
DẪN ĐUỜNG TÍCH HỢP INS/GPS DÙNG

CHO CÁC VẬT THỂ CHUYỂN ĐỘNG

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và diện tử
Mã số: 62440105

LUẬN ÁN TIẾN SI VẬT LÝ

NGUỜI HUỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.
PGS.TS Chử Đức Trình
2. PGS. TS Trần Đức Tân

Hà Nội – 2017
ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam doan dây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chua từng duợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

Phạm Van Tang

i


LỜI CẢM ON

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tôi dã hoàn thành bản luận án này. Lời dầu tiên,
tôi xin gửi lời cảm on sâu sắc tới hai thầy giáo huớng dẫn là PGS.TS Chử Đức Trình và
PGS.TS Trần Đức Tân, những nguời dã tận tình giúp dỡ, khích lệ và dộng viên tôi trong
suốt quá trình tôi học tập nghiên cứu và thực hiện luận án này.

Tôi xin chân thành cảm on các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến, khoa
Vật lý, Truờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội; các thầy cô

giáo trong bộ môn Vi co diện tử và Vi hệ thống Khoa Điện tử viễn thông, Truờng Đại
học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội dã giúp dỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình
tôi học tập, nghiên cứu.
Tôi cung xin trân trọng cảm on các lãnh dạo chỉ huy Khoa Khoa học Co bản, Học
viện Hậu cần dã tạo mọi diều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu.

Nhân dịp này, tôi xin gửi lời cảm on tới tất cả các thành viên trong gia dình và
những nguời bạn dã tận tình giúp dỡ, dộng viên dể tôi có duợc diều kiện tốt nhất hoàn
thành bản luận án này.

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

................................................. v

DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................. viii
MỞ ĐẦU

.................................................................................................................

Chuong 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ DẪN ĐUỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
1.1. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nuớc

1

.................. 5

.................................................. 5

1. 2. Hệ thống dịnh vị toàn cầu GPS ........................................................................... 9
1.2.1. Tổng quan về hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu GNSS

..................... 9

1.2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống GPS ................................................... 17
1.2.3. Các nguồn sai số của phép do tín hiệu GPS ........................................... 19
1.3. Hệ thống dẫn duờng quán tính INS ................................................................... 22
1.3.1. Các hệ tọa dộ dẫn duờng ........................................................................ 24
1.3.2. Phuong trình dẫn duờng quán tính ......................................................... 25
1.3.3. Các sai số của hệ dẫn duờng quán tính INS ........................................... 28
1.4. Hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS ............................................................. 30
1.4.1. Bộ lọc Kalman ........................................................................................ 30
1.4.2. Tích hợp INS và GPS sử dụng bộ lọc Kalman ....................................... 34
Chuong 2. ĐẶC TRUNG HÓA SAI SỐ CỦA CÁC CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG HỆ
DẪN ĐUỜNG TÍCH HỢP
............................................................... 38

2.1. Đặc trung hóa sai số tất dịnh của cảm biến ........................................................ 38
2.2. Đặc trung hóa sai số ngẫu nhiên của cảm biến
2.2.1. Phuong pháp mật dộ phổ công suất

.................................................. 39

....................................................... 40

2.2.2. Phuong pháp phuong sai Allan .............................................................. 41
2.3. Bù trừ ảnh huởng nhiệt dộ lên cảm biến từ truờng do góc...................................... 48
iii


2.3.1. Nguyên tắc do góc huớng sử dụng thông tin từ truờng trái dất

............. 49

2.3.2. Cảm biến từ truờng ................................................................................. 50
2.3.3. Đề xuất cấu trúc bù nhiệt dộ cho cảm biến từ ........................................ 52
2.4. Các kết quả thực nghiệm .................................................................................... 53
2.4.1. Xác dịnh tham số nhiễu của khối do luờng quán tính MICRO-ISU
BP3010 .................................................................................................. 53
2.4.2. Xác dịnh tham số nhiễu của khối do luờng quán tính MP67B

.............. 63

2.4.3. Bù trừ ảnh huởng nhiệt dộ lên cảm biến từ truờng CMPS03

................ 67

Chuong 3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DẪN ĐUỜNG TÍCH HỢP
INS/GPS ................................................................................................ 75
3.1. Thiết kế hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman
3.2. Bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS

......... 75

............... 82

3. 3. Thiết kế và mô hình hoá hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS............................... 84

3.4. Các kết quả thực nghiệm .................................................................................... 87
3.4.1. Thử nghiệm 1 ......................................................................................... 87
3.4.2. Thử nghiệm 2 ......................................................................................... 92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 96
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ............................................................................................. ................. 97

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 98

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AI

Artificial Intelligence

Trí tuệ nhân tạo

AMR

Anisotropic Magneto-Resistive

Hiệu ứng từ trở dị huớng

ANFIS

Adaptive neural fuzzy information
system

Hệ thống thông tin mờ no-ron
thích nghi

ANN

Artificial neural networks

Mạng no-ron nhân tạo

ECEF

Earth-Center Earth-Fixed

Hệ tọa dộ tâm trái dất

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

ENU

East – North - Up

Hệ tọa dộ Cực dông - Cực bắc Huớng lên

GEO

Geostationary Orbit

Quỹ dạo dịa tinh

GNSS

Global Navigation Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn duờng
toàn cầu

GPS

Global Positioning System

Hệ thống dịnh vị toàn cầu

IGSO

Inclined Geosynchronous Orbit

Quỹ dạo dịa tinh nghiêng

IMU

Inertial Measurement Unit

Khối do quán tính

INS

Inertial Navigation System

Hệ thống dẫn duờng quán tính

KF

Kalman Filter

Bộ lọc Kalman

MEMS

Micro Electro Mechanical System Hệ thống vi co diện tử

MEO

Medium Earth Orbit

Quỹ dạo Trái dất tầm trung

NED

North-East-Down

Hệ tọa dộ Bắc – Đông – Xuống

PID

Proportional Integral Derivative

Bộ diều khiển vi tích phân tỷ lệ

PPS

The precise positioning service

Dịch vụ dịnh vị chính xác

v


PSD

Power Spectral Density

Mật dộ phổ công suất

SINS

Strapdown Inertial Navigation
System

Hệ dẫn duờng quán tính kiểu
gắn liền

SPS

The standard positioning service

Dịch vụ dịnh vị chuẩn

UKF

The Unscented Kalman Filter

Bộ lọc Kalman không bản chất

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tần số các bang tần hệ thống Bắc Đẩu

................................................ 17

Bảng 2.1 Độ lệch chuẩn của nhiễu trắng trên các cảm biến quán tính

............... 60

Bảng 2.2 Các tham số nhiễu xác dịnh bằng phuong pháp phuong sai Allan
Bảng 2.3 So sánh phuong pháp PSD và phuong pháp phuong sai Allan
Bảng 2.4 Đặc trung sai số ngẫu nhiên trong khối do MP67B

......62
............ 63

............................. 66

Bảng 3.1 Các thông số của GPS HI-204E ............................................................ 85
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của hệ thống tích hợp

vii

.............................................. 94


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh GPS [71] .................................................................... 11
Hình 1.2 Các thế hệ vệ tinh GPS [8] .................................................................... 12
Hình 1.3 Phân doạn diều khiển GPS [70] ............................................................ 12
Hình 1.4 Hệ thống vệ tinh GLONASS [72] ........................................................... 14
Hình 1.5 Vệ tinh Galileo [72] ............................................................................... 15
Hình 1.6 Dải tần số của tín hiệu vệ tinh Galileo [21] .......................................... 15
Hình 1.7 Hệ thống vệ tinh Bắc Đẩu [67] .............................................................. 16
Hình 1.8 Xác dịnh vị trí GPS sử dụng 4 tín hiệu vệ tinh

...................................... 18

Hình 1.9 Các cấu trúc khối IMU [19] .................................................................. 22
Hình 1.10 Các hệ tọa dộ dẫn duờng ..................................................................... 25
Hình 1.11 Hệ tọa dộ vật thể .................................................................................. 25
Hình 1.12 Luợc dồ xác dịnh các thông số dẫn duờng [56]
Hình 1.13 Luu dồ tính toán của bộ lọc Kalman

.................................. 28

................................................... 33

Hình 1.14 Hệ tích hợp INS/GPS kiểu lỏng [20] ................................................... 35
Hình 1.15 Hệ tích hợp INS/GPS kiểu chặt [20] ................................................... 35
Hình 1.16 Hệ tích hợp INS/GPS kiểu siêu chặt [20] ............................................ 36
Hình 1.17 Kỹ thuật tích hợp INS/GPS [20] .......................................................... 36
Hình 2.1 Các duờng dốc dặc trung trong PSD với thang log-log
Hình 2.2 Minh họa cấu trúc dữ liệu dùng trong phuong pháp Allan

....................... 41
................... 42

Hình 2.3 Phuong pháp chọn mẫu cluster ............................................................. 44
Hình 2.4 Minh họa phuong sai Allan [26] ........................................................... 48

viii


Hình 2.5 Minh họa từ truờng trái dất ................................................................... 49
Hình 2.6 Các thành phần từ truờng trái dất ......................................................... 49

Hình 2.7 Góc f trong cảm biến AMR

................................................................... 51

Hình 2.8 Cấu trúc “barber
....................................................................... 51
poles”
Hình 2.9 Minh họa dầu ra cảm biến khi áp dụng kỹ thuật lật .............................. 52
Hình 2.10 Cấu hình vòng mở bù nhiệt dộ cho cảm biến từ truờng
Hình 2.11 Cấu hình vòng dóng bù nhiệt dộ cho cảm biến từ truờng

...................... 52
................... 53

Hình 2.12 Khối MICRO-ISU BP3010 .................................................................. 54
Hình 2.13 Vị trí của IMU khi can chuẩn .............................................................. 54
Hình 2.14 Dữ liệu dầu ra của cảm biến gia tốc trục Z ......................................... 56
Hình 2.15 PSD của cảm biến vận tốc góc truớc khi lấy trung bình
Hình 2.16 PSD của cảm biến gia tốc truớc khi lấy trung bình

..................... 57

............................ 58

Hình 2.17 PSD của cảm biến vận tốc góc sau khi lấy trung bình

........................ 58

Hình 2.18 PSD của cảm biến gia tốc sau khi lấy trung bình

............................... 59

Hình 2.19 PSD trung bình của cảm biến vận tốc góc trục X

............................... 59

Hình 2.20 PSD trung bình của cảm biến gia tốc trục Z

....................................... 60

Hình 2.21 Độ lệch chuẩn Allan của các cảm biến vận tốc góc
Hình 2.22 Độ lệch chuẩn Allan của các cảm biến gia tốc

............................ 61

................................... 61

Hình 2.23 Khối do quán tính MP67B ................................................................... 63
Hình 2.24 Khối do MP67B trong quá trình thu thập dữ liệu cho can chuẩn
Hình 2.25 Dữ liệu thu thập từ 6 cảm biến của khối do MP67B

.......64

........................... 64

Hình 2.26 Phuong sai Allan của các cảm biến gia tốc trong khối do MP67B

...........65

Hình 2.27 Phuong sai Allan của các cảm biến vận tốc góc trong khối do MP67B .......... 65

ix


Hình 2.28 Đồ thị log-log của cảm biến gia tốc trục X

......................................... 67

Hình 2.29 Đồ thị log-log của cảm biến vận tốc góc trục Y

.................................. 67

Hình 2.30 Cảm biến từ truờng CMPS03 .............................................................. 67
Hình 2.31 Hệ cảm biến có bù trừ nhiệt dộ ........................................................... 68
Hình 2.32 Thông số góc huớng thu duợc ở nhiệt dộ 25oC

................................... 68

Hình 2.33 Ảnh huởng của nhiệt dộ lên góc huớng cảm biến từ truờng

............... 69

Hình 2.34 So dồ thực thi cấu trúc vòng mở .......................................................... 70
Hình 2.35 Góc huớng truớc và sau khi bù nhiệt sử dụng cấu hình vòng mở .......... 70
Hình 2.36 Kết quả truớc và sau khi bù nhiệt sử dụng cấu hình vòng kín

............ 71

Hình 2.37 a) Nhiệt dộ và bù trừ nhiệt dộ; b) góc huớng cảm biến do duợc ............ 71
Hình 2.38 Khảo sát bù nhiệt dộ theo Kp. ............................................................. 72

Hình 2.39 Khảo sát bù nhiệt dộ theo Ki. ............................................................... 73
Hình 2.40 So sánh diều khiển vòng kín và vòng mở khi cảm biến dặt trên bàn xoay ....73

Hình 3.1 Luu dồ hoạt dộng của hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS.

............ 76

Hình 3.2 Bộ lọc Kalman dề xuất ........................................................................... 77
Hình 3.3 Chuyển dổi hệ thống tùy thuộc trạng thái tín hiệu GPS.
Hình 3.4 Chuong trình mô phỏng trên SIMULINK/MATLAB

....................... 82

............................. 84

Hình 3.5 Hệ INS/GPS duợc kết nối ...................................................................... 86
Hình 3.6 Một duờng thực dịa của hệ INS/GPS

.................................................... 87

Hình 3.7 Quỹ dạo GPS và INS/GPS thu duợc ...................................................... 88
Hình 3.8 Phóng dại của quỹ dạo tại doạn duờng thẳng

...................................... 88

Hình 3.9 Phóng dại quỹ dạo tại doạn duờng cong ............................................... 89
Hình 3.10 Vận tốc VN từ bộ lọc Kalman của hệ INS/GPS và của GPS

x

................ 89


Hình 3.11 Vận tốc VE từ bộ lọc Kalman của hệ INS/GPS và của GPS

................ 90

Hình 3.12 Phóng dại vận tốc VE của bộ lọc Kalman và của GPS

........................ 90

Hình 3.13 So sánh góc huớng của hệ thống INS/GPS và của GPS

...................... 91

Hình 3.14 Góc nghiêng của hệ thống (Roll) ......................................................... 92
Hình 3.15 Góc chúc của hệ thống (Pitch) ............................................................ 92
Hình 3.16 Đuờng thực dịa cho thử nghiệm 2 ....................................................... 93
Hình 3.17 Hệ bị mất tín hiệu GPS khi xe dang chuyển dộng thẳng

..................... 93

Hình 3.18 Hệ bị mất tín hiệu GPS khi xe dang quay dầu ..................................... 94

xi


MỞ ĐẦU
Lý do chọn dề tài

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các hoạt dộng của
con nguời về dịnh vị, dẫn duờng và diều khiển cho các vật thể chuyển dộng nhu máy bay,
tên lửa, ôtô, tàu thuyền, rô bốt v.v… dã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong
nhiều linh vực dời sống và an ninh quốc phòng. Sự ra dời của các hệ thống vệ tinh dẫn
duờng toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) nhu: hệ thống GPS,
GLONASS, Galileo, Bắc Đẩu v.v... nhằm dáp ứng những nhu cầu trên.

Một trong những hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu dang duợc ứng dụng nhiều
nhất hiện nay là hệ thống dịnh vị toàn cầu GPS (Global Positioning System). Hệ thống
GPS có những uu diểm nhu dộ chính xác tuong dối cao và hoạt dộng ổn dịnh theo thời
gian. Tuy nhiên nó vẫn còn tồn tại những nhuợc diểm nhu không xác dịnh duợc tu thế của
vật thể chuyển dộng, tần số cập nhật thấp (thông thuờng là 1Hz). Trong quá trình hoạt
dộng hệ thống GPS còn tồn tại nhiều sai số do một số nguyên nhân nhu: sai số quỹ dạo
vệ tinh, sai số dồng hồ vệ tinh và dồng hồ máy thu, sai số do trễ ở tầng diện ly và tầng
dối luu, sai số da duờng truyền, nhiễu ở máy thu v.v... Ngoài ra tín hiệu từ vệ tinh có thể
bị gián doạn do ảnh huởng của thời tiết, dịa hình. Do dó trong nhiều ứng dụng hệ thống
GPS cần kết hợp với một hệ dịnh
vị, dẫn duờng khác dể hạn chế và khắc phục duợc những nhuợc diểm trên.

Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn duờng quán tính INS (Inertial Navigation
System) cung duợc sử dụng nhiều vào mục dích dịnh vị và dẫn duờng. Hệ thống INS tính
toán tọa dộ, vận tốc và tu thế vật thể chuyển dộng dựa trên các thông tin do luờng từ các
cảm biến gắn trên vật thể nhu cảm biến do gia tốc, cảm biến do vận tốc góc, la bàn từ v.v…
Đây là một hệ thống có khả nang hoạt dộng dộc lập, có dộ chính xác cao trong những
khoảng thời gian ngắn và có tốc dộ cập nhật cao (thông thuờng từ 50 Hz – 100 Hz). Tuy
nhiên hệ thống này lại gặp phải những lỗi nghiêm trọng do hiện tuợng trôi của các cảm biến
gia tốc và cảm biến vận tốc góc. Những lỗi này có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên, duợc
tích luy và tang dần theo thời gian. Chính vì vậy khi hoạt dộng trong khoảng thời gian dài
hệ thống INS cần phải duợc kết hợp với các hệ thống

1


dẫn duờng khác dể nâng cao chất luợng của hệ thống dẫn duờng.

Hệ thống INS và hệ thống GPS là hai hệ thống dẫn duờng có những uu diểm và nhuợc
diểm trái nguợc nhau. Do dó sự kết hợp giữa các hệ thống này dể tạo ra hệ thống dẫn duờng
tích hợp INS/GPS duợc xem là một trong những giải pháp tối uu nhằm lợi dụng duợc
những uu diểm và khắc phục duợc những nhuợc diểm của từng hệ thống
dẫn duờng riêng lẻ. Từ dó tạo nên một hệ thống dẫn duờng có dộ chính xác cao có thể ứng
dụng trong nhiều linh vực quân sự, khoa học kỹ thuật và dời sống.

Trong vài thập kỷ gần dây, hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS dã thu hút duợc
sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. Tuy nhiên, do truớc dây hệ thống INS có cấu trúc
phức tạp, giá thành rất cao nên việc nghiên cứu hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS
chủ yếu chỉ duợc sử dụng với mục dích quân sự. Vì thế, những kết quả công bố trong linh
vực này rất khó có thể triển khai trên thực tế.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ hệ thống vi co diện tử
MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), hệ thống INS ngày nay có giá thành rẻ,
nhỏ gọn, thời gian dáp ứng nhanh, khả nang hoạt dộng tự trị cao, dễ dàng tích hợp
với các thành phần diện tử khác. Hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS dã duợc
nghiên cứu và ứng dụng vào trong nhiều linh vực của cuộc sống. Đã có nhiều công
trình trong và ngoài nuớc nghiên cứu về hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS dựa
trên cảm biến MEMS và dã có những thành công nhất dịnh. Tuy nhiên hệ thống INS
dựa trên cảm biến MEMS vẫn còn nhiều hạn chế nhu dộ trôi lớn, phụ thuộc vào diều
kiện môi truờng v.v..., dẫn dến hệ thống tích hợp INS/GPS vẫn tồn tại nhiều sai số
trong quá trình hoạt dộng cần phải duợc tiếp tục nghiên cứu. Với mục dích nâng cao
chất luợng và dộ chính xác của hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS , tác giả dã lựa
chọn “Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS dùng cho các vật

thể chuyển dộng” làm dề tài nghiên cứu của mình.

Mục dích nghiên cứu
Mục tiêu chung
Nâng cao chất luợng và dộ chính xác của hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS duợc
thiết kế dựa trên các cảm biến MEMS.

2


Mục tiêu cụ thể:
1) Phân tích và khảo sát sai số của các cảm biến MEMS sử dụng trong hệ thống dẫn
duờng INS.

2) Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS sử dụng các cấu trúc
lọc Kalman hoạt dộng trong truờng hợp có tín hiệu GPS và trong truờng hợp tín hiệu GPS
không ổn dịnh hoặc bị gián doạn.

Đối tuợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tuợng nghiên cứu của luận án:
Hệ thống dịnh vị toàn cầu GPS, hệ thống dẫn duờng quán tính INS duợc xây
dựng dựa trên cảm biến MEMS và hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS.
Phạm vi nghiên cứu:
Cấu tạo, nguyên lý hoạt dộng, các uu nhuợc diểm và ứng dụng của hệ thống
dịnh vị toàn cầu GPS, hệ thống dẫn duờng INS có khối do luờng quán tính IMU duợc chế
tạo từ các cảm biến MEMS.
Hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS cho các dối tuợng chuyển dộng trên mặt dất
và những biện pháp nâng cao chất luợng của hệ thống.

Phuong pháp nghiên cứu

Để thực hiện duợc các mục tiêu dề ra, luận án dã kết hợp giữa các phuong pháp
nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và tiến hành thực nghiệm dể xây dựng các thuật toán
và dánh giá chất luợng của hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS duợc thiết kế.
Ý nghia khoa học và thực tiễn của luận án

Đề tài có ý nghia khoa học vì dã tiếp cận tới những vấn dề mui nhọn của huớng
nghiên cứu dịnh vị và dẫn duờng sử dụng hệ thống INS và GPS. Kết quả nghiên cứu của
luận án là co sở khoa học dể xây dựng có hiệu quả hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS
ứng dụng trên thực tế.

Đề tài có ý nghia thực tiễn cao bởi vì nhu cầu dịnh vị dẫn duờng cho các vật thể

3


chuyển dộng trên thực tế là rất lớn, duợc ứng dụng trong nhiều linh vực ở cả trong và
ngoài nuớc.

Bố cục của luận án
Những vấn dề mà luận án giải quyết duợc trình bày trong ba chuong, cụ thể nhu
sau:

Chuong 1 trình bày các công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nuớc;
Nguyên tắc hoạt dộng của hệ thống dẫn duờng INS, hệ thống dịnh vị toàn cầu GPS, và
hệ dẫn duờng tích hợp INS/GPS.

Chuong 2 tiến hành phân tích và dặc trung hóa sai số của các cảm biến MEMS sử
dụng trong hệ thống dẫn duờng INS (cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, cảm biến từ
truờng).

Chuong 3 thực hiện thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS sử
dụng các cấu trúc lọc Kalman linh hoạt, phù hợp trong các diều kiện tín hiệu GPS gián
doạn.
Phần kết luận và kiến nghị tổng kết lại các vấn dề luận án dã thực hiện duợc và dua
ra những kiến nghị và huớng nghiên cứu tiếp theo của luận án.

4


Chuong 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ DẪN ĐUỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NUỚC

Ngày nay, nhu cầu về dịnh vị, dẫn duờng và diều khiển cho các vật thể chuyển dộng
nhu rô bốt, máy bay, tên lửa, ô tô, tàu thuyền… dã trở thành một nhu cầu hết
sức cấp thiết trong nhiều linh vực dời sống và an ninh quốc phòng. Một trong những hệ
thống dẫn duờng hiện nay dang duợc sử dụng nhiều là hệ thống dịnh vị vệ tinh toàn cầu
(GPS). Tuy nhiên, bên cạnh những uu diểm nhu dộ chính xác tuong dối cao và ổn dịnh
theo thời gian, hệ thống GPS có những nhuợc diểm nhu tín hiệu GPS chịu ảnh huởng của
phuong thức và môi truờng truyền dẫn, thậm chí tín hiệu GPS có thể bị gián doạn trong
một khoảng thời gian xác dịnh do ảnh huởng của dịa hình v.v...

Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn duờng quán tính INS cung dang duợc sử
dụng nhiều vào mục dích dẫn duờng. Hệ thống INS xác dịnh tọa dộ và các thông tin của
vật thể chuyển dộng dựa trên các thông số do dạc tính toán từ các cảm biến gắn trên vật
thể nhu cảm biến gia tốc, cảm biến vận tốc góc, la bàn từ… Với sự phát triển của công
nghệ vi co diện tử và vi hệ thống (MEMS), hệ thống INS ngày nay có giá thành rẻ, nhỏ
gọn, thời gian dáp ứng nhanh, khả nang hoạt dộng dộc lập cao, dễ dàng tích hợp với các
thành phần diện tử khác. Tuy nhiên hệ thống INS dựa trên cảm biến MEMS vẫn còn
những hạn chế nhu dộ trôi lớn, phụ thuộc vào diều kiện môi truờng.

Các vấn dề trên dẫn tới một giải pháp toàn diện là xây dựng hệ thống dẫn duờng tích
hợp trong dó kết hợp các uu diểm của hai hệ thống INS và GPS, từ dó tạo nên
một hệ thống dẫn duờng mang tính hoàn thiện cao dáp ứng duợc các yêu cầu thực tế.

Trên thế giới, việc nghiên cứu về hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS dã thu
hút duợc sự quan tâm rộng rãi của các nhà khoa học. Định vị dẫn duờng là một linh
vực rất phổ biến của dộng lực học phi tuyến, vấn dề cốt lõi của việc phát triển hệ
thống dịnh vị dẫn duờng là uớc luợng trạng thái của hệ thống dộng lực học. Tuy
nhiên, trong việc uớc luợng hệ thống dộng lực học phi tuyến thì không có một lời
giải don giản nào cho tất cả các bài toán dặt ra. Nhìn chung, có ba phuong pháp dể

5


uớc luợng cho hệ thống dịnh vị:
- Bộ lọc Kalman duợc tuyến tính hóa hoặc bộ lọc Kalman mở rộng EKF
(Extended Kalman Filter).
- Các bộ lọc dựa trên việc lấy mẫu: bộ lọc Kalman UKF (The Unscented
Kalman Filter) và các bộ lọc diểm.

- Các phuong pháp dựa trên trí tuệ nhân tạo AI (Artificial Intelligence) nhu:
mạng no-ron nhân tạo ANN (Artificial neural networks), hệ thống thông tin mờ noron thích nghi ANFIS (Adaptive neural fuzzy information system).

Trong nghiên cứu [63], Weiss J.D. dã sử dụng máy thu GPS trợ giúp cho hệ
thống INS, hệ tích hợp này sử dụng một bộ lọc Kalman nội bộ dể mô hình hệ thống
INS và xử lý các thông tin trả về từ GPS dể thu duợc các thông tin về vận tốc và vị
trí. Mô hình bộ lọc Kalman này chỉ mô hình hóa những sai số co bản của INS và
không mô hình hóa sai số của cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc. Kết quả cho
thấy rằng khi tín hiệu GPS không tốt thì hệ thống tích hợp lỏng vòng kín cung hoạt

dộng kém hiệu quả, trong khi dó hệ thống tích hợp kiểu chặt lại cho kết quả khá tốt. Tuy
nhiên nhờ việc tích hợp thêm bộ lọc Kalman vào dầu thu GPS kết hợp với mô
hình hóa sai số của các cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc thì sai số của hệ
thống tích hợp kiểu lỏng cung giảm xuống dáng kể.

Ismaeel S.A. dã phát triển một bộ mô phỏng tên lửa bay với bộ dẫn duờng gắn liền
[28]. Hai bộ lọc Kalman dã duợc sử dụng, bộ thứ nhất thiết kế cho máy thu GPS trong hệ
dộng lực học cao dể uớc luợng các trạng thái của GPS và so sánh hoạt dộng của bộ lọc
với thuật toán bình phuong tối thiểu. Bộ lọc Kalman thứ hai duợc sử dụng dể kết hợp
thông tin từ các cảm biến gia tốc và vận tốc góc với tần số cập nhật cao và thông tin từ
GPS với tần số cập nhật thấp.

Jan W. và Gert F. dã trình bày một cách tiếp cận dể nâng cao dặc trung của hệ
thống tích hợp INS/GPS theo kiểu chặt [29]. Hệ thống này có một phần cứng xử lý dộ
lệch thời gian giữa các pha của sóng mang thay cho những do luờng biến thiên khoảng
cách, kết quả dộ chính xác của vận tốc và vị trí trong hệ tích hợp tang lên.

6


Điều này dóng vai trò quan trọng trong khoảng thời gian khi tín hiệu GPS bị mất do
nhiễu. Phuong pháp này dã duợc áp dụng vào hệ thống tên lửa, noi mà các cảm biến chịu
tác dộng lớn bởi dao dộng của hệ thống.

Trong công trình nghiên cứu [33] Johnson và các dồng nghiệp dã dề xuất hai phuong
pháp dể nâng cao bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ dẫn duờng phuong tiện bay không nguời
lái UAV (Unmanned Aerial Vehicles). Phuong pháp thứ nhất sử dụng qui luật mờ dể chọn
các tham số cho bộ lọc thích nghi. Phuong pháp thứ hai sử dụng cấu trúc lặp dệ quy song
song dể tang tốc dộ tính toán cho bộ lọc Kalman. Cả hai phuong pháp này duợc mô tả một
cách vắn tắt và dua ra kết quả mô phỏng.

Một hệ thống dẫn duờng thông minh ứng dụng cho phuong tiện tự hành duới nuớc
AUV (Autonomous underwater vehicle) dã duợc dề xuất bởi Loebis và các cộng sự [39].
Một bộ lọc Kalman don giản (SKF) và EKF duợc dề xuất dể xử lý dữ liệu từ INS và tích
hợp với dữ liệu GPS. Trong bài báo này kỹ thuật logic mờ thích nghi
duợc ứng dụng cho cả EKF và SKF. Kết quả cho thấy dã cải thiện duợc các uớc luợng của
từng bộ lọc riêng lẻ và nâng cao dộ chính xác tổng thể của hệ thống tích hợp INS/GPS.

Một hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS dựa trên lý thuyết tổng hợp dữ liệu da
cảm biến duợc khảo sát bởi Wang và các cộng sự [7]. Những mô hình sai số của khối do
luờng quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) duợc áp dụng cho bộ lọc EKF trong hệ
thống INS. Một bộ lọc Kalman cải tiến duợc phát triển dể loại bỏ sai
số của GPS và
giảm tải thời gian tính toán. Một bộ lọc Kalman thích nghi duợc sử
dụng dể tổng hợp
dữ liệu từ INS và GPS, dua ra thông tin về vị trí một cách liên tục trong cả truờng hợp
mất GPS. Kết quả cho thấy rằng hệ thống thích nghi INS/GPS hoạt dộng tốt hon từng hệ
thống INS và GPS hoạt dộng riêng lẻ.

Gizawy và các cộng sự dã giới thiệu một kỹ thuật mới tích hợp INS/GPS sử
dụng hệ thống trí tuệ nhân tạo [15]. Kết quả chỉ ra rằng mô hình dề xuất cải thiện dáng
kể dộ chính xác của vị trí uớc tính trong thời gian GPS.
Rashad và Aboelmagd dã sử dụng mạng no-ron nhân tạo (ANN) cho dữ liệu

7


tổng hợp từ INS và GPS [55]. Mặc dù có thể cải thiện duợc dộ chính xác của hệ, nhung
do tính phức tạp kết hợp với kiến trúc mạng nhiều lớp và các thuật toán dào tạo trực
tiếp dã hạn chế khả nang thực hiện thời gian thực của kỹ thuật này.

Nghiên cứu về hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS cung dã thu hút duợc sự quan
tâm của các nhà khoa học trong nuớc trong những nam vừa qua.

Trong nghiên cứu [1] tác giả dã dua ra phuong pháp trộn dữ liệu da cảm biến
tích hợp MEMS-INS/GPS kết hợp bộ lọc Kalman dể nhận dạng chuyển dộng của
phuong tiện co giới quân sự. Tác giả cung dã xây dựng thuật toán kết hợp bộ lọc Kalman
với hệ suy diễn mờ trộn dữ liệu dầu ra gia tốc kế và con quay dể dánh giá
tham số dộ cân bằng mặt phẳng bệ thân xe của phuong tiện co giới quân sự. Qua dó
dã hạn chế duợc sai số trong dánh giá tham số vị trí và tham số dộ nghiêng mặt phẳng
bệ của phuong tiện trong quá trình chuyển dộng. Trong nghiên cứu này tác giả mới
chỉ áp dụng bộ lọc Kalman don giản. Để tang dộ chính xác của các dánh giá thì cần
phải cải tiến bộ lọc Kalman dể có thể giải quyết duợc các sai số mang tính phi tuyến
cao
bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) hoặc bộ lọc Kalman không
bản chất (UKF).

Thông qua quá trình khảo sát hệ thống dẫn duờng quán tính INS duợc trang bị trên
các tên lửa hành trình, trong nghiên cứu [3] tác giả dua ra giải pháp nâng cao chất luợng hệ
dẫn duờng thiết bị bay trên co sở xử lý thông tin từ hệ thống tích hợp INS/GPS/Baro. Hệ
thống duợc thiết kế theo cấu trúc ghép lỏng dựa trên hệ thống INS có cấp dộ chính xác
trung bình. Tác giả cung dã xây dựng, thiết kế, lựa chọn mạng no ron dể duy trì sai số kênh
quan sát làm dầu vào trong bộ lọc Kalman trong truờng hợp mất tín hiệu GPS. Tuy nhiên
các kết quả thu duợc mới chỉ dừng lại ở mức dộ mô phỏng.

Trong nghiên cứu [2] tác giả dã dề xuất một giải pháp thiết kế hệ thống tích hợp
GPS/INS trên co sở cấu trúc phân tán sử dụng INS 9 – DOF nhằm nâng cao chất
luợng cho các thiết bị dịnh vị dẫn duờng sử dụng GPS phục vụ bài toán giám sát phuong
tiện giao thông duờng bộ. Để giải quyết vấn dề sai số tích luy của INS 9 – DOF và tính
phi tuyến của hệ thống, tác giả cung dã phát triển phuong pháp tự dộng

8


diều chỉnh ma trận quay cho thiết bị trên xe và thực hiện bộ lọc UKF linh hoạt tự dộng
chuyển dổi chế dộ hoạt dộng theo tín hiệu dầu vào ở phần giám sát thiết bị tại trạm. Tuy
nhiên trong quá trình khảo sát hệ thống thiết kế, tác giả vẫn chua dề cập tới truờng hợp
khi tín hiệu GPS bị mất.

Trong nghiên cứu [20] các tác giả dã tiến hành kết hợp hệ dẫn duờng tích hợp
INS/GPS với mạng GSM/GPRS dể theo dõi và quản lý các thông tin dẫn duờng của các
phuong tiện chuyển dộng trên mặt dất. Hệ thống tích hợp INS/GPS uớc luợng vị trí, vận tốc
và tu thế của các phuong tiện. Những thông tin này duợc chuyển dến máy chủ nhờ mạng
GSM/GPRS thông qua giao thức TCP/IP. Tại trạm quan sát có thể theo dõi duợc vị trí của
phuong tiện trên bản dồ số. Để uớc luợng trạng thái của phuong
tiện, trong hệ thống thiết kế tác giả mới chỉ sử dụng bộ lọc Kalman tuyến tính với số luợng
trạng thái uớc luợng chua nhiều. Để áp dụng vào các ứng dụng thực tế cần
phải tang dộ chính xác của hệ thống bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman phi tuyến và tang số
luợng trạng thái uớc luợng của bộ lọc.

Có thể thấy linh vực nghiên cứu về hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS cho
dến nay dã có khá nhiều huớng nghiên cứu và duợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Tuy
nhiên vẫn còn nhiều vấn dề về lý thuyết và thực tiễn cần phải duợc giải quyết dể nâng
cao chất luợng hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS và ứng dụng
hệ thống vào các
bài toán dịnh vị dẫn duờng trong thực tế. Trong luận án này, tác giả tập trung nghiên
cứu các giải pháp nâng cao chất luợng của hệ thống dẫn duờng tích hợp INS/GPS cho
các phuong tiện chuyển dộng trên mặt dất dựa trên các cảm biến MEMS.

1. 2. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1.2.1. Tổng quan về hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu GNSS

Hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite
System) là tập hợp các vệ tinh duợc thiết kế dể cung cấp thông tin về vị trí và thời gian
cho nguời sử dụng trên trái dất hoặc trong không gian [16]. Hiện nay, trên thế

9


giới có bốn hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu dang hoạt dộng và phát triển, dó là:
hệ thống dịnh vị toàn cầu GPS của Mỹ, hệ thống GLONASS của Nga, hệ thống
Galileo của Ủy ban châu Âu và hệ thống Bắc Đẩu của Trung Quốc. Sự phát triển của
hệ thống GNSS duợc trình bày trong nghiên cứu [62]. Duới dây tác giả sẽ trình bày
tổng quan về hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu. Chi tiết duợc trình bày trong các nghiên
cứu [16, 23, 24, 35, 41, 44, 65].

1.2.1.1. Hệ thống GPS

Hệ thống GPS là hệ thống vệ tinh dẫn duờng toàn cầu GNSS dang duợc phát triển
và sử dụng rộng rãi nhất. Hệ thống duợc thiết kế, xây dựng, vận hành và bảo trì bởi Bộ
Quốc phòng Hoa Kỳ. Thiết kế của hệ thống dã duợc thông qua vào nam 1973 và vệ tinh
dầu tiên trong hệ thống GPS duợc phóng lên thành công vào nam 1978 [23, 41]. Đến
nam 1995, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ tuyên bố hệ thống GPS dã hoàn
chỉnh và chính thức di vào hoạt dộng.

Hệ thống GPS ban dầu duợc thiết kế cho mục dích quân sự, nhung sau dó dã cung
cấp dịch vụ cho các mục dích dân sự. Tuy nhiên, dịch vụ của nó duợc chia thành hai nhóm:
dịch vụ dịnh vị chuẩn SPS (The standard positioning service) sử dụng cho mục dích dân
sự, và dịch vụ dịnh vị chính xác PPS (The precise positioning service)
sử dụng cho quân
dội. SPS duợc sử dụng cho tất cả nguời dùng, PPS giới hạn cho nguời dùng duợc cấp phép

bởi chính phủ Hoa Kỳ, bao gồm lực luợng quân dội Hoa Kỳ, lực luợng quân dội NATO.
Tín hiệu PPS duợc mã hóa dể ngan cản nguời không duợc cấp phép truy cập [23].

Hệ thống GPS bao gồm ba phân doạn chính: phân doạn không gian, phân doạn diều
khiển và phân doạn nguời sử dụng.

Phân doạn không gian bao gồm một hệ thống các vệ tinh truyền tín hiệu vô
tuyến cho nguời dùng. Hệ thống GPS hoạt dộng với ít nhất 24 vệ tinh và tối da là 36 vệ
tinh [45]. Tính dến 15 tháng 6 nam 2016, có 31 vệ tinh trong hệ thống GPS. Trong dó có
24 vệ tinh GPS dang hoạt dộng phát sóng bao trùm khắp noi trên trái dất. Các vệ tinh
GPS bay trong quỹ dạo trái dất trung bình (MEO) ở dộ cao khoảng 20.200 km

10


và duợc phân bố trên 6 quỹ dạo. Quỹ dạo của các vệ tinh nghiêng xấp xỉ 550 so với mặt
phẳng Xích dạo. Chu kỳ của các vệ tinh là 11 giờ 58 phút [35]. Cấu trúc quỹ daọ hệ vệ
tinh này cho phép nguời sử dụng hệ thống GPS trên mặt dất có thể thu tín hiệu trực tiếp
từ ít nhất 4 vệ tinh và trung bình từ 6 dến 8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi các cấu trúc
hạ tầng trên mặt dất (xem Hình 1.1).

Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh GPS [72]

Hệ thống các vệ tinh GPS là sự kết hợp của các vệ tinh cu và mới. Hình 1.2 chỉ ra
các thế hệ hiện tại và tuong lai của các vệ tinh GPS. Hiện tại có 12 vệ tinh Block IIR, 7 vệ
tinh Block IIR-M và 12 Block IIF dang hoạt dộng [71]. Vệ tinh GPS III dự kiến duợc
phóng lên vào tháng 5 nam 2017. Chi tiết về các thế hệ vệ tinh GPS duợc trình bày trong
các nghiên cứu [24, 48].

BLOCK IIR

BLOCK IIR-M

11


BLOCK IIF

GPS III

Hình 1.2 Các thế hệ vệ tinh GPS [8]
Phân doạn diều khiển GPS bao gồm một mạng luới toàn cầu các thiết bị trên

mặt dất có nhiệm vụ theo dõi, thực hiện phân tích, gửi các lệnh và dữ liệu tới các vệ tinh.
Phân doạn diều khiển hoạt dộng hiện tại bao gồm một trạm diều khiển chủ,
một trạm diều khiển chủ thay thế, 11 trạm và ang ten diều khiển, và 15 diểm giám sát.
Địa diểm của các trạm này duợc thể hiện trong bản dồ Hình 1.3 [72]. Các thông tin về
phân doạn diều khiển GPS duợc trình bày chi tiết trong [24] mục 9.4.2 và [48] mục 3.2.

Hình 1.3 Phân doạn diều khiển GPS [71]
Phân doạn nguời sử dụng bao gồm các máy thu GPS, chúng xử lý tín hiệu truyền từ
vệ tinh dể cung cấp chính xác những thông tin về vị trí, vận tốc và thời gian cho

12