Nghiên cứu phát triển phương thức autopilot cho thiết bị bay không người lái uav

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

BÙI ĐỨC MẠNH

BÙI ĐỨC MẠNH
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC AUTOPILOT CHO
THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

2015A
Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI ĐỨC MẠNH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC AUTOPILOT CHO
THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV

Chuyên ngành :

Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ỨNG DỤNG
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.

PGS.TS. NGUYỄN THÚY ANH

Hà Nội – Năm 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: BÙI ĐỨC MẠNH
Đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC
AUTOPILOT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số SV: CA150139
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
-

Luận văn đã bố cục lại thành 3 chương thay vì 5 chương.

-

Chỉnh sửa các lỗi đánh máy, đã chỉnh sửa “đồ án” sang thành “luận văn” các
từ tiếng anh đã được dịch hết như: “et al” thành “ các đồng nghiệp”, “and”
thành “ và”, “low cost” thành “chi phí thấp”…

-

Bổ sung đầy đủ các từ viết tắt từ 2 mục lên 17 mục.

-

Trình bày lại các biểu thức, ký hiệu toán học và biểu thức trong các đoạn
chữ một cách có bố cục hơn, đẹp hơn.

-

Thay thế các câu rõ nghĩa hơn: “động thái ban đầu” thành “trạng thái chuyển
động ban đầu”.

-

Chỉnh sửa lại chú thích để nội dung khớp với hình, ví dụ: “hình 2.12” thành
“hình 1.13” và “hình 2.14” thành “hình 1.14”.
Ngày

tháng

Giáo viên hướng dẫn

năm
Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: BÙI ĐỨC MẠNH
Đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG THỨC
AUTOPILOT CHO THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số SV: CA150139
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
-

Luận văn đã bố cục lại thành 3 chương thay vì 5 chương.

-

Chỉnh sửa các lỗi đánh máy, đã chỉnh sửa “đồ án” sang thành “luận văn” các
từ tiếng anh đã được dịch hết như: “et al” thành “ các đồng nghiệp”, “and”
thành “ và”, “low cost” thành “chi phí thấp”…

-

Bổ sung đầy đủ các từ viết tắt từ 2 mục lên 17 mục.

-

Trình bày lại các biểu thức, ký hiệu toán học và biểu thức trong các đoạn
chữ một cách có bố cục hơn, đẹp hơn.

-

Thay thế các câu rõ nghĩa hơn: “động thái ban đầu” thành “trạng thái chuyển
động ban đầu”.

-

Chỉnh sửa lại chú thích để nội dung khớp với hình, ví dụ: “hình 2.12” thành
“hình 1.13” và “hình 2.14” thành “hình 1.14”.
Ngày

tháng

Giáo viên phản biện

năm
Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................
TÓM TẮT ..........................................................................................................
ABSTRACT .......................................................................................................
LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...........................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .....................................................................

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ UAV, ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC
PPP, GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS ........................... 1
1.1.

Sơ lược các thiết bị bay không người lái UAV ............................. 1

1.2.

Sơ lược hệ thống Autopilot cho UAV ............................................ 2

1.3.

Sơ lược về các hệ thống định vị điểm chính xác GPS và cảm

biến quán tính .............................................................................................. 3
1.3.1.

Định vị điểm chính xác PPP GPS .......................................................4

1.3.2.

MEMS IMU chi phí thấp.....................................................................5

1.4.

Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU .................. 6

1.4.1.

Sự kết hợp giữa GPS và INS sử dụng bộ lọc Kalman .........................6

1.4.2.

Mô hình cảm biến qn tính ................................................................7

1.5.

Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS .............................. 7

1.5.1.

Cấu trúc của hệ thống GPS..................................................................7

1.5.2.

Cấu trúc tín hiệu GPS ........................................................................10

1.5.3.

Các phương pháp đo ..........................................................................26

1.6.

Tổng quan về phương pháp định vị điểm chính xác .................. 29

1.6.1.

Sai số đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh .....................................................29

1.6.2.

Trễ tầng đối lưu .................................................................................31

1.6.3.

Tầng điện ly .......................................................................................32

1.7.

Tổng quan về hệ thống định vị quán tính INS ........................... 33

1.7.1.

Hệ tọa độ và sự chuyển đổi giữa các hệ tọa độ .................................34

1.7.2.

Bộ xử lý INS ......................................................................................37

1.7.3.

Sự hiệu chỉnh ban đầu cho INS .........................................................42

Chương 2. SỰ TÍCH HỢP GIỮA INS VÀ GPS ....................................... 43
2.1.

Phương pháp tích hợp GPS/INS .................................................. 43

2.1.1.

Hệ thống tích hợp chặt chẽ. ...............................................................43

2.1.2.

Hệ thống tích hợp lỏng GPS/INS ......................................................45

2.2.

Bộ lọc Kalman ................................................................................ 46

2.3.

Bộ lọc PPP GPS ............................................................................. 52

2.3.1.

Trạng thái của hệ thống .....................................................................52

2.3.2.

Mơ hình hệ thống ..............................................................................53

2.4.

Hệ thống PPP GPS/MEMS IMU theo phương pháp tích hợp

chặt chẽ ....................................................................................................... 59
2.4.1.

Véc tơ trạng thái của hệ thống ...........................................................60

2.4.2.

Mơ hình hệ thống. .............................................................................61

2.4.3.

Mơ hình đo ........................................................................................64

2.5.

Hệ thống tích hợp lỏng PPP GPS/MEMS IMU .......................... 66

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................... 68
3.1.

Tổng quan và thực hiện ................................................................ 68

3.1.1.

Kịch bản.............................................................................................68

3.1.2.

Mô tả tổng quan .................................................................................68

3.1.3.

Sơ đồ khối của hệ thống mô phỏng ...................................................68

3.1.4.

Sơ đồ khối thuật toán .........................................................................69


3.1.5.

3.2.

Sơ đồ khối xử lý ................................................................................69

Khởi tạo và phân tích bài toán ..................................................... 70

3.2.1.

Thiết lập các sự kiện ban đầu ............................................................70

3.2.2.

Yêu cầu hệ thống ...............................................................................70

3.3.

Kết quả mô phỏng ......................................................................... 70

3.3.1.

Sơ đồ khối của bài tốn mơ phỏng ....................................................71

3.3.2.

Dự đốn vị trí và vận tốc của đối tượng di chuyển (đồn tàu) ..........76

3.4.

Kết luận chương và hướng phát triển ......................................... 80

KẾT LUẬN: ................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82


LỜI MỞ ĐẦU
Từ ngàn xưa con người đã có ước mơ chinh phục và làm chủ bầu trời, và cho
đến ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và những thành tựu
trong lĩnh vực điện tử - viễn thơng nói riêng đã góp phần biến ước mơ trinh phục
khơng gian đó càng ngày càng rõ ràng và đạt được những thành tựu to lớn. Hệ
thống bay khơng người lái (UAV) ngày càng có nhiều ứng dụng khơng chỉ trong
lĩnh vực qn sự mà cịn trong lĩnh vực kinh tế xã hội. Máy bay không người lái
(Unmanned air vehicles - UAV) đã được sự dụng tích cực trên khắp thế giới cho
những lĩnh vực công nghệ cao, những nhiệm vụ giám sát và trinh sát
(reconnaissance – ISR). Hiện nay hệ thống autopilot cho thiết bị bay không người
lái UAV vẫn lĩnh đầy tiềm năng và được đầu tư rất lớn trên thế giới.
Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị, dẫn đường và điều
khiển cho các vật thể chuyển động như máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền, v.v. đã trở
thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và an ninh quốc
phòng. Một trong những hệ thống dẫn đường hiện tại đang được ứng dụng nhiều là
hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS). Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm như
độ chính xác tương đối cao và ổn định theo thời gian, hệ thống GPS bộ lộ những
nhược điểm như tín hiệu có thể bị gián đoạn trong thời gian không xác định do ảnh

hưởng của địa hình hoặc do sai số có chủ đích của nhà cung cấp. Bên cạnh hệ thống
GPS, hệ thống dẫn đường quán tính (INS) cũng được sử dụng nhiều nhằm xác định
tọa độ và các thông tin của vật thể chuyển động dựa trên các thông số đo đạc tính
tốn từ các cảm biến gắn trên vật thể như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la
bàn từ, v.v. Việc tích hợp INS và GPS cho phép tạo nên một hệ thống dẫn đường có
tính hồn thiện cao được ứng dụng trong các ngành như điều khiển dẫn đường các
phương tiện đường bộ, đường không và vũ trụ.
Hệ thống được thiết kế sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại, đặc
biệt là lọc bộ lọc Kalman, và cảm biến gia tốc MEMS mới, để đáp ứng được các
yêu cầu như tính chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh.


TĨM TẮT
Luận văn của em tập trung tìm hiểu về “Hệ thống Autopilot cho UAV dựa
trên nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS”. Đây là
phương pháp định vị đem lại độ chính xác cao, ổn định, ít chịu ảnh hưởng của điều
kiện thời tiết. Chi phí thấp hơn nhiều so với các hệ thống định vị khác có cùng độ
chính xác. Theo đó, trong luận văn em xin trình bày các nội dung như sau:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ UAV, ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP,
GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS
Giới thiệu những nét khái quát nhất về thiết bị bay khơng người lái,
autopilot cho UAV,phương pháp định vị điểm chính xác, cảm biến quán tính
MEMS IMU và hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU.
CHƯƠNG 2. SỰ TÍCH HỢP GIỮA INS VÀ GPS; ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH
XÁC PPP GPS VÀ INS
Trình bày về hệ thống GPS, phương pháp định vị điểm chính xác PPP và hệ
thống định vị quán tính INS. Mơ tả về các phương pháp tích hợp giữa hai hệ thống
GPS và INS đồng thời trình bày lý thuyết về bộ lọc Kalman. Trình bày cụ thể về
phương pháp tích hợp giữa định vị điểm chính xác PPP GPS và INS.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Là những kết quả thu được dựa trên mô phỏng matlab so sánh sai số vị trí
giữa các hệ thống rời rạc và hệ thống tích hợp. Cùng với đó, phần kết luận sẽ đưa ra
những đánh giá và đề xuất một vài hướng nghiên cứu tiếp theo.


ABSTRACT
My project focuses on studying about “The autopilot system for UAV ussing
integration of Precise Point Positioning GPS and INS”.This is a positioning
method provides highly accurate, stable, less affected by weather conditions. This
has lower cost than other systems with the same positioning accuracy.Accordingly,
the project would like to present the contents as follows:

Chapter 1 Overview Of Uav, presents Global Positioning System (GPS),
Precise Point Positioning and Inertial Navigation System (INS).
The most general definitions The Unmanned air vehicles, autopilot UAV system,
ofPrecise Point Positioning (PPP), low Cost mems IMU and intergration of PPP
GPS and mems IMU.
Presentation on GPS systems, positioning method and PPP exact inertial navigation
system INS.

Chapter 2 Describes the method to integrate GPS and INS, theory of
Kalman filter; Presents in detail method of integration of Precise Point
Positioning and INS
A description of the method of integration between GPS and INS systems and
presents a Kalman filter theory.
Presents particular methodological integration between precise point positioning
GPS and INS PPP.

Chapter 3 Result of framework
The result based on the simulation using matlabfor estimating error between

separate systems and integration system.
And the conclusion will evaluate and make a few suggestions towards further
researches.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đam:
Bản luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi, được thực
hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế với sự hướng dẫn, chỉ bảo của
PGS.TS Nguyễn Thúy Anh.
Các số liệu, hình ảnh đồ thị, kết luận đưa vào luận văn là trung thực, dựa trên sự
nghiên cứu những mơ hình, kết quả đã đạt được của các bài báo trên thế giới và trải
nghiệm của bản thân chưa từng được cơng bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi
trình bày bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”

Hà Nội ngày 1 tháng 4 năm 2017
Người cam đoan
Bùi Đức Mạnh


DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tên viết tắt

Ý nghĩa

Tiếng Anh

Máy bay không người lái

Unmanned air vehicles

ISR

Nhiệm vụ giám sát, trinh sát

Reconnaissance

GCS

Trạm điều khiển mặt đất

Ground Control Station

GPS

Hệ thống định vị toàn cầu

Global positioning system

MIMO

Hệ thống đa đầu vào, đa đầu ra

Multi-input multi-output

MEMS

Hệ vi cơ điện tử

Micro-Electro-Mechanical

UAV

Systems
IMU

Module kết hợp con quay hồi chuyển

Inertial Measurement Unit

và cảm biến gia tốc
PPP
DGPS

Định vị điểm chính xác

Precise Point Potisioning

Hệ thống định vị toàn cầu vi sai

Differential Global
Positioning System

INS

Hệ thống dẫn đường quán tính

Inertial Navigation System

JPL

Phịng thí nghiệm sức đẩy phản lực

Propulsion Laboratory

IGS

Dịch vụ IGS

International Geodynamics
Service

PRN

Mã giả ngẫu nhiên

Pseudo Random Noise

LFSR

Thanh ghi dịch tuyến tính

ACF

Hàm tự tương quan

Linear Feedback Shift
Register
Auto Correlation Function

UTC

Giờ Phối hợp Quốc tế

Coordinated Universal Time

IMU

Đơn vị đo quán tính

Inertial Measurement Unit


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Chịm sao vệ tinh ..........................................................................................8
Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR. .....................................................................................8
Hình 1.3 Phân hệ điều khiển. ......................................................................................9
Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS. .................................................................11
Hình 1.5 Cấu trúc tín hiệu L1....................................................................................13
Hình 1.6 Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS. ..........................................................13
Hình 1.7 Đồ thị cột của một ACF cho một chuỗi Gold. ...........................................15
Hình 1.8 Bộ tạo mã C/A ............................................................................................16
Hình 1.9 Đặc tính tương quan của các mã C/A ........................................................21
Hình 1.10 Cấu trúc dữ liệu định vịtrongGPS. ...........................................................23
Hình 1.11 Định dạng của hai từ TLM và HOW. ......................................................25
Hình 1.12 Hình vẽ minh họa phương pháp đo giả khoảng cách ...............................27
Hình 1.13 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất và hệ tọa độ trắc địa .................................35
Hình 1.14 Hệ tọa độ gắn liền vật thể .........................................................................35
Hình 1.15 Sơ đồi thuật tốn xử lý INS ......................................................................37

Hình 2.1 Hệ thống tích hợp chặt chẽ GPS/INS .........................................................43
Hình 2.2 Hệ thơng tích hợp lỏng GPS/INS ...............................................................45
Hình 2.3 Quy trình tính tốn của bộ lọc Kalman ......................................................50
Hình 2.4 Cấu trúc ma trận nhiễu ...............................................................................54
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống tích hợp chặt chẽ PPP GPS/MEMS IMU .........................59
Hình 2.6 Sơ đồ của hệ thống tích hợp lỏng ...............................................................66
Hình 3.1 Sơ đồ khối thuật tốn .................................................................................69
Hình 3.2 Sơ đồ khối xử lý .........................................................................................69
Hình 3.3 Sơ đồ khố i mô phỏng tích hơ ̣p lỏng GPS/INS ...........................................71
Hình 3.4 Dự đoán lỡi vi ̣trí sau bơ ̣ lo ̣c Kalman .........................................................72
Hình 3.5 Dự đoán lỡi vâ ̣n tố c sau bô ̣ lo ̣c Kalman .....................................................72
Hình 3.6 Sai số theo phương X trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất ........................73
Hình 3.7 Sai số theo phương Y trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất ........................73
Hình 3.8 Sai số theo phương Z trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất ........................74
Hình 3.9 Sai số vị trí trong hệ tọa độ cố định tâm trái đất ........................................74
Hình 3.10 Đánh giá sai sớ vâ ̣n tố c hê ̣ thố ng INS và GPS/INS ................................75
Hình 3.11 Dự đốn vị trí và vận tốc của một đồn tàu đang chuyển động dùng bộ
lọc Kalman ................................................................................................................76
Hình 3.12 Mơ phỏng trạng thái với mơ hình Kalman ...............................................78
Hình 3.13 Mơ phỏng trạng thái với mơ hình Kalman LTI........................................79


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Ấn định pha mã C/A ..................................................................................17
Bảng 1.2 Mã ID của các khung con ..........................................................................25
Bảng 1.3 Độ chính xác của sản phẩm IGS ................................................................30


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ UAV, ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH
XÁC PPP, GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS

Chương này sẽ nêu khái quát hệ thống UAV, xem xét các đặc tính của hai hệ
thống định vị điểm chính xác PPP, GPS và hệ thống định vị quán tính INS. Trình
bày các phương pháp đo trong hệ thống GPS và các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới độ
chính xác của hệ thống GPS. Sau đó trình bày cơng nghệ định vị điểm chính xác với
các biện pháp cụ thể để loại trừ các nguồn lỗi ảnh hưởng tới hệ thống. Cuối cùng là
trình bày nguyên lý của hệ thống định vị quán tính INS bao gồm: các hệ tọa độ, bộ
xử lý INS, và thủ tục thiết lập các thông số ban đầu.
1.1.

Sơ lược các thiết bị bay không người lái UAV
Máy bay không người lái (Unmanned air vehicles - UAV) đã được sự dụng

tích cực trên khắp thế giới cho những lĩnh vực công nghệ cao, những nhiệm vụ
giám sát và trinh sát (reconnaissance - ISR) kể từ những năm 1960. Cuộc bùng nổ
các thiết bị bay không người lái được sản xuất bởi hơn 150 quốc gia, từ thiết bị
‘Pioneer’1: chi phí thấp, thiết bị giám sát mục tiêu và trinh sát vượt đường chân trời,
cho tới thiết bị ‘Global hawk’2: trị giá hàng triệu đô la, tầm bay và có sức chịu đựng
cao.
Trong những năm gần đây, UAV được sử dụng ngày càng nhiều trong các
ứng dụng dân sự, chẳng hạn như: đánh giá thiên tai, tìm kiếm cứu nạn, theo dõi thời
tiết, thăm dị khống sản…UAV sử dụng phương thức lộ trình tự động Autopilot
cần phải có thơng tin chính xác về vị trí, tốc độ, phương hướng. Độ chính xác của
những thơng số này phụ thuộc vào sứ mệnh mà UAV thực hiện. Hiện nay, một số
hệ thống dẫn đường thương mại cho UAV được phát triển dựa trên hệ thống tích
hợp GPS/MEMS IMU, độ chính xác của những hệ thống này là 2 đến 10 mét. Vì
vậy, những hệ thống này khơng thể đáp ứng được những ứng dụng yêu cầu độ chính
xác cao. Một số hệ thống dẫn đường khác được phát triển dựa trên DGPS để đảm
bảo hiệu năng dẫn đường. Phương pháp này không khả thi trong một số trường hợp
1

thiên tai, khẩn cấp bởi vì việc lắp đặt trạm tĩnh đòi hỏi thời gian, phạm vi hoạt động
cũng bị hạn chế, tăng chi phí mà độ phức tạp.
Hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể được sử dụng cho hệ thống
đẫn đường UAV, đặc biết là trong trường hợp trạm tĩnh khó lắp đặt.
1.2.

Sơ lược hệ thống Autopilot cho UAV
Hệ thống Autopilot cho gồm 4 phần chính gồm: thiết bị bay không người lái

UAV, trạm điều khiển mặt đất – GCS, hệ thống truyền nhận thông tin và hệ thống
định vị
+ GCS có khả năng giao tiếp thời gian thực với máy bay thông qua các hệ
thống truyền nhận dữ liệu. Trạm mặt đất được dùng để theo dõi các trạng thái thực
của máy bay, để theo dõi tín hiệu video do camera trên máy bay quay được. Ngồi
ra, trạm điều khiển này cịn có thể có chức năng điều khiển trực tiếp, can thiệp vào
quá trình bay tự động của máy bay (lập trình, thay đổi quỹ đạo bay, chuyển đổi giữa
hai chế độ bay tự động và bay điều khiển từ xa. Dữ liệu, các thông số của chuyến
bay có thể được lưu trữ trên máy bay (onboard computer) hoặc truyền trực tiếp về
trạm điều khiển để xử lý, lưu trữ. GCS có thể mơ phỏng lại các thông số trạng thái
đã lưu trữ để phân tích, rút kinh nghiệm cho chuyến bay.
+ Trên máy bay có các thiết bị chính quan trọng là bộ truyền nhận dữ liệu,
các cảm biến (sensor) dùng để đo và tính tốn các thơng số trạng thái của máy bay,
các cơ cấu chấp hành (servo) dùng để điều khiển máy bay, hệ thống thu hình
camera, một bộ vi xử lý để có thể đọc các tín hiệu cảm biến, truyền nhận dữ liệu và
có thể điều khiển máy bay.
+ Hệ thống truyền nhận dữ liệu (data link) đóng vai trị khá quan trọng cho
UAV. Chính hệ thống này bảo đảm cho trạm điều khiển có thể giám sát trực tiếp
các hoạt động bay, thu nhận dữ liệu trực tiếp. Nếu hệ thống này bị hỏng, trạm mặt
đất sẽ mất liên lạc với máy bay và có thể lạc mất máy bay. Hệ thống này bao gồm

bộ thu phát tín hiệu video do camera thu được, và bộ truyền nhận dữ liệu, tín hiệu
điều khiển máy bay.

2


+ Hệ thống định vị (navigation) giúp cho máy bay biết được vị trí hiện tại
của mình, và mục tiêu phải đi tới. Độ chính xác của hệ thống định vị rất quan trọng
để có thể điều khiển tự động cho máy bay. Có hai hệ thống định vị chính trên máy
bay là định vị toàn cầu GPS và định vị quán tính INS.
Về cơ bản, UAV là một hệ thống MIMO (Multi-input multi-output system)
phức tạp với nhiều thông số thay đổi liên tục phụ thuộc lớn vào biến động mơi
trường (như sức gió, độ cao, sự biến động của các luồng khí…) được xây dựng dựa
trên:
+ Hệ thống cơ: các động cơ điều khiển hướng, điều khiển lực nâng của máy
bay trong không gian…
+ Hệ thống các sensor phản hồi: tốc độ dịch chuyển, toạ độ của UAV trong
không gian, quỹ đạo bay…
+ Hệ thống điện-điều khiển: Thu thập dữ liệu từ sensor, tính tốn các thơng
số an tồn, cân bằng, ổn định cho UAV để điều khiển hệ thống cơ dựa trên quỹ đạo
(hoặc vùng bay) đã định trước, hoặc được điều khiển nhờ các tín hiệu phản hồi về
các trạm trạm dữ liệu mặt đất.
1.3.

Sơ lược về các hệ thống định vị điểm chính xác GPS và cảm biến quán
tính
Ngày nay, sự tích hợp giữa GPS/INS cùng với sự ra đời của hệ thông vi cơ

điện tử (MEMS) đã làm cho sự kết hợp này trở nên ngày càng phổ biến hơn. Việc
tích hợp hai hệ thống này lại với nhau có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ

lọc Kalman theo 2 mơ hình, đó là mơ hình liên kết chặt và mơ hình liên kết lỏng.
Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống dẫn đường quán tính INS là do các cảm biến
quán tính gây ra. Lỗi này được khắc phục nhờ hệ thống GPS. Luận văn này nghiên
cứu hệ thống tích hợp GPS/INS dựa trên bộ thu GPS lưỡng tần số. Để tăng thêm độ
chính xác, em sử dụng cơng nghệ định vị điểm chính xác (PPP).
Các hệ thống tích hợp GPS/INS hiện nay đều dựa trên công nghệ GPS vi sai
(DGPS). Như vậy hệ thống tích hợp GPS/INS cần tối thiểu 2 bộ thu GPS, một bộ

3


tham chiếu và một bộ thu lắp trên các phương tiện cần theo dõi. Việc lắp đặt nhiều
trạm tham chiếu địi hỏi chi phí rất lớn và độ phức tạp của hệ thống bị giới hạn bởi
phạm vi hoạt động. Phương pháp định vị điểm chính xác (PPP) ra đời giúp nâng cao
độ chính xác hàng centimet mà khơng cần trạm tham chiếu. Phương pháp (PPP) mở
ra cơ hội để phát triển hệ thống GPS/INS với độ chính xác cao mà chỉ cần duy nhất
một bộ thu GPS.
Hệ thống INS khi sử dụng MEMS IMU đem lại hiệu năng tốt ở mức chi phí
trung bình trong tầm giá, giải pháp này có nhược điểm là sai số của cảm biến qn
tính lớn và có khả năng tăng theo thời gian sử dụng nếu khơng được khắc phục.
Trong hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU, việc tích hớp hai hệ thống này giúp
hạn chế nhược điểm đồng thời phát huy ưu điểm của từng hệ thống.
1.3.1. Định vị điểm chính xác PPP GPS
Định vị điểm chính xác (Precise Point Potisioning –PPP) sử dụng các
phương pháp không vi sai từ một bộ thu lưỡng tần số chẳng hạn như giả khoảng
cách, đo pha sóng mang kết hợp với dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ chính xác. Kỹ thuật
này khơng phải chịu những hạn chế của kỹ thuật GPS truyền thống và có thế đưa ra
độ chính xác tương tự độ chính xác của kỹ thuật DGPS mà không cần trạm tham
chiếu. Một số tổ chức như International GPS Service (IGS) và Jet Propulsion
Laboratory (JPL) cung cấp quỹ đạo vệ tinh và đồng hồ chính xác. IGS là một tổ

chức dân sự, hoạt đông với mạng lưới các trạm GPS lưỡng tần số chất lượng cao
trên tồn cầu, cung cấp các thơng số về quỹ đạo, đồng hồ, chuyển động quay của
trái đất, trễ tầng đối lưu và tầng điện ly. JPL sử dụng mạng lưới các trạm GPS trên
tồn cầu, tính toán sai số của quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ. Những thông số này
được truyền tới người sử dụng thông qua internet. Bộ tài nguyên thiên nhiên Canada
cũng sử dụng một mạng lưới các trạm GPS để tạo ra thông số hiệu chỉnh về đồng hồ
và quỹ đạo vệ tinh. Những thông số này cũng được phát qua internet và vệ tinh
MSAT của Canada.

4


Cơng nghệ định vị điểm chính xác được đưa ra bởi Zumberge và cộng sự.
(1997) [1] cũng như bởi Kouba và Heroux (2000) [2] đề xuất phương pháp tính tốn
dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ sử dụng một phần của mạng IGS. Bằng cách sử dụng dữ
liệu chính xác với chu kì 30 giây đối với đồng hồ và 1 phút đối với quỹ đạo của vệ
tinh. Kỹ thuật này đã thu được những kết quả triển vọng. Kouba và Heroux (2000)
lần đầu tiên đã đưa ra kỹ thuật sử dụng phương pháp đo mã và quan sát pha sóng
mang từ bộ thu lưỡng tần số. Họ nhấn mạnh sự giảm lỗi, đặc biết là lỗi liên quan
đến phương pháp đo mã và quan sát pha sóng mang. Kết quả thu được tương đương
với kết quả của Zumberge’s (1997).
Công trình nghiên cứu của Zumberge và cộng sự. (1997) cũng như Kouba và
Heroux (2000) [2] tập trung sử dụng phương pháp đo giả khoảng cách và quan sát
pha sóng mang. Các thông số chưa biết bao gồm số nguyên lần bước sóng, độ lệch
đồng hồ bộ thu, và các thơng số về tầng đối lưu. Gao và Shen (2001) đã giới thiệu
một mơ hình quan sát mới sử dụng mức trung bình của đo mã và quan sát pha sóng
mang trên cả hai tần số L1 và L2 để hiệu chỉnh sự sai pha sóng mang do tầng đối
lưu gây ra. Mơ hình mới này cho phép ước tính số nguyên lần bước sóng trên cả hai
tần sốL1 và L2 đối với mỗi vệ tinh cùng với thông số về vị trí, sai số đồng hồ bộ thu
và trễ tầng đối lưu.

Sự thành công của hệ thống định vị điển chính xác đã cải thiện một cách
đáng kể tính linh hoạt và giảm giá thành của hệ thống, nó cũng làm gia răng các ứng
dụng sử dụng công nghệ GPS, chẳng hạn như : thăm dị địa hình, điều khiển máy
móc, theo dõi thời tiết.
1.3.2. MEMS IMU chi phí thấp
Vấn đề then chốt của việc lựa chọn MEMS IMU sử dụng cho hệ thống INS
thương mại là mức chi phí hợp lý. Với kích thướng nhỏ hơn, giá cả thấp hơn, sự lựa
chọn này đang được sử dụng cho nhiều ứng dụng hiện nay, những ứng dụng này
trước đây là khơng khả thi do sự ràng buộc về kích thước và chi phí. MEMS IMU
được xếp vào loại cảm biến tự động dựa trên hiệu năng và mục đích ứng dụng.

5


Xét về lỗi cảm biến của MEMS IMU, một số cách tiếp cận trước đây sử dụng
IMU cao cấp là không phù hợp với MEMS IMU, chẳng hạn như phương pháp hiệu
chỉnh thô không thể thực hiện với MEMS IMU. Vì vậy, các biện pháp và cách tiếp
cận phi trước đây được sử dụng.
1.4.

Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU

1.4.1. Sự kết hợp giữa GPS và INS sử dụng bộ lọc Kalman
Trong những năm gần đây, một số cơng trình nghiên cứu được tiến hành để
nghiên cứu sự hệ thống tích hợp GPS/INS sử dụng bộ lọc Kalman, Salychev và
cộng sự (2000) [3] và Nayak (2000) áp dụng mơ hình liên kết lỏng để tích hợp
MotionPakTM MEMS IMU với DGPS (Differential Global Positioning System) sử
dụng phép đo giả khoảng cách và quan sát pha sóng mang. Hide (2003) nghiên cứu
hệ thống tích hợp DGPS/INS sử dụng mơ hình kết hợp chặt chẽ cho các ứng dụng
hàng hải dựa trên Crossbow AHRS DMU-HDX IMU và đo pha sóng mang. Shin và

El-Sheimy (2004) sử dụng bộ lọc unscented Kalman và extended Kalman để tích
hợp DGPS và MEMS IMU chi phí thấp. Li và cộng sự (2006) phát triên hệ thống
tích hợp GPS/MEMS IMU liên kết lỏng nhờ sự hộ trợ của hệ thống logic mờ. Các
hệ thống trên chủ yếu nghiên cứu hiệu năng trong điều kiện môi trường thuận lợi.
Một vài cơng trình nghiên cứu được tiến hành để nghiên cứu hiệu năng của
hệ thống trong môi trường thực tế, chẳng hạn như ở các hẻm khuất ở khi vực đô thị.
Hide và Moore (2005) [4] nghiên cứu hiệu năng định vị của hệ thống tích hợp
DGPS và INS chi phí thấp ở khu vực đơ thị. Nghiên cứu này cho thấy rằng hệ thống
liên kết chặt cho hiệu năng tốt hơn hệ thống liên kết lỏng. Hệ thống tích hợp chặt
giữa Crossbow AHRS400 MEMS IMU và DGPS tại thành phố Nottingham (Mỹ)
có độ chính xác là khoảng 20m theo phương ngang. Godha (2006) [5] cũng nghiên
cứu hiệu năng của hệ thống tích hợp DGPS/MEMS IMU và thu được độ chính xác
ít hơn 10m theo phương ngang bằng cách sử dụng mơ hình liên kết chặt chẽ giữa
DGPS và Crista MEMS IMU mà không áp dụng bất cứ sự ràng buộc chuyển động

6


nào ở thị trấn Calgary ở Canada. Tuy nhiên, việc sử dụng DGPS sẽ làm gia răng chi
phí hệ thống và giới hạn phạm vi hoạt động.
1.4.2. Mơ hình cảm biến quán tính
Một vài nghiên cứu đã được tiến hành để mô tả các lỗi ngẫu nhiên của cảm
biến quán tính, nhưng chủ yếu vẫn là tập trung vào nhiễu cảm biến. Nói chung,
nhiễu cảm biến bao gồm các thành phần tần số cao (có tính chất của nhiễu trắng) và
thành phần tần số thấp (nhiễu này được xem như sự trơi và có tính chất của nhiễu
tương quan).
1.5.

Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS
GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch vụ

định vị, dẫn đường, và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng trên toàn thế giới
một cách liên tục tại mọi lúc, mọi nơi, trong mọi điều kiện thời tiết.
1.5.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
Phân hệ không gian
Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần
chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân
hệ điều khiển).
Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:
Chùm sao vệ tinh
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 trịn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng
20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh
chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là 12
giờ. Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt
đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu
không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất.

7


Hình 1.1 Chịm sao vệ tinh
Vệ tinh GPS
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với
phân hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu.

Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR.
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận
biết bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1,2,3,…) trên 6 quỹ
đạo: A,B,C,D,E,F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể được xác định bởi ID

quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao.
Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để
phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.

8


Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một
trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không
quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu được
đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây
Dương(Ascension),

Ấn

Độ

Dương(Diego

Garcia),

Nam

Thái

Bình

Dương(Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại

Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương.[3]

Hình 1.3 Phân hệ điều khiển.
MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ
tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự đốn các thơng số quỹ đạo và đưa ra giá trị
thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ
tinh.
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. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để
thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính.
Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên
văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa.

9


Phân hệ sử dụng
Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các
máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thơng số vị trí, vận tốc, và
thời gian. Để tính tốn các thơng số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất
bốn vệ tinh. Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân
phát thời gian, và các nghiên cứu khác.
Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có rất
nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử dụng dịch
vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chương tiếp theo,
chúng ta sẽ nghiên cứu về cấ u trúc, đặc điểm, và cách tạo tín hiê ̣u GPS.
1.5.2. Cấu trúc tín hiệu GPS
Các tín hiệu và dữ liệu
Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vô tuyến trên băng UHF
(500MHz–3GHz). Các tần số này được đặt là L1 và L2 và được nhận từ một tần số

chung f0 = 10.23 MHz:
FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz

(1.1)

FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz

(1.2)

Các tín hiệu được cấu thành từ 3 thành phần sau:
 Sóng mang: tần số fL1 và fL2.
 Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹ đạo vệ tinh, có
tốc độ bit là 50 bps.
 Dãy trải phổ: mỗi vệ tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ. Đó là mã C/A
(coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y).

10


Lược đồ tín hiệu GPS
Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong (Hình 1.1). Đọc sơ
đồ từ trái qua phải. Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính được cấp cho các
khối cịn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế tần số chính xác là
10.22999999543 MHz để hiệu chỉnh các ảnh hưởng tương đối với tần số 10.23
MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và 120, nó tạo ra các tín
hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn chế được dùng để
ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A và mã P (Y). Ở phía
dưới là bộ tạo dữ liệu có nhiệm vụ tạo ra dữ liệu định vị. Các bộ tạo mã và bộ tạo
dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ tạo mã P (Y).
Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng module-2.

Phép XOR được dùng trên các dãy bit“0” và “1”, cịn dạng phân cực 1 và -1 thì
phép XOR được thay thế bằng phép nhân thơng thường.

Hình 1.4 Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS.

11