Luận án nghiên cứu giải pháp tích hợp GNSS/INS trên smartphone ứng dụng trắc địa bản đồ

Tính cấp thiết của đề tài Công tác Trắc địa - Bản đồ (TĐBĐ) bao gồm đo đạc và thể hiện thông tin các đối tượng trên mặt đất làm cơ sở để thể hiện các thông tin khác gắn với mặt đất. Kể từ những năm 1960 ở Việt Nam, bản đồ đã được thành lập bằng phương pháp truyền thống bao gồm xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ và độ cao quốc gia làm cơ sở cho mọi công việc về đo vẽ và thành lập bản đồ gốc dựa trên các phép đo của máy đo chuyên dụng; in ra các bản sao của bản đồ để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Các máy đo chuyên dụng có độ chính xác cao được sử dụng trong đo vẽ thành lập bản đồ nhưng có giá thành cao. Với sự phát triển của công nghệ máy tính, hình ảnh thu được từ vệ tinh và Hệ thống định vị toàn cầu - Global Positioning System (GPS) thì việc thành lập bản đồ trở nên dễ dàng hơn.

Các máy thu GPS đã trở thành công cụ quan trọng để định vị, dẫn đường, tìm kiếm đối tượng quan tâm, gửi thông tin định vị tức thời, cập nhật thông tin không gian trợ giúp công tác TĐBĐ. Các máy thu GPS cầm tay có chi phí thấp hơn máy GPS chuyên dụng nhưng lại không đủ độ chính xác để xây dựng các điểm khống chế trắc địa hay các công việc đòi hỏi độ chính xác cao. Tuy nhiên, GPS cầm tay vẫn là công cụ hữu ích để hỗ trợ ra quyết định và trợ giúp công tác TĐBĐ từ nhiều năm nay. Cùng với sự phát triển công nghệ, điện thoại thông minh, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, gọi chung là thiết bị thông minh được ra đời đã trang bị hợp phần máy thu Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems (GNSS) và các cảm biến [10, 19].

Trong các thiết bị thông minh kể trên thì Điện thoại thông minh (Smartphone), đối tượng của nghiên cứu này được trang bị các thành phần trong đó có hệ điều hành, phần cứng định vị và các cảm biến, những thành phần này thường xuyên được cập nhật, nâng cấp và cải thiện hiệu năng. Một trong những yếu tố quan trọng của Smartphone là người 2 dùng có thể tận dụng phần cứng được trang bị sẵn, lập trình để tạo ra các ứng dụng cài đặt vào Smartphone, làm cho Smartphone có thêm tính năng như một thiết bị mới để ứng dụng hiệu quả trong thực tế như định vị tọa độ trong công tác TĐBĐ. Nếu độ chính xác định vị tọa độ của Smartphone đáp ứng được một số công việc cụ thể trong TĐBĐ thì có thể sử dụng Smartphone và phần mềm được cài đặt để thay thế các thiết bị định vị tọa độ chuyên dụng có độ chính xác tương đương, giúp rút ngắn thời gian, giảm chi phí cấu thành sản phẩm Đo đạc - Bản đồ. Để đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị thông minh trong TĐBĐ, NCS cùng cộng sự đã tận dụng phần cứng GNSS được trang bị sẵn để lập trình phần mềm định vị tọa độ và thu thập dữ liệu thực địa, tính chuyển tọa độ theo hệ quy chiếu và lưới chiếu bản đồ, đồng thời làm thực nghiệm định vị xác định tọa độ các điểm, tuyến đường và đánh giá độ chính xác vị trí điểm thu được bằng iPhone.

Kết quả độ chính xác định vị tọa độ của iPhone và máy GPS cầm tay chuyên dụng là tương đương, công trình khoa học này đã được NCS và cộng sự công bố trong bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE và phân phối 02 ứng dụng trên App Store. Smartphone đã được ứng dụng thành công trong công tác TĐBĐ đối với một số công việc cụ thể như: đo cập nhật các đối tượng địa vật, đối tượng đường giao thông, đối tượng đường địa giới hành chính, đối tượng rừng và đất rừng cho bản đồ tỷ lệ 1:5.000 hoặc nhỏ hơn, đo diện tích rừng, trữ lượng rừng, tìm kiếm điểm khống chế trắc địa, tìm kiếm điểm khống chế ảnh. Trên thực tế, phần cứng định vị GNSS được trang bị sẵn trên Smartphone ở thời điểm 2009 và hiện tại 2017 chưa có sự thay đổi đáng kể về công nghệ nên độ chính xác định vị tọa độ chưa cao [1, 58]. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của Smartphone trong TĐBĐ còn hạn chế, cần có những nghiên cứu để cải thiện độ chính xác định vị tọa độ của Smartphone.

Độ chính xác định vị GNSS của Smartphone phụ thuộc vào một số yếu tố chính như phần cứng định vị GNSS, khả năng thu nhận tín hiệu vệ tinh, kỹ thuật và giải pháp định vị. Để cải thiện độ chính xác định vị trên Smartphone 3 có thể nâng cấp phần cứng định vị và phần mềm xử lý, kết hợp phần cứng định vị mở rộng bên ngoài, hay tận dụng các cảm biến quán tính được trang bị sẵn trên Smartphone để xây dựng giải pháp định vị tích hợp GNSS/INS. Việc nâng cấp phần cứng định vị và phần mềm xử lý trên Smartphone hoàn toàn phụ thuộc vào nhà sản xuất và công nghệ hiện tại. Cũng có thể kết hợp phần cứng định vị mở rộng bên ngoài nhưng đòi hỏi chi phí mua thiết bị mở rộng.

Việc tận dụng các cảm biến quán tính được trang bị sẵn trên Smartphone để xây dựng hệ thống tích hợp GNSS/INS sẽ là giải pháp phù hợp do không phải trang bị thêm bất kỳ thiết bị mở rộng nào. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Mục đích của luận án này là nghiên cứu giải pháp tích hợp GNSS/INS trên Smartphone để cải thiện độ chính xác định vị tọa độ. • Đối tượng nghiên cứu là GNSS, Hệ thống dẫn đường quán tính - Inertial Navigation System (INS) trên Smartphone; cảm biến gia tốc và cảm biến tốc độ góc của Smartphone. • Phạm vi nghiên cứu là nâng cao độ chính xác định vị tọa độ của Smartphone ứng dụng trong một số công tác TĐBĐ.

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm có đảm bảo bằng các kiến thức, nền tảng toán học chặt chẽ, phát triển phần mềm và mô phỏng thực nghiệm để kiểm chứng đảm bảo độ tin cậy, tham khảo ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực Điện tử viễn thông, Công nghệ thông tin và TĐBĐ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài • Ý nghĩa khoa học – Bổ sung về lý thuyết định vị tích hợp GNSS/INS trên Smartphone. – Đưa ra cơ sở khoa học và giải pháp tích hợp GNSS/INS trên Smartphone ứng dụng trong TĐBĐ. • Ý nghĩa thực tiễn – Những công bố khoa học về độ chính xác định vị sử dụng Smartphone sẽ góp phần giảm chi phí mua sắm thiết bị chuyên dụng có độ chính xác tương đương.

– Rút ngắn thời gian, giảm chi phí cấu thành sản phẩm Đo đạc - Bản đồ. – Đã nâng cao được độ chính xác định vị trên Smartphone bằng cách tích hợp GNSS/INS. – Mở ra hướng nghiên cứu thực nghiệm bài toán tích hợp GNSS/INS với chi phí thấp và dễ áp dụng. – Mở ra khả năng tính toán và chế tạo bộ thu GNSS/INS tại Việt Nam.

Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án • Các luận điểm khoa học – Luận điểm 1: Smartphone hiện tại có trang bị phần cứng GNSS hoàn toàn có khả năng ứng dụng trong TĐBĐ. – Luận điểm 2: Ước lượng sai số cảm biến quán tính của Smartphone là giải pháp phù hợp cho bài toán tích hợp GNSS/INS để nâng cao độ chính xác định vị tọa độ trên Smartphone. • Các điểm mới của luận án 5 – Đề xuất phương pháp chuẩn hóa ảnh hưởng của tốc độ quay Trái Đất lên các trục của cảm biến tốc độ góc cho kỹ thuật hiệu chuẩn không cần thiết bị tham chiếu ngoài nhằm giải quyết vấn đề tốc độ quay Trái Đất bị lẫn trong nhiễu của cảm biến chi phí thấp và các cảm biến quán tính được trang bị sẵn trên thiết bị thông minh. – Mô-đun chức năng hiệu chuẩn cảm biến quán tính được lập trình để có thể thực hiện trực quan ngay trên Smartphone theo thời gian thực giúp dễ dàng hiệu chuẩn ở thực địa và kiểm tra trước khi tiến hành đo.

– Phần mềm định vị GPS và thu thập dữ liệu thực địa được phát triển hoàn thiện trên nền tảng iOS để ứng dụng trong Trắc địa - Bản đồ. Kết cấu luận án Luận án gồm mở đầu, tổng quan, 3 chương, kết luận kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo, danh mục công trình công bố của tác giả, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 133 trang, trong đó nội dung chính gồm 105 trang, 50 hình và đồ thị, 13 bảng biểu, 60 tài liệu tham khảo. Cơ sở tài liệu Luận án được xây dựng dựa trên cơ sở tài liệu từ nguồn chính thức quốc tế đã công bố như ISI, Scopus và các hãng công nghệ như Apple Inc., Qualcomm Technologies, Inc.

6 Tổng quan Smartphone đang làm thay đổi cuộc sống của hàng triệu người dùng trên toàn thế giới do có nhiều ứng dụng sáng tạo cho nhiều lĩnh vực đồng thời có thể thu nhận, lưu trữ, cập nhật và xử lý dữ liệu như một chiếc máy tính cá nhân hay máy tính xách tay [2]. Do Smartphone có khả năng xử lý dữ liệu và hiệu năng như một chiếc máy vi tính, đồng thời được trang bị sẵn nhiều cảm biến [22, 25, 27], nên có thể lập trình để tạo ra các ứng dụng, làm cho Smartphone có thêm tính năng như một thiết bị mới. Việc tạo ra các ứng dụng chuyên ngành trên Smartphone sẽ giúp tiết kiệm chi phí bởi vì không phải mua một thiết bị chuyên dụng có độ chính xác tương đương, tạo điều kiện tiếp cận thông tin nhanh hơn [6]. Nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công của Smartphone trong các lĩnh vực như nông nghiệp [59], địa chất [20], quản lý nước [42], quản lý lưu lượng giao thông [8], giáo dục môi trường [50], y học [35].

Trong khoa học Trái Đất đã có một số công trình nghiên cứu sau: Jones và cộng sự [58], đã tiến hành đánh giá độ chính xác vị trí điểm mặt bằng của một số Smartphone phổ biến sử dụng Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS (A-GPS). Các Smartphone được chọn thử nghiệm là đại diện của các thế hệ khác nhau. Dữ liệu tọa độ vị trí điểm được thu thập bằng cách cho các sinh viên tình nguyện sử dụng Smartphone của họ để định vị và so sánh với các điểm chuẩn được đo bằng phương pháp RTK. Mục tiêu của họ là tạo ra một kết quả ban đầu về độ chính xác định vị của Smartphone làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.