Luận án: Thiết kế hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS cho vật thể chuyển động - ĐHQGHN

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Văn Tăng i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nghiên cứu tôi đã hoàn thành bản luận án này. Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai thầy giáo hướng dẫn là PGS.TS Chử Đức Trình và PGS.TS Trần Đức Tân, những người đã tận tình giúp đỡ, khích lệ và động viên tôi trong suốt quá trình tôi học tập nghiên cứu và thực hiện luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật lý Vô tuyến, khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội; các thầy cô giáo trong bộ môn Vi cơ điện tử và Vi hệ thống Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các lãnh đạo chỉ huy Khoa Khoa học Cơ bản, Học viện Hậu cần đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình tôi học tập, nghiên cứu. Nhân dịp này, tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình và những người bạn đã tận tình giúp đỡ, động viên để tôi có được điều 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. TỔNG QUAN VỀ HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước.

Hệ thống định vị toàn cầu GPS. Tổng quan về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS. Nguyên lý làm việc của hệ thống GPS. Các nguồn sai số của phép đo tín hiệu GPS.

Hệ thống dẫn đường quán tính INS. Các hệ tọa độ dẫn đường. Phương trình dẫn đường quán tính. Các sai số của hệ dẫn đường quán tính INS.

Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS. Bộ lọc Kalman. Tích hợp INS và GPS sử dụng bộ lọc Kalman. ĐẶC TRƯNG HÓA SAI SỐ CỦA CÁC CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP.

Đặc trưng hóa sai số tất định của cảm biến. Đặc trưng hóa sai số ngẫu nhiên của cảm biến. Phương pháp mật độ phổ công suất. Phương pháp phương sai Allan.

Bù trừ ảnh hưởng nhiệt độ lên cảm biến từ trường đo góc. Nguyên tắc đo góc hướng sử dụng thông tin từ trường trái đất. Cảm biến từ trường. Đề xuất cấu trúc bù nhiệt độ cho cảm biến từ.

Các kết quả thực nghiệm. Xác định tham số nhiễu của khối đo lường quán tính MICRO-ISU BP3010. Xác định tham số nhiễu của khối đo lường quán tính MP67B. Bù trừ ảnh hưởng nhiệt độ lên cảm biến từ trường CMPS03.

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS. Thiết kế hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman. Bộ lọc Kalman mở rộng cho hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS. Thiết kế và mô hình hoá hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS.

Các kết quả thực nghiệm .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 hướng Adaptive neural fuzzy information Hệ thống thông tin mờ nơ-ron ANFIS system thích nghi ANN Artificial neural networks Mạng nơ-ron nhân tạo ECEF Earth-Center Earth-Fixed Hệ tọa độ tâm trái đất EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng Hệ tọa độ Cực đông - Cực bắc ENU East – North - Up - Hướng lên GEO Geostationary Orbit Quỹ đạo địa tĩnh Hệ thống vệ tinh dẫn đường GNSS Global Navigation Satellite System toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IGSO Inclined Geosynchronous Orbit Quỹ đạo địa tĩnh nghiêng IMU Inertial Measurement Unit Khối đo quán tính INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính KF Kalman Filter Bộ lọc Kalman MEMS Micro Electro Mechanical System Hệ thống vi cơ điện tử MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo Trái đất tầm trung NED North-East-Down Hệ tọa độ Bắc – Đông – Xuống PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PPS The precise positioning service Dịch vụ định vị chính xác v PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất Strapdown Inertial Navigation Hệ dẫn đường quán tính kiểu SINS System gắn liền SPS The standard positioning service Dịch vụ định vị chuẩn UKF The Unscented Kalman Filter Bộ lọc Kalman không bản chất vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tần số các băng tần hệ thống Bắc Đẩu .1 Độ lệch chuẩn của nhiễu trắng trên các cảm biến quán tính .2 Các tham số nhiễu xác định bằng phương pháp phương sai Allan .3 So sánh phương pháp PSD và phương pháp phương sai Allan .4 Đặc trưng sai số ngẫu nhiên trong khối đo MP67B .1 Các thông số của GPS HI-204E .2 Thông số kỹ thuật của hệ thống tích hợp .94 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh GPS [71] .2 Các thế hệ vệ tinh GPS [8] .3 Phân đoạn điều khiển GPS [70] .4 Hệ thống vệ tinh GLONASS [72].5 Vệ tinh Galileo [72] .6 Dải tần số của tín hiệu vệ tinh Galileo [21] .7 Hệ thống vệ tinh Bắc Đẩu [67] .8 Xác định vị trí GPS sử dụng 4 tín hiệu vệ tinh .9 Các cấu trúc khối IMU [19] .10 Các hệ tọa độ dẫn đường .11 Hệ tọa độ vật thể .12 Lược đồ xác định các thông số dẫn đường [56] .13 Lưu đồ tính toán của bộ lọc Kalman .14 Hệ tích hợp INS/GPS kiểu lỏng [20] .15 Hệ tích hợp INS/GPS kiểu chặt [20] .16 Hệ tích hợp INS/GPS kiểu siêu chặt [20] .17 Kỹ thuật tích hợp INS/GPS [20] .1 Các đường dốc đặc trưng trong PSD với thang log-log .2 Minh họa cấu trúc dữ liệu dùng trong phương pháp Allan .3 Phương pháp chọn mẫu cluster .4 Minh họa phương sai Allan [26] .5 Minh họa từ trường trái đất .6 Các thành phần từ trường trái đất.7 Góc φ trong cảm biến AMR .8 Cấu trúc “barber poles” .9 Minh họa đầu ra cảm biến khi áp dụng kỹ thuật lật .10 Cấu hình vòng mở bù nhiệt độ cho cảm biến từ trường .11 Cấu hình vòng đóng bù nhiệt độ cho cảm biến từ trường .12 Khối MICRO-ISU BP3010 .13 Vị trí của IMU khi căn chuẩn .14 Dữ liệu đầu ra của cảm biến gia tốc trục Z .15 PSD của cảm biến vận tốc góc trước khi lấy trung bình .16 PSD của cảm biến gia tốc trước khi lấy trung bình .17 PSD của cảm biến vận tốc góc sau khi lấy trung bình .18 PSD của cảm biến gia tốc sau khi lấy trung bình .19 PSD trung bình của cảm biến vận tốc góc trục X .20 PSD trung bình của cảm biến gia tốc trục Z .21 Độ lệch chuẩn Allan của các cảm biến vận tốc góc .22 Độ lệch chuẩn Allan của các cảm biến gia tốc .23 Khối đo quán tính MP67B .24 Khối đo MP67B trong quá trình thu thập dữ liệu cho căn chuẩn .25 Dữ liệu thu thập từ 6 cảm biến của khối đo MP67B .26 Phương sai Allan của các cảm biến gia tốc trong khối đo MP67B .27 Phương sai Allan của các cảm biến vận tốc góc trong khối đo MP67B .28 Đồ thị log-log của cảm biến gia tốc trục X .29 Đồ thị log-log của cảm biến vận tốc góc trục Y .30 Cảm biến từ trường CMPS03 .31 Hệ cảm biến có bù trừ nhiệt độ .32 Thông số góc hướng thu được ở nhiệt độ 25oC .33 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên góc hướng cảm biến từ trường .34 Sơ đồ thực thi cấu trúc vòng mở .35 Góc hướng trước và sau khi bù nhiệt sử dụng cấu hình vòng mở .36 Kết quả trước và sau khi bù nhiệt sử dụng cấu hình vòng kín .37 a) Nhiệt độ và bù trừ nhiệt độ; b) góc hướng cảm biến đo được .38 Khảo sát bù nhiệt độ theo Kp.39 Khảo sát bù nhiệt độ theo Ki.40 So sánh điều khiển vòng kín và vòng mở khi cảm biến đặt trên bàn xoay .1 Lưu đồ hoạt động của hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS.2 Bộ lọc Kalman đề xuất .3 Chuyển đổi hệ thống tùy thuộc trạng thái tín hiệu GPS.4 Chương trình mô phỏng trên SIMULINK/MATLAB .5 Hệ INS/GPS được kết nối .6 Một đường thực địa của hệ INS/GPS .7 Quỹ đạo GPS và INS/GPS thu được .8 Phóng đại của quỹ đạo tại đoạn đường thẳng .9 Phóng đại quỹ đạo tại đoạn đường cong.10 Vận tốc VN từ bộ lọc Kalman của hệ INS/GPS và của GPS .11 Vận tốc VE từ bộ lọc Kalman của hệ INS/GPS và của GPS .12 Phóng đại vận tốc VE của bộ lọc Kalman và của GPS .13 So sánh góc hướng của hệ thống INS/GPS và của GPS.14 Góc nghiêng của hệ thống (Roll) .15 Góc chúc của hệ thống (Pitch) .16 Đường thực địa cho thử nghiệm 2 .17 Hệ bị mất tín hiệu GPS khi xe đang chuyển động thẳng .18 Hệ bị mất tín hiệu GPS khi xe đang quay đầu .94 xi MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, các hoạt động của con người về định vị, dẫn đường và điều khiển cho các vật thể chuyển động như máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền, rô bốt v.v… đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và an ninh quốc phòng. Sự ra đời của các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) như: hệ thống GPS, GLONASS, Galileo, Bắc Đẩu v. nhằm đáp ứng những nhu cầu trên.

Một trong những hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu đang được ứng dụng nhiều nhất hiện nay là hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System). Hệ thống GPS có những ưu điểm như độ chính xác tương đối cao và hoạt động ổn định theo thời gian. Tuy nhiên nó vẫn còn tồn tại những nhược điểm như không xác định được tư thế của vật thể chuyển động, tần số cập nhật thấp (thông thường là 1Hz). Trong quá trình hoạt động hệ thống GPS còn tồn tại nhiều sai số do một số nguyên nhân như: sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu, sai số do trễ ở tầng điện ly và tầng đối lưu, sai số đa đường truyền, nhiễu ở máy thu v.