Xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INSGPS và trạm điều khiển trung tâm

Nhu cầu về định vị, dẫn đường và một số nghiên cứu liên quan Nhu cầu định vị và dẫn đường là rất cần thiết và quan trọng trong các hệ thống vận chuyển nhằm xác định vị trí và đường đi c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG LÊ VINH HƯNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIAO TIẾP

GIỮA THIẾT BỊ INS/GPS

VÀ TRẠM ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Huế - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HOÀNG LÊ VINH HƯNG

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIAO TIẾP

GIỮA THIẾT BỊ INS/GPS

VÀ TRẠM ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

TS NGUYỄN THĂNG LONG

Huế - 2014

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn, TS.Nguyễn Thăng Long đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu cho tôi, Thầy đã dành nhiều thời gian tâm huyết và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Trong thời gian học tập và làm luận văn, tôi đã được tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất Qua đây cho tôi bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, các bạn đã giúp đỡ nhiệt tình để tôi hoàn thành luận văn này

Cảm ơn quí thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, quí thầy cô trường Đại học Khoa học, Đại học Huế về kiến thức mà các thầy cô trang bị cho tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng tôi cảm ơn gia đình, bạn bè của tôi đã có những lời động viên, khích

lệ, giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

Trong quá trình hoàn thành luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những đóng góp quí báu của thầy, cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Tác giả luận văn

Hoàng Lê Vinh Hưng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trình bày trong khóa luận sau đây được trích dẫn trung thực từ các nguồn tài liệu tham khảo, đồng thời nghiên cứu trước đó được dùng để phát triển cho đề tài của tôi cũng được trích dẫn đầy đủ và chính xác

Người cam đoan

Hoàng Lê Vinh Hưng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG 8

1.1 Nhu cầu về định vị, dẫn đường và một số nghiên cứu liên quan 8

1.2 Hệ thống định vị toàn cầu - GPS 8

1.3 Hệ thống dẫn đường quán tính INS 12

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS 15

2.1 Phương trình chuyển động 15

2.2 Các lỗi trong hệ thống INS 16

2.3 Hệ thống INS/GPS 16

2.4 Bộ lọc Kalman 17

2.5 Môi trường truyền dẫn 19

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG 24

3.1 Cấu trúc hệ thống 24

3.2 Sơ đồ khối hệ thống: 24

3.3 Chức năng các khối 24

3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 24

3.5 Các thiết bị phần cứng 25

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 33

4.1 Kết quả từ hệ dẫn đường tích hợp INS/GPS 33

4.2 Quản lý dữ liệu định vị từ trạm 35

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Tiếng Việt 42

Tiếng Anh 42

PHỤ LỤC 43

1 Lý thuyết bộ lọc Kalman 43

2 Thuật toán Salychev 45

3 Chương trình 48

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số của khối BP3010 25Bảng 3.2 Cấu trúc khung dữ liệu của BP3010 26

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của GPS 9

Hình 1.2 Quỹ đạo của các vệ tinh GPS 9

Hình 1.3 Phương thức xác định vị trí của GPS 11

Hình 1.4 Hệ trục tọa độ của INS 12

Hình 1.5 Hệ thống định vị quán tính 13

Hình 1.6 Cấu trúc kiểu Gimbal 13

Hình 1.7 Cấu trúc kiểu Strapdown 14

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ dẫn đường 15

Hình 2.2 Cấu trúc INS/GPS vòng hở 17

Hình 2.3 Cấu trúc INS/GPS vòng kín 17

Hình 2.4 Cấu trúc tích hợp GPS hỗ trợ INS 18

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 20

Hình 2.6 Hệ thống thông tin di động 21

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 24

Hình 3.2 Khối IMU BP3010 25

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lí IMU BP3010 26

Hình 3.4 Mạch điều khiển 27

Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lý 28

Hình 3.6 Sơ đồ chân của PIC16F877A 29

Hình 3.7 Cấu trúc vi mạch MAX232 30

Hình 3.8.Vi mạch ổn áp LM7805 30

Hình 3.9 Modem GSM 31

Hình 4.1 Quỹ đạo nhỏ thực nghiệm 33

Hình 4.2 So sánh vận tốc theo hướng Đông khi vật thể chạy theo quỹ đạo thực tế 33

Hình 4.3 So sánh vận tốc theo hướng Bắc khi vật thể chạy theo quỹ đạo thực tế 34

Hình 4.4 Góc ngiêng và góc chúc khi vật thể chạy theo quỹ đạo thực tế 34

Hình 4.5 So sánh quỹ đạo thu được trên các hệ thống khác nhau 35

Hình 4.6 Phần mềm xử lý dữ liệu 39

Hình PL.1 Thuật toán Kalman cổ điển 43

Hình PL.2 Lưu đồ tính toán với bộ lọc Kalman 45

Hình PL.3 Thuật toán Salychev 47

MỞ ĐẦU

Vấn đề định vị và dẫn đường cho phương tiện chuyển động là vấn đề đang được nhiều người quan tâm và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Nó không những được ứng dụng trong dân sự mà còn được ứng dụng trong lĩnh vực an ninh quốc phòng

Có nhiều hệ thống hỗ trợ cho việc định vị như GPS, INS Tuy nhiên, mỗi hệ thống

có ưu và nhược điểm riêng Hệ thống INS/GPS là hệ thống tích hợp giữa INS và hệ thống GPS, đã khắc phục được nhược điểm của từng hệ thống riêng lẻ trên Trong hệ thống INS/GPS, bộ lọc Kalman rất quan trọng, có thể xem nó là trái tim của hệ thống

Ngày nay, chúng ta không những xác định vị trí của phương tiện chuyển động mà còn giám sát và điều khiển chúng Để thực hiện được điều này, chúng ta cần có trạm giám sát và điều khiển trung tâm Trạm này phải có chức năng thu nhận thông tin INS/GPS từ phương tiện để giám sát và điều khiển chúng

Trong luận văn này, tôi tập trung tìm hiểu về hệ thống tích hợp INS/GPS và xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm Hệ thống này gồm hai phần: Phần nhận dữ liệu từ thiết bị INS/GPS và gửi tới trạm điều khiển trung tâm Phần còn lại là trạm điều khiển trung tâm, nhận và phân tích dữ liệu để giám sát và điều khiển

Phương thức giao tiếp được sử dụng trong hệ thống là phương thức truyền thông

vô tuyến, cụ thể là ứng dụng dịch vụ nhắn tin trong hệ thống thông tin di động để truyền

dữ liệu Ưu điểm của phương thức này là không phụ thuộc vào vị trí cũng như khoảng cách giữa trung tâm giám sát và phương tiện cần giám sát

Nội dung luận văn gồm có 5 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về định vị và dẫn đường

Giới thiệu tổng quan về GPS, INS các ưu và nhược điểm của các hệ thống

Chương 2 Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS

Giới thiệu về cấu trúc hệ thống INS/GPS, bộ lọc Kalman trong INS/GPS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG

1.1 Nhu cầu về định vị, dẫn đường và một số nghiên cứu liên quan

Nhu cầu định vị và dẫn đường là rất cần thiết và quan trọng trong các hệ thống vận chuyển nhằm xác định vị trí và đường đi của các vật thể trong hệ thống

Từ xa xưa, con người đã dùng các ký hiệu để xác định vị trí, đường đi như các chòm sao, hướng mặt trời mọc, khắc dấu lên thân cây, tảng đá để đánh dấu đường đi

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 bộc 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 toán 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 hoàn 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 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

1.2 Hệ thống định vị toàn cầu - GPS

Hệ thống định vị toàn cầu – GPS là hệ thống xác định vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo Nó cung cấp chính xác thông tin về vị trí và vận tốc của thiết bị di chuyển có gắn cảm biến GPS trên toàn thế giới

Hệ thống vệ tinh này do bộ quốc phòng Mỹ xây dựng Lúc đầu, nó phục vụ cho quân đội Mỹ nhưng sau đó chính phủ Mỹ cho phép mọi người được sử dụng miễn phí

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của GPS

GPS gồm có 3 phần [2]

Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của GPS

Phần không gian

Gồm 24 vệ tinh (hình 1.2) [4] quay quanh trái đất trên 6 quĩ đạo phẳng cách đều

Mỗi vệ tinh được trang bị một máy phát tần số nguyên tử chính xác cao với sai

tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz Hệ thống sử dụng hai tần số tải này để giảm ảnh hưởng của tần số điện li

Hình 1.2 Quỹ đạo của các vệ tinh GPS

Các sóng tải được điều biến bởi ba loại mã là mã C/A, mã P và mã D [3]

- Mã C/A: được sử dụng cho mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1 Mã này được tạo bởi chuỗi các chữ số 1 và 0 và được sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên với tần số 1,023MHz tức chỉ bằng 1/10 tần số cơ sở và chu kỳ là một mili giây Mỗi vệ tinh được gắn với một mã C/A riêng biệt

- Mã P là mã chính xác cao hơn mã C/A, nó được sử dụng cho các mục đích quân

sự Mã này điều biến hai dải sóng tải L1 và L2 Mã này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và

1 và được sắp xếp ngẫu nhiên với tần số 10,23MHz, độ dài toàn phần của mã là 267 ngày Như vậy, sau 267 ngày thì mã P được lặp lại Tuy nhiên, nó được chia thành các đoạn 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn mã đó, và như vậy sau mỗi tuần

nó sẽ thay đổi

- Mã D là mã dùng để truyền lịch vệ tinh mới nhất, thông số của lớp khí quyển sóng điện từ truyền qua, thời gian của hệ thống, sai số đồng hồ vệ tinh, phân bố của các

vệ tinh trên quỹ đạo Nó điều biến cả 2 sóng mang L1 và L2

Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hằng bao gồm lịch thiên văn của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống

Phần điều khiển

Gồm các trạm điều khiển trên mặt đất Mảng này thực hiện chức năng điều khiển

và giám sát các vệ tinh của GPS, điều khiển vệ tinh đi đúng qũy đạo, điều chỉnh thông tin thời gian

Có năm trạm kiểm soát nằm rải rác trên trái đất Bốn trạm hoạt động tự động và một trạm kiểm soát là trung tâm Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh và gửi thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm Tại trạm kiểm soát trung tâm nó sẽ biên tập lại thông tin và gửi lại cho các vệ tinh thông qua hai anten phát Ngoài ra, nó còn có một trạm trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt

Phần người sử dụng

Bao gồm người sử dụng thiết bị thu GPS và phần mềm xử lý số liệu Thiết bị GPS

là thiết bị thu tín hiệu GPS, được thiết kế để nhận tín hiệu sóng chuyển từ vệ tinh xuống, xác định và tính toán vị trí các đối tượng trong không gian Máy thu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất, trên các phương tiện chuyển động như ô tô, xe máy, máy bay, tên lửa,

vệ tinh…Thiết bị thu GPS có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối), có thể một nhóm máy thu hoạt động đồng thời (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân)

1.2.2 Phương thức hoạt động của GPS

Hoạt động của GPS

Các vệ tinh của GPS bay vòng quanh trái đất với vận tốc hai vòng trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu chứa thông tin xuống trái đất Các máy

thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng

Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để có thể tính được vị trí theo hai chiều (kinh độ, vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS bắt được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao)

Phương thức xác định vị trí của hệ thống GPS

Hình 1.3 Phương thức xác định vị trí của GPS

Xác định khoảng cách tới một điểm chuẩn [5] Như vậy quỹ tích của nó là mặt cầu có bán kính là khoảng cách tới điểm chuẩn đó Ví dụ, ta có khoảng cách từ điểm cần xác định vị trí đến vệ tinh thứ nhất là R1 thì quỹ tích của nó là mặt cầu có bán kính R1 Tương tự, ta xác định khoảng cách đến điểm chuẩn thứ hai ta được mặt cầu thứ hai có bán kính là R2 Giao của hai mặt cầu này là một đường tròn V Ta xác định tiếp khoảng cách đến điểm chuẩn thứ ba ta được mặt cầu thứ ba có bán kính là R3 Mặt cầu thứ ba này giao với đường tròn V tại hai điểm Nếu có mặt cầu thứ tư thì giao của nó là một điểm Như vậy, nếu ta xem trái đất là mặt cầu thứ tư thì ta xác định được vị trí của điểm

cần tìm

Nhược điểm của hệ thống GPS

Nhược điểm cơ bản của các hệ thống định vị là khi bị che khuất tầm nhìn vệ tinh, tín hiệu GPS bị sai số hoặc bị mất tín hiệu Ngoài ra còn có một số nguyên nhân sau gây

ra sai số của phương pháp định vị GPS [2]

 Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển

 Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu

 Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

 Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác

 Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí

tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất

 Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm

 Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh – Là sự làm giảm công suất tín hiệu cố ý do

sự áp đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự (Tuy nhiên biện pháp này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vị dân sự)

1.3 Hệ thống dẫn đường quán tính INS

Hệ thống dẫn đường quán tính INS là hệ thống dựa vào các cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc để xác định phương hướng của vật di chuyển trong không gian

Hình 1.4 Hệ trục tọa độ của INS

Hệ thống INS gồm khối đo lường quán tính IMU và thuật toán tính toán tích hợp

Hệ thống INS đưa ra các thông số cho người dùng như: vị trí, vận tốc, tư thế của vật di chuyển trong không gian [10]

Hình 1.5 Hệ thống định vị quán tính

Khối đo lường quán tính IMU chứa các cảm biến vận tốc góc, các cảm biến gia tốc cho ta xác định ba thông số là góc chúc, góc nghiêng, hướng bay của vật thể di chuyển trong không gian cũng như các thông số về gia tốc theo 3 hướng đó Hiện nay, IMU có hai kiểu cấu trúc đó là kiểu có đế - Gimbal và kiểu không có đế - Strapdown

 Kiểu có đế - Gimbal

Các cảm biến gia tốc (3 gia tốc kế) và 3 cảm biến góc (con quay 3 bậc tự do) gắn trên đế ổn định Đế này được treo trong khung quay ba bậc tự do Đế ổn định sẽ độc lập với chuyển động của phương tiện mang nó và 3 trục của đế ổn định luôn không đổi trong suốt quá trình chuyển động Con quay góc gắn trên đế sẽ đo bất kì sự sai lệch nào về góc của đế so với hệ tọa độ dẫn đường và đầu ra của nó sẽ tác động trở lại đế thông qua lực mômen tác động lên trục quay để duy trì đế ổn định Ưu điểm của những hệ thống kiểu này có độ chính xác rất cao do sử dụng các cảm biến chính xác và do không gắn trực tiếp với vật thể chuyển động nên nguồn tín hiệu đo có độ chính xác cao Tuy nhiên,

Hình 1.6 Cấu trúc kiểu Gimbal

hệ thống này đòi hỏi các thiết bị đo rất phức tạp và đắt tiền Ngoài ra, còn có nhược điểm

là khối lượng lớn, khó hiệu chỉnh và thử nghiệm cục bộ

 Kiểu không có đế - Strapdown

Sử dụng bộ 3 gia tốc kế và 3 con quay đo tốc độ góc gắn cố định với các trục của phương tiện chuyển động Lúc này, các trục của cảm biến gia tốc và vận tốc góc không được ổn định trong không gian mà sẽ thay đổi theo hướng chuyển động của phương tiện Các con quay sẽ xác định góc quay của hệ tọa độ liên kết với hệ tọa độ dẫn đường Việc tích phân tiếp theo các tọa độ góc này cho phép tính ra các cosin định hướng xác định

vị trí tương đối của các tọa độ vừa nêu và chuyển các gia tốc đo được sang các gia tốc dùng trong hệ tọa độ dẫn đường Cuối cùng, sau khi tích phân chúng trong hệ tọa độ dẫn đường, sẽ nhận được tốc độ và tọa độ của phương tiện Ưu điểm chính của loại này là cấu trúc đơn giản (không đế), giá thành thấp (ứng dụng công nghệ MEMS) và độ chính xác có thể chấp nhận được Mặt khác việc tính toán các tọa độ tức thời và góc định hướng được thực hiện hoàn toàn tự động bằng máy tính trên cơ sở đo góc quay của hệ tọa độ liên kết và gia tốc theo các trục của nó Do gắn trực tiếp với phương tiện chuyển động nên các số liệu đo từ các cảm biến đo gia tốc và vận tốc góc sẽ có sai số lớn hơn

so với hệ thống thứ nhất

Thuật toán tính toán tích hợp là thuật toán dựa vào các thông số của các cảm biến

để tính toán ra các giá trị như vị trí, vận tốc, độ cao… Một trong các thuật toán để thực hiện tính toán xác định tọa độ phổ biến là thuật toán Salychev [phụ lục 2]

Hình 1.7 Cấu trúc kiểu Strapdown

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS

2.1 Phương trình chuyển động

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ dẫn đường

Tư thế của vật thể trong không gian được xác định bởi 3 góc Euler [7][8] Mối

tính theo công thức (2.1) sau:

[

̇

̇

̇] = (

𝑝𝑞

Như vậy khi tích phân các phương trình trên ta thu được các góc Euler

tốc (U, V, W) trong hệ tọa độ trái đất theo phương trình sau:

DCM = [

cos cos −cos sin+ sin sin cos sin sin+ cos sin cos

cos sin

−sin

cos cos+ sin sin sin

sin cos −sin coscos+ cos cos sin sin]

Tích phân phương trình (2.3), ta thu được vị trí của vật Tiếp theo chúng ta có thể thu được kinh độ, vĩ độ và độ cao của vật thông qua các phương trình (2.4) sau:

2.2 Các lỗi trong hệ thống INS

Có nhiều loại sai số trong các hệ thống INS và chủ yếu là do các cảm biến quán tính gây nên Dưới đây là một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và vận tốc góc [9]

- Lỗi vị trí khi lắp đặt cảm biến gây nên sai số về góc góc nghiêng, góc chúc và góc hướng

- Lỗi về độ lệch của cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một giá trị không đổi Giá trị này lại thay đổi khi bật hoặc tắt thiết bị

- Hiện tượng lệch và trôi của cảm biến vận tốc góc (do tác động của nhiệt độ) gây nên vật không chuyển động nhưng vẫn có vận tốc góc không đổi

- Nhiễu ngẫu nhiên gây nên lỗi ngẫu nhiên trong đo lường

Những lỗi trong đo gia tốc và vận tốc góc sẽ dẫn tới các lỗi tăng dần khi xác định

vị trí và vận tốc của vật thể di chuyển (do việc lấy tích phân) Các lỗi tăng dần này được gọi là lỗi dẫn đường, bao gồm 9 lỗi (3 lỗi vị trí, 3 lỗi vận tốc, 3 lỗi tư thế) Có thể nhận thấy chắc chắn rằng hệ thống dẫn đường quán tính không thể hoạt động tự trị được mà phải được kết hợp với một hệ thống khác

2.3 Hệ thống INS/GPS

Khi sử dụng từng hệ thống INS, GPS riêng lẻ thì có ưu điểm và khuyết điểm riêng Khuyết điểm của từng hệ thống rất khó được khắc phục Do đó, kết hợp giữa INS

và GPS tạo thành hệ thống INS/GPS để khắc phục nhược điểm của từng hệ thống trên

Hệ thống INS/GPS là hệ thống tích hợp giữa hệ thống INS và hệ thống GPS Tùy theo kiểu tích hợp mà ta có hai cấu trúc hệ thống INS/GPS là cấu trúc vòng hở (hình 2.2) và cấu trúc vòng kín (hình 2.3) [2]

từ các lỗi trên Các giá trị thu được từ GPS dùng để xây dựng vectơ đo lường z Sau khi

mô hình hoá các lỗi này thì thực hiện chu trình Kalman với các ước lượng vectơ trạng thái và ma trận tương quan tại thời điểm ban đầu Cấu trúc này được gọi là cấu trúc GPS

hỗ trợ INS và các lỗi được xử lý theo kiểu vòng hở và vòng kín

Có hai cấu trúc bộ lọc Kalman là cấu trúc vòng kín và cấu trúc vòng hở Cấu trúc vòng hở cho phép thực thi dễ dàng hơn nhưng cấu trúc vòng kín lại cho kết quả chính xác hơn

Để nâng cao chất lượng, độ chính xác, hệ thống INS/GPS sử dụng cả hai chu trình Kalman Do đó, cấu trúc tích hợp GPS hỗ trợ INS như sau [3]:

Hình 2.4 Cấu trúc tích hợp GPS hỗ trợ INS

Cấu trúc lọc Kalman được phát triển bao gồm hai bộ lọc song song được sử dụng rất linh hoạt trong hệ thống dẫn đường Khi tín hiệu GPS thu được tốt thì hệ thống INS/GPS hoạt động với cấu hình vòng kín Khi tín hiệu GPS bị mất thì hệ thống tự động chuyển sang cấu hình vòng hở Khi tín hiệu GPS được khôi phục lại thì hệ thống lại trở

về cấu hình vòng kín Việc chuyển linh hoạt giữa hai cấu hình vòng kín và vòng hở giúp nâng cao chất lượng của toàn bộ hệ thống và khắc phục được nhược điểm của cả hai cấu hình riêng lẻ

Bộ lọc Kalman thứ nhất (KF1) được thiết lập với véctơ 3 trạng thái là sai số vận tốc (eVN, eVE, eVD), véctơ đo lường là hiệu giữa vận tốc của GPS và INS Tốc độ cập nhật của vận tốc GPS là 1 Hz và của INS là 64 Hz Vì thế tốc độ cập nhật của bộ lọc Kalman có thể lựa chọn là 1 Hz Chúng ta có thể lựa chọn tốc độ cập nhật cao hơn cho đầu ra của bộ lọc Kalman, với giả thiết rằng trong khoảng thời gian 0.5s thì vận tốc của vật thể chuyển động không thay đổi Ưu điểm của bộ lọc ít trạng thái KF1 này là tốc độ hội tụ nhanh, tránh được các sai số như bộ lọc Kalman không hội tụ hoặc sai sót khi thiết lập mô hình trạng thái Đầu ra của KF1 được sử dụng để bù trừ cho đầu ra của hệ thống

Bộ lọc Kalman thứ hai KF2 có thể ước lượng tám trạng thái của hệ thống bao gồm: các lỗi vận tốc trên hệ toạ độ dẫn đường (eVN, eVE, eVD), độ trôi của các con quay vi cơ (GBx, Gby, GBz) và các lỗi góc nghiêng (Tn, Te) Lỗi ước lượng của INS

lượng về độ trôi của con quay vi cơ được phản hồi về khối dẫn đường quán tính - INS

Ta có Ak,k-1 là ma trận chuyển trạng thái Bởi vì khoảng thời gian cập nhật nhỏ (tức là tốc độ cập nhật của INS lớn - ở đây là 64 Hz), nên chúng ta có thể cho xấp xỉ

Ak,k-1 như sau:

t F I e

A F t

k     



) ( 1

N

N N

N

N N

N

k

h h

h

Dvd

Dvd

C h C h C h

C h C h C h

A

0 0

0 0 0 0 0

0 0

0 0 0 0 0

0 0

0 0 0 0 0

0 0

0 0 0 0 0 0

0 0

0 0 0 0 0

0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

23 22

21

13 12

11

1 ,

(2.6)

Trong đó: Dvd là độ tăng vận tốc theo hướng tâm trái đất của hệ trục toạ độ dẫn

w w  A GQG A t E

Trong đó:

x x x az ay ax

GPS INS

GPS INS

k

Vd Vd

Ve Ve

Vn Vn

và

Vd Ve Vn T

k k

k E v v diag

2.5 Môi trường truyền dẫn

2.5.1 Môi trường có dây

Sử dụng các loại cáp để truyền dẫn dữ liệu như cáp xoắn, cáp đồng trục, cáp quang… Mỗi loại cáp có một số đặc điểm khác nhau Tuy nhiên, môi trường truyền dẫn có dây chỉ sử dụng trong các hệ thống có trang thiết bị cố định, không phù hợp với các hệ thống

có trang thiết bị di động Do vậy, nó không được sử dụng trong luận văn này

2.5.2 Môi trường không dây

Sử dụng sóng điện từ để truyền dẫn dữ liệu Ngày nay, có nhiều hệ thống truyền dẫn không dây được sử dụng như hệ thống thông tin vệ tinh, hệ thống thông tin di động, hệ thống cao tần RF, hệ thống vi ba, …

Hệ thống thông tin vệ tinh:

a Cấu trúc

Hệ thống thông tin vệ tinh [1] gồm hai phần chính đó là phần không gian và phần mặt đất

- Phần không gian gồm vệ tinh, các thiết bị thông tin trên vệ tinh, thiết bị điều

khiển độ xa, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng lượng mặt trời Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh thông tin thực chất là một trạm lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần Nó nhận tín hiệu từ trạm mặt đất này để chuyển đến trạm mặt đất khác

- Phần mặt đất hay còn gọi là các trạm thu phát, trên mặt đất gọi tắt là trạm mặt

đất gồm anten thu phát và các thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng, các bộ chia cao tần và ghép công suất, máy thu tạp âm thấp, các bộ điều chế và phản điều chế, các

bộ đổi tần tuyến lên và tuyến xuống, bộ khuếch đại công suất Nó được sử dụng để truyền/nhận tín hiệu từ đi/đến vệ tinh

b Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Thông tin liên lạc nhờ chuyển tiếp qua vệ tinh có những đặc điểm sau:

Vùng phủ sóng lớn: quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh có bán kính cách trái đất trung bình

khoảng 37.000km, nên một vệ tinh có thể phủ sóng đến khoảng 1/3 diện tích trái đất Như vậy, với ba vệ tinh, vùng phủ sóng có thể bao trùm toàn cầu trừ hai vùng cực

Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần hoạt động rộng lớn, nhờ áp dụng các

kỹ thuật sử dụng lại băng tần nên hệ thông tin vệ tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong khoảng thời gian rất ngắn mà không một loại hình thông tin nào có thể đạt được

Độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm trong đó vệ tinh

đóng vai trò trạm lặp còn hai trạm đầu cuối trên mặt đất Vì vậy xác xuất hư hỏng trên tuyến là rất thấp Do đó, độ tin cậy trung bình đạt 99,9% thời gian thông tin trên một năm

Chất lượng cao: Đường thông tin có chất lượng cao do các ảnh hưởng của nhiễu

Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

Tính linh hoạt cao: Hệ thống tin được thiết lập rất nhanh trong điều kiện các

trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lý, dung lượng có thể thay đổi rất linh hoạt tuỳ theo yêu cầu sử dụng

Đa dạng về loại hình dịch vụ: Thông tin vệ tinh cung cấp các loại hình dịch vụ

sau:

- Dịch vụ thoại, fax, telex cố định

- Dịch vụ phát thanh truyền hình quảng bá

- Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh

- Dịch vụ PAMA, VSAT

Tuy nhiên, hệ thống thông tin vệ tin có một số hạn chế sau:

- Vị trí lắp đặt anten bị hạn chế Anten trạm mặt đất phải được lắp đặt tại vị trí

có diện tích rộng, thoáng, không bị che khuất, phải nhìn thấy được vệ tinh

- Thời tiết sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng truyền dẫn Trời mưa sẽ làm giảm chất lượng truyền dẫn

Hệ thống thông tin di động

a Cấu trúc

Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng Mạng GSM được phân chia thành các phân hệ:

• Phân hệ chuyển mạch - NSS bao gồm các khối chức năng:

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động – MSC

- Bộ ghi định vị thường trú – HLR

Hình 2.6 Hệ thống thông tin di động

- Bộ ghi định vị tạm trú – VLR

- Trung tâm nhận thực – AuC

- Bộ ghi nhận dạng thiết bị - EIR

- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng – GMSC

• Phân hệ trạm gốc - BSS bao gồm các khối:

- Bộ điều khiển trạm gốc – BSC

- Trạm thu phát gốc – BTS

• Hệ thống khai thác và hỗ trợ - OSS bao gồm các khối chức năng:

- Trung tâm quản lý mạng – NMC

- Trung tâm quản lý và bảo dưỡng - OMC

• Trạm di động - MS:

- Thiết bị di động – ME

- Modul nhận dạng thuê bao – SIM

b Đặc điểm thông tin di động

- GSM là mạng thông tin di động gồm nhiều tế bào (cell) Do đó, các trạm di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần Hầu hết hoạt động ở băng 900 MHz và 1800 MHz Một số nước ở Châu Mỹ sử dụng băng tần 850 MHz và 1900 MHz do băng tần 900 MHz và

1800 MHz đã sử dụng cho mạng khác

- Đối với các mạng sử dụng băng tần 900 MHz, có đường lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn - uplink) sử dụng tần số trong dải 890 – 915 MHz và đường xuống (từ trạm truyền dẫn đến thuê bao di động - downlink) sử dụng tần số trong dải

935 – 960 MHz Mạng chia các băng tần này thành 124 kênh với độ rộng băng thông

25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz Khoảng cách song công (đường lên

và đường xuống cho 1 thuê bao) là 45 MHz

- Ở một số nước, băng tần chuẩn GSM900 được mở rộng thành E-GSM, nhằm đạt được dải tần rộng hơn E-GSM dùng 880 – 915 MHz cho đường lên và 925 –

960 MHz cho đường xuống Như vậy, đã thêm được 50 kênh (đánh số 975 đến 1023 và 0) so với băng GSM - 900 ban đầu E -GSM cũng sử dụng công nghệ ghép kênh phân

chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại toàn

tốc hay 16 kênh thoại bán tốc trên một kênh vô tuyến Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA Các kênh bán tốc sử dụng các khung luân phiên trong cùng khe thời gian Tốc độ truyền dữ liệu cho cả 8 kênh là 270.833 kbit/s và chu kỳ của một khung là 4.615 ms

- Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watt đối với băng GSM 850/900 MHz và tối đa là 1 watt đối với băng GSM 1800/1900 MHz

- Độ chính xác cao: mạng điện thoại di động ngày nay được phát triển mạnh mẽ

về số lượng cũng như chất lượng, có nhiều loại hình dịch vụ có độ chính xác cao, tốc độ nhanh như dịch vụ nhắn tin

- Chất lượng cao: theo đánh giá của Cục quản lý chất lượng Công nghệ thông tin và truyền thông thuộc Bộ Thông tin và Truyền thông thì hầu hết các mạng di động đều đạt tiêu chuẩn Trong đó, ba mạng Vinaphone, Mobifone, Viettel đạt kết quả tốt nhất, tỷ số rớt mạng, mất sóng nhỏ nhất

- Vùng phủ sóng rộng: ngày nay, hầu hết các mạng di động đã phủ sóng toàn quốc Do đó chúng ta có thể thực hiện các dịch vụ mạng mọi lúc mọi nơi

- Ưu điểm của mạng thông tin di động là rất ít bị ảnh hưởng bởi thời tiết, môi trường MS và BTS không cần phải nhìn thấy nhau vẫn thực hiện được kết nối Điều này giúp cho thiết bị di chuyển tự do hơn

2.5.3 Phương thức giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm

Như đã phân tích ở trên, ta thấy rằng hệ thống thông tin vệ tinh có tốc độ cao, băng thông rộng nhưng bị hạn chế về tầm nhìn, không linh động trong vị trí lắp đặt anten thu/phát nên không phù hợp với hệ thống này

Ngược lại, hệ thống thông tin di động có tốc độ thấp hơn nhưng không phụ thuộc

và vị trí địa lý cũng như tính di chuyển của thiết bị nên phù hợp với hệ thống này hơn Mặt khác, kích thước dữ liệu INS/GPS không lớn (khoảng 70 ký tự) nên phù hợp với dung lượng tin nhắn của hệ thống thông tin di động

Do đó, trong luận văn này, phương thức truyền nhận tin nhắn trong hệ thống thông tin di động được chọn làm phương thức truyền nhận dữ liệu giữa thiết bị INS/GPS

và trạm điều khiển trung tâm

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG PHẦN CỨNG

3.1 Cấu trúc hệ thống

Hệ thống gồm hai phần

Phần truyền dữ liệu: là hệ thống gồm thiết bị INS/GPS, mạch điều khiển truyền/nhận

tin nhắn, được gắn trên thiết bị di chuyển như xe, tàu … thu thập thông tin INS/GPS và truyền thông tin đến phần nhận dữ liệu

Phần nhận dữ liệu: là hệ thống được đặt tại trạm điều khiển trung tâm, nhận dữ liệu,

thông tin INS/GPS của thiết bị di chuyển Sau đó lưu trữ và hiển thị thông tin lên màn hình máy tính

- Khối điều khiển: điều khiển nhận và truyền dữ liệu INS/GPS

- Khối truyền dữ liệu: phát SMS chứa thông tin INS/GPS đến phần nhận dữ liệu

Phần nhận dữ liệu:

- Khối nhận dữ liệu: nhận SMS chứa thông tin INS/GPS

- Khối xử lý và hiển thị: xử lý dữ liệu nhận được để lưu trữ và hiển thị

3.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

- Khối xử lý tách lọc thông tin để nhận được dữ liệu INS/GPS, sau đó lưu trữ vào

bộ nhớ và hiển thị thông số INS/GPS cung cấp

Một vài thông số của khối BP3010

Bảng 3.1 Thông số của khối BP3010

Bảng 3.2 Cấu trúc khung dữ liệu của BP3010

Sơ đồ nguyên lý của BP3010 (hình 3.3)

Dữ liệu của 6 cảm biến được đưa vào mạch tích phân sáu đường vào để thu được

ba thông số về vận tốc và ba thông số về góc Lối ra của mạch tích phân sáu đường vào được đưa vào bộ ADC của 3 vi điều khiển 16bit Vì các cảm biến vi cơ chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ, do đó cần phải tính toán bù nhiệt cho các cảm biến này Các vi điều khiển sẽ tổng hợp dữ liệu đồng bộ rồi thực hiện tính bù lỗi góc và bù lỗi vận tốc

Dưới các điều kiện hoạt động nào đó, khi khung dữ liệu ra ở tần số thấp thì có thể bị mất dữ liệu, tức là các độ tăng về góc và độ tăng về vận tốc chỉ được thực hiện cộng lại một cách đơn giản mà trên thực tế có sự thay đổi trong cả chu kỳ mẫu khung

Để giảm vấn đề mất dữ liệu độ tăng về góc, các giá trị độ tăng về góc này được bù lỗi góc theo thuật toán tích phân chỉnh lỗi góc bậc 2 Tương tự như vậy các giá trị độ tăng

về vận tốc cũng được bù lỗi vận tốc theo thuật toán thích hợp Việc chỉnh lỗi góc và bù lỗi vận tốc này đảm bảo rằng khối BP3010 vẫn hoạt động tốt ngay cả khi tốc độ cập nhật khung dữ liệu là 8Hz

3.5.2 Khối điều khiển:

Hình 3.4 Mạch điều khiển

Khối này gồm

- Vi điều khiển PIC16F877A: xử lý dữ liệu, điều khiển phần truyền dữ liệu

- Vi mạch MAX232: chuyển đổi tín hiệu TTL và RS232

- Vi mạch 7805: ổn định điện áp 5VDC

- Cầu diode: chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

- Một số linh kiện hỗ trợ khác như tụ điện, điện trở, màn hình LCD Text, …