TÓM tắt LUẬN án TIẾNG VIỆT ước lượng tư thế vệ tinh nhỏ quan sát trái đất bằng việc hợp nhất hóa dữ liệu của cảm b

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --- NGÔ DUY TÂN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT BẰNG VIỆC HỢP NHẤT H

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGÔ DUY TÂN

ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT BẰNG VIỆC HỢP NHẤT HÓA DỮ LIỆU CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC VÀ CẢM BIẾN SAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã sỗ: 62 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2018

2

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Thái Quang Vinh

Người hướng dẫn khoa học 2: TS Bùi Trọng Tuyên

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

3

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1 Dự đoán tư thế vệ tinh quan sát Trái đất bằng phương pháp hợp nhất dữ liệu đa cảm biến, Kỷ yếu Hội thảo khoa học “Nghiên cứu

phát triển và ứng dụng công nghệ vũ trụ - 2011”, Viện Công nghệ

vũ trụ, 2011

2 Hợp nhất dữ liệu cảm biến tốc độ quay và cảm biến sao để dự đoán

tư thế vệ tinh nhỏ, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số

vấn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin và truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012

3 Xác định tư thế bằng bộ kết hợp cảm biến sao và con quay hồi chuyển trên vệ tinh VNREDSat-1, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ

Convergence Technology for Smart Society - Ho Chi Minh, 1/2016

6 A New Approach for Small Satellite Gyroscope and Star Tracker Fusion, Indian Journal of Science and Technology, Volume 9,

Issue 17, 5/2016 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS)

7 Xác định quỹ đạo vệ tinh viễn thám phù hợp với điều kiện Việt Nam,

4

MỞ ĐẦU

Các dữ liệu từ các cảm biến đo tư thế trên vệ tinh (cảm biến đo hướng, đo tốc độ góc) cần được hợp nhất lại với nhau để thành một số liệu tin cậy cung cấp cho bộ điều khiển, đây chính là nhiệm vụ của bộ ước lượng tư thế vệ tinh

Một số thách thức và ràng buộc như sau:

- Hạn chế về nguồn năng lượng

- Năng lực xử lý: các bộ phận xử lý trên vệ tinh chủ yếu sử dụng các chip FPGA (mảng logic khả trình) hoặc SoC (System on Chip)

để lập trình thực hiện các chức năng mong muốn

- Ảnh hưởng của các môi trường và bức xạ vũ trụ: đây là đặc thù của môi trường vũ trụ ảnh hưởng rất lớn đến thiết kế và lựa chọn linh kiện điện tử cho vệ tinh

- Thông tin liên lạc giữa vệ tinh và trạm mặt đất: các vệ tinh quan sát Trái đất có thời gian liên lạc với vệ tinh rất hạn chế

- Tính thời gian thực

- Phức tạp trong các phép chuyển đổi hệ tọa độ hoặc phép quay trong các hệ quy chiếu: để giải quyết các nhiệm vụ trên vệ tinh Các thuật toán/phần mềm dự đoán tư thế vệ tinh thường được thực hiện bởi các chip FPGA Đây cũng là lý do quan trọng để lựa chọn các thuật toán đơn giản, hiệu quả và tối ưu về phần cứng trên vệ tinh Các thuật toán hay phương pháp của bộ xác định tư thế vệ tinh phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

- Tính ổn định về hoạt động

- Độ tin cậy về kết quả đầu ra

Như vậy, việc nghiên cứu và đề xuất các phương pháp ước lượng

tư thế có khả năng thích nghi cao với môi trường làm việc đặc thù và yêu cầu chặt chẽ là định hướng quan trọng trong công nghệ vệ tinh Việc triển khai các thuật toán thích nghi đòi hỏi phải cân nhắc về độ

ổn định và tính đơn giản về mặt tính toán để phù phù hợp với nguồn tài nguyên hữu hạn Do vậy, các cơ chế thích nghi đơn giản nhưng tối

ưu về mặt tính toán cần phải được lựa chọn Đây cũng là ưu điểm của

cơ chế thích nghi bằng thuật toán logic mờ

Từ những phân tích trên, tác giả đã lựa chọn nghiên cứu luận

án: “Ước lượng tư thế vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất bằng việc hợp

nhất hóa dữ liệu của cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao” MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

Luận án được thực hiện với mục tiêu tổng quát là: nghiên cứu và

đề xuất một phương pháp ước lượng tư thế vệ tinh bằng việc hợp nhất hóa dữ liệu các cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc trên vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất có khả năng thỏa mãn các ràng buộc về phần cứng

và môi trường hoạt động của các phần cứng chuyên dụng trên vệ tinh

6

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tư thế vệ tinh

Thuật ngữ “tư thế vệ tinh” được sử dụng để nói về hướng trỏ của

vệ tinh trong một hệ quy chiếu đã cho và vận tốc góc của vệ tinh quanh các trục trong hệ quy chiếu đó Một vệ tinh làm việc trên quỹ đạo cần phải đáp ứng được nhiều yêu cầu về hướng trỏ trong không gian như hướng ăng-ten về phía trạm điều khiển trên mặt đất, hướng các tấm pin Mặt Trời về phía Mặt Trời để nạp ắc-quy và định hướng thiết bị chụp ảnh và đảm bảo độ chính xác khi chụp ảnh trên mặt đất

Để có thể dự đoán và điều khiển được tư thế của vệ tinh theo nhiệm

vụ cụ thể lập trình sẵn thì phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh (ADCS) cần phải có thông tin chính xác, tin cậy từ nhiều loại cảm biến

tư thế khác nhau như: cảm biến hướng mặt trời, cảm biến sao, cảm biến tốc độ góc, cảm biến từ trường,… Điểm đáng lưu ý là mỗi loại cảm biến tư thế này có rất nhiều đặc trưng khác nhau như tốc độ lấy mẫu, độ chính xác, độ tin cậy, phép đo phụ thuộc và vị trí hiện tại của

vệ tinh Do đó: Hợp nhất dữ liệu đa cảm biến là quá trình kết hợp

dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau với mục đích cho ra kết quả cuối cùng tốt hơn khi sử dụng từng cảm biến độc lập

1.2 Các hệ tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh

Để phân tích chuyển động của vệ tinh, ta cần xác định các hệ trục toạ độ mô tả chuyển động của vệ tinh Các hệ tọa độ này bao gồm hệ tọa độ quán tính i, hệ toạ độ quỹ đạo LHLV o và hệ tọa độ vệ tinh

b

 Trong luận án này, tác giả giả thiết vệ tinh là một vật rắn bay quanh quỹ đạo hình tròn xung quanh trái đất

7

1.3 Biễu diễn tư thế vệ tinh

Các phương pháp biểu diễn tư thế vệ tinh gồm có:

 Ma trận quay DCM (Direct Cosine Matrix)

 Phép quay RPY (Roll, Pitch, Yaw)

 Góc và trục quay Euler

 Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng quaternion

 Các tham số MRP (Modified Rodrigues Parameters)

 Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng các tham số Pivot (đây là phương pháp mới hiện nay)

Sai lệch tư thế vệ tinh

Khi sử dụng quaternion ta xác định sai lệch tư thế q có dạng:

4 d

4 4

3d 4d 4d

1.4 Các chỉ tiêu chính của phân hệ xác định và điều khiển tư thế

vệ tinh

Một số chỉ tiêu về xác định và điều khiển tư thế vệ tinh:

- Tốc độ đáp ứng: bao gồm tốc độ chuyển tiếp và tốc độ hội tụ

- Khả năng thích nghi và kháng lỗi

Sai số về điều khiển tư thế ảnh hưởng đến độ chính xác về vị trí chụp ảnh trên mặt đất và chất lượng hình học của ảnh thu được Do vậy, các yêu cầu về sai số và độ ổn định về hướng và điều khiển tư thế

vệ tinh luôn là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu của các nhiệm vụ quan sát Trái đất

1.5 Thuật toán ước lượng tư thế và những ràng buộc trên vệ tinh

Thuật toán ước lượng tư thế trên vệ tinh sử dụng hai nguồn dữ liệu đầu vào là cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao Do vậy, để xây dựng

và thiết kế được bộ ước lượng hiệu quả có khả năng thích nghi hay kháng lỗi thì phải nghiên cứu tác động của từng loại cảm biến này lên

bộ dự đoán để xây dựng các kịch bản mô phỏng sát với thực tế Các trường hợp điển hình sau đây được nghiên cứu:

- Đối với cảm biến tốc độ góc: tác động của độ trượt của cảm biến và hỏng cảm biến

- Đối với cảm biến sao: tác động của nhiễu và không đo được

tư thế (do ảnh hưởng bởi các vật sáng)

9

Một trong những đặc điểm và cũng là ràng buộc quan trọng của thiết kế các hệ thống xác định và điều khiển tư thế của vệ tinh đó là tối

ưu với phần cứng có năng lực xử lý hạn chế

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, bộ lọc Kalman (cụ thể là bộ lọc EKF) có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống như TRIAD hay QUEST về tối ưu với phần cứng trên vệ tinh Các phương pháp thích nghi có khả năng áp dụng với điều kiện các thông

số kỹ thuật của vệ tinh biến động hoặc trong trường hợp các cảm biến lỗi Tuy nhiên, do các yêu cầu đặc thù của vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo với nhiều ràng buộc về độ tin cậy, độ chính xác và nguồn tài nguyên tính toán hạn chế nên các phương pháp thích nghi vẫn chưa được áp dụng phổ biến

Trong các hệ thống điều khiển thì phương pháp logic mờ được sử dụng rất phổ biến để thực hiện các cơ chế thích nghi Logic mờ được lựa chọn do những ưu điểm sau đây:

- Tính linh hoạt, dễ hiều

- Giao diện dễ sử dụng

- Tính toán đơn giản

- Dễ kiểm tra

Kết luận chương: Hiệu năng của chức năng ước lượng tư thế

nói riêng hay phân hệ xác định và điều khiển tư thế nói chung phụ thuộc vào các yếu tố chính sau đây:

- Phương pháp biểu diễn tư thế

- Ràng buộc trên vệ tinh

- Các thuật toán ước lượng tư thế

10

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH VỆ TINH VÀ CẢM BIẾN TƯ THẾ TRONG

BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH 1.6 Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng và điều khiển tư thế vệ tinh

I s là ma trận quán tính của vệ tinh

Nếu tách phần tử vô hướng q4, các phần tử còn lại của vec tơ tư thế vệ tinh được gọi là vec tơ Gibbs

11

Để đơn giản trong quá trình nghiên cứu và mô phỏng, luật điều khiển tư thế vệ tinh sau đây được lựa chọn:

q ω các sai số về hướng và tốc độ góc giữa giá trị ước lượng được

và giá trị mong muốn và được tính như sau:

Trong đó: qs, qr là các ma trận tư thế tức thời và tư thế mong muốn

ωe và ωr là các ma trận tốc độ góc tức thời và tốc độ góc mong muốn Trong chế đội duy trì hướng trỏ về Trái đấy thì nhiệm vụ của bộ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh là điều khiển và duy trì tốc độ quay của vệ tinh theo trục pitch để quả vệ tinh luôn luốn hướng về trái đất với:

Và T olà chu kỳ quay của vệ tinh quanh Trái đất

Đối với vệ tinh quat sát Trái đất có quỹ đạo đồng bộ mặt trời thì

chu kỳ T o có thời gian khoảng 90 phút

12

Ở chế độ chụp ảnh, tư thế vệ tinh được bám theo các quỹ đạo được tính toán sẵn (có thể tính toán từ phần mềm dưới mặt đất gửi lên hoặc

tự động tính toán trên vệ tinh)

Mô hình vệ tinh được tuyến tính hóa quanh tốc độ góc hướng Trái

đất [0, -ω o, 0]:

x(t) = Ax(t) + B N (t) + B N

Trong đó: x(t) là ma trận trạng thái và được xác định là [ω q h]

h mô men động lượng góc của các bánh xe động lượng

13

chụp ảnh các sao trong vũ trụ từ vệ tinh rồi so sánh với bản đồ sao sẵn

có trong thiết bị, từ sai số này thiết bị tính ra được tư thế của vệ tinh Cảm biến sao được mô tả như sau:

Kết luận chương: Mô hình đặc trưng của phân hệ ADCS mô tả

vệ tinh sử dụng các bánh xe động lượng làm cơ cấu chấp hành để điều khiển tư thế của vệ tinh, đồng thời sử dụng các cảm biến tư thế đầu vào là cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc Việc lựa chọn mô hình với các cơ cấu chấp hành và cảm biến đo này nhằm đảm bảo tính thực

tế và xu hướng thiết kế của các vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ

CHƯƠNG 3 - ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH BẰNG HỢP NHẤT

DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN

Xác định tư thế trên vệ tinh thực ra là một bài toán ước lượng tối

ưu từ các nguồn dữ liệu khác nhau Thuật toán ước lượng này phải đánh giá được mức độ tin cậy của từng nguồn dữ liệu đo từ từng cảm biến đơn lẻ để từ đó đưa ra được một hệ số, còn gọi là độ tin cậy, để

từ đó làm cơ sở để hợp nhất các cảm biến

14

Một số phương pháp ước lượng tư thế vệ tinh phổ biến:

 Ước lượng tư thế bằng sử dụng phương pháp trọng số

 Sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF)

 Sử dụng thuật toán QUEST (Quaternion Estimation)

 Ứng dụng phương pháp Pivot (phương pháp mới)

 Phương pháp thích nghi

Phương pháp thích nghi đặc biệt có ý nghĩa trong trường hợp các tham số của hệ thống không biết chính xác Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp thích nghi vào các thuật toán trên vệ tinh có nhược điểm là sử dụng thêm bộ nhớ, giảm tốc độ tính toán và tăng công suất tiêu thụ Đây cũng chính là các ràng buộc nhằm đảm bảo tính tức thời của các thao tác điều khiển tư thế trên vệ tinh

Kết luận chương: Trong chương này, tác giả đã trình bày mô hình

của bộ ước lượng tư thế ứng dụng cho vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ Đồng thời, đã mô hình hóa được các bộ ước lượng tư thế sử dụng bộ lọc Kalman và Kalman mở rộng Đây chính là mô hình cơ bản để ứng dụng cơ chế thích nghi nhằm nâng cao tính kháng lỗi của bộ ước lượng

tư thế nói riêng và của phân hệ xác định và điều khiển tư thế nói chung

CHƯƠNG 4 - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ BÙ

ĐỘ TRƯỢT CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC 4.1 Xây dựng bộ hợp nhất cảm biến tư thế có bù độ trượt

Vec-tơ trạng thái cho bộ dự đoán được lựa chọn như sau:

Trong đó: q=[q1 q2 q3 q4] là quaternion tư thế vệ tinh β= [βx βy βz]

là vec-tơ độ lệch của cảm biến tốc độ góc

15

Bộ hợp nhất dữ liệu bằng bộ lọc EKF được mô tả như sau:

Bảng 4.1 Bộ lọc EKF hợp nhất tư thế vệ tinh có bù độ trượt cảm

biến tốc độ góc

4.2 Kết quả mô phỏng

Các tham số đầu vào:

- Ma trận quán tính của vệ tinh:

- Tốc độ trượt của cảm biến tốc độ góc: 6o/h

- Nhiễu ngẫu nhiên của cảm biến tốc độ góc (ARW): 0.15o/ h

16

- Mo men tác động bên ngoài: τ=[0 0 0];

- Điều kiện ban đầu: x=[1 0 0 0 0 0 0];

- Thuật toán điều khiển: PID

- Góc mong muốn điều khiển đến: quay vệ tinh quanh trục quay (roll) một góc 30o

Hình 4.1 Kết quả ước lượng tư thế vệ

tinh (Roll, Pitch, Yaw) bằng phương

pháp trọng số

Hình 4.2 Sai số trỏ hướng của vệ tinh phương pháp ước lượng tư thế bằng phương pháp trọng số

Hiệu năng của phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh được thể hiện bằng các chỉ số về sai số chỉ hướng:

Trục/chỉ số Roll (rad) Pitch (rad) Yaw (rad) Giá trị trung

17

Kalman mở rộng

Hình 4.3 Kết quả ước lượng tư thế (Roll,

Pitch, Yaw) có bù độ trượt cảm biến tốc

Trục/chỉ số Roll (rad) Pitch (rad) Yaw (rad) Giá trị trung bình (mean) -4.81 e-05 1.48 e-06 -1.66 e-05

Độ lệch chuẩn (std) 0.0001515 0.0001493 0.0001348

Bảng 4.3 Bảng xác định độ chính xác trỏ hướng của vệ tinh khi sử dụng phương pháp ước lượng tư thế có bù độ trượt của cảm biến tốc

độ góc

Kết luận chương: Đánh giá hai thuật toán ước lượng tư thế: sử

dụng trọng số và bù độ trượt của cảm biến tốc độ góc Kết quả cho thấy, bộ lọc Kalman nếu được sử dụng hợp lý hoàn toàn có khả năng ước lượng và bù độ trượt của cảm biến tốc độ góc, từ đó tăng tính tin cậy và kháng lỗi của phân hệ xác định và điều khiển tư thế của vệ tinh

18

CHƯƠNG 5 - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ

KHÁNG LỖI TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 5.1 Thiết kế bộ hợp nhất dữ liệu tư thế vệ tinh sử dụng bộ lọc Kalman

Bộ dự đoán tư thế (GSE) hoạt động dựa trên nguyên lý lọc Kalman ước lượng trạng thái của hệ thống:

0

(0)(0)

Tính toán sai số bằng cách nhân

(quaternion) giữa giá trị đo SST và

Hiệu chỉnh tư thế và độ trượt

- Hệ số hiệu chỉnh tư thế qk Cor,

- Hệ số hiệu chỉnh độ trượt gyro

5.2 Sử dụng thuật toán fuzzy để điều chỉnh bộ hợp nhất dữ liệu

Đề xuất sử dụng thuật toán fuzzy logic để giám sát và bù các thông số Qkvà Rkcủa bộ lọc:

k k

Tính toán sai số bằng cách nhân

(quaternion) giữa giá trị đo SST

k k

Dựa trên các kết quả nghiên cứu trên, cơ chế kháng lỗi được

đề xuất cho bộ hợp nhất tư thế vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất như sau:

số đo của cảm biến tốc độ góc sẽ được chọn để tính tư thế vệ tinh

- Khi cảm biến tốc độ góc hỏng: Vận tốc góc tham chiếu được sử dụng thay cho số đo của cảm biến tốc độ góc Trong trường hợp

số đo cảm biến sao bị gián đoạn trong một khoảng thời gian vượt quá giới hạn cho phép, tích phân của phương trình động lực học

vệ tinh sẽ được chọn để tính tư thế vệ tinh

- Nhiễu của cảm biến sao: [96’ 16‘ 16’] (3σ)

- Tốc độ trượt của cảm biến tốc độ góc: 6o/h

- Nhiễu ngẫu nhiên của cảm biến tốc độ góc (ARW): 0.15o/ h

- Tốc độ góc chỉ Trái đất: 2*pi/(90*60) rad/s (To=90 phút)

- Tốc độ góc mong muốn khi chụp ảnh: [-0.0036 -0.0074 0.0032] rad/s

- Giai đoạn chụp ảnh: To+200 đến To+300 (giây)