NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ TÍCH hợp và xử lý dữ LIỆU INS GPS, PHỤC vụ CÔNG tác đào tạo NGÀNH TRẮC địa bản đồ

Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần được nghiên cứu như sau: - Các nghiên cứu về công nghệ tích hợp INS/GPS trong nước tập trung chủyếu vào các ứng dụ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

BÁO CÁO TÓM TẮTKẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU INS/GPS, PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO NGÀNH TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ”

MÃ SỐ: 2015.07.09

Cơ quan chủ trì đề tài/dự án: Trường ĐH Tài nguyên và Môi trường HN Chủ nhiệm đề tài/dự án: ThS Đỗ Văn Dương

Hà Nội – 2017

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

BÁO CÁO TÓM TẮTKẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU INS/GPS, PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO NGÀNH TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ”

MÃ SỐ: 2015.07.09

Chủ nhiệm đề tài/dự án: Cơ quan chủ trì đề tài/dự án:

(ký tên) (ký tên và đóng dấu)

ThS Đỗ Văn Dương PGS.TS Phạm Quý Nhân

Hà Nội - 2017

1 Đặt vấn đề

Việc thu thập thông tin địa lý một cách tức thời đang trở nên cần thiết đểphục vụ cho việc thông tin nhanh, ứng phó với các thiên tai, thảm họa thiênnhiên Sự phát triển của các ứng dụng tự động hóa trong việc thu thập dữ liệu thôngtin địa lý đang nổi lên là một xu hướng trong những năm gần đây để thay thế chonhững công nghệ truyền thống Trên thế giới, từ những năm 90 của thế kỷ trước,những hệ thống lập bản đồ di động mặt đất và hàng không đã được đề xuất và pháttriển phục vụ việc thu thập dữ liệu địa lý một cách tự động, nhanh chóng Nhữngnăm gần đây chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống lập bản đồ di động

sử dụng máy bay không người lái Về nguyên lý cơ bản, các hệ thống lập bản đồ diđộng (MMS) cũng giống như các hệ thống bay chụp ảnh hàng không truyền thống,trong đó việc thu thập dữ liệu để thành lập bản đồ bao gồm hai bước chính: (1) Thunhận hình ảnh bằng các máy chụp ảnh hoặc đám mây điểm bằng máy quétlaser và (2) Tính chuyển tọa độ các điểm từ hệ tọa độ khung ảnh (máy quétlaser) về hệ tọa độ trắc địa quy chuẩn Công nghệ phổ biến được sử dụng cho mụcđích này là sử dụng hệ thống tham chiếu tọa độ trực tiếp với sự tích hợp giữa hệthống định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống định vị quán tính (INS) với các cảm biếnquán tính (IMU)

Ở trong nước, cùng với việc phát triển và khai thác sử dụng các hệ thống MMS,như các hệ thống Lidar hàng không, hệ thống chụp ảnh hàng không sử dụng máybay không người lái, các hệ thống định vị, định hướng INS/GPS cũng đã được đềcập đến

Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước vẫn còn tồn tại một số hạn chế cần được nghiên cứu như sau:

- Các nghiên cứu về công nghệ tích hợp INS/GPS trong nước tập trung chủyếu vào các ứng dụng cho định vị dẫn đường các phương tiện giao thông và lĩnhvực quân sự Việc nghiên cứu hệ thống INS/GPS ứng dụng cho ngành trắc địa bản

đồ vẫn còn hạn chế hoặc chưa đầy đủ

- Các nghiên cứu trong nước mới nghiên cứu phương pháp tích hợp lỏng,trong đó trị đo GPS cung cấp cho hệ thống là vị trí hoặc vận tốc của máy thu GPS.Việc tích hợp chặt trong đó sử dụng trực tiếp các trị đo GPS thô như khoảng cách

- Vẫn còn hạn chế trong việc nghiên cứu đề, xuất tích hợp thêm các cảm biếnphụ trợ nhằm nâng cao độ chính xác và tính ổn định của hệ thống tích hợp.

- Chưa tập trung đến các phương pháp sử lý số liệu cho sử lý sau như các phéplọc hai chiều, các phép ước lượng trơn để nâng cao độ chính xác của hệ thống

- Các module phần mềm được giới thiệu trong các nghiên cứu trên chủ yếu

là các module phần mềm mô phỏng hoặc còn rất đơn giản, chưa nhiều các tham

số thiết đặt cho việc xử lý số liệu Điều này gây khó khăn cho người sử dụng hoặcphát triển cho các ứng dụng thực tế

- Các nghiên cứu trong nước vẫn còn hạn chế trong việc nghiên cứu và thửnghiệm hệ thống INS/GPS trong môi trường nhiễu, khuất tín hiệu GPS

- Việc thử nghiệm và đánh giá độ chính xác các hệ thống chưa thật sự thuyếtphục và tin cậy do thiếu các hệ thống chuẩn hoặc các phương pháp đo đạc đủ tin cậy

- Đối với công tác đào tạo trong lĩnh vực Trắc địa-Bản đồ ở Việt nam,công nghệ GPS đã được đưa vào chương trình giảng dạy, tuy nhiên, trongnhững năm gần đây với những công nghệ yêu cầu xác định một cách đồng thờicác tham số về vị trí và hướng ở tần số đầu ra cao như công nghệ Lidar hàng không,công nghệ đo ảnh sử dụng máy bay không người lái thì riêng công nghệ GPS làchưa đủ mà cần phải tích hợp thêm hệ thống INS và các phương pháp xử lý số liệutích hợp

Để khắc phục những tồn tại trong các nghiên cứu trên, trong đề tài này, tác giả giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu công nghệ tích hợp INS/GPS ứng dụng cho ngành Trắc địa-Bản đồ

- Tập trung vào phương pháp tích hợp chặt INS/GPS trong đó sử dụng trựctiếp các trị đo GPS thô như khoảng cách giả, trị đo Doppler, hay trị đo pha sóngtải Với phương pháp tích hợp chặt, hệ thống có thể tận dụng được các tín hiệuGPS của ít hơn 4 vệ tinh được quan sát, nhờ vậy có thể nâng cao độ chính xác của

hệ thống trong những môi trường đo bị nhiễu, khuất tín hiệu GPS

- Nghiên cứu tích hợp trị đo INS với trị đo GPS tương đối động để nâng cao

độ chính xác định vị, qua đó có thể kết hợp hệ thống thiết kế với các trạm thamchiếu tọa độ (Trạm Cors) sẵn có trong khu vực

- Nghiên cứu, tích hợp thêm các cảm biến phụ trợ như la bàn điện tử, cảm biến

vận tốc, cảm biến độ cao nhằm nâng cao độ chính xác và tính ổn định của hệ thống.

- Các phép lọc hai chiều, ước lượng trơn sẽ được tập trung nghiên cứu để nângcao độ chính xác của phương pháp xử lý số liệu tích hợp.

- Thiết kế và xây dựng phần mềm xử lý số liệu đầu ra của hệ thống tích hợpvới giao diện người dùng để tiện lợi cho việc nghiên cứu, thử nghiệm hoặc có thể sửdụng cho thực tế sản xuất

- Nghiên cứu, đề xuất và thử nghiệm hệ thống tích hợp INS/GPS trong đadạng các môi trường bị nhiễu, khuất tín hiệu GPS như trong đô thị, môi trường đồinúi, qua đường hầm

- Thử nghiệm và đánh giá độ chính xác của hệ thống dựa trên các hệ thốngchuẩn và phần mềm thương mại và bằng các phương pháp đo đạc thực địa chính xác

- Các nghiên cứu trong đề tài sẽ là cơ sở để cung cấp các tài liệu khoa học, bổsung trang thiết bị thí nghiệm phục vụ đào tạo về công nghệ tích hợp INS/GPS, ứngdụng trong ngành Trắc địa-Bản đồ ở Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Phát triển một hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng các cảm biến quán tính vàmáy thu GPS, phục vụ công tác đào tạo ngành Trắc địa-Bản đồ

- Thiết kế, xây dựng phần mềm để xử lý số liệu tích hợp INS/GPS

- Thử nghiệm độ tin cậy của hệ thống tích hợp và phần mềm

I TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG INS/GPS

1.1 Trên thế giới

Mặc dù đã được nghiên cứu và phát triển từ khá sớm (1960) nhưng các hệthống INS trước đây thường bị hạn chế phổ biến trong các ứng dụng thương mại vớihai lý do chính là nó thường liên quan đến các ứng dụng trong lĩnh vực quân sự vàgiá thành cho một hệ thống thường khá cao (hàng trăm ngàn đô la Mỹ/ bộ) Ưuđiểm chính của các hệ thống INS là nó vận hành một cách độc lập để cung cấp cácthông tin định vị, định hướng ở tần số đầu ra cao (50-200 Hz) Trong những nămgần đây, nhờ sự phát triển của công nghệ vi điện tử, các hệ thống INS sử dụng cảmbiến quán tính vi điện tử (MEMS IMU) với kích thước nhỏ, nhẹ, giá thành thấp (vàitrăm đến vài ngàn đô la Mỹ) đang là xu hướng khai thác sử dụng trong các hệ thốngứng dụng dân sự Tuy vậy nhược điểm chính của các hệ thống INS sử dụng MEMSIMU là sai số của nó tăng rất nhanh theo thời gian do ảnh hưởng của các nguồn sai

số hệ thống và nhiễu của MEMS IMU Ở mặt khác, ngay từ khi được xây dựng vàđược thương mại hóa một phần cho mục đích dân sự, hệ thống GPS đã được nghiêncứu và sử dụng một cách rộng rãi cho đa dạng các mục đích như định vị, dẫn đường

và đo đạc bản đồ Ưu điểm chính của GPS là nó có thể cung cấp thông tin về vị trívới độ chính xác ổn định ( cỡ mét với định vị điểm đơn và cỡ cm với định vị viphân) ở mọi thời điểm, mọi nơi trên bề mặt trái đất trong môi trường thông thoáng.Tuy nhiên GPS cũng có những nhược điểm là tần số đầu ra thấp (1 Hz), bị nhiễuhoặc mất thông tin định vị trong điều kiện môi trường bị nhiễu, khuất tín hiệu GPSnhư trong đường hầm, dưới mặt nước hay trong rừng rậm Do vậy, để đảm bảothông tin định vị, định hướng một cách tin cậy, liên tục trong mọi điều kiện môitrường cho các mục đích định vị dẫn đường và MMS, việc tích hợp giữa GPS vàINS sử dụng MEMS IMU là một giải pháp hiệu quả đã và đang được nghiên cứu,ứng dụng rộng rãi trên thế giới Hình 1.1 minh họa một số hệ thống tích hợpINS/GPS thương mại

Hình 1.1 Một số hệ thống INS/GPS thương mại: (a) Span LCI (Novatel,

Canada), (b) C-MIGIT (BEI, USA), (c) MIDG (Robotics, USA)

Mặc dù về lý thuyết, một hệ thống tích hợp INS/GPS có thể cung cấpthông tin định vị, định hướng một cách liên tục với độ chính xác ổn định, vấn đề ởchỗ là trong điều kiện môi trường bị nhiễu hoặc mất tín hiệu GPS, sai số về vị trícủa hệ thống sẽ tăng rất nhanh, đặc biệt là với hệ thống tích hợp sử dụng MEMSIMU giá thấp Ở khía cạnh khác, mặc dù được coi là có thể cung cấp thông tin định

vị với độ chính xác ổn định, thực tế GPS cũng chịu ảnh hưởng bởi rất nhiều nguồnsai số và các nguồn sai số này gây ra những sai số trong trị đo GPS với độ lớn phụthuộc vào môi trường đo, máy đo và phương pháp đo Do vậy xu hướng nghiên cứuchính trên thế giới hiện nay là tập trung vào các phương pháp nhằm nâng cao độchính xác định vị, định hướng của các hệ thống INS/GPS sử dụng các cảm biếnIMU và máy thu GPS giá thấp Để đạt mục đích này, có ba cách tiếp cận chính,phổ biến trong các nghiên cứu là nâng cao độ chính xác của INS, nâng cao độchính xác GPS và cải thiện phương pháp tích hợp INS/GPS

Để nâng cao độ chính xác của INS, phương pháp thường được tập trungnghiên cứu là thông qua các phép kiểm nghiệm nhằm phát hiện các nguồn sai số hệthống cũng như nhiễu gây ra bởi các cảm biến quán tính, từ đó hiệu chỉnh vào dữliệu đầu ra của cảm biến hoặc giảm bớt sai số bằng các phương pháp xử lý số liệuthích hợp Với phương pháp kiểm nghiệm IMU, nhược điểm chính của phươngpháp này là nó đòi hỏi phải trang bị những thiết bị chuyên dụng trong phòng thínghiệm để kiểm nghiệm, điều này trong một số trường hợp là không khả thi và làmtăng giá thành chung của hệ thống Ở một hướng khác, giá trị của các loại sai số hệthống trong IMU được ước lượng thông qua các phương pháp xử lý số liệu trongquá trình xử lý số liệu tích hợp INS/GPS Ưu điểm của phương pháp này là không

yêu cầu những thiết bị và quy trình kiểm nghiệm đắt tiền Tuy vậy nhược điểm là

độ tin cậy trong ước lượng sai số không cao so với phương pháp kiểm nghiệmtrong phòng thí nghiệm

Đối với GPS, như đã đề cập ở trên, độ chính xác định vị bằng GPS phụ thuộcvào ba yếu tố chính là điều kiện môi trường, chất lượng máy thu và phương phápđịnh vị Đối với các ứng dụng định vị dẫn đường và MMS, hai phương pháp định vịGPS phù hợp và cho độ chính xác cao thường được áp dụng là định vị đơn chínhxác (Precise Point Positioning (PPP)) và định vị tương đối động (Kinematicpositioning) Theo các tài liệu nghiên cứu thì nếu các nguồn sai số được kiểmnghiệm tốt và sử dụng lịch vệ tinh chính xác, độ chính xác định vị của phương phápPPP có thể đạt cỡ dm Với định vị tương đối động, nếu khoảng cách từ trạm cơ sởđến máy thu di động không quá dài (<10km) và các số nguyên đa trị tương đối cạnhđược xác định, độ chính xác định vị có thể đạt đến cm Vậy nếu áp dụng cácphương pháp định vị GPS này trong hệ thống tích hợp, độ chính xác định vị của hệthống sẽ được cải thiện đáng kể so với phương pháp định vị điểm đơn (Single PointPoisitioning, với độ chính xác từ 1-4m)

Việc cải thiện phương pháp tích hợp INS/GPS là một cách tiếp cận khác nhằmnâng cao độ chính xác của hệ thống Theo các tài liệu thì có 3 phương pháp tích hợpchính là phương pháp tích hợp lỏng, phương pháp tích hợp chặt và siêu chặt TheoChiang và các cộng sự (2013), phương pháp tích hợp lỏng có ưu điểm là đơn giảnnhưng có nhược điểm là không tận dụng được các tín hiệu GPS trong trường hợp có

ít hơn bốn vệ tinh GPS được quan sát Ngược lại, tích hợp chặt và siêu chặt cóthể tận dụng tốt các tín hiệu GPS trong môi trường bị nhiễu tín hiệu GPS, nhưngviệc xử lý số liệu phức tạp làm cho phương pháp tích hợp chặt không được phổbiến bằng phương pháp tích hợp lỏng Trong những trường hợp bị mất hẳn tín hiệuGPS, sai số định vị của hệ thống tích hợp tăng nhanh theo thời gian do khi đó chỉcòn lời giải định vị định hướng được cung cấp bời INS Để khắc phục tình trạngnày, các cảm biến phụ trợ được tích hợp để nâng cao độ tin cậy của hệ thống.Martin và Alan (2011) tích hợp thêm la bàn điện tử vào hệ thống phục vụ dẫnđường tích hợp cho máy bay không người lái Niu và các tác giả (2007), Kim vàcác tác giả (2011), George và các tác giả (2011) nghiên cứu và đánh giá hiệu

thêm cảm biến vận tốc (odometer) vào hệ thống INS/GPS cho các ứng dụng dẫnđường mặt đất Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng với các cảm biến phụ trợ,

độ chính xác và tính ổn định của hệ thống tăng lên đáng kể

Cùng với sự phát triển các sản phẩm đóng gói công nghệ tích hợp INS/GPSnhư các sản phẩm của các hãng Novatel (Canada), BEI (Mỹ), SBG (Pháp), cácchương trình chuyên sâu về công nghệ tích hợp INS/GPS cũng đã được đưa vàochương trình đào tạo sau đại học tại các trường Ohio State University (Mỹ),University of Calgary (Canada), National Cheng Kung University (Đài Loan)

1.2 Nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, cùng với việc phát triển và khai thác sử dụng các hệ thống MMS,như các hệ thống Lidar hàng không, hệ thống chụp ảnh hàng không sử dụng máybay không người lái, các hệ thống định vị, định hướng INS/GPS cũng đã được đềcập đến (Lương Chính Kế (2004) và Trần Đức Phú (2010)) Tuy nhiên do đã đượcđồng bộ cùng các thiết bị khác từ phần cứng đến phần mềm, những nghiên cứu tậptrung các hệ thống INS/GPS trên các hệ thống MMS này vẫn còn rất hạn chế Theonhững hướng ứng dụng khác, một số nghiên cứu tập trung về hệ thống INS/GPS cóthể được kể đến như sau:

Lưu Mạnh Hà (2007) nghiên cứu phương pháp kiểm nghiệm và phân tích sai sốcủa cảm biến quán tính MEMS IMU Trong nghiên cứu, tác giải sử dụng các thiết bịthí nghiệm để kiểm định nhằm xác định các loại sai số hệ thống cũng như mô hìnhnhiễu gây ra bởi MEMS IMU Theo tác giả, việc xác định các loại sai số hệ thốngcũng như mô hình nhiễu là rất cần thiết để sử dụng trong quá trình xử lý số liệu tíchhợp nhằm nâng cao độ chính xác của hệ thống

Trần Đức Tân và Nguyễn Phú Thùy (2009) đã nghiên cứu phát triển và đánh giá

độ chính xác của hệ thống INS/GPS sử dụng cảm biến IMU và máy thu GPS giáthấp ứng dụng cho các phương tiện dẫn đường mặt đất Kết quả thử nghiệm trongnghiên cứu chỉ ra rằng độ chính xác về vị trí của hệ thống vào khoảng từ 3-4m vàsai số phương hướng vào khoảng từ 2-30 Với kết quả trên, có thể thấy rằng hệthống là phù hợp với các ứng dụng dẫn đường phổ thông Tuy nhiên, đối với cácứng dụng trong Trắc địa-Bản đồ, sai số định vị, định hướng như trên là chưa đảmbảo độ chính xác để thành lập các loại bản đồ tỷ lệ trung bình và lớn

Vũ Văn Ninh và nhóm tác giả 2012 đã giới thiệu giải pháp tích hợp INS/GPStrong đó sử dụng cấu trúc vòng kín trong phép tích hợp Trong cấu trúc tích hợpnày, phép lọc Kalman được sử dụng để ước lượng sai số của INS dựa trên thông tinđịnh vị của cả INS và GPS Các sai số này sau đó được sử dụng để hiệu chỉnh vàođầu ra của INS Từ kết quả thử nghiệm, các tác giả của nghiên cứu kết luận rằng độchính xác của hệ thống là chấp nhận được cho các ứng dụng dẫn đường phương tiệngiao thông Tuy nhiên việc đánh giá độ chính xác chỉ dựa trên việc so sánh giữaGPS hoạt động độc lập và hệ tích hợp INS/GPS chưa phản ánh hết được hiệu quảcũng như độ tin cậy của hệ thống trong nghiên cứu.

Nguyễn Văn Thắng và nhóm tác giả (2012) đề xuất phương án cải thiện độchính xác của hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng thông tin tham chiếu từ bản đồ

số đường giao thông (SRA) Trong nghiên cứu này, khi tín hiệu GPS bị che khuất,tọa độ điểm gần nhất với hệ thống nằm trên tuyến đường mà thiết bị đang vận hànhđược sử dụng để cập nhật thông tin vị trí nhằm nâng cao độ chính về vị trí cho hệthống Kết quả từ thí nghiệm mô phỏng của nghiên cứu chỉ ra rằng, với phương ánSRA đã đề xuất, trong khoảng 100 giây không có tín hiệu GPS, sai số vị trí điểmcủa hệ thống có thể đạt cỡ 1m so với 40m trong trường hợp không sử dụng SRA.Hạn chế của phương pháp này là độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào độ chínhxác của hệ thống bản đồ đường phố, mà độ chính xác của hệ thống bản đồ này làkhông đồng nhất mà thay đổi theo khu vực, tỷ lệ bản đồ Hơn nữa, ở nhiều khu vựcbản đồ số đường phố chưa có sẵn

1.3 Ưu nhược điểm của hệ thống tích hợp INS/GPS

Từ các nghiên cứu kể trên, có thể thấy rằng việc tích hợp hai hệ thống INS

và GPS nhằm mục đích khắc phục những hạn chế của hai hệ thống INS và GPS ởchế độ độc lập Bảng 1 dưới đây liệt kê các ưu, nhược điểm của từng hệ thống INS,GPS và hệ tích hợp INS/GPS

Bảng 1.1.Ưu nhược điểm của hệ thống INS, GPS và hệ tích hợp INS/GPS

GPS

- Độ chính xác độc lập với thờigian vận hành

- Dễ dàng vận hành và sử dụng

- Không có hoặc nhiễu thông tin

về hướng xoay

- Tần số đầu ra thấp (1Hz)

- Ảnh hưởng ít đối với thế trọngtrường.

- Phụ thuộc vào môi trường

INS - Tần số đầu ra cao (50-200Hz).- Độc lập với môi trường. - Sai số tích lũy theo thời gianvận hành

- Nhạy cảm với thế trọng trường

Hệ tích hợp

GPS/INS

- Độ chính xác ổn định theo thờigian

- Thông tin hướng xoay chínhxác

- Tần số đầu ra cao (50-200Hz)

- Vận hành trong mọi điều kiệnmôi trường

- Vận hành và xử lý số liệu phứctạp

- Giá thành cao

II NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA

HỆ THỐNG INS VÀ GPS

2.1 Hệ thống định vị quán tính

2.1.1 Khái niệm hệ thống định vị quán tính

Hệ thống dẫn đường quán tính (INS) là một hệ thống bao gồm các cảm biếnquán tính (IMU) và một khối/cơ chế tính toán để tính ra lời giải định vị bao gồm vịtrí, vận tốc và hướng xoay ba chiều của hệ thống dựa vào các tín hiệu đầu ra củaIMU Ưu điểm của INS là tự nó có thể cung cấp các thông tin định vị, định hướng ởtần số cao (50Hz-200Hz) mà không phụ thuộc và tín hiệu từ các thiết bị khác

Các hệ thống INS sơ khai được áp dụng chủ yếu cho các thiết bị liên quanđến lĩnh vực quân sự, chính vì vậy chúng được coi là các thiết bị nhạy cảm vàthường bị hạn chế phổ biến bởi các nước có khả năng sản xuất Mặt khác các hệthống INS sơ khai thường là hoạt động trên nguyên lý cơ học (Gimbals INS, Hình2.1a), có kích cỡ lớn, đắt tiền, do vậy nó không hấp dẫn đối với các ứng dụngthương mại dân sự Nhờ sự phát triển của công nghệ vi-cơ điện tử, trong những nămgần đây, các hệ thống INS nguyên khối (Strapdown INS hay SINS, Hình 2.1b) sửdụng cảm biến vi-cơ điện tử quán tính (MEMS IMU) được phát triển mạnh mẽ Ưuđiểm của SINS sử dụng MEMS IMU là có kích thước nhỏ, nhẹ, tiêu hao ít nănglượng và giá thành hạ Chính vì những ưu điểm trên mà SINS được áp dụng rộngrãi trong cả lĩnh vực quân sự và dân sự như các ứng dụng dẫn đường cho máy bay,

tầu thủy, hệ thống lập bản đồ di động (Mobile mapping System), ứng dụng chocông

nghệ Robot, và thậm chí được tích hợp trong các điện thoại thông minh Tuy vậy,vấn đề chính của các hệ thống SINS là sai số định vị của nó sẽ tích lũy và tăng rấtnhanh theo thời gian do ảnh hưởng của các nguồn sai số hệ thống và nhiễu của IMU,đặc biệt là các INS sử dụng IMU giá rẻ Việc tích hợp giữa INS và GPS chính là giảipháp nhằm khắc phục những nhược điểm của cả hai hệ thống INS và GPS ở chế độđộc lập(George T Schmidt (2003) và Titterton D H , Weston J L (2004))

(a) (b)

Hình 2.1 Gimbal INS (a) và Strapdown INS (b)

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống dẫn đường quán

phương tiện Tại thời điểm t-1, phương tiện ở vị trí Xୠୠୠ, Yୠୠୠ và có góc phương vị

hୠୠୠ Giả sử rằng từ t-1 đến t, phương tiện di chuyển một khoảng Sୠୠୠ,ୠ từ vị trí banđầu với phương hướng không đổi Chúng ta có thể xác định được vị try của phương

tiện ở thời điểm t sử dụng công thức sau:

ୠ ୠ

Xୠ = Xୠୠୠ + Sୠୠୠ;ୠ sin(hୠୠୠ) (2.1)

ୠ

Yୠ = Yୠୠୠ + Sୠୠୠ;ୠcos (hୠୠୠ) (2.2)

Giả sử ở thời điểm t, phương tiện thay đổi phương hướng một góc ∆β từ

hướng ban đầu và di chuyển với một gia tốc aୠ Khi đó, chúng ta có thể xác địnhđược vị trí, vận tốc và phương hướng của phương tiện tại thời điểm t+1 với cáccông thức sau:

Trước hết, vận tốc được tính toán dựa trên tích phân theo thời gian của gia tốc:

ୠ ୠୠୠ

Khoảng cách được suy ra từ vận tốc:

Phương hướng được xác định bởi:

ୠ ୠ

Yୠୠୠ = Yୠ + Sୠ;ୠୠୠcos (hୠ ) (2.7)

Cơ chế đơn giản như trên cho ta thấy rằng nến gia số góc xoay ∆β và gia tốc

chuyển động aୠ được đo liên tục trong quá trình chuyển động, vị trí, vận tốc vàphương hướng của vật thể có thể được xác định một cách liên tục tại các thời điểm

Với nguyên lý tương tự, IMU với con quay hồi chuyển và gia tốc kế trong hệthống INS liên tục cung cấp thông tin về vận tốc góc và gia tốc chuyển động theo batrục vuông góc b-frame so với i-frame Một hệ thống tính toán sẽ xử lý số số liệuthô từ IMU để cung cấp thông tin định vị, định hướng bao gồm vị trí, vận tốc vàphương hướng của đối tượng mà INS được gắn lên trong một hệ tọa độ tham chiếunhất định Tất nhiên, cơ chế tính toán trong INS sẽ phức tạp hơn do nó được tínhtoán trong không gian ba chiều và có tính đến chuyển động tự quay quanh trụccủa trái đất.

2.2 Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu

2.2.1 Khái niệm hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) là một thuật ngữ để chỉ tất cảcác hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng công nghệ vệ tinh trên phạm vi toàn cầu

bao gồm GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO (Liên minh châu ÂU) vàCOMPASS (Trung quốc) Các hệ thống này hiện đã và đang được vận hành, nângcấp và xây dựng phục vụ cho công tác định vị, dẫn đường cho các ứng dụng quân

sự và dân sự

Được sử dụng một cách rộng rãi nhất cho mục đích dân sự, hệ thống định vịtoàn cầu GPS được chính phủ Mỹ xây dựng từ năm 1973 Theo thiết kế ban đầu,GPS bao gồm 24 vệ tinh phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo và được liên tục theodõi và điều chỉnh các thông số bởi các trạm quan sát và điều khiển mặt đất Các vệtinh liên tục phát đi các tín hiệu mã hóa ở các tần số khác nhau, nhờ vậy ở mọi thờiđiểm, mọi nơi trên bề mặt trái đất, trong môi trường thông thoáng, các máy thuGPS có thể thu tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh để xác định các tham số về vị trí và vậntốc của máy thu Trong những năm gần đây (1989-2003), GPS được hiện đại hóavới việc tăng số lượng vệ tinh và tín hiệu mã hóa, độ chính xác định vị nhờ đó cũngtăng lên, cỡ từ 1 ÷

3m với định vị tuyệt đối và 2cm với định vị tương đối (Seeber G

(2003)

Bên cạnh GPS, hệ thống GLONASS của Nga cũng đã được phát triển từ năm

1982 và vận hành với 24 vệ tinh từ năm 1996 GLONASS được phát triển để phục

vụ chủ yếu cho mục đích quân sự Liên minh Châu Âu cũng đã có kế hoạch xậydựng một Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GALILEO với mục đích vừa bổ trợ,vừa thay thế cho hệ thống GPS GALILEO được phóng những vệ tinh thử nghiệmđầu tiên vào năm 2005 và dự kiến hoàn thiện hệ thống với 30 vệ tinh vào năm

2019 Bên cạch các hệ thống kể trên, những năm gần đây Trung Quốc cũng đang có

kế hoạch phát triển một hệ thống dẫn đường toàn cầu của riêng họ, gọi làCOMPASS Những vệ tinh thử nghiệm đầu tiên của COMPASS được phóng vàonăm 2012 và dự kiến hoàn thiện hệ thống với 35 vệ tinh sau năm 2020 (Groves

P D (2008); Jeffrey C (2010))

Hệ thống vệ tinh định vị dẫn đường toàn cầu bao gồm 3 phần là phần khônggian, phần điều khiển (gồm: trạm điều khiển trung tâm, các ăng ten mặt đất) vàphần sử dụng

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống vệ tinh

2.3 Các cấu trúc tích hợp hệ thống INS/GPS

Như đã trình bày ở phần giới thiệu, cả INS và GPS đều có những hạn chếnhất định, nghiên cứu các cấu trúc tích hợp hai hệ thống và sẽ khắc phục đượcnhững hạn chế của mỗi hệ thống ở chế độ độc lập

2.3.1 Cấu trúc tích hợp lỏng

Đối với việc tích hợp INS/GPS, phương pháp phổ biến nhất thường được ápdụng là phương pháp tích hợp lỏng Đây được coi là cách truyền thống và đơn giảnnhất để tích hợp dữ liệu GPS vào trong hệ thống tích hợp Hệ thống xử lý dữ liệuGPS tính toán tọa độ và vận tốc của máy thu, sau đó gửi kết quả đến bộ lọc Kalman

mở rộng (EKF) Bằng việc tính toán gia số giữa kết quả định vị cung cấp bởi INS vàGPS, các tham số định vị được ước lượng một cách tin cậy nhất Ưu điểm chínhcủa tích hợp lỏng là nó có cấu trúc đơn giản, không cần những hiểu biết sâu vềviệc xử lý số liệu GPS Nhược điểm của phương pháp tích hợp này là các trị đocập nhật từ GNSS chỉ được cung cấp khi có ít nhất 4 vệ tinh được quan sát(Chiang K.-W., Duong T T , and Liao J.-K (2013) và Groves P D (2008))

Hình 2.4 Tích hợp lỏng INS/GPS (nguồn: Chiang K.-W and etc (2013)).

2.3.2 Cấu trúc tích hợp chặt

Để khắc phục những nhược điểm của tích hợp lỏng, phương pháp tích hợpchặt đã được đề xuất Ưu điểm chính của phương pháp tích hợp này là trị đo thôGPS có thể được sử dụng để cập nhật cho hệ thống INS khi ít hơn 4 vệ tinh đượcquan sát Cấu trúc này đặc biệt hữu ích trong môi trường bị hạn chế tầm nhìn nhưtrong đô thị (Chiang K.-W., Duong T T , and Liao J.-K (2013); Huang Y W ,Chiang K W (2010)) Được biết đến với phương pháp tích hợp siêu chặt hay tíchhợp sâu (Deeply coupled), về mặt cấu trúc cũng tương tương tự như tích hợp chặtnhưng trong phương pháp này việc kiểm soát tín hiệu hay tính toán lời giải trongGPS được hỗ trợ bởi lời giải được ước lượng từ INS (Kennedy S , Rossi J (2008)).Tuy vậy cấu trúc tích hợp chặt và sâu không được phổ biến do việc xử lý số liệu trởnên phức tạp so với tích hợp lỏng

Hình 2.5 Tích hợp chặt INS/GPS (nguồn: Chiang K.-W and etc (2013)).

Mô hình hệ thống với cấu trúc tích hợp chặt sử dụng bộ lọc EKF được xâydựng dựa trên mô hình sai số INS, dạng liên tục theo thời gian, theo (Rogers, 2003)

có dạng

ୠ ୠୠ

ୠୠ ୠୠ

1 00

ୠ ୠ ୠ

ୠୠୠ = [−߱ୠୠ ×]; ୠୠୠ = ୠ0 1 0 ୠ ; ୠୠୠ = [−(߱ୠୠ + 2߱ୠୠ ) ×] (2.9)

0 01

ୠ ୠ

ୠୠୠ = [ୠ ୠ ×]; ୠୠୠ = [−(߱ୠୠ + ߱ୠୠ )] (2.10)

−ୠ/ ୠୠ 0 0

ୠୠୠ = ୠ 0 −ୠ/ ୠୠ 0

0 0 −2g/( ୠୠ+ ℎ)

ୠ (2.11)

Trong đó ୠ ୠ là lực quy đổi, g là gia tốc trọng trường, ߱ୠ là véc tơ vận tốc quay của vật thể trong n-frame so với trái đất, ߱ୠ là véc tơ vận tốc quay của trái đất so với

hệ tọa độ quán tính, r e là bán kính của trái đất, h là độ cao ellipsoid trái đất.

Công thức (2.8) có thể được viết lại như sau:

ݔ

=

ݔ + ୠ ݑ)

2.12(Trong đó