(Luận án tiến sĩ) thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INSGPS dùng cho các vật thể chuyển động

Nhìn chung, có ba ph ng pháp đ... Hi n nay, trên th.

L I CAM OAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a riêng tôi

Các s li u, k t qu nêu trong lu n án là trung th c và ch a t ng đ c ai công b trong b t k công trình nào khác

Tác gi lu n án

Ph m V n T ng

L I C M N

Sau th i gian h c t p và nghiên c u tôi đư hoàn thành b n lu n án này L i đ u

tiên, tôi xin g i l i c m n sâu s c t i hai th y giáo h ng d n là PGS.TS Ch c

Trình và PGS.TS Tr n c Tân, nh ng ng i đư t n tình giúp đ , khích l và đ ng

viên tôi trong su t quá trình tôi h c t p nghiên c u và th c hi n lu n án này

Tôi xin chân thành c m n các th y cô giáo trong b môn V t lý Vô tuy n,

khoa V t lý, Tr ng i h c Khoa h c T nhiên - i h c Qu c gia Hà N i; các

th y cô giáo trong b môn Vi c đi n t và Vi h th ng Khoa i n t vi n thông,

Tr ng i h c Công ngh - i h c Qu c gia Hà N i đư giúp đ tôi r t nhi u

trong su t quá trình tôi h c t p, nghiên c u

Tôi c ng xin trân tr ng c m n các lưnh đ o ch huy Khoa Khoa h c C b n,

H c vi n H u c n đư t o m i đi u ki n thu n l i trong su t quá trình tôi h c t p,

nghiên c u

Nhân d p này, tôi xin g i l i c m n t i t t c các thành viên trong gia đình và

nh ng ng i b n đư t n tình giúp đ , đ ng viên đ tôi có đ c đi u ki n t t nh t hoàn

thành b n lu n án này

M C L C

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T v

DANH M C CÁC B NG vii

DANH M C CÁC HÌNH V , TH viii

M U 1

Ch ng 1 T NG QUAN V H D N NG TÍCH H P INS/GPS 5

1.1 T ng quan các nghiên c u trong và ngoài n c 5

1 2 H th ng đ nh v toàn c u GPS 9

1.2.1 T ng quan v h th ng v tinh d n đ ng toàn c u GNSS 9

1.2.2 Nguyên lý làm vi c c a h th ng GPS 17

1.2.3 Các ngu n sai s c a phép đo tín hi u GPS 19

1.3 H th ng d n đ ng quán tính INS 22

1.3.1 Các h t a đ d n đ ng 24

1.3.2 Ph ng trình d n đ ng quán tính 25

1.3.3 Các sai s c a h d n đ ng quán tính INS 28

1.4 H th ng d n đ ng tích h p INS/GPS 30

1.4.1 B l c Kalman 30

1.4.2 Tích h p INS và GPS s d ng b l c Kalman 34

Ch ng 2 C TR NG HịA SAI S C A CÁC C M BI N S D NG TRONG H D N NG TÍCH H P 38

2.1 c tr ng hóa sai s t t đ nh c a c m bi n 38

2.2 c tr ng hóa sai s ng u nhiên c a c m bi n 39

2.2.1 Ph ng pháp m t đ ph công su t 40

2.2.2 Ph ng pháp ph ng sai Allan 41

2.3 Bù tr nh h ng nhi t đ lên c m bi n t tr ng đo góc 48

2.3.1 Nguyên t c đo góc h ng s d ng thông tin t tr ng trái đ t 49

2.3.2 C m bi n t tr ng 50

2.3.3 xu t c u trúc bù nhi t đ cho c m bi n t 52

2.4 Các k t qu th c nghi m 53

2.4.1 Xác đ nh tham s nhi u c a kh i đo l ng quán tính MICRO-ISU BP3010 53

2.4.2 Xác đ nh tham s nhi u c a kh i đo l ng quán tính MP67B 63

2.4.3 Bù tr nh h ng nhi t đ lên c m bi n t tr ng CMPS03 67

Ch ng 3 THI T K VÀ XÂY D NG H TH NG D N NG TÍCH H P INS/GPS 75

3.1 Thi t k h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS s d ng b l c Kalman 75

3.2 B l c Kalman m r ng cho h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS 82

3 3 Thi t k và mô hình hoá h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS 84

3.4 Các k t qu th c nghi m 87

3.4.1 Th nghi m 1 87

3.4.2 Th nghi m 2 92

K T LU N VÀ KI N NGH 96

DANH M C CÁC CÔNG TRÌNH KHOA H C C A TÁC GI LIÊN QUAN N LU N ÁN 97

DANH M C TÀI LI U THAM KH O 98

DANH M C CÁC KÝ HI U VÀ CH VI T T T

AI Artificial Intelligence Trí tu nhân t o

AMR Anisotropic Magneto-Resistive Hi u ng t tr d h ng

ANFIS Adaptive neural fuzzy information

system

H th ng thông tin m n -ron

thích nghi ANN Artificial neural networks M ng n -ron nhân t o

ECEF Earth-Center Earth-Fixed H t a đ tâm trái đ t

EKF Extended Kalman Filter B l c Kalman m r ng

ENU East ậ North - Up H t a đ C c đông - C c b c

- H ng lên

GEO Geostationary Orbit Qu đ o đ a t nh

GNSS Global Navigation Satellite System H th ng v tinh d n đ ng

toàn c u GPS Global Positioning System H th ng đ nh v toàn c u

IGSO Inclined Geosynchronous Orbit Qu đ o đ a t nh nghiêng

IMU Inertial Measurement Unit Kh i đo quán tính

INS Inertial Navigation System H th ng d n đ ng quán tính

MEMS Micro Electro Mechanical System H th ng vi c đi n t

MEO Medium Earth Orbit Qu đ o Trái đ t t m trung

NED North-East-Down H t a đ B c ậ ông ậ Xu ng

PID Proportional Integral Derivative B đi u khi n vi tích phân t l

PPS The precise positioning service D ch v đ nh v chính xác

PSD Power Spectral Density M t đ ph công su t

SINS Strapdown Inertial Navigation

System

H d n đ ng quán tính ki u

g n li n SPS The standard positioning service D ch v đ nh v chu n

UKF The Unscented Kalman Filter B l c Kalman không b n ch t

DANH M C CÁC B NG

B ng 1.1 T n s các b ng t n h th ng B c u 17

B ng 2.1 l ch chu n c a nhi u tr ng trên các c m bi n quán tính 60

B ng 2.2 Các tham s nhi u xác đ nh b ng ph ng pháp ph ng sai Allan 62

B ng 2.3 So sánh ph ng pháp PSD và ph ng pháp ph ng sai Allan 63

B ng 2.4 c tr ng sai s ng u nhiên trong kh i đo MP67B 66

B ng 3.1 Các thông s c a GPS HI-204E 85

B ng 3.2 Thông s k thu t c a h th ng tích h p 94

DANH M C CÁC HÌNH V , TH

Hình 1.1 H th ng v tinh GPS [71] 11

Hình 1.2 Các th h v tinh GPS [8] 12

ảình 1.3 Phân đo n đi u khi n GPS [70] 12

Hình 1.4 H th ng v tinh GLONASS [72] 14

Hình 1.5 V tinh Galileo [72] 15

Hình 1.6 D i t n s c a tín hi u v tinh Galileo [21] 15

Hình 1.7 H th ng v tinh B c u [67] 16

ảình 1.8 Xác đ nh v trí GPS s d ng 4 tín hi u v tinh 18

Hình 1.9 Các c u trúc kh i IMU [19] 22

Hình 1.10 Các h t a đ d n đ ng 25

Hình 1.11 H t a đ v t th 25

ảình 1.12 L c đ xác đ nh các thông s d n đ ng [56] 28

ảình 1.13 L u đ tính toán c a b l c Kalman 33

Hình 1.14 H tích h p INS/GPS ki u l ng [20] 35

Hình 1.15 H tích h p INS/GPS ki u ch t [20] 35

Hình 1.16 H tích h p INS/GPS ki u siêu ch t [20] 36

Hình 1.17 K thu t tích h p INS/GPS [20] 36

ảình 2.1 Các đ ng d c đ c tr ng trong PSD v i thang log-log 41

Hình 2.2 Minh h a c u trúc d li u dùng trong ph ng pháp Allan 42

ảình 2.3 Ph ng pháp ch n m u cluster 44

Hình 2.4 Minh h a ph ng sai Allan [26] 48

Hình 2.5 Minh h a t tr ng trái đ t 49

Hình 2.6 Các thành ph n t tr ng trái đ t 49

ảình 2.7 Ảóc trong c m bi n AMR 51

Hình 2.8 C u trúc “barber poles” 51

Hình 2.9 Minh h a đ u ra c m bi n khi áp d ng k thu t l t 52

Hình 2.10 C u hình vòng m bù nhi t đ cho c m bi n t tr ng 52

Hình 2.11 C u hình vòng đóng bù nhi t đ cho c m bi n t tr ng 53

Hình 2.12 Kh i MICRO-ISU BP3010 54

Hình 2.13 V trí c a IMU khi c n chu n 54

Hình 2.14 D li u đ u ra c a c m bi n gia t c tr c Z 56

Hình 2.15 PSD c a c m bi n v n t c góc tr c khi l y trung bình 57

Hình 2.16 PSD c a c m bi n gia t c tr c khi l y trung bình 58

Hình 2.17 PSD c a c m bi n v n t c góc sau khi l y trung bình 58

Hình 2.18 PSD c a c m bi n gia t c sau khi l y trung bình 59

Hình 2.19 PSD trung bình c a c m bi n v n t c góc tr c X 59

Hình 2.20 PSD trung bình c a c m bi n gia t c tr c Z 60

Hình 2.21 l ch chu n Allan c a các c m bi n v n t c góc 61

Hình 2.22 l ch chu n Allan c a các c m bi n gia t c 61

Hình 2.23 Kh i đo quán tính MP67B 63

Hình 2.24 Kh i đo MP67B trong quá trình thu th p d li u cho c n chu n 64

Hình 2.25 D li u thu th p t 6 c m bi n c a kh i đo MP67B 64

Hình 2.26 Ph ng sai Allan c a các c m bi n gia t c trong kh i đo MP67B 65

Hình 2.27 Ph ng sai Allan c a các c m bi n v n t c góc trong kh i đo MP67B 65

ảình 2.28 th log-log c a c m bi n gia t c tr c X 67

ảình 2.29 th log-log c a c m bi n v n t c góc tr c Y 67

Hình 2.30 C m bi n t tr ng CMPS03 67

Hình 2.31 H c m bi n có bù tr nhi t đ 68

Hình 2.32 Thông s góc h ng thu đ c nhi t đ 25oC 68

Hình 2.33 nh h ng c a nhi t đ lên góc h ng c m bi n t tr ng 69

Hình 2.34 S đ th c thi c u trúc vòng m 70

Hình 2.35 Ảóc h ng tr c và sau khi bù nhi t s d ng c u hình vòng m 70

Hình 2.36 K t qu tr c và sau khi bù nhi t s d ng c u hình vòng kín 71

Hình 2.37 a) Nhi t đ và bù tr nhi t đ ; b) góc h ng c m bi n đo đ c 71

Hình 2.38 Kh o sát bù nhi t đ theo Kp 72

Hình 2.39 Kh o sát bù nhi t đ theo Ki 73

ảình 2.40 So sánh đi u khi n vòng kín và vòng m khi c m bi n đ t trên bàn xoay 73

Hình 3.1 L u đ ho t đ ng c a h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS 76

Hình 3.2 B l c Kalman đ xu t 77

Hình 3.3 Chuy n đ i h th ng tùy thu c tr ng thái tín hi u GPS 82

ảình 3.4 Ch ng trình mô ph ng trên SIMULINK/MATLAB 84

Hình 3.5 H IσS/ẢPS đ c k t n i 86

Hình 3.6 M t đ ng th c đ a c a h INS/GPS 87

Hình 3.7 Qu đ o ẢPS và IσS/ẢPS thu đ c 88

ảình 3.8 Phóng đ i c a qu đ o t i đo n đ ng th ng 88

ảình 3.9 Phóng đ i qu đ o t i đo n đ ng cong 89

Hình 3.10 V n t c VN t b l c Kalman c a h INS/GPS và c a GPS 89

Hình 3.11 V n t c VE t b l c Kalman c a h INS/GPS và c a GPS 90

ảình 3.12 Phóng đ i v n t c VE c a b l c Kalman và c a GPS 90

Hình 3.13 So sánh góc h ng c a h th ng INS/GPS và c a GPS 91

Hình 3.14 Góc nghiêng c a h th ng (Roll) 92

Hình 3.15 Góc chúc c a h th ng (Pitch) 92

Hình 3.16 ng th c đ a cho th nghi m 2 93

Hình 3.17 H b m t tín hi u ẢPS khi xe đang chuy n đ ng th ng 93

Hình 3.18 H b m t tín hi u ẢPS khi xe đang quay đ u 94

M U

Lý do ch n đ tài

Ngày nay v i s phát tri n không ng ng c a khoa h c công ngh , các ho t đ ng

c a con ng i v đ nh v , d n đ ng và đi u khi n cho các v t th chuy n đ ng nh

máy bay, tên l a, ôtô, tàu thuy n, rô b t v.vầ đư tr thành m t nhu c u h t s c c p

thi t trong nhi u l nh v c đ i s ng và an ninh qu c phòng S ra đ i c a các h th ng

v tinh d n đ ng toàn c u GNSS (Global Navigation Satellite System) nh : h th ng

GPS, GLONASS, Galileo, B c u v.v nh m đáp ng nh ng nhu c u trên

M t trong nh ng h th ng v tinh d n đ ng toàn c u đang đ c ng d ng

nhi u nh t hi n nay là h th ng đ nh v toàn c u GPS (Global Positioning System)

thu, sai s do tr t ng đi n ly và t ng đ i l u, sai s đa đ ng truy n, nhi u máy

thu v.v Ngoài ra tín hi u t v tinh có th b gián đo n do nh h ng c a th i ti t,

đ a hình Do đó trong nhi u ng d ng h th ng GPS c n k t h p v i m t h đ nh

v , d n đ ng khác đ h n ch và kh c ph c đ c nh ng nh c đi m trên

Bên c nh h th ng GPS, h th ng d n đ ng quán tính INS (Inertial Navigation System) c ng đ c s d ng nhi u vào m c đích đ nh v và d n đ ng H th ng INS

tính toán t a đ , v n t c và t th v t th chuy n đ ng d a trên các thông tin đo l ng

t các c m bi n g n trên v t th nh c m bi n đo gia t c, c m bi n đo v n t c góc, la

bàn t v.vầ ây là m t h th ng có kh n ng ho t đ ng đ c l p, có đ chính xác cao

trong nh ng kho ng th i gian ng n và có t c đ c p nh t cao (thông th ng t 50 Hz

ậ 100 Hz) Tuy nhiên h th ng này l i g p ph i nh ng l i nghiêm tr ng do hi n t ng

trôi c a các c m bi n gia t c và c m bi n v n t c góc Nh ng l i này có th xu t hi n

m t cách ng u nhiên, đ c tích l y và t ng d n theo th i gian Chính vì v y khi ho t

đ ng trong kho ng th i gian dài h th ng INS c n ph i đ c k t h p v i các h th ng

d n đ ng khác đ nâng cao ch t l ng c a h th ng d n đ ng

H th ng INS và h th ng GPS là hai h th ng d n đ ng có nh ng u đi m và

nh c đi m trái ng c nhau Do đó s k t h p gi a các h th ng này đ t o ra h th ng

d n đ ng tích h p INS/GPS đ c xem là m t trong nh ng gi i pháp t i u nh m l i

d ng đ c nh ng u đi m và kh c ph c đ c nh ng nh c đi m c a t ng h th ng

d n đ ng riêng l T đó t o nên m t h th ng d n đ ng có đ chính xác cao có th

ng d ng trong nhi u l nh v c quân s , khoa h c k thu t và đ i s ng

Trong vài th p k g n đây, h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS đư thu hút

đ c s quan tâm c a nhi u nhà nghiên c u Tuy nhiên, do tr c đây h th ng INS

có c u trúc ph c t p, giá thành r t cao nên vi c nghiên c u h th ng d n đ ng tích

h p INS/GPS ch y u ch đ c s d ng v i m c đích quân s Vì th , nh ng k t qu

công b trong l nh v c này r t khó có th tri n khai trên th c t

Ngày nay, v i s phát tri n m nh m c a công ngh h th ng vi c đi n t

MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), h th ng INS ngày nay có giá thành r ,

nh g n, th i gian đáp ng nhanh, kh n ng ho t đ ng t tr cao, d dàng tích h p

v i các thành ph n đi n t khác H th ng d n đ ng tích h p INS/GPS đư đ c

nghiên c u và ng d ng vào trong nhi u l nh v c c a cu c s ng ư có nhi u công trình trong và ngoài n c nghiên c u v h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS d a

trên c m bi n MEMS và đư có nh ng thành công nh t đ nh Tuy nhiên h th ng INS

d a trên c m bi n MEMS v n còn nhi u h n ch nh đ trôi l n, ph thu c vào đi u

ki n môi tr ng v.v , d n đ n h th ng tích h p INS/GPS v n t n t i nhi u sai s

trong quá trình ho t đ ng c n ph i đ c ti p t c nghiên c u V i m c đích nâng cao

ch t l ng và đ chính xác c a h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS , tác gi đư l a

ch n ắThi t k và xây d ng h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS dùng cho các v t

th chuy n đ ng” làm đ tài nghiên c u c a mình

M c tiêu chung

Nâng cao ch t l ng và đ chính xác c a h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS

đ c thi t k d a trên các c m bi n MEMS

M c tiêu c th :

1) Phân tích và kh o sát sai s c a các c m bi n MEMS s d ng trong h th ng

d n đ ng INS

2) Thi t k và xây d ng h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS s d ng các c u

trúc l c Kalman ho t đ ng trong tr ng h p có tín hi u GPS và trong tr ng h p tín

hi u GPS không n đ nh ho c b gián đo n

i t ng và ph m vi nghiên c u

i t ng nghiên c u c a lu n án:

H th ng đ nh v toàn c u GPS, h th ng d n đ ng quán tính INS đ c xây

d ng d a trên c m bi n MEMS và h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS

th c hi n đ c các m c tiêu đ ra, lu n án đư k t h p gi a các ph ng

pháp nghiên c u lý thuy t, mô ph ng và ti n hành th c nghi m đ xây d ng các

thu t toán và đánh giá ch t l ng c a h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS đ c

thi t k

ụ ngh a khoa h c và th c ti n c a lu n án

tài có Ủ ngh a khoa h c vì đư ti p c n t i nh ng v n đ m i nh n c a h ng

nghiên c u đ nh v và d n đ ng s d ng h th ng INS và GPS K t qu nghiên c u

c a lu n án là c s khoa h c đ xây d ng có hi u qu h th ng d n đ ng tích h p

INS/GPS ng d ng trên th c t

tài có Ủ ngh a th c ti n cao b i vì nhu c u đ nh v d n đ ng cho các v t th

chuy n đ ng trên th c t là r t l n, đ c ng d ng trong nhi u l nh v c c trong và ngoài n c

B c c c a lu n án

Nh ng v n đ mà lu n án gi i quy t đ c trình bày trong ba ch ng, c th

nh sau:

Ch ng 1 trình bày các công trình nghiên c u liên quan trong và ngoài n c;

Nguyên t c ho t đ ng c a h th ng d n đ ng INS, h th ng đ nh v toàn c u GPS,

và h d n đ ng tích h p INS/GPS

Ch ng 2 ti n hành phân tích và đ c tr ng hóa sai s c a các c m bi n MEMS

s d ng trong h th ng d n đ ng INS (c m bi n gia t c, c m bi n v n t c góc, c m

bi n t tr ng)

Ch ng 3 th c hi n thi t k và xây d ng h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS

s d ng các c u trúc l c Kalman linh ho t, phù h p trong các đi u ki n tín hi u GPS gián đo n

Ph n k t lu n và ki n ngh t ng k t l i các v n đ lu n án đư th c hi n đ c và

đ a ra nh ng ki n ngh và h ng nghiên c u ti p theo c a lu n án

Ch ng 1 T NG QUAN V H D N NG TÍCH H P INS/GPS

1.1 T NG QUAN CÁC NGHIÊN C U TRONG VĨ NGOĨI N C

Ngày nay, nhu c u v đ nh v , d n đ ng và đi u khi n cho các v t th chuy n

đ ng nh rô b t, máy bay, tên l a, ô tô, tàu thuy nầ đư tr thành m t nhu c u h t

s c c p thi t trong nhi u l nh v c đ i s ng và an ninh qu c phòng M t trong nh ng

h th ng d n đ ng hi n nay đang đ c s d ng nhi u là h th ng đ nh v v tinh

toàn c u (GPS) Tuy nhiên, bên c nh nh ng u đi m nh đ chính xác t ng đ i cao

và n đ nh theo th i gian, h th ng GPS có nh ng nh c đi m nh tín hi u GPS ch u

nh h ng c a ph ng th c và môi tr ng truy n d n, th m chí tín hi u GPS có th

b gián đo n trong m t kho ng th i gian xác đ nh do nh h ng c a đ a hình v.v

Bên c nh h th ng GPS, h th ng d n đ ng quán tính INS c ng đang đ c s

d ng nhi u vào m c đích d n đ ng H th ng INS xác đ nh t a đ và các thông tin

c a v t th chuy n đ ng d a trên các thông s đo đ c tính toán t các c m bi n g n

trên v t th nh c m bi n gia t c, c m bi n v n t c góc, la bàn t ầ V i s phát tri n

c a công ngh vi c đi n t và vi h th ng (MEMS), h th ng INS ngày nay có giá

thành r , nh g n, th i gian đáp ng nhanh, kh n ng ho t đ ng đ c l p cao, d dàng

tích h p v i các thành ph n đi n t khác Tuy nhiên h th ng INS d a trên c m bi n

MEMS v n còn nh ng h n ch nh đ trôi l n, ph thu c vào đi u ki n môi tr ng

Các v n đ trên d n t i m t gi i pháp toàn di n là xây d ng h th ng d n đ ng

tích h p trong đó k t h p các u đi m c a hai h th ng INS và GPS, t đó t o nên

m t h th ng d n đ ng mang tính hoàn thi n cao đáp ng đ c các yêu c u th c t

Trên th gi i, vi c nghiên c u v h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS đư thu hút đ c s quan tâm r ng rãi c a các nhà khoa h c nh v d n đ ng là m t l nh

v c r t ph bi n c a đ ng l c h c phi tuy n, v n đ c t lõi c a vi c phát tri n h

th ng đ nh v d n đ ng là c l ng tr ng thái c a h th ng đ ng l c h c Tuy

nhiên, trong vi c c l ng h th ng đ ng l c h c phi tuy n thì không có m t l i

gi i đ n gi n nào cho t t c các bài toán đ t ra Nhìn chung, có ba ph ng pháp đ

c l ng cho h th ng đ nh v :

- B l c Kalman đ c tuy n tính hóa ho c b l c Kalman m r ng EKF

(Extended Kalman Filter)

- Các b l c d a trên vi c l y m u: b l c Kalman UKF (The Unscented Kalman Filter) và các b l c đi m

- Các ph ng pháp d a trên trí tu nhân t o AI (Artificial Intelligence) nh :

m ng n -ron nhân t o ANN (Artificial neural networks), h th ng thông tin m

n -ron thích nghi ANFIS (Adaptive neural fuzzy information system)

Trong nghiên c u [63], Weiss J.D đư s d ng máy thu GPS tr giúp cho h

th ng INS, h tích h p này s d ng m t b l c Kalman n i b đ mô hình h th ng

INS và x lý các thông tin tr v t GPS đ thu đ c các thông tin v v n t c và v

trí Mô hình b l c Kalman này ch mô hình hóa nh ng sai s c b n c a INS và

không mô hình hóa sai s c a c m bi n gia t c và c m bi n v n t c góc K t qu cho

th y r ng khi tín hi u GPS không t t thì h th ng tích h p l ng vòng kín c ng ho t

đ ng kém hi u qu , trong khi đó h th ng tích h p ki u ch t l i cho k t qu khá t t

Tuy nhiên nh vi c tích h p thêm b l c Kalman vào đ u thu GPS k t h p v i mô

hình hóa sai s c a các c m bi n gia t c và c m bi n v n t c góc thì sai s c a h

th ng tích h p ki u l ng c ng gi m xu ng đáng k

Ismaeel S.A đư phát tri n m t b mô ph ng tên l a bay v i b d n đ ng g n

li n [28] Hai b l c Kalman đư đ c s d ng, b th nh t thi t k cho máy thu GPS

trong h đ ng l c h c cao đ c l ng các tr ng thái c a GPS và so sánh ho t đ ng

c a b l c v i thu t toán bình ph ng t i thi u B l c Kalman th hai đ c s d ng

đ k t h p thông tin t các c m bi n gia t c và v n t c góc v i t n s c p nh t cao và

thông tin t GPS v i t n s c p nh t th p

Jan W và Gert F đư trình bày m t cách ti p c n đ nâng cao đ c tr ng c a h

th ng tích h p INS/GPS theo ki u ch t [29] H th ng này có m t ph n c ng x lý

đ l ch th i gian gi a các pha c a sóng mang thay cho nh ng đo l ng bi n thiên

kho ng cách, k t qu đ chính xác c a v n t c và v trí trong h tích h p t ng lên

i u này đóng vai trò quan tr ng trong kho ng th i gian khi tín hi u GPS b m t do

nhi u Ph ng pháp này đư đ c áp d ng vào h th ng tên l a, n i mà các c m bi n

ch u tác đ ng l n b i dao đ ng c a h th ng

Trong công trình nghiên c u [33] Johnson và các đ ng nghi p đư đ xu t hai

ph ng pháp đ nâng cao b l c Kalman m r ng cho h d n đ ng ph ng ti n bay không ng i lái UAV (Unmanned Aerial Vehicles) Ph ng pháp th nh t s d ng

qui lu t m đ ch n các tham s cho b l c thích nghi Ph ng pháp th hai s d ng

c u trúc l p đ quy song song đ t ng t c đ tính toán cho b l c Kalman C hai

ph ng pháp này đ c mô t m t cách v n t t và đ a ra k t qu mô ph ng

M t h th ng d n đ ng thông minh ng d ng cho ph ng ti n t hành d i

n c AUV (Autonomous underwater vehicle) đư đ c đ xu t b i Loebis và các c ng

s [39] M t b l c Kalman đ n gi n (SKF) và EKF đ c đ xu t đ x lý d li u t

INS và tích h p v i d li u GPS Trong bài báo này k thu t logic m thích nghi

đ c ng d ng cho c EKF và SKF K t qu cho th y đư c i thi n đ c các c l ng

c a t ng b l c riêng l và nâng cao đ chính xác t ng th c a h th ng tích h p

INS/GPS

M t h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS d a trên lý thuy t t ng h p d li u

đa c m bi n đ c kh o sát b i Wang và các c ng s [7] Nh ng mô hình sai s c a

kh i đo l ng quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) đ c áp d ng cho b l c

EKF trong h th ng INS M t b l c Kalman c i ti n đ c phát tri n đ lo i b sai

s c a GPS và gi m t i th i gian tính toán M t b l c Kalman thích nghi đ c s

d ng đ t ng h p d li u t INS và GPS, đ a ra thông tin v v trí m t cách liên t c

trong c tr ng h p m t GPS K t qu cho th y r ng h th ng thích nghi INS/GPS

ho t đ ng t t h n t ng h th ng INS và GPS ho t đ ng riêng l

Gizawy và các c ng s đư gi i thi u m t k thu t m i tích h p INS/GPS s

d ng h th ng trí tu nhân t o [15] K t qu ch ra r ng mô hình đ xu t c i thi n đáng k đ chính xác c a v trí c tính trong th i gian GPS

Rashad và Aboelmagd đư s d ng m ng n -ron nhân t o (ANN) cho d li u

t ng h p t INS và GPS [55] M c dù có th c i thi n đ c đ chính xác c a h ,

nh ng do tính ph c t p k t h p v i ki n trúc m ng nhi u l p và các thu t toán đào

t o tr c ti p đư h n ch kh n ng th c hi n th i gian th c c a k thu t này

Nghiên c u v h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS c ng đư thu hút đ c s

quan tâm c a các nhà khoa h c trong n c trong nh ng n m v a qua

Trong nghiên c u [1] tác gi đư đ a ra ph ng pháp tr n d li u đa c m bi n

tích h p MEMS-INS/GPS k t h p b l c Kalman đ nh n d ng chuy n đ ng c a

ph ng ti n c gi i quân s Tác gi c ng đư xây d ng thu t toán k t h p b l c

Kalman v i h suy di n m tr n d li u đ u ra gia t c k và con quay đ đánh giá

tham s đ cân b ng m t ph ng b thân xe c a ph ng ti n c gi i quân s Qua đó

đư h n ch đ c sai s trong đánh giá tham s v trí và tham s đ nghiêng m t ph ng

b c a ph ng ti n trong quá trình chuy n đ ng Trong nghiên c u này tác gi m i

ch áp d ng b l c Kalman đ n gi n t ng đ chính xác c a các đánh giá thì c n

ph i c i ti n b l c Kalman đ có th gi i quy t đ c các sai s mang tính phi tuy n

cao b ng cách s d ng b l c Kalman m r ng (EKF) ho c b l c Kalman không

b n ch t (UKF)

Thông qua quá trình kh o sát h th ng d n đ ng quán tính INS đ c trang b

trên các tên l a hành trình, trong nghiên c u [3] tác gi đ a ra gi i pháp nâng cao ch t

l ng h d n đ ng thi t b bay trên c s x lý thông tin t h th ng tích h p

INS/GPS/Baro H th ng đ c thi t k theo c u trúc ghép l ng d a trên h th ng INS

có c p đ chính xác trung bình Tác gi c ng đư xây d ng, thi t k , l a ch n m ng n ron đ duy trì sai s kênh quan sát làm đ u vào trong b l c Kalman trong tr ng h p

m t tín hi u GPS Tuy nhiên các k t qu thu đ c m i ch d ng l i m c đ mô ph ng

Trong nghiên c u [2] tác gi đư đ xu t m t gi i pháp thi t k h th ng tích h p GPS/INS trên c s c u trúc phân tán s d ng INS 9 ậ DOF nh m nâng cao ch t

l ng cho các thi t b đ nh v d n đ ng s d ng GPS ph c v bài toán giám sát

ph ng ti n giao thông đ ng b gi i quy t v n đ sai s tích l y c a INS 9 ậ

DOF và tính phi tuy n c a h th ng, tác gi c ng đư phát tri n ph ng pháp t đ ng

đi u ch nh ma tr n quay cho thi t b trên xe và th c hi n b l c UKF linh ho t t

đ ng chuy n đ i ch đ ho t đ ng theo tín hi u đ u vào ph n giám sát thi t b t i

tr m Tuy nhiên trong quá trình kh o sát h th ng thi t k , tác gi v n ch a đ c p

t i tr ng h p khi tín hi u GPS b m t

Trong nghiên c u [20] các tác gi đư ti n hành k t h p h d n đ ng tích h p

INS/GPS v i m ng GSM/GPRS đ theo dõi và qu n lý các thông tin d n đ ng c a các ph ng ti n chuy n đ ng trên m t đ t H th ng tích h p INS/GPS c l ng v

trí, v n t c và t th c a các ph ng ti n Nh ng thông tin này đ c chuy n đ n máy

ch nh m ng GSM/GPRS thông qua giao th c TCP/IP T i tr m quan sát có th theo

dõi đ c v trí c a ph ng ti n trên b n đ s c l ng tr ng thái c a ph ng

ti n, trong h th ng thi t k tác gi m i ch s d ng b l c Kalman tuy n tính v i s

l ng tr ng thái c l ng ch a nhi u áp d ng vào các ng d ng th c t c n

ph i t ng đ chính xác c a h th ng b ng cách s d ng b l c Kalman phi tuy n và

t ng s l ng tr ng thái c l ng c a b l c

Có th th y l nh v c nghiên c u v h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS cho đ n nay đư có khá nhi u h ng nghiên c u và đ c nhi u nhà khoa h c quan

tâm Tuy nhiên v n còn nhi u v n đ v lý thuy t và th c ti n c n ph i đ c gi i

quy t đ nâng cao ch t l ng h th ng d n đ ng tích h p INS/GPS và ng d ng

h th ng vào các bài toán đ nh v d n đ ng trong th c t Trong lu n án này, tác

gi t p trung nghiên c u các gi i pháp nâng cao ch t l ng c a h th ng d n đ ng

tích h p INS/GPS cho các ph ng ti n chuy n đ ng trên m t đ t d a trên các c m

bi n MEMS

1 2 H TH NG NH V TOÀN C U GPS

1.2.1 T ng quan v h th ng v tinh d n đ ng toàn c u GNSS

H th ng v tinh d n đ ng toàn c u GNSS (Global Navigation Satellite

System) là t p h p các v tinh đ c thi t k đ cung c p thông tin v v trí và th i gian cho ng i s d ng trên trái đ t ho c trong không gian [16] Hi n nay, trên th

gi i có b n h th ng v tinh d n đ ng toàn c u đang ho t đ ng và phát tri n, đó là:

h th ng đ nh v toàn c u GPS c a M , h th ng GLONASS c a Nga, h th ng

Galileo c a y ban châu Âu và h th ng B c u c a Trung Qu c S phát tri n c a

h th ng GNSS đ c trình bày trong nghiên c u [62] D i đây tác gi s trình bày

t ng quan v h th ng v tinh d n đ ng toàn c u Chi ti t đ c trình bày trong các

nghiên c u [16, 23, 24, 35, 41, 44, 65]

1.2.1.1 H th ng GPS

H th ng GPS là h th ng v tinh d n đ ng toàn c u GNSS đang đ c phát

tri n và s d ng r ng rãi nh t H th ng đ c thi t k , xây d ng, v n hành và b o trì

b i B Qu c phòng Hoa K Thi t k c a h th ng đư đ c thông qua vào n m 1973

và v tinh đ u tiên trong h th ng GPS đ c phóng lên thành công vào n m 1978

[23, 41] n n m 1995, B Qu c phòng Hoa K tuyên b h th ng GPS đư hoàn

ch nh và chính th c đi vào ho t đ ng

H th ng GPS ban đ u đ c thi t k cho m c đích quân s , nh ng sau đó đư

cung c p d ch v cho các m c đích dân s Tuy nhiên, d ch v c a nó đ c chia thành

hai nhóm: d ch v đ nh v chu n SPS (The standard positioning service) s d ng cho

m c đích dân s , và d ch v đ nh v chính xác PPS (The precise positioning service)

s d ng cho quân đ i SPS đ c s d ng cho t t c ng i dùng, PPS gi i h n cho

ng i dùng đ c c p phép b i chính ph Hoa K , bao g m l c l ng quân đ i Hoa

K , l c l ng quân đ i NATO Tín hi u PPS đ c mã hóa đ ng n c n ng i không

đ c c p phép truy c p [23]

H th ng GPS bao g m ba phân đo n chính: phân đo n không gian, phân đo n

đi u khi n và phân đo n ng i s d ng

Phân đo n không gian bao g m m t h th ng các v tinh truy n tín hi u vô

tuy n cho ng i dùng H th ng GPS ho t đ ng v i ít nh t 24 v tinh và t i đa là 36

v tinh [45] Tính đ n 15 tháng 6 n m 2016, có 31 v tinh trong h th ng GPS Trong

đó có 24 v tinh GPS đang ho t đ ng phát sóng bao trùm kh p n i trên trái đ t Các

v tinh GPS bay trong qu đ o trái đ t trung bình (MEO) đ cao kho ng 20.200 km

và đ c phân b trên 6 qu đ o Qu đ o c a các v tinh nghiêng x p x 550 so v i

m t ph ng Xích đ o Chu k c a các v tinh là 11 gi 58 phút [35] C u trúc qu đa

h v tinh này cho phép ng i s d ng h th ng GPS trên m t đ t có th thu tín hi u

tr c ti p t ít nh t 4 v tinh và trung bình t 6 đ n 8 v tinh n u không b c n tr b i

các c u trúc h t ng trên m t đ t (xem Hình 1.1)

Hình 1.1 H th ng v tinh GPS [72]

H th ng các v tinh GPS là s k t h p c a các v tinh c và m i Hình 1.2 ch

ra các th h hi n t i và t ng lai c a các v tinh GPS Hi n t i có 12 v tinh Block

IIR, 7 v tinh Block IIR-M và 12 Block IIF đang ho t đ ng [71] V tinh GPS III d

ki n đ c phóng lên vào tháng 5 n m 2017 Chi ti t v các th h v tinh GPS đ c

trình bày trong các nghiên c u [24, 48]

BLOCK IIF GPS III

Hình 1.2 Các th h v tinh GPS [8]

Phân đo n đi u khi n GPS bao g m m t m ng l i toàn c u các thi t b trên

m t đ t có nhi m v theo dõi, th c hi n phân tích, g i các l nh và d li u t i các v

tinh Phân đo n đi u khi n ho t đ ng hi n t i bao g m m t tr m đi u khi n ch ,

m t tr m đi u khi n ch thay th , 11 tr m và ng ten đi u khi n, và 15 đi m giám sát a đi m c a các tr m này đ c th hi n trong b n đ Hình 1.3 [72] Các thông

tin v phân đo n đi u khi n GPS đ c trình bày chi ti t trong [24] m c 9.4.2 và

[48] m c 3.2

Hình 1.3 Phân đo n đi u khi n GPS [71]

Phân đo n ng i s d ng bao g m các máy thu GPS, chúng x lý tín hi u truy n

t v tinh đ cung c p chính xác nh ng thông tin v v trí, v n t c và th i gian cho

ng i s d ng [24] Nh ng máy thu này có th là c m tay ho c đ c cài đ t trên các

ph ng ti n nh : máy bay, tàu th y, xe t ng, ô tô v.v

Tín hi u c a h th ng GPS bao g m ba thành ph n chính: sóng mang, mã và d

li u đ nh v H th ng GPS s d ng k thu t đa truy c p phân chia theo mã CDMA

đ truy n mã đ nh v và d li u đ nh v trên hai t n s L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,60 MHz M i v tinh phát ra hai mã: mã C/A và mã P [35]

Mã C/A có t n s 1,023 MHz, nó ch đi u bi n sóng mang L1, mư C/A đ c s

d ng cho m c đích dân s , m i v tinh đ c gán m t mã C/A riêng bi t

Mã P là mã chính xác, có t n s 10,23 MHz, đ dài toàn ph n 267 ngày Tuy

nhiên ng i ta đư chia mư này thành các đo n có đ dài 7 ngày và g n cho m i v

tinh trong h th ng GPS, c sau m i tu n l i thay đ i nên r t khó b gi i mã n u không đ c phép Mư P đi u bi n c 2 sóng mang L1 và L2 Mã P ch đ c s d ng

cho m c đích quân s

hoàn thi n đ chính xác c a h th ng GPS, n m 1999 chính ph Hoa K đư

tuyên b s b sung thêm 2 tín hi u s d ng v i m c đích dân s cho nh ng v tinh

h th ng GLONASS đ c tri n khai đ y đ v i 24 v tinh ho t đ ng

T n m 1996, do Nga g p khó kh n v tài chính, k t h p v i tu i th c a các

v tinh ng n (kho ng ba n m), s l ng v tinh ho t đ ng cùa h th ng GLONASS

gi m d n do không có v tinh thay th n n m 2001 h th ng ch còn 6 v tinh

trên qu đ o H th ng GLONASS đư đ c khôi ph c hoàn toàn và hi n đ i hóa vào n m 2012

H th ng GLONASS g m 3 ph n: ph n v tr là chùm v tinh; ph n đi u khi n

g m các tr m đi u khi n t i m t đ t; ph n ng i s d ng g m các máy thu, anten và

ph n m m x lý Chùm v tinh GLONASS theo thi t k g m 24 v tinh đ c phóng

lên ba m t ph ng qu đ o cách nhau 120°, nghiêng 64,8° so v i m t ph ng xích đ o

(xem Hình 1.4) Trên m i m t ph ng, 8 v tinh đ c phân b cách đ u nhau và bay

đ cao 19.100 km so v i m t đ t Chu k quay c a các v tinh GLONASS là 11 gi

H th ng Galileo là m t h th ng v tinh d n đ ng toàn c u đ c xây d ng

b i Liên minh châu Âu H th ng Galileo đ c thi t k đ c bi t cho m c đích dân s

và th ng m i M t v tinh Galileo đ c minh h a trong Hình 1.5

Hình 1.5 V tinh Galileo [73]

H th ng Galileo g m 30 v tinh (27 v tinh ho t đ ng chính và 3 v tinh d

phòng) bay trong 3 m t ph ng qu đ o nghiêng 560 v i đ ng xích đ o so v i m t

ph ng xích đ o Các v tinh bay đ cao kho ng 23.000 km so v i m t đ t V tinh Galileo đ u tiên mang tên GIOVE ậ A đ c phóng lên qu đ o vào n m 2005 [24]

Theo k ho ch, h th ng Galileo s đ c hoàn thi n vào n m 2020

Các tín hi u v tinh Galileo đ c truy n trong b n b ng t n s ch ra trong Hình

1.6 B n d i t n s đ c g i là E5a, E5b, E6, và E1 Chúng cung c p m t b ng thông

r ng cho vi c truy n các tín hi u Galileo Các b ng t n s này là ch ng chéo ho c

ti p giáp v i d i t n s đ c s d ng cho các h th ng GNSS khác i u này s có

l i cho vi c s d ng k t h p v i các h GNSS khác đ t ng hi u su t và s c m nh

các d ch v đ nh v [22]

Hình 1.6 D i t n s c a tín hi u v tinh Galileo [22]

H th ng Galileo s truy n t ng c ng 10 lo i tín hi u đ nh v , trong s đó có 6 tín

hi u dành cho các d ch v m và b o hi m nhân m ng, 2 tín hi u dành cho các d ch v

th ng m i và hai tín hi u còn l i dành cho các d ch v an ninh công c ng và tìm ki m

c u h Chi ti t v các đ c tr ng c a tín hi u v tinh Galileo đ c trình bày trong [35]

t nh trong qu đ o nghiêng IGSO (Inclined Geosynchronous Orbit), và 4 v tinh trong

qu đ o Trái đ t t m trung MEO (Medium Earth Orbit) cung c p d ch v đ nh v chính

xác, d n đ ng, và th i gian trong khu v c châu Á-Thái Bình D ng [66] D ki n

đ n n m 2020, h th ng B c u s hoàn thành v i 35 v tinh bao g m 5 v tinh GEO,

3 v tinh IGSO và 27 v tinh MEO Khi đó h th ng s cung c p d ch v trên toàn th

gi i Hình 1.7 mô t qu đ o c a các v tinh trong chùm sao v tinh B c u

Hình 1.7 H th ng v tinh B c u [68]

T t c các v tinh B c u truy n tín hi u d n đ ng ba t n s đ c li t kê

đ các tín hi u này đ c truy n t i cùng th i đi m Các máy thu GPS thu nh n các tín

hi u v tinh đ xác đ nh th i gian truy n tín hi u t đó tính đ c kho ng cách t máy thu đ n các v tinh T các thông tin v d li u d n đ ng, v trí c a các v tinh c ng

đ c tính toán T các thông tin t ít nh t 3 v tinh máy thu có th s d ng phép đo tam giác đ tính toán v trí v kinh đ , v đ và đ cao [42]

đo kho ng cách chính xác m c đ mét yêu c u các đ ng h ph i đ c đ ng

b hóa m c đ vài nano giây Máy thu GPS trang b nh ng đ ng h nh v y s r t t n kém Thông th ng các máy thu GPS đ c trang b các đ ng h dao đ ng th ch anh r

ti n do đó t n t i sai s do đ trôi c a đ ng h c a v tinh và c a máy thu Vì v y kho ng

cách t v tinh đ n máy thu xác đ nh t phép đo s khác v i kho ng cách hình h c th t

và đ c g i là gi kho ng cách [13] Tín hi u t m t v tinh th t đ c dùng đ lo i b

đ trôi c a đ ng h máy thu Nh v y, đ tính toán v trí trí, máy thu GPS ph i nh n

đ c tín hi u t ít nh t 4 v tinh (Hình 1.8)

đây:  là gi kho ng cách đo đ c, d là kho ng cách hình h c, c là t c đ ánh

sáng,   t, T t ng ng là sai s c a đ ng h v tinh và sai s c a đ ng h máy thu,

ion

d là kho ng cách do trì hoãn t ng đi n ly, dtrop là kho ng cách do trì hoãn t ng

đ i l u, và   là t ng h p các nhi( ) u đo l ng và nhi u đa đ ng truy n

M t s trong nh ng sai s này có th đ c kh c ph c: ví d , s ch m tr đ i l u

có th đ c mô hình và các sai s t ng đi n ly có th đ c s a ch a trong m t máy thu

hai t n s Các sai s s gây ra s thi u chính xác c a v trí ng i dùng Tuy nhiên, sai

s c a đ ng h máy thu không th kh c ph c thông qua các thông tin thu nh n đ c Vì

Ngoài phép đo c li gi , h th ng GPS còn cung c p các phép đo pha c a sóng

mang và phép đo Doppler

1.2.3 Các ngu n sai s c a phép đo tín hi u GPS

chính xác c a h th ng GPS ch u nh h ng b i nhi u lo i sai s h th ng

và sai s ng u nhiên Các ngu n sai s chính c a phép đo tín hi u GPS bao g m: sai

s qu đ o v tinh, sai s đ ng h v tinh, sai s đ ng h máy thu, sai s do ch m tr

t ng đi n ly, sai s do ch m tr t ng đ i l u, sai s đa đ ng truy n và nhi u máy

thu [23, 35, 41, 44] Ph n này s trình bày đ c tr ng c a các ngu n sai s và ph ng pháp đ gi m thi u ho c lo i b các sai s đó

1.2.3.1 Sai s qu đ o v tinh

xác đ nh đ c v trí và t c đ c a máy thu tín hi u GPS, c n ph i bi t v trí

c a v tinh t i th i đi m phát tín hi u V trí c a v tinh đ c d đoán b ng m t t p

h p các thông s qu đ o Kepler và thông s th i gian [35] Sai s trong vi c d đoán

tr c qu đ o c a v tinh so v i qu đ o th c c a nó đ c g i là sai s qu đ o c a

v tinh Sai s qu đ o c a v tinh là r t quan tr ng, có nh h ng tr c ti p t i đ

chính xác c a k t qu xác đ nh v trí, t c đ và th i gian c a máy thu Sai s qu đ o

v tinh s gây ra sai s v trí c a máy thu kho ng 2m [23, 45] Có th gi m sai s qu

đ o v tinh b ng cách s d ng k thu t sai phân M t ph ng pháp khác là s d ng

thông s qu đ o chính xác đ c cung c p b i các tr m theo dõi Tuy nhiên thông s

qu đ o chính xác không đ c c p nh t và cung c p t c th i nên không th s d ng

trong tính toán th i gian th c

1.2.3.2 Sai s đ ng h v tinh

Thông s th i gian c a v tinh, bao g m c giá tr th i gian hi n t i và giá tr tiên

đoán, đ c xác đ nh t i các tr m đi u khi n t i m t đ t và truy n lên v tinh đ mã hoá

vào d li u v tinh và truy n đi Quá trình xác đ nh th i gian, quá trình tiên đoán th i gian đ u ch a đ ng sai s Sai s đó đ c g i là sai s đ ng h v tinh Sai s đ ng h

v tinh th ng kho ng 2-3m Tuy nhiên, nó đ c l p v i v trí c a thi t b nh n, nên nó

có th đ c lo i b m t cách hi u qu b ng cách s d ng các k thu t sai phân [23]

1.2.3.3 Sai s đ ng h máy thu

chính xác c a đ ng h máy thu là kém h n nhi u đ chính xác c a đ ng h

v tinh GPS vì đ ng h máy thu không ph i là đ ng h nguyên t và đ trôi c a đ ng

h là không bi t trôi c a đ ng h máy thu s bi n đ i theo th i gian Tuy nhiên tác đ ng c a nó lên các phép đo trong cùng m t th i đi m là nh nhau Vì v y n u thu đ c tín hi u đ ng th i t ít nh t 4 v tinh thì c v trí và đ trôi đ ng h c a máy thu đ u đ c c l ng

1.2.3.4 Sai s do ch m tr t ng đi n ly

T ng đi n ly là l p khí quy n đ cao t 50 đ n 1000 km trên b m t trái đ t

Nó ch a các electron t do và các ion tích đi n d ng, là k t qu c a s ion hóa c a

các ch t khí t ng đi n ly gây b i các tia c tím Vì t ng đi n ly ch a r t nhi u các

electron t do nên nh h ng r t l n đ n truy n sóng đi n t nói chung và tín hi u

GPS nói riêng Nh ng nh h ng đó s gây ra sai s đ c g i là sai s do ch m tr

t ng đi n ly

gi m thi u sai s gây ra b i t ng đi n ly, các thi t b thu GPS c n ph i s

d ng các mô hình ch m tr t ng đi n ly Mô hình Klobuchar th ng đ c s d ng

trong các thi t b thu GPS Mô hình Klobuchar s d ng các tham s truy n t các v tinh và s bù tr đ c kho ng 50% sai s do ch m tr t ng đi n ly [13] K thu t sai phân trong GPS c ng có th đ c s d ng đ gi m thi u sai s ch m tr t ng đi n

ly do m i t ng quan không gian c a nó

1.2.3.5 Sai s do ch m tr t ng đ i l u

T ng đ i l u t ng th p nh t c a khí quy n bao ph t b m t trái đ t đ n đ

cao 50 km Nó là m t t ng khí quy n trung tính, không ch a đ ng các electron t

do Tín hi u GPS b ch m tr khi đi qua t ng đ i l u ch y u là do hi n t ng khúc

x Sai s do s ch m tr này ph thu c vào chi t su t c a không khí, không ph

th c vào t n s S ch m tr đ i l u đ c đ c chia thành hai thành ph n: thành

ph n khô và thành ph n t Thành ph n khô chi m 90% c a s ch m tr t ng đ i

l u và r t d dàng đ d đoán Thành ph n t ch chi m 10% c a s ch m tr đ i

l u nh ng l i t ng đ i khó d đoán do nó có th bi n đ i nhanh c theo th i gian

và không gian [13]

T ng t nh sai s do ch m tr t ng đi n ly, nhi u mô hình đ c s d ng đ

gi m thi u sai s gây ra b i t ng đi n ly Mô hình đ c s d ng tùy thu c vào t ng

lo i thu Hai ph ng pháp ph bi n nh t là s d ng mô hình khí quy n c a Hopfield

và Saastamoinen [44]

1.2.3.6 Sai s đa đ ng truy n

Sai s đa đ ng truy n x y ra khi máy thu GPS nh n đ c tín hi u ph n x

t m t v tinh cùng v i các tín hi u tr c ti p Sai s này r t ph bi n môi tr ng

đô th khi các tín hi u đ c ph n x t các tòa nhà, m t đ t và các c u trúc nhân

t o có tính ph n x cao Các tín hi u ph n x luôn đ n sau tín hi u đ ng d n tr c

ti p do chúng truy n v i kho ng cách xa h n Sai s đa đ ng truy n là m t trong

nh ng ngu n sai s GPS l n nh t, đ c bi t là trong môi tr ng tín hi u y u Th t

khó có th d đoán và bù tr b i vì nó ph thu c môi tr ng Do v y sai s đa

đ ng truy n không th gi m nh thông qua các k thu t sai phân [50] Nhi u k

thu t đư đ c phát tri n đ gi m thi u sai s này d a trên thi t k c a máy thu và

thi t k anten Hi u ng c a đa đ ng truy n có th gi m trong quá trình thi t k

anten b ng cách lo i b m t s tín hi u ph n x nh h ng c a hi n t ng đa

đ ng truy n c ng có th đ c gi m b t trong các b c x lý tín hi u trong các

máy thu

1.2.3.7 Nhi u máy thu

Tín hi u GPS thu nh n đ u b nh h ng b i nhi u ng u nhiên, th ng đ c

g i là nhi u máy thu Có r t nhi u nguyên nhân gây ra nhi u máy thu: nhi u gây ra

do anten, do các b khu ch đ i, do các dây d n, do máy thu, do các ngu n thu phát

khác v.vầ nh h ng cùa nhi u lên các phép đo tín hi u GPS ph thu c vào c ng

đ c a tín hi u trong m i t ng quan v i c ng đ nhi u nh h ng c a nhi u lên

các giá tr đo mư c a tín hi u GPS có đ l n c 0,25 - 0,5 m, lên giá tr đo pha thì nh

hi n liên ti p tích phân c a gia t c và v n t c góc đ i v i th i gian [59] Vi c đo l ng

gia t c và v n t c góc c a v t th chuy n đ ng đ c th c hi n b i m t kh i đo l ng

quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) cài đ t trên v t th Kh i IMU bao g m 3

c m bi n gia t c đ t tr c giao và 3 c m bi n v n t c góc đ t tr c giao Các tr c tr c giao

c a c m bi n gia t c và c m bi n v n t c góc là song song v i nhau

C m bi n

v n t c góc a) C u trúc Strapdown b) C u trúc Gimbaled

D a trên các cách th c l p đ t kh i đo l ng quán tính trên các ph ng ti n, h INS đ c chia thành hai lo i: h INS có c u trúc n i (Gimballed) và h INS có c u

trúc g n li n (Strapdown) (Hình 1.9)

Trong h h d n đ ng quán tính có c u trúc n i (GINS), các c m bi n quán tính đ c đ t trên đ n đ nh v i các chuy n đ ng quay c a ph ng ti n Chính vì

v y, h th ng này còn đ c còn đ c g i là h th ng d n đ ng quán tính có đ

Trong ph ng th c này, các c m bi n quán tính có m t môi tr ng làm vi c t t, s

l ng tính toán c n thi t là nh và đ u ra c a các thi t b quán tính có th d dàng bù

đ p và s a ch a Tuy nhiên, h GINS có c u trúc c h c ph c t p, c ng k nh và t n

kém nên nó ch đ c s d ng cho các ng d ng đòi h i đ chính xác cao

Trong h d n đ ng quán tính có c u trúc ki u g n li n (SINS), các c m bi n quán tính đ c g n ch t tr c ti p v i v t c n kh o sát chuy n đ ng, do đó s thay đ i

tr ng thái chuy n đ ng theo v t th H INS có c u trúc ki u g n li n còn đ c g i

là h d n đ ng quán tính không đ Tuy h SINS có c u trúc đ n gi n và giá thành

ch t o th p, nh ng các c m bi n quán tính ph i ch u tác đ ng tr c ti p c a dao đ ng

và va ch m Môi tr ng làm vi c này đư làm gi m đ chính xác c a phép đo H n

th n a, đ u ra c a các c m bi n gia t c là nh ng thành ph n gia t c d c theo h t a

đ v t th , nó c n ph i đ c chuy n đ i sang h t a đ d n đ ng, do đó kh i l ng tính toán t ng Tuy nhiên, v i s phát tri n nhanh chóng c a các thi t b d n đ ng

quán tính và công ngh máy tính, h SINS đư đ c ng d ng r ng rãi trong l nh v c

d n đ ng và đ nh v D a trên các s li u công b trên th gi i, SINS đư tr thành

h ng chính c a phát tri n c a h th ng d n đ ng quán tính [14] Hi n nay, các SINS đư đ c phát tri n theo hai h ng: chính xác cao và chi phí th p Theo d báo

c a Phòng thí nghi m Draper c a M [6], đ n n m 2020 trên toàn th gi i s phát

tri n hai lo i SINS chính: m t là d a trên các con quay h i chuy n giao thoa k s i quang h c chính xác cao, và m t lo i khác là d a trên các c m bi n đ c ch t o theo

công ngh MEMS V i m c đích xây d ng h th ng d n đ ng cho các ph ng ti n

chuy n đ ng trên m t đ t, lu n án này ch gi i h n nghiên c u h SINS đ c ch t o

d a trên công ngh MEMS

Ph n này s th o lu n t ng quan v nguyên lý ho t đ ng c a h INS Chi ti t

đ c trình bày trong các nghiên c u [8, 30, 42, 52, 53, 59]

1.3.1 Các h t a đ d n đ ng

xác đ nh chính xác v trí c a m t v t th , ta c n kh o sát v t trong m t h t a

đ nào đó Trên th c t t n t i m t vài h t a đ , tuy nhiên v trí c a v t th có th đ c

chuy n t h t a đ này sang h t a đ khác thông qua các ma tr n chuy n Ph n này

s trình bày v n t t m t s h t a đ s d ng cho m c đích d n đ ng

1.3.1.1 H t a đ quán tính tâm trái đ t

H t a đ quán tính tâm trái đ t (i - frame) có g c đ t t i tâm c a trái đ t, tr c

Oz h ng v c c b c d c theo tr c quay c a trái đ t, tr c Ox n m trong m t ph ng xích đ o và h ng t tâm trái đ t đ n đi m xuân phân H t a đ quán tính tâm trái

đ t đ c s d ng đ tính toán v trí và v n t c c a các v tinh trong qu đ o c a nó quanh Trái t [42] H t a đ quán tính tâm trái đ t không quay cùng v i trái đ t và

các quy lu t chuy n đ ng c a Newton đ c áp d ng trong h t a đ này Các thông

s trong h t a đ này ký hi u b i ch i, ví d xi

1.3.1.2 H t a đ c đ nh tâm trái đ t

H t a đ c đ nh tâm trái đ t (e - frame) đ c đ nh ngh a t ng t h t a đ quán tính tâm trái đ t, nh ng tr c Ox luôn h ng v giao c a đ ng kinh tuy n g c v i đ ng xích đ o Các thông s trong h t a đ này đ c ký hi u b i ch e, ví d xe

1.3.1.3 H t a đ d n đ ng

H t a đ d n đ ng (n - frame) đ c s d ng đ mô t s chuy n đ ng c a v t

th trên m t đ t ho c g n m t đ t Có 2 h t a đ d n đ ng th ng đ c s

d ng: h t a đ ENU (East-North-Up) và h t a đ NED (North-East-Down) H t a

đ ENU có g c đ t t i tâm c a h th ng d n đ ng quán tính, tr c Ox (ký hi u là E)

h ng v phía đông, tr c Oz tr c giao v i m t ellipsoid c a trái đ t và h ng lên trên,

tr c Oy h ng v phía b c H t a đ NED có các tr c h ng v b c, đông và h ng

xu ng Các h t a đ đ c bi u di n trên Hình 1.10

Hình 1.10 Các h t a đ d n đ ng

1.3.1.4 H t a đ v t th

H t a đ v t th (b - frame) là m t h t a đ tr c giao g n li n v i v t th Nó

trùng v i các tr c roll - pitch - yaw c a ph ng ti n đ c cài đ t h d n đ ng quán

tính (Hình 1.11) H t a đ v t th r t quan tr ng b i vì các giá tr đo c a các c m

bi n quán tính đ c bi u th trong h t a đ v t th

Hình 1.11 H t a đ v t th

1.3.2 Ph ng trình d n đ ng quán tính

Ph n này s trình bày ng n g n các ph ng trình d n đ ng đ i v i h d n

đ ng quán tính Strapdown, làm c s đ xây d ng thu t toán d n đ ng quán tính

Chi ti t đ c trình bày trong các nghiên c u [13, 30, 42, 45, 59]

Kinh tuy n g c

Ph ng trình d n đ ng quán tính là h các ph ng trình vi phân chuy n đ ng

đ c xây d ng trong các h t a đ d n đ ng Tùy thu c vào vi c l a ch n h t a đ

d n đ ng, các ph ng trình d n đ ng s có các d ng khác nhau T các d li u đo

đ c trong các b c m bi n quán tính, k t h p v i gi i các ph ng trình d n đ ng

s cho bi t thông tin v v trí, v n t c và t th c a v t th chuy n đ ng

Trong h t a đ c p đ đ a ph ng v trí c a m t v t th chuy n đ ng s đ c xác đ nh b i các thành ph n t a đ :

 n  T

, , h t ng ng là kinh đ , v đ và đ cao c a v t th

V n t c c a v t th đ c bi u di n b i ba thành ph n d c theo ba h ng: h ng đông, h ng b c và h ng lên:

nam và theo h ng đông ậ tây, h là đ cao ellipsoid c a v t th (kho ng cách t v t

th đ n b m t ellipsoid c a trái đ t) R Mvà RN đ c xác đ nh b i [13]:

2 3/2

 là gia t c h ng tâm liên quan t i

chuy n đ ng c a h ENU đ i v i h ECEF; 2nieV n là gia t c Criolis;   n