Luận văn thạc sĩ: Xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm

Luận văn thạc sĩ VNU UET trình bày hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS GPS và trạm điều khiển trung tâm, nâng cao hiệu quả quản lý.

• Tác giả: Hoàng Lê Vinh Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thăng Long
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Huế

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. 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
• 1.2. Hệ thống định vị toàn cầu - GPS
• 1.3. Hệ thống dẫn đường quán tính INS
• 1.4. HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
• 1.5. HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
• 1.6. Kết quả từ hệ dẫn đường tích hợp INS/GPS
• 1.7. Quản lý dữ liệu định vị từ trạm
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
• 2.1. Phương trình chuyển động
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giao tiếp INS GPS cho trạm điều khiển trung tâm

Hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc định vị và dẫn đường chính xác. Hệ thống này không chỉ giúp xác định vị trí mà còn hỗ trợ trong việc giám sát và điều khiển các phương tiện di chuyển. Việc tích hợp công nghệ INS và GPS mang lại nhiều lợi ích, bao gồm độ chính xác cao và khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau.

1.1. Giới thiệu về công nghệ INS và GPS

Công nghệ INS (Hệ thống dẫn đường quán tính) và GPS (Hệ thống định vị toàn cầu) là hai công nghệ chủ yếu trong lĩnh vực định vị. INS sử dụng cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để xác định vị trí, trong khi GPS dựa vào tín hiệu từ vệ tinh. Sự kết hợp giữa hai công nghệ này giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy trong việc xác định vị trí.

1.2. Lợi ích của hệ thống INS GPS trong điều khiển trung tâm

Hệ thống INS/GPS cung cấp nhiều lợi ích cho trạm điều khiển trung tâm, bao gồm khả năng theo dõi vị trí chính xác của phương tiện, giảm thiểu sai số trong quá trình định vị và cải thiện khả năng phản ứng nhanh chóng trong các tình huống khẩn cấp.

II. Vấn đề và thách thức trong hệ thống giao tiếp INS GPS

Mặc dù hệ thống INS/GPS mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số vấn đề và thách thức cần được giải quyết. Các yếu tố như tín hiệu GPS bị gián đoạn, sai số trong cảm biến INS và môi trường truyền dẫn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

2.1. Các vấn đề về tín hiệu GPS

Tín hiệu GPS có thể bị gián đoạn do nhiều nguyên nhân như địa hình, thời tiết xấu hoặc sự can thiệp từ các thiết bị khác. Điều này có thể dẫn đến sai số trong việc xác định vị trí và ảnh hưởng đến khả năng điều khiển của trạm trung tâm.

2.2. Sai số trong hệ thống INS

Hệ thống INS có thể gặp phải sai số do các yếu tố như độ chính xác của cảm biến, lỗi trong quá trình tính toán và ảnh hưởng của môi trường. Việc giảm thiểu sai số này là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

III. Phương pháp giải quyết vấn đề trong hệ thống INS GPS

Để khắc phục các vấn đề trong hệ thống INS/GPS, nhiều phương pháp đã được đề xuất. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là sử dụng bộ lọc Kalman để cải thiện độ chính xác của dữ liệu định vị.

3.1. Ứng dụng bộ lọc Kalman trong INS GPS

Bộ lọc Kalman là một công cụ mạnh mẽ giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu định vị bằng cách kết hợp thông tin từ cả INS và GPS. Phương pháp này cho phép giảm thiểu sai số và cung cấp thông tin chính xác hơn cho trạm điều khiển trung tâm.

3.2. Cải tiến môi trường truyền dẫn

Cải tiến môi trường truyền dẫn là một yếu tố quan trọng để đảm bảo tín hiệu giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm không bị gián đoạn. Việc sử dụng công nghệ truyền thông hiện đại có thể giúp cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống INS GPS trong điều khiển trung tâm

Hệ thống INS/GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ giao thông vận tải đến an ninh quốc phòng. Việc sử dụng hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả trong việc giám sát và điều khiển các phương tiện di chuyển.

4.1. Ứng dụng trong giao thông vận tải

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, hệ thống INS/GPS giúp theo dõi vị trí và tình trạng của các phương tiện, từ đó cải thiện an toàn và hiệu quả trong việc điều phối giao thông.

4.2. Ứng dụng trong an ninh quốc phòng

Hệ thống INS/GPS cũng được sử dụng trong các ứng dụng quân sự, giúp theo dõi và điều khiển các phương tiện quân sự một cách chính xác và hiệu quả.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống giao tiếp INS GPS

Hệ thống giao tiếp INS/GPS có tiềm năng lớn trong việc cải thiện độ chính xác và hiệu quả của các hệ thống định vị và dẫn đường. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới.

5.1. Tương lai của công nghệ INS GPS

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hệ thống INS/GPS sẽ ngày càng được cải tiến, mang lại độ chính xác cao hơn và khả năng hoạt động tốt hơn trong các điều kiện khắc nghiệt.

5.2. Xu hướng phát triển trong lĩnh vực định vị

Xu hướng phát triển trong lĩnh vực định vị sẽ tập trung vào việc tích hợp nhiều công nghệ khác nhau, từ đó tạo ra các hệ thống định vị thông minh và hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu định vị và dẫn đường cho các phương tiện chuyển động trong không gian đóng vai trò sống còn trong cả lĩnh vực dân sự lẫn an ninh quốc phòng. Trong kỷ nguyên số hóa giao thông, các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu như GPS với 24 vệ tinh hoạt động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55 độ, phát sóng ở tần số L1 bằng 1575,42 MHz và L2 bằng 1227,60 MHz, cung cấp thông tin vị trí với độ chính xác cao. Tuy nhiên, GPS thường xuyên chịu rủi ro mất tín hiệu khi phương tiện đi qua khu vực đô thị nhiều nhà cao tầng, đường hầm hoặc dưới tán cây dày đặc. Ngược lại, hệ thống dẫn đường quán tính độc lập dựa trên cảm biến vi cơ vi điện tử có khả năng hoạt động liên tục nhưng lại tích lũy sai số theo thời gian do hiện tượng trôi dạt điểm không.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để dung hòa ưu điểm và loại bỏ nhược điểm của hai công nghệ này, đồng thời thiết lập một kênh truyền thông tin cậy để giám sát phương tiện từ xa. Nghiên cứu tập trung vào mục tiêu tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính gắn chặt và hệ thống định vị toàn cầu thông qua cấu trúc lọc Kalman hai tầng, đồng thời thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm truyền nhận dữ liệu định vị về trạm điều khiển trung tâm qua hạ tầng thông tin di động.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên các phương tiện di động mặt đất tại khu vực miền Trung và miền Bắc Việt Nam, với chu kỳ thử nghiệm quỹ đạo liên tục trong 80 giây và theo dõi vận tốc trong khoảng 3 phút. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc tối ưu hóa thuật toán tích hợp giúp kiểm soát sai số quỹ đạo dưới 2 mét, xây dựng giải pháp truyền dữ liệu không phụ thuộc vào cự ly địa lý thông qua băng tần 900 MHz và 1800 MHz, mang lại hiệu quả kinh tế cao và khả năng ứng dụng thực tế trong quản lý giao thông thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai khung lý thuyết cốt lõi: lý thuyết dẫn đường quán tính gắn chặt và lý thuyết ước lượng tối ưu Kalman. Hệ thống dẫn đường quán tính gắn chặt sử dụng ba cảm biến gia tốc và ba cảm biến vận tốc góc đo đạc trực tiếp các chuyển động trên hệ trục tọa độ của phương tiện. Hệ thống tính toán tư thế không gian thông qua ba góc Euler gồm góc nghiêng ngang Roll, góc nghiêng dọc Pitch và góc hướng Yaw, kết hợp với ma trận Cosine trực tiếp để biến đổi các vector gia tốc từ hệ quy chiếu gắn với vật thể sang hệ quy chiếu địa phương Bắc - Đông - Thẳng đứng.

Lý thuyết ước lượng trạng thái tối ưu ứng dụng mô hình bộ lọc Kalman kép hoạt động song song. Khung lý thuyết này định nghĩa vector trạng thái sai số và vector đo lường dựa trên sự chênh lệch vận tốc giữa đầu ra hệ dẫn đường quán tính có tần số cập nhật 64 Hz và hệ thống định vị vệ tinh có tần số 1 Hz. Bộ lọc thứ nhất xử lý 3 trạng thái sai số vận tốc cơ bản, trong khi bộ lọc thứ hai mở rộng ước lượng 8 trạng thái bao gồm 3 sai số vận tốc, 3 độ trôi của con quay vi cơ và 2 sai số góc nghiêng. Mô hình này cho phép hệ thống tự động chuyển đổi linh hoạt giữa cấu trúc vòng kín và vòng hở tùy thuộc vào chất lượng tín hiệu vệ tinh nhận được.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng thuật toán số trên dữ liệu thực tế. Nguồn dữ liệu sơ cấp được thu thập từ khối đo lường quán tính BP3010 tích hợp công nghệ vi cơ và máy thu định vị vệ tinh gắn trên phương tiện di chuyển thực địa. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5.120 mẫu dữ liệu đo lường liên tục được ghi nhận trong chu kỳ quỹ đạo 80 giây với tốc độ lấy mẫu đạt 64 mẫu mỗi giây từ cảm biến quán tính và 1 mẫu mỗi giây từ bộ thu vệ tinh. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu thực nghiệm ngẫu nhiên có kiểm soát theo hành trình chuyển động hai chiều của phương tiện trên địa hình thực tế.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số liệu qua thuật toán Salychev kết hợp lọc Kalman là vì thuật toán này cho phép xử lý đệ quy các sai số góc và sai số vận tốc do hiện tượng tích phân gây ra trong môi trường nhiễu ngẫu nhiên Gauss. Toàn bộ quy trình tính toán, bù trừ nhiệt độ cho cảm biến và trích xuất dữ liệu được lập trình bằng ngôn ngữ C trên vi điều khiển PIC16F877A hoạt động ở tần số thạch anh 20 MHz, cùng chương trình phân tích dữ liệu viết bằng ngôn ngữ C-Sharp trên nền tảng Microsoft Visual Studio. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu và thử nghiệm được hoàn thiện trong giai đoạn từ năm 2013 đến năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm và kiểm tra hệ thống tích hợp đã đem lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

• Độ chính xác bám vết quỹ đạo chuyển động được cải thiện rõ rệt: Hệ thống tích hợp vòng kín duy trì độ sai lệch quỹ đạo hai chiều so với quỹ đạo định vị vệ tinh chuẩn ở mức dưới 2 mét trong suốt chu trình chạy thử nghiệm khép kín 80 giây, giảm hơn 85% sai số tích lũy so với khi chỉ chạy hệ thống quán tính đơn lẻ.
• Tốc độ hội tụ và độ chính xác ước lượng vận tốc đạt mức tối ưu: Đầu ra vận tốc từ bộ lọc Kalman bám sát hoàn toàn với vận tốc định vị vệ tinh theo cả hai trục hướng Đông và hướng Bắc trong suốt thời gian theo dõi xấp xỉ 3 phút, với độ trễ ước lượng ghi nhận dưới 0,5 giây.
• Ổn định tư thế phương tiện trong điều kiện động: Trong 10 giây đầu tiên khi phương tiện chuẩn bị khởi hành, các giá trị góc nghiêng và góc chúc gần như không đổi với độ dao động dưới 0,05 độ. Khi phương tiện chuyển động trên quỹ đạo hai chiều bằng phẳng, các góc này dao động ổn định quanh điểm cân bằng với biên độ sai lệch góc không vượt quá 0,1 độ.
• Hiệu năng truyền nhận tin cậy của phần cứng: Khối điều khiển vi mạch PIC16F877A kết hợp modem sóng vô tuyến Wavecom Q2403A đạt tốc độ truyền thông nối tiếp 9600 Baud với modem và 38400 Baud với khối đo lường quán tính, đảm bảo đóng gói thành công gói tin dữ liệu 70 ký tự và gửi về trung tâm với tỷ lệ suy hao gói tin dưới 2%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt độ chính xác cao nằm ở cơ chế bù trừ sai số hai lớp của bộ lọc Kalman kép kết hợp thuật toán Salychev. Khối đo lường BP3010 vốn có độ lệch cảm biến vận tốc góc là 0,5 độ/giây và sai số gia tốc kế là 5 mg; nếu không được hiệu chỉnh liên tục qua các phép đo vận tốc vệ tinh ở tần số 1 Hz, sai số vị trí sẽ tăng theo cấp số nhân do quá trình tích phân bậc hai. Cấu trúc vòng kín đã phản hồi trực tiếp các giá trị bù trôi của con quay và ma trận chuyển đổi hệ tọa độ, giúp triệt tiêu hiện tượng trôi dạt điểm không của cảm biến vi cơ.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị so sánh vận tốc hướng Đông và hướng Bắc, trong đó trục hoành thể hiện dòng thời gian từ 0 đến 180 giây và trục tung thể hiện dải vận tốc từ 0 đến 15 m/s; đường nét đứt biểu diễn đầu ra bộ lọc Kalman trùng khớp gần như tuyệt đối với đường nét liền của thiết bị vệ tinh. Bảng đối sánh dữ liệu quỹ đạo 2D trên mặt phẳng tọa độ cũng minh chứng rõ sai số hình học không vượt quá 2 mét. So với các giải pháp vòng hở trong các công bố học thuật trước đây vốn có độ lệch hàng chục mét chỉ sau 1 phút mất tín hiệu, mô hình đề xuất trong luận văn này thể hiện tính ưu việt vượt trội về độ ổn định dài hạn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng và mở rộng khả năng thương mại hóa hệ thống, bốn giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Chuyển đổi giao thức truyền thông từ dịch vụ tin nhắn ngắn sang truyền dữ liệu gói qua sóng di động băng rộng 3G/4G/LTE: Đội ngũ kỹ sư viễn thông cần tái cấu trúc tập lệnh AT trên modem để thiết lập kênh truyền dữ liệu dạng luồng liên tục, nhằm giảm thời gian trễ nhận dữ liệu từ vài giây xuống dưới 100 mili-giây, hoàn thành triển khai trong vòng 6 tháng.
• Nâng cấp vi điều khiển trung tâm lên kiến trúc vi xử lý 32-bit hiệu năng cao: Nhóm phát triển phần cứng nhúng cần thay thế chip 8-bit hiện tại bằng dòng chip ARM Cortex-M4 có tần số hoạt động từ 72 MHz đến 168 MHz nhằm trực tiếp tính toán ma trận hiệp phương sai của bộ lọc Kalman ngay tại thiết bị đầu cuối với tốc độ xử lý nhanh gấp 5 lần, hoàn thành trong thời gian 9 tháng.
• Tích hợp giao diện hiển thị bản đồ số thông minh vào phần mềm giám sát: Nhóm lập trình viên phần mềm trạm điều khiển cần nhúng giao diện lập trình ứng dụng bản đồ vệ tinh trực tuyến vào phần mềm máy tính viết bằng C-Sharp, hướng tới mục tiêu hiển thị trực quan 100% vị trí phương tiện trên nền ảnh thực địa với chu kỳ làm tươi 1 giây, hoàn thiện trong vòng 3 tháng.
• Tối ưu hóa thuật toán lọc thích nghi tự động bù nhiệt cho cảm biến quán tính: Các nhà nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm cảm biến cần phát triển thuật toán tự động hiệu chỉnh hệ số tỷ lệ và độ lệch trôi nhiệt trong dải nhiệt độ làm việc từ âm 40 độ C đến 85 độ C, giúp giảm thiểu thêm 30% sai số góc quay, lộ trình thực hiện trong 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông và Tự động hóa: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học tích hợp quán tính và vệ tinh, thuật toán Salychev và kỹ thuật lập trình bộ lọc Kalman rời rạc với chu kỳ tính toán 1/64 giây.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và thiết bị IoT định vị: Tài liệu mang lại sơ đồ nguyên lý phần cứng chi tiết, giải pháp kết nối chuẩn giao tiếp RS-232 qua vi mạch MAX232, sơ đồ ổn áp LM7805 và phương thức điều khiển modem qua tập lệnh AT chuẩn GSM 07.05.
• Doanh nghiệp vận tải và quản lý logistics: Đơn vị quản lý có thể ứng dụng trực tiếp mô hình trạm điều khiển trung tâm để theo dõi lộ trình đoàn xe với chi phí phần cứng thấp, tận dụng hạ tầng viễn thông sẵn có với độ phủ sóng trên 95% lãnh thổ.
• Các đơn vị nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành và phương tiện bay không người lái: Luận văn cung cấp giải pháp dẫn đường tin cậy, giúp phương tiện duy trì quỹ đạo chính xác với sai số dưới 2 mét ngay cả trong các tình huống tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn cục bộ.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao cần phải tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính với hệ thống định vị toàn cầu? Hệ thống vệ tinh có độ chính xác vị trí ổn định dài hạn nhưng tần số cập nhật thấp (1 Hz) và dễ mất tín hiệu ở địa hình phức tạp. Hệ thống quán tính có tần số làm việc cao (64 Hz) nhưng tích lũy sai số theo thời gian. Sự kết hợp hai hệ thống giúp triệt tiêu sai số dạt và duy trì độ chính xác dưới 2 mét.

• Bộ lọc Kalman kép trong nghiên cứu xử lý dữ liệu như thế nào khi tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn? Hệ thống sử dụng hai bộ lọc song song: bộ lọc thứ nhất ước lượng 3 trạng thái sai số vận tốc và bộ lọc thứ hai ước lượng 8 trạng thái. Khi tín hiệu vệ tinh tốt, hệ thống vận hành theo vòng kín; khi mất tín hiệu, hệ thống tự động chuyển sang vòng hở để giữ ổn định định vị.

• Tại sao nghiên cứu lại chọn phương thức truyền thông tin qua tin nhắn mạng di động thay vì truyền thông vệ tinh? Hệ thống thông tin vệ tinh đòi hỏi ăng-ten cồng kềnh và chi phí vận hành đắt đỏ. Mạng di động với băng tần 900 MHz và 1800 MHz có độ bao phủ toàn quốc, không phụ thuộc góc nhìn trực tiếp và gói dữ liệu định vị 70 ký tự hoàn toàn tương thích với dung lượng tin nhắn tiêu chuẩn.

• Khối đo lường quán tính vi cơ BP3010 trong hệ thống có thông số kỹ thuật ra sao? Khối BP3010 gồm 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến con quay hồi chuyển, trọng lượng 20 gam, kích thước 33x20x10 mm, dải đo vận tốc góc ±300 độ/giây, dải đo gia tốc ±10g, công suất tiêu thụ chỉ 0,5 Watt và hoạt động bền bỉ từ âm 40 độ C đến 85 độ C.

• Phần mềm tại trạm giám sát trung tâm được phát triển dựa trên công nghệ nào? Phần mềm trạm trung tâm được xây dựng trên ngôn ngữ C-Sharp trong môi trường Microsoft Visual Studio. Ứng dụng thực hiện giao tiếp cổng nối tiếp, tự động nhận chuỗi ký tự qua tập lệnh AT, phân tách các trường kinh độ, vĩ độ, vận tốc và lưu trữ dữ liệu vào tệp nhật ký hệ thống.

Kết luận

• Hoàn thiện hệ thống lý thuyết về phương trình chuyển động ba chiều, ma trận Cosine trực tiếp và mô hình toán học tích hợp giữa hệ dẫn đường quán tính gắn chặt và hệ thống định vị toàn cầu.
• Ứng dụng thành công thuật toán bộ lọc Kalman kép song song, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa hai cấu hình vòng hở và vòng kín, duy trì sai số bám quỹ đạo thực nghiệm dưới 2 mét.
• Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mạch phần cứng giao tiếp sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, vi mạch MAX232, bộ ổn áp LM7805 và modem GSM Wavecom Q2403A hoạt động ổn định ở tốc độ 9600 Baud.
• Xây dựng thành công ứng dụng máy tính bằng ngôn ngữ C-Sharp tại trạm trung tâm, thực hiện thu nhận, bóc tách chuỗi dữ liệu 70 ký tự, hiển thị các thông số định vị và lưu trữ nhật ký theo thời gian thực.
• Xác định lộ trình phát triển trong 12 tháng tới nhằm nâng cấp phương thức truyền dữ liệu tốc độ cao qua mạng 4G/5G và tích hợp bản đồ số vệ tinh, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ định vị chính xác cao vào các phương tiện giao thông thông minh và thiết bị tự hành tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG 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. 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. 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. 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. Cấu trúc cơ bản của GPS GPS gồm có 3 phần [2] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

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 nhau và góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo của trái đất là 550 Mỗi vệ tinh được trang bị một máy phát tần số nguyên tử chính xác cao với sai số khoảng 10-12. Máy phát này tạo ra các tín hiệu có tần số cơ sở 10,23MHz, và từ đây 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. Quỹ đạo của các vệ tinh GPS LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 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.