Luận văn: Xây dựng hệ thống giao tiếp INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm

Luận văn thạc sĩ: Xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS GPS và trạm điều khiển trung tâm. Nghiên cứu chuyên sâu, giải pháp hiệu quả.

• Tác giả: Hoàng
• 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
• DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 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
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
• 2.1. Phương trình chuyển động
• 2.2. Các lỗi trong hệ thống INS
• 3. HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
• 3.1. Cấu trúc hệ thống
• 3.2. Sơ đồ khối hệ thống
• 3.3. Chức năng các khối
• 3.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 3.5. Các thiết bị phần cứng
• 4. Kết quả từ hệ dẫn đường tích hợp INS/GPS
• 4.1. Quản lý dữ liệu định vị từ trạm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Lý thuyết bộ lọc Kalman
• Thuật toán Salychev
• Chương trình

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống INS GPS và Trạm Điều Khiển Giới Thiệu

Hệ thống INS/GPS và trạm điều khiển đóng vai trò then chốt trong định vị và dẫn đường chính xác cho nhiều ứng dụng, từ dân sự đến quân sự. Hệ thống định vị quán tính (INS) hoạt động độc lập, cung cấp thông tin về vị trí, vận tốc và hướng di chuyển dựa trên các cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển. Ưu điểm của INS là không phụ thuộc vào tín hiệu bên ngoài và hoạt động liên tục. Tuy nhiên, sai số của INS tích lũy theo thời gian, dẫn đến độ chính xác giảm. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS), ngược lại, sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh để xác định vị trí. GPS có độ chính xác cao trong điều kiện tín hiệu tốt, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi che chắn địa hình, nhiễu sóng hoặc các yếu tố môi trường khác. Do đó, sự kết hợp giữa INS và GPS, gọi là tích hợp INS/GPS, mang lại giải pháp định vị tối ưu, tận dụng ưu điểm và bù đắp nhược điểm của từng hệ thống. Hệ thống tích hợp này thường đi kèm với trạm điều khiển mặt đất (Ground Control Station) để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu. Theo luận văn của Hoàng Lê Vinh Hưng, "Trong hệ thống INS/GPS, bộ lọc Kalman rất quan trọng, có thể xem nó là trái tim của hệ thống." Luận văn này tập trung vào việc xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm, sử dụng dịch vụ nhắn tin trong hệ thống thông tin di động. Ứng dụng của hệ thống này vô cùng rộng rãi trong các lĩnh vực như dẫn đường cho máy bay, tàu thuyền, xe tự hành, giám sát và điều khiển phương tiện từ xa, và nhiều ứng dụng quốc phòng.

1.1. Định Nghĩa và Vai Trò của INS Inertial Navigation System

Hệ thống INS là một hệ thống dẫn đường tự động, sử dụng các cảm biến quán tính để đo gia tốc và vận tốc góc của một vật thể. Từ các phép đo này, INS có thể tính toán vị trí, vận tốc và hướng của vật thể theo thời gian. Ưu điểm chính của INS là khả năng hoạt động độc lập, không cần tín hiệu bên ngoài. Tuy nhiên, sai số của INS có xu hướng tích lũy theo thời gian, đặc biệt là trong các hệ thống sử dụng cảm biến giá rẻ. Do đó, INS thường được kết hợp với các hệ thống định vị khác, như GPS, để cải thiện độ chính xác. Có hai loại cấu trúc INS chính: kiểu Gimbal (sử dụng các vòng quay cơ học để duy trì hướng ổn định) và kiểu Strapdown (cảm biến gắn trực tiếp vào thân vật thể). Kiểu Strapdown, nhờ sự phát triển của công nghệ MEMS, ngày càng trở nên phổ biến do kích thước nhỏ, giá thành thấp và độ tin cậy cao.

1.2. Tổng Quan về GPS Global Positioning System và Ứng Dụng

Hệ thống GPS sử dụng tín hiệu từ một mạng lưới các vệ tinh để xác định vị trí trên Trái Đất. Một máy thu GPS cần ít nhất tín hiệu từ bốn vệ tinh để tính toán vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ, độ cao) và thời gian. GPS có độ chính xác cao trong điều kiện tín hiệu tốt, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như che chắn địa hình, nhiễu sóng, và sai số khí quyển. Ứng dụng của GPS rất đa dạng, từ dẫn đường cho xe hơi, máy bay, tàu thuyền, đến theo dõi hàng hóa, định vị khẩn cấp, và các ứng dụng đo đạc địa chính. Theo tài liệu, "Các vệ tinh của GPS bay vòng quanh trái đất với vận tốc hai vòng trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu chứa thông tin xuống trái đất."

1.3. Khái Niệm Trạm Điều Khiển và Chức Năng Chính

Trạm điều khiển mặt đất là một thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống định vị và dẫn đường, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến máy bay không người lái, tàu thuyền tự hành, và các phương tiện hoạt động từ xa. Trạm điều khiển có chức năng chính là giám sát và điều khiển hoạt động của phương tiện, thu thập và xử lý dữ liệu từ các cảm biến, và cung cấp thông tin cho người vận hành. Trạm điều khiển thường bao gồm phần cứng (máy tính, màn hình, thiết bị giao tiếp) và phần mềm (giao diện người dùng, thuật toán xử lý dữ liệu, công cụ điều khiển). Khả năng hiển thị dữ liệu trực quan và khả năng điều khiển từ xa chính xác là yếu tố then chốt trong thiết kế trạm điều khiển hiệu quả.

II. Thách Thức và Sai Số Trong Hệ Thống Định Vị INS GPS

Việc tích hợp INS/GPS không loại bỏ hoàn toàn các vấn đề về sai số và độ tin cậy. Các hệ thống INS có sai số tích lũy theo thời gian do độ chính xác hạn chế của các cảm biến quán tính. GPS dễ bị ảnh hưởng bởi che chắn và nhiễu sóng. Một thách thức lớn là làm thế nào để kết hợp thông tin từ hai hệ thống một cách tối ưu để giảm thiểu sai số tổng thể. Theo luận văn, "Có nhiều loại sai số trong các hệ thống INS và chủ yếu là do các cảm biến quán tính gây nên." Ngoài ra, việc đảm bảo tính liên tục và độ tin cậy của hệ thống trong môi trường hoạt động khắc nghiệt (ví dụ: điều kiện thời tiết xấu, môi trường nhiễu điện từ) cũng là một vấn đề quan trọng. Việc lựa chọn thuật toán xử lý tín hiệu phù hợp và thiết kế hệ thống dự phòng là các giải pháp thường được sử dụng để giải quyết các thách thức này. Các giao thức giao tiếp INS/GPS cần đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và chính xác. Độ chính xác INS/GPS là yếu tố quan trọng, cần được đánh giá và cải thiện liên tục.

2.1. Phân Tích Chi Tiết Sai Số của Hệ Thống INS Nguyên Nhân và Ảnh Hưởng

Sai số trong hệ thống INS có thể được phân loại thành nhiều loại, bao gồm sai số của cảm biến (ví dụ: độ lệch, độ trôi, nhiễu), sai số do lắp đặt (ví dụ: sai số góc), và sai số do thuật toán (ví dụ: sai số tích phân). Độ lệch là một sai số cố định, có thể được hiệu chỉnh bằng cách hiệu chuẩn cảm biến. Độ trôi là một sai số thay đổi theo thời gian, khó hiệu chỉnh hơn. Nhiễu là sai số ngẫu nhiên, có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng bộ lọc. Ảnh hưởng của sai số INS là sai số tích lũy theo thời gian trong vị trí, vận tốc và hướng. Điều này có nghĩa là, ngay cả khi INS bắt đầu với độ chính xác cao, sai số sẽ tăng lên theo thời gian, đặc biệt là trong các ứng dụng kéo dài. Các thuật toán bộ lọc Kalman có thể giảm thiểu sai số tích lũy.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác của GPS và Giải Pháp

Độ chính xác của GPS bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số khí quyển (tầng điện ly và tầng đối lưu), nhiễu đa đường, và che chắn tín hiệu. Sai số quỹ đạo và đồng hồ có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các dịch vụ hiệu chỉnh. Sai số khí quyển có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các mô hình khí quyển. Nhiễu đa đường xảy ra khi tín hiệu GPS phản xạ từ các bề mặt trước khi đến máy thu, gây ra sai số trong phép đo khoảng cách. Che chắn tín hiệu xảy ra khi tín hiệu GPS bị chặn bởi các vật thể, như tòa nhà hoặc cây cối. Các kỹ thuật định vị vi phân (DGPS) và RTK (Real-Time Kinematic) có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của GPS bằng cách sử dụng các trạm tham chiếu.

2.3. Tác Động của Môi Trường Truyền Dẫn và Cách Khắc Phục

Môi trường truyền dẫn có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống INS/GPS. Trong môi trường có nhiều nhiễu điện từ, tín hiệu GPS có thể bị suy yếu hoặc mất hoàn toàn. Trong môi trường đô thị, che chắn tín hiệu GPS có thể là một vấn đề lớn. Việc sử dụng anten có độ nhạy cao, bộ lọc nhiễu, và các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến có thể giúp cải thiện độ tin cậy của hệ thống trong môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, việc tích hợp với các hệ thống định vị khác, như hệ thống đo lường khoảng cách (DME) hoặc hệ thống hỗ trợ quán tính (A-INS), có thể cung cấp khả năng định vị dự phòng khi GPS không khả dụng.

III. Phương Pháp Tích Hợp INS GPS và Ứng Dụng Bộ Lọc Kalman

Để tận dụng tối đa ưu điểm của cả INS và GPS, các hệ thống tích hợp thường sử dụng bộ lọc Kalman. Bộ lọc Kalman là một thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu, cho phép kết hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau (trong trường hợp này là INS và GPS) để ước tính vị trí, vận tốc và hướng của vật thể một cách chính xác nhất. Có nhiều cấu trúc tích hợp INS/GPS khác nhau, bao gồm cấu trúc vòng hở (INS và GPS hoạt động độc lập), cấu trúc vòng kín (GPS hiệu chỉnh sai số INS), và cấu trúc lai (kết hợp cả hai). Luận văn đề cập rằng "Để nâng cao chất lượng, độ chính xác, hệ thống INS/GPS sử dụng cả hai chu trình Kalman. Do đó, cấu trúc tích hợp GPS hỗ trợ INS như sau". Lựa chọn cấu trúc tích hợp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Giải pháp INS/GPS tích hợp đang ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và độ tin cậy cao. Thuật toán INS/GPS ngày càng được cải tiến để tối ưu hiệu năng.

3.1. Chi Tiết Các Cấu Trúc Tích Hợp INS GPS Vòng Hở Vòng Kín

Trong cấu trúc vòng hở, INS và GPS hoạt động độc lập, và kết quả của chúng được kết hợp sau đó bằng một thuật toán đơn giản, chẳng hạn như trung bình có trọng số. Cấu trúc này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng không tận dụng tối đa khả năng của cả hai hệ thống. Trong cấu trúc vòng kín, GPS được sử dụng để hiệu chỉnh sai số của INS. Thông tin sai số được phản hồi lại INS, giúp cải thiện độ chính xác của nó. Cấu trúc này phức tạp hơn, nhưng mang lại độ chính xác cao hơn. Một biến thể của cấu trúc vòng kín là cấu trúc Kalman Filter, trong đó bộ lọc Kalman được sử dụng để ước tính sai số của INS và hiệu chỉnh nó một cách tối ưu.

3.2. Vai Trò và Ứng Dụng của Bộ Lọc Kalman trong Tích Hợp INS GPS

Bộ lọc Kalman đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống tích hợp INS/GPS. Nó là một thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu, cho phép kết hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, kể cả thông tin bị nhiễu. Trong trường hợp INS/GPS, bộ lọc Kalman kết hợp thông tin từ INS (vị trí, vận tốc, hướng) với thông tin từ GPS (vị trí) để ước tính trạng thái của vật thể một cách chính xác nhất. Bộ lọc Kalman hoạt động theo hai bước: dự đoán và cập nhật. Trong bước dự đoán, bộ lọc dự đoán trạng thái tiếp theo của vật thể dựa trên mô hình động học của nó và thông tin từ INS. Trong bước cập nhật, bộ lọc kết hợp thông tin dự đoán với thông tin đo được từ GPS để cập nhật ước tính trạng thái. Bộ lọc Kalman giúp giảm sai số và tăng độ tin cậy của hệ thống.

3.3. Tối Ưu Thuật Toán và Cấu Hình Bộ Lọc Kalman Cho INS GPS

Hiệu suất của bộ lọc Kalman phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác của mô hình động học, độ chính xác của các cảm biến, và cấu hình của bộ lọc. Việc tối ưu hóa thuật toán và cấu hình bộ lọc Kalman là rất quan trọng để đạt được độ chính xác cao nhất. Một số kỹ thuật tối ưu hóa bao gồm: điều chỉnh các tham số của bộ lọc, sử dụng các mô hình động học phức tạp hơn, và sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để giảm nhiễu. Các kỹ thuật định vị hợp nhất (Navigation fusion) giúp cải thiện độ chính xác.

IV. Thiết Kế và Xây Dựng Trạm Điều Khiển INS GPS Hướng Dẫn

Việc thiết kế và xây dựng một trạm điều khiển mặt đất hiệu quả là rất quan trọng để tận dụng tối đa khả năng của hệ thống INS/GPS. Trạm điều khiển cần có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu từ INS/GPS, hiển thị thông tin một cách trực quan, và cho phép người vận hành điều khiển phương tiện một cách chính xác. Thiết kế giao diện người dùng trạm điều khiển cần thân thiện và dễ sử dụng. Theo luận văn, "Trạm này phải có chức năng thu nhận thông tin INS/GPS từ phương tiện để giám sát và điều khiển chúng." Việc lựa chọn phần cứng và phần mềm phù hợp, cũng như thiết kế giao diện người dùng thân thiện, là các yếu tố then chốt trong quá trình thiết kế.

4.1. Lựa Chọn Phần Cứng và Phần Mềm Cho Trạm Điều Khiển

Phần cứng của trạm điều khiển thường bao gồm một máy tính mạnh mẽ, màn hình hiển thị độ phân giải cao, thiết bị giao tiếp (ví dụ: radio, modem), và các thiết bị ngoại vi (ví dụ: bàn phím, chuột, joystick). Phần mềm của trạm điều khiển cần có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu từ INS/GPS, hiển thị thông tin một cách trực quan (ví dụ: bản đồ, đồ thị), và cho phép người vận hành điều khiển phương tiện một cách chính xác. Các ngôn ngữ lập trình phổ biến cho trạm điều khiển bao gồm C++, C#, Python, và MATLAB. Phần cứng trạm điều khiển cần đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Phần mềm trạm điều khiển cần linh hoạt và dễ mở rộng.

4.2. Thiết Kế Giao Diện Người Dùng GUI Thân Thiện Cho Trạm Điều Khiển

Giao diện người dùng của trạm điều khiển cần được thiết kế một cách cẩn thận để đảm bảo rằng người vận hành có thể dễ dàng truy cập và hiểu thông tin, cũng như điều khiển phương tiện một cách chính xác. Giao diện nên trực quan, dễ sử dụng, và cung cấp thông tin một cách rõ ràng và súc tích. Các yếu tố quan trọng trong thiết kế giao diện bao gồm: bố cục hợp lý, sử dụng màu sắc và biểu tượng phù hợp, và cung cấp phản hồi trực quan cho các hành động của người dùng. Giao diện người dùng trạm điều khiển cần tối ưu hóa trải nghiệm người dùng.

4.3. Xây Dựng Hệ Thống Truyền Dữ Liệu Giữa Thiết Bị và Trạm Điều Khiển

Hệ thống truyền dữ liệu giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển cần đảm bảo rằng dữ liệu được truyền một cách tin cậy và hiệu quả. Có nhiều lựa chọn cho hệ thống truyền dữ liệu, bao gồm: truyền thông nối tiếp (ví dụ: RS-232, RS-485), truyền thông mạng (ví dụ: Ethernet, Wi-Fi), và truyền thông không dây (ví dụ: radio, cellular). Lựa chọn hệ thống truyền dữ liệu phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố như khoảng cách truyền, tốc độ truyền, và yêu cầu về độ tin cậy. Truyền dữ liệu INS/GPS cần ổn định và chính xác.

V. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu INS GPS Trong Luận Văn

Luận văn của Hoàng Lê Vinh Hưng tập trung vào việc xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển trung tâm, sử dụng dịch vụ nhắn tin trong hệ thống thông tin di động. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống có khả năng thu thập và truyền dữ liệu INS/GPS một cách thành công, tuy nhiên, tốc độ đáp ứng chưa cao do sử dụng giao thức truyền tin nhắn. Nghiên cứu cũng chỉ ra tiềm năng của việc tích hợp phần mềm Googlemap vào phần mềm trạm điều khiển để hiển thị thông tin vị trí một cách trực quan hơn.

5.1. Phân Tích Kết Quả Thí Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống

Kết quả thí nghiệm được trình bày trong luận văn cho thấy hệ thống có khả năng theo dõi quỹ đạo của một phương tiện di chuyển với sai số nhỏ. Tuy nhiên, tác giả cũng thừa nhận rằng tốc độ đáp ứng của hệ thống chưa cao do sử dụng giao thức truyền tin nhắn. Việc phân tích kỹ lưỡng kết quả thí nghiệm là rất quan trọng để xác định các điểm mạnh và điểm yếu của hệ thống, cũng như đề xuất các cải tiến trong tương lai. Xử lý dữ liệu INS/GPS cần hiệu quả để đảm bảo thời gian thực.

5.2. So Sánh với Các Hệ Thống INS GPS Hiện Có Trên Thị Trường

Để đánh giá giá trị của nghiên cứu, cần so sánh hệ thống được xây dựng trong luận văn với các hệ thống INS/GPS hiện có trên thị trường. So sánh có thể dựa trên các tiêu chí như độ chính xác, độ tin cậy, tốc độ đáp ứng, chi phí, và tính năng. So sánh này giúp xác định những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống, cũng như các cơ hội để cải tiến và phát triển.

5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng và Phát Triển Hệ Thống Trong Tương Lai

Nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như giám sát và điều khiển phương tiện từ xa, dẫn đường cho robot, và các ứng dụng quốc phòng. Trong tương lai, hệ thống có thể được cải tiến bằng cách sử dụng các giao thức truyền dữ liệu nhanh hơn (ví dụ: TCP/IP), tích hợp với các hệ thống định vị khác (ví dụ: Wi-Fi, Bluetooth), và phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến hơn. Ứng dụng INS/GPS ngày càng mở rộng.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Cho Hệ Thống INS GPS

Hệ thống INS/GPS và trạm điều khiển đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng định vị và dẫn đường. Tích hợp INS và GPS, sử dụng bộ lọc Kalman, và xây dựng trạm điều khiển hiệu quả là các yếu tố then chốt để đạt được độ chính xác và độ tin cậy cao. Theo luận văn, "Luận văn đã trình bày một cách hệ thống các khái niệm, nghiên cứu cơ bản về hệ thống GPS, INS, hệ thống tích hợp INS/GPS". Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến hơn, tích hợp với các hệ thống định vị khác, và giảm chi phí của hệ thống. Kiến trúc hệ thống INS/GPS tiếp tục được tối ưu.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Đạt Được và Hạn Chế Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả nhất định trong việc xây dựng hệ thống giao tiếp giữa thiết bị INS/GPS và trạm điều khiển, tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được giải quyết. Các hạn chế bao gồm: tốc độ đáp ứng chưa cao, chưa tích hợp phần mềm Googlemap, và chưa đánh giá đầy đủ hiệu năng của hệ thống trong môi trường thực tế. Giao thức giao tiếp INS/GPS cần được cải thiện.

6.2. Đề Xuất Hướng Phát Triển và Nghiên Cứu Tiếp Theo Cho Đề Tài

Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các giao thức truyền dữ liệu nhanh hơn, tích hợp phần mềm Googlemap, và thực hiện các thí nghiệm đánh giá hiệu năng hệ thống trong môi trường thực tế. Ngoài ra, nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác, chẳng hạn như phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến hơn và tích hợp với các hệ thống định vị khác. Hệ thống nhúng (Embedded system) INS/GPS cần được phát triển.

6.3. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Trong Bối Cảnh Hiện Tại

Nghiên cứu về hệ thống INS/GPS và trạm điều khiển có tầm quan trọng lớn trong bối cảnh hiện tại, khi các ứng dụng định vị và dẫn đường ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng. Các hệ thống này đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực, từ giao thông vận tải đến quốc phòng, và có tiềm năng mang lại nhiều lợi ích cho xã hội. Định vị thời gian thực (Real-time system) INS/GPS ngày càng quan trọng.

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] TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

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 TIEU LUAN MOI download : [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.

Mã này được tạo bởi chuỗi các chữ số 1 và 0 và được sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên với tần số 1,023MHz tức chỉ bằng 1/10 tần số cơ sở và chu kỳ là một mili giây. Mỗi vệ tinh được gắn với một mã C/A riêng biệt. - Mã P là mã chính xác cao hơn mã C/A, nó được sử dụng cho các mục đích quân sự. Mã này điều biến hai dải sóng tải L1 và L2.

Mã này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 và được sắp xếp ngẫu nhiên với tần số 10,23MHz, độ dài toàn phần của mã là 267 ngày. Như vậy, sau 267 ngày thì mã P được lặp lại. Tuy nhiên, nó được chia thành các đoạn 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn mã đó, và như vậy sau mỗi tuần nó sẽ thay đổi. - Mã D là mã dùng để truyền lịch vệ tinh mới nhất, thông số của lớp khí quyển sóng điện từ truyền qua, thời gian của hệ thống, sai số đồng hồ vệ tinh, phân bố của các vệ tinh trên quỹ đạo.

Nó điều biến cả 2 sóng mang L1 và L2. Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hằng bao gồm lịch thiên văn của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống. Phần điều khiển Gồm các trạm điều khiển trên mặt đất. Mảng này thực hiện chức năng điều khiển và giám sát các vệ tinh của GPS, điều khiển vệ tinh đi đúng qũy đạo, điều chỉnh thông tin thời gian.

Có năm trạm kiểm soát nằm rải rác trên trái đất. Bốn trạm hoạt động tự động và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh và gửi thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm nó sẽ biên tập lại thông tin và gửi lại cho các vệ tinh thông qua hai anten phát.

Ngoài ra, nó còn có một trạm trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt. Phần người sử dụng Bao gồm người sử dụng thiết bị thu GPS và phần mềm xử lý số liệu. Thiết bị GPS là thiết bị thu tín hiệu GPS, được thiết kế để nhận tín hiệu sóng chuyển từ vệ tinh xuống, xác định và tính toán vị trí các đối tượng trong không gian. Máy thu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất, trên các phương tiện chuyển động như ô tô, xe máy, máy bay, tên lửa, vệ tinh…Thiết bị thu GPS có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối), có thể một nhóm máy thu hoạt động đồng thời (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân).

Phương thức hoạt động của GPS Hoạt động của GPS Các vệ tinh của GPS bay vòng quanh trái đất với vận tốc hai vòng trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu chứa thông tin xuống trái đất. Các máy TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 11 thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để có thể tính được vị trí theo hai chiều (kinh độ, vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS bắt được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao).

Phương thức xác định vị trí của hệ thống GPS Hình 1. Phương thức xác định vị trí của GPS Xác định khoảng cách tới một điểm chuẩn [5]. Như vậy quỹ tích của nó là mặt cầu có bán kính là khoảng cách tới điểm chuẩn đó. Ví dụ, ta có khoảng cách từ điểm cần xác định vị trí đến vệ tinh thứ nhất là R1 thì quỹ tích của nó là mặt cầu có bán kính R1.

Tương tự, ta xác định khoảng cách đến điểm chuẩn thứ hai ta được mặt cầu thứ hai có bán kính là R2. Giao của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Ta xác định tiếp khoảng cách đến điểm chuẩn thứ ba ta được mặt cầu thứ ba có bán kính là R3. Mặt cầu thứ ba này giao với đường tròn V tại hai điểm.

Nếu có mặt cầu thứ tư thì giao của nó là một điểm. Như vậy, nếu ta xem trái đất là mặt cầu thứ tư thì ta xác định được vị trí của điểm cần tìm. Nhược điểm của hệ thống GPS Nhược điểm cơ bản của các hệ thống định vị là khi bị che khuất tầm nhìn vệ tinh, tín hiệu GPS bị sai số hoặc bị mất tín hiệu. Ngoài ra còn có một số nguyên nhân sau gây ra sai số của phương pháp định vị GPS [2].

 Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển.  Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu.  Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS.  Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác.

 Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 12 tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được. Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất.  Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì.

Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau. Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm.  Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh – Là sự làm giảm công suất tín hiệu cố ý do sự áp đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao. Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự.

(Tuy nhiên biện pháp này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể. Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vị dân sự). Hệ thống dẫn đường quán tính INS Hệ thống dẫn đường quán tính INS là hệ thống dựa vào các cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc để xác định phương hướng của vật di chuyển trong không gian.