CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GPS Hệ thống định vị toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Hệ thống định vị toàn cầu GPS thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), tốc độ và độ cao của vật thể. Hệ thống GPS gồm 24 vệ tinh phóng lên quỹ đạo trái đất (xem Hình 1) [3].
Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệuvô tuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng. Quỹ đạo bay của các vệ tinh GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các vật thể [4]. Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất.
Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 2 đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Với nhiều cách đo được tới vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Hiện tại, GPS sử dụng 2 tần số L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz [1,6]. Các sóng mang L1, L2 được điều biến bởi 3 loại mã sau: - Mã P: là mã chính xác, có tần số 10,23 MHz, độ dài toàn phần 267 ngày. Tuy vậy người ta đã chia mã này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gắn cho mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS một trong các đoạn mã như thế, cứ sau 1 tuần lại thay đổi nên khó bị giải mã để sử dụng nếu ko được phép. Mã P điều biến cả 2 sóng mang L1 và L2.
- Mã C/A có tần số 1,023MHz, nó chỉ điều biến sóng mang L1, mã C/A được sử dụng cho mục đích dân sự, mỗi vệ tinh được gán 1 mã C/A riêng biệt. - 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. Khi hoạt động, tần số L1 bao gồm 2 tín hiệu số, được gọi là mã P và mã C/A.
Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép. Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu mã hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu nhận trên mặt đất. Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên được tính bằng cách nhân thời gian cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sáng là 300. Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển.
Vì vậy, kèm theo thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời gian giữa các thiết bị thu và phát. Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị thu GPS còn nhận thêm 2 loại dữ liệu mã hóa: Dữ liệu Almanac: được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo.
Dữ liệu Ephemeris: phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính của chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất. Việc sửa chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 3 trên mặt đất trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông tin được sửa chữa này được gọi là dữ liệu Ephemeris.
Kết hợp dữ liệu Almanac và Ephemeris, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh. 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 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 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). Trong những năm gần đây, có nhiều hệ thống định vị vệ tinh trên thế giới như là hệ thống GLONASS của Liên bang Nga, hệ thống Galileo của Liên minh Châu Âu. Xu hướng trong thời gian tới, thiết bị thu GPS được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Mục tiêu nghiên cứu phát triển hệ GPS giá rẻ, nhỏ gọn, dễ sử dụng vẫn đang được tiến hành.
Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 CHƯƠNG II. HỆ THỐNG INS Hệ thống định vị quán tính phát triển từ những năm 1960. Tiến sĩ Robert Goddard, một nhà tiên phong trong lĩnh vực công nghệ tên lửa, đưa ra ý tưởng thực nghiệm một hệ gyroscope thô sơ đã khơi dậy trào lưu nghiên cứu về INS trên thế giới. Sau đó INS được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ tên lửa đầu tiên, tiếp đó mở rộng qua các nghành hàng không dân dụng và quân sự, vận tải biển….1 Nguyên lý hoạt động của INS Nguyên lý hoạt động của INS là tổng hợp các tín hiệu đo được bởi một cơ cấu đo lường quán tính IMU (Inertial measurement Unit), để xác định trạng thái hiện tại của hệ thống.
Các tín hiệu đo được bởi IMU bao gồm vận tốc góc (gyros) và gia tốc (accelerometer). Cấu tạo IMU bao gồm 3 cảm biến gia tốc và 3 cảm biến vận tốc góc. Ở đây một hệ thống INS bao gồm IMU và thuật toán tính toán được tích hợp cùng. Thuật toán sử dụng trong luận văn này là thuật toán SINS của Salychev (Phụ lục 2).
INS đưa ra các thông số cho người dùng như: vị trí (kinh độ, vĩ độ, cao độ), vận tốc, các góc tư thế (góc nghiêng, góc chúc, góc hướng) (xem Hình 3). Hình 2 dưới đây mô tả một khối IMU [2]. Với những IMU trước đây sử dụng cảm biến quán tính hoạt động theo nguyên tắc cơ khí, thường có kích thước lớn, hoạt động kém hiệu quả, giá thành cao và tiêu thụ nhiều năng lượng. Ngày nay khi khoa học công nghệ phát triển, đặc biệt là công nghệ vật liệu mới và công nghệ vi chế tạo đã tạo ra các cảm biến vi cơ có kích thước rất nhỏ (cỡ centimet), hoạt động hiệu quả, tiêu thụ ít năng lượng và đặc biệt là giá thành hạ.
Điều này mở ra cơ hội cho việc ứng dụng các cảm biến vi cơ trong nhiều lĩnh vực đời sống. Cấu trúc của IMU Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 5 Hình 3 dưới đây mô tả nguyên lí hoạt động của hệ thống INS [8]. Accelerometters Gyros INPUT Initial alignment Alignment phase OUT PUT Gravity, Attitude Attitude Non-gravitational Computing acceleration correction Velocity Coordinate system Position acceleration Transformation integration integration Navigational Phase Hình 3. Hệ thống định vị quán tính 2.2 Ma trận chuyển hệ tọa độ Trong thuật toán SINS, để đưa ra các thông số cuối cùng, chúng ta cần các phép tính toán chuyển đổi qua các hệ tọa độ với nhau.
Sau đây học viên đưa ra một số ma trận chuyển đổi chính trong khi sử dụng thuật toán SINS.1 Ma trận chuyển Euler Một vấn đề quan trọng khi xác định vật thể trong không gian 3 chiều đó là tọa độ của vật trong hệ tọa độ Đề Các hoặc là 3 góc Euler [5]. 3 góc Euler Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng bộ lọc Kalman TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 Các góc Euler (, , ) (Hình 4) thay thế cho ba chuyển động quay kết hợp, di chuyển hệ trục tham chiếu đến một hệ trục ta đang xét. Các chuyển động thành phần là chuyển động quanh một trục, có thể là , hoặc .