Chương 1 Giới thiệu Trong bốn thập kỷ gần đây việc sử dụng công nghệ quán tính trong các mục đích quân sự và dân sự hàng không cũng như định vị cho các phương tiện chuyển động trên mặt đất đã tăng rất nhanh chóng. Trong những năm gần đây, thế giới tập trung vào nghiên cứu các hệ thống định vị quán tính có đáp ứng nhanh và giá thành rẻ [6]. Những năm 60 của thế kỷ trước, hệ thống định vị tích hợp đã được nghiên cứu, rất nhiều các loại cảm biến điện tử được sử dụng trong một hệ thống thu thập các thông tin cần thiết để tìm ra vị trí “liên tục” của các phương tiện chuyển động và làm giảm thiểu sai số của các cảm biến quán tính [34]. Hệ thống tích hợp bao gồm nhiều loại cảm biến định vị, cũng giống như khối đo lường quán tính, ra đa Doppler, và hệ định vị bằng sóng radio (TACAN) đã được sử dụng.
Năm 1978, Hệ thống định vị tích hợp tối ưu đã được Sindlinger nghiên cứu và đặt tên là “ Combined Navigation System ”- Hệ định vị tổng hợp- trong đó có sử dụng kết hợp hai hệ thống INS và GPS với nhau. Và sự phát triển của hệ định vị dẫn đường tích hợp này bắt đầu từ đó [4].1 Hệ thống định vị quán tính (INS) Hệ thống định vị quán tính INS hoạt động dựa trên nguyên tắc của các hiện tượng quán tính. “Trái tim” của hệ thống này là khối đo đường quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU). Những khối IMU thời kì đầu sử dụng những cảm biến quán tính hoạt động theo nguyên tắc cơ khí.
Những cảm biến cơ khí này thường có kích thước lớn, hoạt động kém hiệu quả, giá thành cao và tiêu thụ nhiều năng lượng; ứng dụng trong chủ yếu trong lĩnh vực quân sự. Xu hướng hiện tại đó là giảm kích thước cũng như giá thành của các hệ thông định vị quán tính trong các ứng dụng như định vị cá nhân, định vị xe car, phương tiện chuyển động không người lái (UAV) và trong hàng không. Các ưu điểm của công nghệ gyro quang (FOG) và công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã cho thấy những xu hướng phát triển các hệ thống tích hợp rất khả quan. So sánh với những hệ thống cao cấp, hệ thống INS giá rẻ có thể có sai số về vị trí và tư thế trong khoảng thời gian dài.
Nguyên nhân chủ yếu là do sự không chính xác các giá trị cảm biến đo được và do đó các TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 8 khối INS sử dụng các loại cảm biến này dễ bị ảnh hưởng bởi các sai số phi tuyến, đặc biệt là khi các sai số tư thế có giá trị lớn [83] Nếu độ chính xác của một khối INS giá rẻ được cải thiện, giá thành có thể được giảm xuống để đưa vào ứng dụng đại trà và có thể có nhiều ứng dụng phát triển mới. Việc căn chuẩn các thiết bị có thể làm cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống. Tuy nhiên, những phương pháp căn chuẩn phức tạp lại làm tăng giá thành của sản phẩm. Việc lựa chọn một phương pháp ước lượng xấp xỉ là vấn đề mấu chốt để phát triển hệ thống INS.
Đã có rất nhiều nhà nghiên cứu cố gắng làm tăng độ chính xác của hệ thống INS. Năm 2001, một phương pháp căn chuẩn mới đã được đề xuất [83], phương pháp này đã được phát triển và kiểm nghiệm rất cẩn thận. Phương pháp này không đòi hỏi phải đặt khối IMU lên một hệ họa độ cục bộ. Hơn thế, việc ước lượng độ lệch không (bias) của phương pháp này không bị ảnh hưởng bởi gia tốc trọng trường tham chiếu.
Gần như một nửa sai số vị trí có thể được loại bỏ bằng việc căn chuẩn các cảm biến gia tốc. Tất cả các thành phần tư thế tập trung trong ba phút với điều kiện non-holonomic 0.030 RMS có thể giảm thiểu sai số vị trí theo hướng ngang nhỏ hơn 40 m trong vòng 20 phút hoạt động. Do đó, INS giá rẻ có thể được sử dụng như một hệ thống định vị độc lập khi bị mất GPS trên 10 phút. Một phương pháp xử lý thống kê đã được đề xuất vào năm (2003) cho việc mô hình sai số của cảm biến trong hệ SINS [68].
Những đặc trưng ngẫu nhiên của hệ cảm biến trong hệ SINS có thể được xác định bằng việc tính toán chuỗi tương quan của dữ liệu thu trong thời gian dài. Xử lý tự hồi quy được sử dụng như một cách tiếp cận khác trong việc mô hình hóa các sai số lệch không của cảm biến SINS (residual bias). Các phương pháp tối ưu khác để xác định các thông số của mô hình tự hồi quy cũng đã được nghiên cứu; Kết quả cho thấy rằng thực hiện mô hình tự hồi quy có thể cải thiện kết quả tới 40% - 60% trong hệ SINS khi nó hoạt động đơn lẻ và 15% - 35% trong hệ SINS/DGPS khi mà bị mất GPS. Hơn thế, một phương pháp mới sử dụng các thông tin chuyển động của các vật thể trong việc giảm nhiễu trong các dữ liệu thô từ INS cảm biến đã được nghiên cứ vào năm 2007 [22].
Các vật thể chuyển động có thể cung cấp thêm các thông tin bổ trợ. Vì mô hình vật thể chuyển động có đặc tính như một bộ lọc thông thấp, cho qua các giá trị thô của cảm biến thu được và triệt nhiễu tần số cao. Quá trình lọc này được thực thi bằng việc sử dụng bộ lọc Kalman. Khi so sánh phương pháp này với những phương pháp loại bỏ nhiễu đã có các thông số của phương pháp này có ý nghĩa vật lý và có thể được TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 9 đánh giá trực tiếp từ bộ dữ liệu đã có.
Thêm vào đó, kiến thức tích lũy về động lực học có thể đóng góp vào việc triệt nhiễu. Thuật toán xác định tư thế với độ chính xác cao đã được giới thiệu vào năm 2001 [55], đặc tính động lực học của máy bay được dự đoán bằng một đa thức dự báo hai điểm tuyến tính (linear – two – point polynominal predictor) và được tổng hợp với một INS có độ chính xác trong thời gian ngắn. Mặt khác, chuyển động quán tính của máy bay được dự đoán bằng cách sử dụng toán tử dự đoán năm điểm cầu phương chiếu kính (quadratic five-point predictor) và kết hợp với GPS có độ chính xác trong thời gian dài. Sự kết hợp đa thức lồi hoặc tuyến tính của các toán tử dự đoán hai điểm tuyến tính và năm điểm cầu phương chiếu kính đã được thực hiện và kết quả kiểm nghiệm cho thấy rằng độ chính xác khi xác định tư thế của khối INS được cải thiện bằng việc sử dụng thông tin tư thế bổ trợ từ GPS.
Năm 2003, thiết kế và triển khai khối tích hợp gồm khối INS giá rẻ (sử dụng khối do lường quán tính IMU) kết hợp với compass từ số, GPS và một máy tính nhúng [47]. INS có thể đưa ra các thông tin ước lượng liên tục của về vị trí và hướng của vật chuyển động. Thường thì IMU có giá thành rất cao, tuy nhiên hệ thống này lại sử dụng IMU giá rẻ. Không may là giá rẻ cũng kéo theo sự kém chính xác và thiếu ổn định và cũng là lý do chính để cần phải tích hợp GPS, compass từ số và bộ lọc Kalman vào hệ thống.
Do đó, khối IMU sẽ sử dụng các cảm biến gia tốc, vận tốc góc, để nội suy trong khoảng thời gian 1 giây cập nhật vị trí từ GPS. Tất cả những phương trình định vị đã được đưa ra và thảo luận. Kết quả cho thấy còn rất nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu về INS. Năm 2005 Tính khả thi của thiết kế hệ định vị quán tính dự trên một cảm biến gia tốc đơn lẻ ( hoặc một cảm biến vận tốc góc tự do) để tính chuyển động tịnh tiến hoặc quay của một vật thể [15].
Các phương trình lối ra của cảm biến gia tốc được biểu diễn trong hệ tọa độ quán tính cố định. Một điều kiện quan trọng cần phải có đó là cấu hình của các cảm biến gia tốc. Nếu điều kiện thỏa mãn thì các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay có thể được tính toán một cách riêng biệt bằng các sử dụng hệ hai phương trình của một hệ thông động lực học: một phương trình trạng thái cho vận tốc góc và một phương trình lối ra cho gia tốc tịnh tiến. Các ảnh hưởng của sai số đo việc đặt vị trí và hướng của cảm biến gia tốc cũng được phân tích.
Các thuật toán để xác định và giảm thiểu sai số này cũng được phát triển.2 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 10 Hệ thống định vị toàn cầu được phát triển với mục đích định vị vị trí một cách chính xác tại bất cứ vị trí nào trên hoặc gần bề mặt trái đất bằng hệ thống vệ tinh bay xung quanh trái đất. Hệ thống này thiết kế do Bộ quốc phòng Mỹ ( Department of Defence ) thiết kế với mục đích ban đầu phục vụ cho quân sự [45] và được điều hành bởi lực lượng Air Force của bộ quốc phòng Mỹ. Về sau này GPS đã được đem ra phục vụ cho cả mục đích dân sự và định vị với độ chính xác từ hàng chục met cho đến hàng centimet phụ thuộc vào thiết bị đo, phương pháp tính toán định vị và môi trường truyền thông [80]. 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 [89].
Hệ thống GPS gồm 24 vệ tinh phóng lên quỹ đạo trái đất (hình 1. Những vệ tinh này bay phía trên trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu vô tuyến tần số thấp tới các thiết bị thu nhận.1: Quỹ đạo bay của các vệ tinh GPS GPS đã được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau. Cùng với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật thì giá thành và độ chính xác của các đầu thu GPS đã được cải thiện nhanh chóng trong vòng hai mươi năm trở lại đây. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Liên Bang Nga cũng có một hệ thống định vị vệ tinh có tên GLONASS.
Liên minh châu Âu cũng đang nghiên cứu hệ thống định vị vệ tinh cho riêng mình. Điểm cơ bản để xác định vị trí của vật thể là xác định thời gian truyền từ vệ tinh GPS đến thiết bị thu GPS. Sai số của phương pháp đinh vị GPS chủ yếu là do 7 nguyên nhân dưới đây [104].