Luận văn: Ứng dụng bộ lọc Kalman trong hệ thống GNSS - Phạm Thị Ngọc Oanh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman trong hệ thống GNSS nhằm nâng cao độ chính xác định vị và xử lý nhiễu tín hiệu hiệu quả.

• Tác giả: Phạm Thị Ngọc Oanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Ứng dụng của bộ lọc Kalman trong hệ thống GNSS
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng bộ lọc Kalman trong GNSS

Bộ lọc Kalman là thuật toán tối ưu được sử dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu không tuyến tính. Nó cung cấp ước lượng trạng thái tối ưu cho các hệ thống động dựa trên dữ liệu đo lường nhiễu. Trong hệ thống GNSS (Global Navigation Satellite System), tín hiệu vệ tinh thường bị nhiễu từ nhiều nguồn như nhiễu khí tượng, nhiễu đa đường, nhiễu nhiệt. Bộ lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác định vị bằng cách kết hợp dự báo trạng thái hệ thống với đo lường thực tế. Ứng dụng của nó trong GNSS bao gồm định vị động, điều hướng phương tiện, và giám sát vị trí thời gian thực. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh hiệu quả vượt trội của bộ lọc Kalman trong việc giảm sai số định vị so với các phương pháp truyền thống như bộ lọc trung bình trượt.

1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman

Bộ lọc Kalman hoạt động dựa trên hai giai đoạn chính: dự báo (prediction) và cập nhật (update). Ở giai đoạn dự báo, hệ thống sử dụng mô hình động học để ước lượng trạng thái tiếp theo dựa trên trạng thái hiện tại. Giai đoạn cập nhật sử dụng các phép đo thực tế từ cảm biến để điều chỉnh ước lượng, giảm thiểu sai số do nhiễu. Quá trình này được lặp lại liên tục, tạo ra ước lượng ngày càng chính xác. Trong GNSS, trạng thái ước lượng bao gồm vị trí, vận tốc, và thời gian. Độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng mô hình động học và độ tin cậy của phép đo.

1.2. Lịch sử phát triển trong GNSS

Bộ lọc Kalman lần đầu tiên được giới thiệu bởi Rudolf E. Kálmán vào năm 1960. Ngay sau đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không và vũ trụ nhờ khả năng xử lý tín hiệu nhiễu. Vào thập niên 1980, các nhà nghiên cứu bắt đầu tích hợp bộ lọc Kalman vào hệ thống GPS để cải thiện độ chính xác định vị. Sự ra đời của các hệ thống tăng cường vệ tinh như WAAS, EGNOS, và MSAS đã mở rộng ứng dụng của bộ lọc Kalman trong GNSS. Ngày nay, nó là thành phần không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống định vị hiện đại.

II. Phân tích vấn đề nhiễu tín hiệu GNSS

Tín hiệu GNSS thường bị nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau, dẫn đến sai lệch định vị đáng kể. Nhiễu đa đường (multipath) xảy ra khi sóng vệ tinh phản xạ qua các bề mặt như tòa nhà, núi, hoặc mặt đất trước khi đến anten thu. Nhiễu khí tượng bao gồm nhiễu từ mưa, tuyết, hoặc bão ion, gây ra sai số về biên độ và pha tín hiệu. Nhiễu nhiệt từ thiết bị thu cũng góp phần làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR). Những nhiễu này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định vị, đặc biệt trong môi trường đô thị hoặc khu vực có địa hình phức tạp. Việc loại bỏ nhiễu trở thành thách thức lớn trong ứng dụng thực tế của GNSS.

2.1. Các loại nhiễu tín hiệu GNSS

Nhiễu đa đường là loại nhiễu phổ biến nhất, xảy ra khi tín hiệu vệ tinh phản xạ qua nhiều đường truyền đến anten thu. Loại nhiễu này gây ra hiện tượng méo tín hiệu, dẫn đến sai số định vị có thể lên đến hàng mét. Nhiễu khí tượng bao gồm nhiễu từ mưa, tuyết, hoặc ionospheric scintillation, gây ra biến đổi nhanh chóng về biên độ và pha tín hiệu. Nhiễu nhiệt sinh ra từ chính thiết bị thu, phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động và chất lượng bộ khuếch đại. Mỗi loại nhiễu đòi hỏi các phương pháp xử lý khác nhau để giảm thiểu tác động.

2.2. Ảnh hưởng đến độ chính xác định vị

Nhiễu tín hiệu GNSS trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác định vị bằng cách làm sai lệch ước lượng vị trí. Trong môi trường đô thị, nhiễu đa đường có thể gây ra sai số lên đến 10 mét hoặc hơn. Nhiễu khí tượng gây ra biến đổi nhanh chóng về tín hiệu, làm giảm độ tin cậy của phép đo. Nhiễu nhiệt ảnh hưởng đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, giảm khả năng phát hiện tín hiệu yếu. Những sai số này tích lũy theo thời gian, đặc biệt nguy hiểm trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như hàng không, hàng hải, và điều khiển phương tiện tự hành.

III. Giải pháp ứng dụng bộ lọc Kalman trong GNSS

Bộ lọc Kalman cung cấp giải pháp hiệu quả để khắc phục nhiễu tín hiệu trong GNSS nhờ khả năng ước lượng trạng thái tối ưu. Đầu tiên, mô hình động học của phương tiện hoặc vật thể cần được xây dựng chính xác. Các phép đo từ GNSS được kết hợp với mô hình này để dự báo trạng thái tiếp theo. Trong giai đoạn cập nhật, bộ lọc điều chỉnh ước lượng dựa trên độ tin cậy của phép đo, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. Để nâng cao hiệu quả, bộ lọc có thể kết hợp với các bộ lọc khác như bộ lọc nhiễu đa đường hoặc bộ lọc thích ứng. Các thuật toán cải tiến như bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) hoặc bộ lọc Kalman không nhiễu (UKF) được sử dụng cho các hệ thống phi tuyến tính.

3.1. Cải tiến thuật toán cho hệ thống phi tuyến

Hệ thống GNSS thường có tính phi tuyến tính cao do nhiễu đa đường và biến đổi khí tượng. Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) là phiên bản cải tiến đầu tiên, sử dụng xấp xỉ tuyến tính cho các hệ thống phi tuyến. Tuy nhiên, EKF gặp khó khăn khi xử lý nhiễu không Gaussian hoặc nhiễu có phân bố không xác định. Bộ lọc Kalman không nhiễu (UKF) ra đời để giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng phương pháp Unscented Transform, cung cấp ước lượng chính xác hơn cho các hệ thống phi tuyến. UKF không yêu cầu linearization, do đó giảm thiểu sai số ước lượng.

3.2. Tích hợp với các hệ thống tăng cường vệ tinh

Các hệ thống tăng cường vệ tinh như WAAS, EGNOS, hoặc MSAS cung cấp tín hiệu hiệu chỉnh giúp cải thiện độ chính xác GNSS. Bộ lọc Kalman có thể tích hợp trực tiếp với những tín hiệu này để nâng cao hiệu quả ước lượng. Ví dụ, WAAS cung cấp tín hiệu hiệu chỉnh ionospheric, giúp giảm thiểu nhiễu khí tượng. Tín hiệu hiệu chỉnh này được sử dụng như đầu vào bổ sung trong giai đoạn cập nhật của bộ lọc Kalman. Việc tích hợp này giúp giảm sai số định vị xuống còn dưới 1 mét trong điều kiện lý tưởng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Bộ lọc Kalman đã chứng minh hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện độ chính xác định vị trong hệ thống GNSS. Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế cho thấy nó có thể giảm sai số định vị xuống mức chấp nhận được ngay cả trong môi trường nhiễu cao. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như hàng không, hàng hải, và điều khiển phương tiện tự hành, bộ lọc Kalman là giải pháp không thể thiếu. Các cải tiến thuật toán như EKF và UKF tiếp tục mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các hệ thống phi tuyến. Trong tương lai, sự kết hợp giữa bộ lọc Kalman và trí tuệ nhân tạo có thể mang lại những đột phá mới trong lĩnh vực định vị vệ tinh.

4.1. Đánh giá hiệu quả trong môi trường thực tế

Trong môi trường đô thị, nhiễu đa đường và nhiễu nhiệt là những thách thức lớn nhất đối với GNSS. Các thí nghiệm thực tế cho thấy bộ lọc Kalman có thể giảm sai số định vị từ 5-10 mét xuống còn 1-3 mét. Tại các khu vực có địa hình phức tạp như núi non, bộ lọc kết hợp với tín hiệu hiệu chỉnh từ hệ thống WAAS giúp cải thiện đáng kể độ chính xác. Trong ngành hàng không, bộ lọc Kalman được sử dụng rộng rãi để điều hướng máy bay, đảm bảo an toàn bay ngay cả trong điều kiện thời tiết xấu.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, bộ lọc Kalman có thể được tích hợp với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) để nâng cao khả năng xử lý nhiễu. Các thuật toán học sâu có thể được sử dụng để dự báo nhiễu và điều chỉnh bộ lọc theo thời gian thực. Ngoài ra, sự phát triển của các hệ thống vệ tinh thế hệ mới như GPS III và Galileo sẽ cung cấp tín hiệu mạnh mẽ hơn, giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ chính xác. Những tiến bộ này hứa hẹn sẽ mở rộng ứng dụng của bộ lọc Kalman trong các lĩnh vực mới như ô tô tự lái và thành phố thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Nội dung và kết quả Chương 4: Kết luận và kiến nghị. 3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu khái quát [15] 2. Chức năng hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không Hệ thống thiết bị dẫn đường hàng không là hệ thống thiết bị nhằm cung cấp thông tin cho tàu bay thông qua các máy thu được trang bị trên tàu bay, giúp người lái xác định được các thông tin sau: - Tàu bay đang ở đâu? - Tàu bay đang bay về hướng nào? - Tàu bay đang cách đài dẫn đường/ sân bay bao nhiêu dặm? - Tàu bay bay như thế nào? 2.

Lợi ích của việc sử dụng hệ thống GNSS Dẫn đường sử dụng GNSS có những lợi ích như sau: - Kết hợp các chức năng dẫn đường vào thành một hệ thống đơn dựa trên vệ tinh với một bộ đơn thiết bị điện tử hàng không và tận dụng hệ thống dẫn đường cũ cả trên không và mặt đất với sự tiết kiệm chi phí rất cơ bản. - Cải tiến mức độ an toàn và giảm bớt mức phân cách tối thiểu với kết quả là làm tăng khả năng tiếp nhận và năng lực của hệ thống. - Tính linh hoạt tăng lên giúp thực hiện việc dẫn đường chính xác bằng việc dùng các quỹ đạo hiệu quả, tối ưu và được người sử dụng lựa chọn. - Giảm bớt một cách đáng kể chi phí khai thác máy bay thông qua nhiều đường bay thẳng hơn.

- Mực bay tự động hóa cao hơn trong dẫn đường cho máy bay. - Báo cáo vị trí chính xác hơn cho phép có được hệ thống ATM chất lượng cao trong phạm vi toàn cầu. - Tăng khả năng tiếp nhận hạ cánh cho sân bay hiện không cung cấp phụ trợ tiếp cận chính xác. 4 Và chính vì vậy dẫn đường dựa vào thiết bị không gian đã và đang được sử dụng và chính là xu hướng chung của tương lai.

Trên quỹ đạo có những hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm vụ là xác định vị trí của những đối tượng trên mặt đất. Bất cứ ai, vật gì trên toàn cầu, khi mang theo một máy thu đặc biệt thì nhờ hệ thống vệ tinh này có thể biết được khá chính xác hiện tại mình đang ở vị trí nào trên trái đất. Người ta gọi đây là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global navigation satellite system). Tuy nhiên trong quá trình truyền tín hiệu, không thể tránh khỏi những sai số.

Bài toán giải quyết những sai số này thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu và đưa ra các giải pháp. Tuy nhiên, với bất cứ giải pháp nào thì tín hiệu nhận được cũng không thể nào là tuyệt đối. Việc lựa chọn bộ lọc nào tối ưu và phù hợp với các loại nhiễu giúp cho tín hiệu GNSS thu được sau khi lọc gần giống nhất với tín hiệu vệ tinh phát ra ban đầu chính là ý tưởng cho đề tài này. Với các loại bộ lọc khác nhau sẽ có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau.

Nhưng với những ưu điểm vượt trội, bộ lọc Kalman đang trở thành xu thế lọc tín hiệu GNSS hiện nay và tương lai. Giới thiệu chung các hệ thống dẫn đường vệ tinh Ngành hàng không luôn đưa ra những yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác. Độ an toàn cao luôn luôn là tiêu chí quan trọng nhất của ngành, nên các thiết bị kỹ thuật cao trở thành những thứ không thể thiếu. Trên thế giới có bốn hệ thống vệ tinh dẫn đường chính là: + GPS (Global Positioning System) + GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) + GALILEO (Mang tên nhà thiên văn học GALILEO) + COMPASS (Hệ thống vệ tinh Bắc Đẩu 2) + IRNSS – Hệ thống định vị tại khu vực của Ấn Độ, hoạt động bắt đầu từ năm 2013, có độ phủ ở Ấn Độ và bắc Ấn Độ Dương.

+ QZSS – Hệ thống định vị khu vực của Nhật Bản, phủ khắp châu Á và châu Đại Dương. 5 + DORRIS – do Trung tâm nghiên cứu không gian và viện địa lý Pháp (CNES) phát triển,… + EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) + WAAS (Wide Area Augmentation System) + MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) + GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation system) + NIGCOMSAT (Nigerian communication satellite),… Các hệ thống này được gọi tên chung là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS, Global Navigation Satellite System).1: Thông tin khái quát về các hệ thống vệ tinh dẫn đường chính [5] Đặc tính GPS GLONASS GALILEO COMPASS Tháng 2 – Tháng 10 – Tháng 12 – Tháng 4 – Lần đầu ra mắt 1978 1982 2005 2007 Hoạt động với đầy Tháng 2 – Tháng 10 – Dự kiến đến 2012, 2013 đủ các chức năng 1995 2011 năm 2020 28 (tính đến Số vệ tinh 30 30 35 năm 2000) Bán kính quỹ đạo 26.500 km Độ nghiêng quỹ 0 0 0 0 55 64,8 56 55 đạo Tách tín hiệu CDMA FDMA CDMA CDMA L1 =1575.1: Hệ thống vệ tinh dẫn đường 2. Hệ thống định vị toàn cầu GPS – Global Positioning System [17] Hệ thống GPS là sản phẩm của Bộ Quốc phòng Mỹ xây dựng vào năm 1978. Hệ thống này là một mạng gồm 28 vệ tinh Navstar (tính đến năm 2000) quay xung quanh trái đất tại độ cao 26.

Hệ thống đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh hoạt động để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất. Cấu trúc hệ thống GPS Hệ thống GPS gồm 3 thành phần: - Phần sử dụng: gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS. - Phần kiểm soát: bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con.

Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian 7 truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào. - Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và bay trên quỹ đạo.

Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD. Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số khác nhau. Nguyên lý hoạt động của GPS Vị trí của 1 điểm trên mặt đất, sẽ là tham chiếu so với vị trí của các vệ tinh và trung tâm tín hiệu trung gian mặt đất. Có nghĩa là vị trí của bạn sẽ được tính toán dựa trên khoảng cách từ nơi bạn đang đứng đến các vệ tinh và đến các trung tâm mặt đất.

Khoảng cách này được đo bằng công thức rất đơn giản, đó là: Quãng đường = Vận Tốc x Thời Gian Ở đây, vận tốc là vận tốc truyền tín hiệu (sóng), thời gian đo bằng đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cực cao. Vì thế, khi nhận đc tín hiệu từ vệ tinh, thiết bị sẽ tự tính toán ra khoảng cách giữa thiết bị và vệ tinh thông qua phương pháp trên. Theo lý thuyết, chỉ cần có 3 vệ tinh là có thể tính toán đc vị trí (tính ra tọa độ x, y, z trong không gian), tuy nhiên do có sai số nhất định nên hệ thống cần thêm 1 tham chiếu nữa, tức là thêm 1 vệ tinh nữa là 4 vệ tinh để có thể tính toán được chính xác. GPS tuy tính toán vị trí rất chính xác nhưng vẫn luôn luôn có sai số.

Sai số này có thể là vài mét hoặc vài trăm mét. Sai số hiển thị trên màn hình thiết bị chỉ là sai số có thể có dựa trên phân tích tín hiệu thu nhận được còn trong thực tế thì không thể biết được chính xác. Bởi vì các vệ tinh, trái đất và cả chúng ta đều di chuyển liên tục đồng thời trong thời gian thực. Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) [17] GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu) là hệ thống định vị vệ tinh do Lực lượng Phòng vệ Không gian của Nga điều hành.

Quỹ đạo vệ tinh GLONASS ở độ cao 25.508 km bao gồm 30 vệ tinh với góc o nghiêng 64. Một trong những vấn đề kỹ thuật quan trọng cần cân nhắc liên quan 8 đến hệ thống GLONASS. Đó là không giống với GPS và Galileo, trong khi cấu trúc tín hiệu của 2 hệ thống này sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, thì cấu trúc tín hiệu của GLONASS lại sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, chính vì vậy mà GLONASS lại thêm 1 lý do nữa để các nhà sản xuất thiết bị bỏ qua trong tương lai. Hệ thống GALILEO (Mang tên nhà thiên văn học GALILEO) [17] Galileo là câu trả lời của cộng đồng châu Âu đối với GPS, không giống như GPS và GLONASS, trong khi hai hệ thống này được đầu tư, quản lý và điều hành bởi các tổ chức quân sự theo yêu cầu của mỗi quốc gia thì hệ thống này lại được quản lý và điều hành bởi các tổ chức dân sự, kinh phí đầu tư để phát triển các hợp phần chính của hệ thống cũng như chi phí duy trì hệ thống được kêu gọi từ nguồn vốn thương mại.

Đây là hệ thống GNSS được thiết kế hướng tới mục tiêu phục vụ ứng dụng thương mại ngay từ bước khởi đầu. Galileo được thiết kế với 1 chùm gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) và toàn bộ các hợp phần mặt đất cần thiết phục vụ cho hệ thống. Quỹ đạo bay của các vệ tinh Galileo cao hơn một chút so với GPS, nhưng các nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với GPS. Theo công bố thì chùm vệ tinh của Galileo được thiết kế để tại bất kỳ thời điểm nào trong ngày, tại mọi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được ít nhất 8 vệ tinh.

Hệ thống CNSS (Compass Navigation Satellite System – Hệ thống vệ tinh Bắc Đẩu) [17] COMPASS (thế hệ thứ 2 của hệ thống Vệ tinh Bắc Đẩu) hay Bắc Đẩu 2, là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Trung Quốc gồm 35 vệ tinh, hiện tại vẫn còn đang được tạo dựng. Dự kiến, hệ thống sẽ được hoàn thành vào năm 2020.