Tổng quan luận án

Việt Nam là quốc gia ven biển với hơn 3.000 km bờ biển và diện tích vùng biển lớn gấp 3 lần diện tích đất liền. Các quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa giữ vị trí trọng yếu về kinh tế, hàng hải và quốc phòng - an ninh. Nhằm khẳng định và thực hiện các định hướng chiến lược của Đảng và Nhà nước, Hội nghị lần thứ 4 Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa X đã ban hành Nghị quyết số 09/NQ-TW về "Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020", tiếp đó Hội nghị Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XII ban hành Nghị quyết số 36/NQ-TW ngày 22/10/2018 về "Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045". Để nâng cao năng lực bảo vệ chủ quyền biển, đảo theo Công ước Liên Hợp Quốc về Luật Biển năm 1982 (UNCLOS 1982), ngày 29/5/2013, Bộ trưởng Bộ Quốc phòng đã ký Quyết định thành lập Lữ đoàn tàu ngầm 189 thuộc Quân chủng Hải quân, được trang bị các tàu ngầm diesel - điện lớp KILO 636.

Trong hoạt động tác chiến và hành quân ngầm, công tác dẫn đường (navigation - được định nghĩa theo từ điển Oxford là quá trình hành động hoặc xử lý liên tục để xác định vị trí chính xác của con tàu, lập kế hoạch và điều khiển hành trình theo kế hoạch đã lập) giữ vai trò then chốt đối với sự an toàn của tàu. Dẫn đường cho tàu ngầm có hai đặc thù phân biệt so với tàu mặt nước:

  1. Tàu mặt nước chỉ cần định vị trong không gian hai chiều ($XY$ - kinh độ, vĩ độ), trong khi tàu ngầm phải định vị trong không gian ba chiều ($XYZ$ - kinh độ, vĩ độ và độ sâu $Z$ hướng xuống dưới).
  2. Tàu mặt nước và tàu ngầm khi đi nổi luôn duy trì khả năng thu nhận tín hiệu từ hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS). Tuy nhiên, khi hành trình ngầm dưới độ sâu kính tiềm vọng, nước biển làm suy giảm hoàn toàn sóng điện từ, khiến tín hiệu vệ tinh bị ngắt quãng; tàu ngầm phải hoàn toàn dựa vào hệ thống dẫn đường quán tính (INS) cùng các phương thức bổ trợ độc lập.

Hệ thống dẫn đường quán tính có ưu điểm là làm việc hoàn toàn tự trị, liên tục cung cấp vị trí, hướng và tư thế của tàu mà không phát tín hiệu ra môi trường ngoài và không bị ảnh hưởng bởi tác chiến điện tử. Tuy nhiên, nhược điểm cốt lõi của INS là sai số vị trí tích lũy theo thời gian do hiện tượng trôi dạt của cảm biến con quay và sai số gia tốc kế. Về bản chất, INS là phương pháp dẫn đường dự tính, đòi hỏi phải được hiệu chỉnh định kỳ bằng các nguồn thông tin quan trắc có độ chính xác cao hơn. Các tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất nước ngoài giữ kín thuật toán và mô hình tính toán do yêu cầu bảo mật công nghệ và quân sự. Đồng thời, Việt Nam chưa có hệ thống vệ tinh định vị quân sự riêng như các cường quốc quân sự trên thế giới, do đó việc nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác dẫn đường cho tàu ngầm khi hành trình ngầm trong điều kiện thực tế của khu vực Biển Đông là một yêu cầu kỹ thuật cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm 2 nội dung:

  1. Phân tích làm rõ nguyên nhân gây ra sai lệch trong xác định vị trí tàu bằng các hệ thống dẫn đường quán tính được lắp đặt trên tàu ngầm.
  2. Trên cơ sở các trang thiết bị đã có với sai số của hệ thống dẫn đường, tính toán và đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác dẫn đường cho tàu ngầm ở chế độ đi ngầm.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm:

  • Hệ thống dẫn đường quán tính được trang bị trên các tàu ngầm;
  • Đặc điểm địa hình đáy biển và thủy văn khu vực Biển Đông;
  • Các phương pháp dẫn đường theo hệ thống dẫn đường quán tính cho tàu ngầm;
  • Tác động của các yếu tố ngoại cảnh đến độ chính xác dẫn đường tàu ngầm.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian và chế độ hoạt động: Hành trình ngầm của tàu ngầm trong khu vực Biển Đông, chú trọng bảo đảm tính bí mật quân sự và an toàn hàng hải.
  • Các yếu tố ngoại cảnh khảo sát: Lực thủy tĩnh, áp lực nước, mật độ nước và dòng chảy biển tác động lên thân tàu ngầm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tình hình nghiên cứu quốc tế về thiết bị và công nghệ dẫn đường phương tiện ngầm ghi nhận nhiều công trình tiêu biểu:

  • Giáo sư Thor I. Fossen (Đại học Khoa học và Kỹ thuật Na Uy - NTNU) trong công trình Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control (2011) đã xây dựng khung lý thuyết toàn diện về thủy động lực học phương tiện thủy, phân tách mô hình chuyển động 6 bậc tự do thành các hệ thống con chuyển động dọc và ngang, đồng thời đánh giá tác động của gió và dòng chảy [49].
  • Antonio Angrisano (2010) thực hiện luận án tiến sĩ GNSS/INS Integration Methods, nghiên cứu phương pháp tích hợp hệ thống định vị vệ tinh và dẫn đường quán tính sử dụng cảm biến chi phí thấp trên phương tiện đường bộ [21].
  • Griffin Michael James (2002) với luận án tiến sĩ Numerical prediction of the maneuvering characteristics of submarines operating near the free surface tập trung dự báo số đặc tính điều động của tàu ngầm khi hoạt động gần mặt nước tự do chịu tác động của lực và mô men thủy động [29].
  • Kenneth Gade (2016) bảo vệ luận án tiến sĩ Inertial Navigation - Theory and Applications tổng hợp các công trình tại Viện Nghiên cứu Quốc phòng Na Uy (FFI) từ năm 1998 đến 2016, tập trung vào phương tiện ngầm tự hành HUGIN kết hợp INS với GPS, tốc độ kế Doppler (DVL) và định vị thủy âm [34].
  • Aleksey Vladimirovich Lochekhin (Лочехин, А. В., 2013) nghiên cứu tích hợp mô đun quán tính trên con quay tĩnh điện và cảm biến vi cơ (MEMS) cho phương tiện ngầm [59].
  • Yuliya Aleksandrovna Litvinenko (Литвиненко, Ю. А., 2016) nghiên cứu tối ưu hóa thuật toán hệ thống dẫn đường quán tính nhằm tăng cường độ tin cậy cho phương tiện thủy [58].
  • Geoffrey P. Carrigan (2006) thiết kế công cụ hỗ trợ ra quyết định cho sĩ quan chỉ huy tàu ngầm [28]; Erik Lind và Magnus Meijer (2003) nghiên cứu mô phỏng phương trình chuyển động và điều khiển mô hình tàu ngầm trong phòng thí nghiệm [27].
  • Về các chương trình công nghệ: Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Hoa Kỳ (DARPA) phát triển hệ thống định vị POSYDON (Positioning System for Deep Ocean Navigation) sử dụng nguồn âm thanh đa dải dài đặt cố định dưới đáy đại dương [68]; Tập đoàn Oceanpribor (Nga) chế tạo hệ thống "Positioner" kết hợp thiết bị lặn không người lái ANPA, phao thủy âm và vệ tinh Gonets-D1M/GLONASS [72]; Bộ Quốc phòng Vương quốc Anh phát triển la bàn lượng tử (quantum compass) dựa trên hiệu ứng nguyên tử với từ trường Trái đất [74].

Tại Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đã được triển khai ở một số khía cạnh:

  • Nghiên cứu thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển bám hướng cho AUV cỡ nhỏ dùng bộ điều khiển PID tuyến tính [6];
  • Nghiên cứu thiết kế điều khiển chuyển động cho AUV/ASV với chuẩn SysML-Modelica và Automate lai [14];
  • Võ Hồng Hải (2010) mô phỏng điều khiển hướng đi và độ sâu phương tiện ngầm 6 bậc tự do bằng mạng nơ-ron ANNAI [7];
  • Nguyễn Quang Huy (2015) nghiên cứu mô phỏng hệ thống dẫn đường quán tính bằng MATLAB phục vụ đào tạo tại Học viện Hải quân [10], [11], [17];
  • Lê Văn Kỷ (2016) nghiên cứu cấu tạo và thuật toán hệ thống dẫn đường quán tính không đế (SINS) [12];
  • Các thử nghiệm thực tế của Trường Đại học Nha Trang, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội về tàu lặn điều khiển từ xa; mô hình tàu ngầm 1 người lái của Phan Bội An [64] và tàu ngầm mini Trường Sa sử dụng động cơ không khí tuần hoàn độc lập (AIP) của Nguyễn Quốc Hòa [20].

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định: Các công bố quốc tế không tiết lộ thuật toán chi tiết do bảo mật quân sự và bí mật thương mại, đồng thời chưa thử nghiệm trong điều kiện môi trường thực tế tại Biển Đông. Các nghiên cứu trong nước trước đây mới dừng lại ở mô hình AUV cỡ nhỏ, mô phỏng lý thuyết hoặc thiết kế cơ khí đơn lẻ, chưa giải quyết bài toán dẫn đường tổng thể cho tàu ngầm hải quân hoạt động ngầm dài ngày trong điều kiện tự nhiên đặc thù của vùng biển Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên khung lý thuyết chuyển động học và động lực học phương tiện thủy cùng nguyên lý dẫn đường quán tính:

  • Ký hiệu quy ước mô tả chuyển động tàu ngầm trong 6 bậc tự do theo chuẩn của Hiệp hội Đóng tàu Mỹ (SNAME 1950).
  • Hệ tọa độ sử dụng: Hệ tọa độ quán tính địa tâm ECEF ($G_0x_0y_0z_0$), hệ tọa độ vật thể BODY ($Gxyz$) gắn với thân tàu, và hệ tọa độ dẫn đường cục bộ NED (North - East - Down). Việc chuyển đổi giữa hệ tọa độ địa lý, NED và ECEF thực hiện trên cơ sở ellipsoid Trái đất chuẩn WGS84 thông qua các hàm tính toán geodetic2ned và ned2ecef của phần mềm MATLAB.
  • Mô hình toán học phương trình chuyển động thủy động học của tàu ngầm không thứ nguyên theo công trình của Fossen (2011), mô tả các lực và mô men tác động dọc trục $X$, ngang trục $Y$, thẳng đứng trục $Z$, phân tách thành hệ thống con chuyển động dọc (các biến $u, w, q$ và tọa độ $N, D, \theta$) và hệ thống con chuyển động ngang (các biến $v, p, r$ và tọa độ $E, \phi, \psi$).
  • Lý thuyết dẫn đường quán tính: Hệ thống dẫn đường quán tính hoàn chỉnh được cấu thành từ Khối cảm biến quán tính (ISA gồm 3 gia tốc kế GTK và 3 cảm biến con quay CQ), Khối đo quán tính (IMU tích hợp bộ chuyển đổi ADC, bộ xử lý CPU để bù nhiệt và rung xóc) và Máy tính hàng hải thực hiện thuật toán tích phân vận tốc góc và gia tốc, kết hợp các bộ lọc Kalman (KF) hoặc Kalman mở rộng (EKF).
  • Lý thuyết dẫn đường tích hợp INS/GNSS, INS/DVL và dẫn đường thủy âm (Long Baseline - LBL, Short Baseline - SBL sử dụng đài mốc transponder và responder).

Các phương pháp nghiên cứu cụ thể được triển khai:

  • Phương pháp phân tích, tổng hợp: Hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học tàu ngầm, lý thuyết sai số hệ thống quán tính và phân tích các đặc trưng hải văn, địa hình đáy biển khu vực Biển Đông.
  • Phương pháp tham vấn chuyên gia: Trao đổi ý kiến với các chuyên gia hàng hải, sĩ quan chỉ huy và giảng viên chuyên ngành nhằm xác định quy trình tác nghiệp và các yêu cầu kỹ thuật dẫn đường ngầm.
  • Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin: Xây dựng giải thuật và lập trình phần mềm chuyên dụng "Xử lý thông tin vị trí tàu" trên máy tính để tự động hóa quá trình tính toán hệ số chính xác $K_c$, tính toán dạt dòng và xác định vị trí tàu có mật độ xác suất lớn nhất.
  • Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế qua phiếu hỏi: Thu thập ý kiến đánh giá của cán bộ, sĩ quan khai thác để kiểm chứng tính năng, giao diện và độ tin cậy của phần mềm đề xuất.

Nguồn tư liệu và dữ liệu:

  • Tài liệu hải đồ, dữ liệu độ sâu và sơ đồ dòng chảy tầng mặt mùa đông, mùa hè khu vực Biển Đông;
  • Dữ liệu mô phỏng tham số thủy động lực học tàu ngầm và thông số kỹ thuật các hệ thống INS (có đế GINS, không đế SINS);
  • Số liệu đo đạc thực nghiệm phục vụ tính toán sai số vị trí và kiểm thử thuật toán phần mềm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Cơ sở lý luận về độ chính xác dẫn đường cho tàu ngầm

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động lực học tàu ngầm, các phương pháp dẫn đường và nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đường quán tính.

Về mô hình toán học, chuyển động của tàu ngầm được biểu diễn đầy đủ trong không gian 6 bậc tự do theo chuẩn SNAME (1950):

Bậc tự do Chuyển động Lực ($F$) và Mô men ($M$) Vận tốc tịnh tiến ($U$) và Vận tốc góc ($\Omega$) Vị trí và Góc Euler
1 Trượt dọc (surge - theo trục $x$) $X$ $u$ $x$
2 Trượt ngang (sway - theo trục $y$) $Y$ $v$ $y$
3 Trượt đứng (heave - theo trục $z$) $Z$ $w$ $z$
4 Lắc ngang (roll, heel - quanh trục $x$) $K$ $p$ $\phi$
5 Lắc dọc (pitch, trim - quanh trục $y$) $M$ $q$ $\theta$
6 Quay trở (yaw - quanh trục $z$) $N$ $r$ $\psi$

Quy ước hướng dương cho chuyển động ngang bao gồm: góc quay trở $\psi$, vận tốc ngang $U$ (phân rã thành $u = U\cos\beta$ và $v = -U\sin\beta$ với $\beta$ là góc dạt), vận tốc góc quay $r = d\psi/dt$ và góc đánh lái bánh lái hướng $\delta_r$. Đối với chuyển động dọc, góc lắc dọc $\theta$ thông thường đạt $20^\circ - 30^\circ$, nhưng khi hoạt động gần bờ bị giới hạn ở mức $5^\circ - 7^\circ$; vận tốc góc lắc dọc $q = d\theta/dt$, góc tới $\alpha$ và góc lặn biển $\gamma$.

Mô hình chuyển động được phân tích qua 3 trạng thái:

  1. Chuyển động tổng quát 6 bậc tự do: Thể hiện qua hệ phương trình vi phân phi tuyến tính có xét đến các hệ số dẫn xuất thủy động lực không thứ nguyên ($X'{qq}, X'{rr}, Y'_r, Z'_w...$).
  2. Chuyển động gần bề mặt: Bổ sung thành phần lực và mô men của sóng cấp 1 và cấp 2 ($Z_{wave}, M_{wave}$), lực thủy động tác dụng lên bánh lái và hiệu ứng Venturi.
  3. Chuyển động ngầm và trạng thái thả trôi cân bằng tĩnh: Khi lặn ngầm, tàu chịu tác động của trọng lực $W = mg$, lực nổi $B = \rho g V$, lực nổi dư $\Delta = W - B$ (khi $\Delta > 0$ tàu chìm, $\Delta < 0$ tàu nổi, $\Delta = 0$ tàu lơ lửng cân bằng) và mô men phục hồi thủy tĩnh $-mgh\sin\theta$. Ở trạng thái thả trôi cân bằng tĩnh không sử dụng chân vịt, phương trình chuyển động rút gọn mô tả biến thiên độ sâu $\dot{H} = w$, vận tốc lặn $\dot{w}$ và gia tốc góc lắc dọc $\dot{q}$ phụ thuộc vào các lực mất cân bằng ngoài $Z_0(t)$, lực nén $Z_1(t)$, mật độ nước $Z_2(t)$, lực khoang chứa nước $Z_3(t)$ cùng các mô men $M_0, M_3$.

Về các phương pháp dẫn đường, tác giả phân chia theo chế độ hoạt động:

  • Khi đi nổi và ở độ sâu kính tiềm vọng: Sử dụng hệ thống GNSS (GPS của Mỹ, GLONASS của Nga), hệ thống NAVSAT, hệ thống xung - pha vô tuyến (LORAN, CHAYKA, OMEGA, ALPHA), thiên văn hàng hải (dùng sextant hoặc kính tiềm vọng), radar, sonar chủ động/bị động, nhận dạng mục tiêu ven bờ, hệ thống thông tin hải đồ điện tử (ECDIS), dẫn đường dự tính và hệ thống INS.
  • Khi đi ngầm: Dẫn đường dự tính, hệ thống INS, dẫn đường theo độ sâu đáy biển đã biết và hệ thống dẫn đường thủy âm (sử dụng đài mốc transponder/responder đáy biển với đường cơ sở dài LBL hoặc ngắn SBL, đạt độ chính xác từ vài mét đến decimet).

Về nguyên lý INS, hệ thống chuyển đổi gia tốc tuyến tính và vận tốc góc từ các cảm biến ISA thông qua máy tính hàng hải để thực hiện hai lần tích phân xác định vị trí. Tác giả phân tích chi tiết sơ đồ nguyên lý hệ thống INS có đế (GINS) - loại thiết bị phổ biến trên các tàu ngầm do Nga chế tạo - với các tham số bù vận tốc quay Trái đất $U$, bán kính cong ellipsoid ($R_X, R_Y, R_0, R_1, R_2$) và hiện tượng dao động chu kỳ Schuler.

Chương 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác dẫn đường cho tàu ngầm

Chương 2 phân tích định lượng và định tính ba nhóm yếu tố chính tác động làm suy giảm độ chính xác dẫn đường ngầm:

  1. Yếu tố ngoại cảnh khu vực Biển Đông:

    • Địa hình đáy biển Biển Đông có sự chênh lệch lớn giữa các vùng nước nông ven bờ và các rãnh sâu đại dương.
    • Chế độ dòng chảy tầng mặt biến động rõ nét theo hai mùa gió: Mùa đông dòng chảy có hướng chủ đạo Đông Bắc - Tây Nam, mùa hè có hướng chủ đạo Tây Nam - Đông Bắc, tạo ra các hoàn lưu cục bộ làm xuất hiện góc dạt $\beta$ lớn nếu không được bù trừ chính xác.
    • Biến thiên nhiệt độ, độ mặn và áp lực nước theo độ sâu dẫn đến sự thay đổi mật độ nước biển, làm thay đổi lực nổi $B$, lực nổi dư $\Delta$ và mô men thủy tĩnh tác dụng lên vỏ tàu, trực tiếp gây nhiễu động đến chuyển động ổn định của tàu ngầm.

  2. Yếu tố kỹ thuật và cấu tạo của hệ thống dẫn đường quán tính:

    • Sai số trong quá trình đồng chỉnh ban đầu (initial alignment), gồm sai số góc lệch đồng chỉnh theo trục Bắc ($\phi_N$), trục Đông ($\phi_E$) và sai lệch phương vị ($\phi_D$).
    • Sai số tích lũy của các cảm biến quán tính theo thời gian: Độ trôi dạt của con quay ($dr_m$) và sai số dịch chuyển không của gia tốc kế ($\nabla_m$).
    • Sai số động học phát sinh trong quá trình tàu cơ động: Hiện tượng chuyển động lắc đảo (sculling motion) trong gia tốc kế khi thân tàu dao động tần số cao, và sai số tích lũy khi tàu thực hiện chuyển động lượn vòng cơ động bắt mục tiêu.

  3. Yếu tố con người (thủy thủ đoàn):

    • Tác động của môi trường làm việc kín, áp lực tâm lý trong điều kiện lặn dài ngày và mức độ căng thẳng (stress) đối với khả năng tập trung của sĩ quan hàng hải (thể hiện qua Biểu đồ 2.1). Mức độ stress quá cao hoặc quá thấp đều làm tăng xác suất sai sót trong thao tác nhập tham số ban đầu, tính toán dạt dòng và hiệu chỉnh thiết bị.

Chương 3. Các giải pháp nâng cao độ chính xác dẫn đường cho tàu ngầm trong khu vực Biển Đông

Chương 3 đề xuất hệ thống giải pháp đồng bộ gồm ba nhóm:

  1. Nhóm giải pháp kỹ thuật tích hợp:

    • Kết hợp hệ thống INS và hệ thống định vị vệ tinh GNSS sử dụng bộ lọc Kalman: Phân tích hai cấu trúc kết hợp lỏng lẻo (loosely coupled) và kết hợp chặt (tightly coupled) để hiệu chỉnh tức thời sai số tọa độ của INS mỗi khi tàu nổi lên độ sâu kính tiềm vọng.
    • Kết hợp hệ thống INS và tốc độ kế Doppler tuyệt đối (INS/DVL) qua bộ lọc Kalman: Khi đi ngầm, tín hiệu vận tốc đáy từ DVL cung cấp thông tin tham chiếu độc lập, giúp hạn chế sự tăng trưởng sai số vận tốc và tọa độ của INS.
    • Các giải pháp kỹ thuật bổ trợ khác: Khảo sát đặc tính lan truyền âm trong môi trường nước biển, tối ưu hóa bố trí cụm máy thu âm trên thân tàu ngầm, xây dựng hệ thống hải đồ chuyên dùng cho tàu ngầm và tái cấu trúc luồng trao đổi thông tin tại Khoang điều khiển chính của tàu ngầm.

  2. Nhóm giải pháp huấn luyện và tổ chức tác nghiệp:

    • Phương pháp tính toán hệ số độ chính xác $K_c$ và xác định xác suất định vị vị trí tàu theo sai số cho trước nhằm xác định ranh giới khu vực nguy hiểm.
    • Thuật toán xác định vị trí tàu và vị trí tàu có mật độ xác suất lớn nhất.
    • Chuẩn hóa quy trình lập kế hoạch đi biển và kế hoạch xác định vị trí tàu thông qua hệ thống biểu mẫu tác nghiệp: Bảng "KẾ HOẠCH HÀNH TRÌNH", Bảng "KẾ HOẠCH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU" và Bảng ghi chép tư liệu chuyến đi.
    • Đổi mới nội dung huấn luyện nhằm giúp sĩ quan, thủy thủ khai thác làm chủ các trang thiết bị hàng hải hiện có.

  3. Nhóm giải pháp công nghệ thông tin - Phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu":

    • Xây dựng phần mềm chuyên dụng hỗ trợ chỉ huy tàu ngầm: Thiết lập lưu đồ thuật toán, giao diện nhập liệu tham số ban đầu, mô-đun tính toán hệ số $K_c$, mô-đun tính toán góc dạt dòng chảy (hỗ trợ nhập tự động hoặc thủ công), mô-đun tính toán xác suất vị trí tàu ứng với các góc lặn và độ sâu công tác, và hiển thị trực quan thông tin tọa độ.
    • Đánh giá kết quả ứng dụng phần mềm thông qua khảo sát thực tế bằng phiếu hỏi đối với cán bộ, giảng viên và sĩ quan chuyên trách, xác nhận tính tiện dụng và độ chính xác tính toán của chương trình.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về động lực học 6 bậc tự do của tàu ngầm và nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đường quán tính (đặc biệt là hệ thống INS có đế), tạo tài liệu cơ sở phục vụ công tác nghiên cứu, đào tạo chuyên ngành Khoa học Hàng hải và huấn luyện sĩ quan chỉ huy tàu ngầm.
  • Làm rõ bản chất và cơ chế tác động của các yếu tố ngoại cảnh đặc trưng tại khu vực Biển Đông (lực thủy tĩnh, áp lực nước, mật độ nước thay đổi theo độ sâu và quy luật dòng chảy theo mùa) đến độ ổn định chuyển động và độ chính xác của hệ thống dẫn đường quán tính tàu ngầm.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng:

  • Đề xuất quy trình chuẩn hóa công tác lập kế hoạch đi biển và kế hoạch xác định vị trí tàu khi hành trình ngầm, hỗ trợ kíp hàng hải kiểm soát sai số tích lũy theo thời gian.
  • Thiết kế và lập trình thành công phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu", cung cấp công cụ tự động hóa việc tính toán hệ số chính xác $K_c$, tính toán dạt dòng và xác định vị trí tàu có mật độ xác suất lớn nhất, trợ giúp kịp thời cho chỉ huy tàu trong quá trình điều khiển tàu ngầm hành trình ngầm tại Biển Đông.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Ứng dụng phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu" và quy trình lập kế hoạch hành trình vào công tác huấn luyện tại Học viện Hải quân và các đơn vị tàu ngầm thuộc Quân chủng Hải quân.
  • Tiếp tục đầu tư nghiên cứu, khảo sát và xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa chi tiết về thủy văn, địa hình đáy biển và trường dòng chảy tầng sâu khu vực Biển Đông phục vụ dẫn đường quân sự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phạm vi khảo sát các yếu tố ngoại cảnh tập trung chủ yếu vào lực thủy tĩnh, áp lực, mật độ nước và dòng chảy tầng mặt; chưa đi sâu khảo sát các yếu tố dị thường trọng lực và dị thường địa từ dưới đáy biển sâu Biển Đông.
  • Phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu" hoạt động như một công cụ tính toán hỗ trợ độc lập trên máy tính, chưa được tích hợp trực tiếp vào phần mềm nhúng của hệ thống điều khiển trung tâm trên tàu ngầm do yêu cầu nghiêm ngặt về bí mật quân sự và cấu trúc đóng kín của trang thiết bị nhập khẩu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu phát triển các thuật toán lọc thích nghi phi tuyến (Unscented Kalman Filter - UKF, Particle Filter) trong việc kết hợp đa nguồn cảm biến INS/DVL/Thủy âm.
  • Nghiên cứu tích hợp cơ sở dữ liệu số hóa về trường địa từ và trọng lực biển vào phần mềm xử lý vị trí nhằm tạo thêm kênh hiệu chỉnh vị trí tự trị độc lập cho tàu ngầm khi hành trình ngầm dài ngày.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu: Tham khảo khung phương trình toán học chuyển động 6 bậc tự do của tàu ngầm, mô hình sai số hệ thống dẫn đường quán tính (GINS, SINS) và các giải thuật lọc Kalman tích hợp định vị.
  • Giảng viên các học viện, trường đại học hàng hải và quân sự: Sử dụng nội dung Chương 1 và Chương 2 làm tài liệu giảng dạy chuyên đề về dẫn đường quán tính, thủy văn quân sự và thiết bị hàng hải tàu ngầm.
  • Sĩ quan chỉ huy và cán bộ hàng hải tàu ngầm: Trực tiếp ứng dụng quy trình lập kế hoạch đi biển (các bảng kế hoạch hành trình, kế hoạch định vị), phương pháp tính toán hệ số $K_c$ và phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu" vào công tác chuẩn bị hành quân và tác nghiệp dẫn đường ngầm thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm khác biệt cơ bản giữa dẫn đường cho tàu ngầm và tàu mặt nước là gì?
Trả lời: Tàu mặt nước định vị trong không gian 2 chiều ($XY$ - kinh độ, vĩ độ) và liên tục quan sát được vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS). Tàu ngầm phải định vị trong không gian 3 chiều ($XYZ$ - bao gồm độ sâu $Z$ hướng xuống dưới); khi hành trình ngầm, tín hiệu vệ tinh bị mất hoàn toàn, tàu phải dựa vào hệ thống dẫn đường quán tính (INS) tự trị và các nguồn bổ trợ độc lập mà không được làm lộ vị trí bí mật.

2. Nguyên nhân chính gây ra sai số tích lũy của hệ thống dẫn đường quán tính (INS) trên tàu ngầm là gì?
Trả lời: Do hiện tượng trôi dạt của cảm biến con quay ($dr_m$), sai số dịch chuyển không và hệ số tỷ lệ của gia tốc kế ($\nabla_m$), sai số trong quá trình đồng chỉnh ban đầu ($\phi_N, \phi_E, \phi_D$), cùng các dao động động học như chuyển động lắc đảo (sculling motion) và chuyển động lượn vòng khi cơ động.

3. Khối cảm biến quán tính (ISA), khối đo quán tính (IMU) và hệ thống INS khác nhau như thế nào?
Trả lời: ISA là khối cảm biến cơ bản gồm 3 gia tốc kế và 3 cảm biến góc quay để chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu điện. IMU là ISA được tích hợp thêm bộ chuyển đổi ADC, bộ xử lý CPU và phần mềm nhúng để bù nhiệt và rung xóc. INS là hệ thống hoàn chỉnh gồm IMU kết hợp với Máy tính hàng hải chứa thuật toán dẫn đường, thực hiện các phép biến đổi tọa độ và thuật toán lọc Kalman tích hợp.

4. Dòng chảy khu vực Biển Đông tác động như thế nào đến dẫn đường tàu ngầm?
Trả lời: Dòng chảy Biển Đông biến động theo mùa (mùa đông hướng Đông Bắc - Tây Nam, mùa hè hướng Tây Nam - Đông Bắc), tạo ra vận tốc trôi dạt và góc dạt $\beta$ tác động lên thân tàu ngầm. Nếu không tính toán bù trừ chính xác góc dạt và tốc độ dòng, vị trí dự tính của tàu sẽ bị sai lệch đáng kể so với tuyến đi kế hoạch.

5. Phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu" do tác giả xây dựng có những chức năng chính nào?
Trả lời: Phần mềm có chức năng nhập dữ liệu thông tin vị trí, tính toán hệ số độ chính xác $K_c$, tính toán tham số dạt dòng (tự động hoặc thủ công), xác định xác suất vị trí tàu ứng với sai số cho trước và độ sâu công tác, và hiển thị tọa độ vị trí tàu có mật độ xác suất lớn nhất trợ giúp chỉ huy tàu điều khiển hành trình.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Nguyễn Quang Huy đã hệ thống hóa cơ sở lý luận về động lực học chuyển động 6 bậc tự do của tàu ngầm và nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đường quán tính trong môi trường biển. Công trình đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác dẫn đường ngầm tại Biển Đông, bao gồm đặc thù thủy văn - dòng chảy, sai số tích lũy của cảm biến quán tính và yếu tố thao tác của thủy thủ đoàn. Luận án đã đề xuất các giải pháp kỹ thuật tích hợp (INS/GNSS, INS/DVL), chuẩn hóa quy trình lập kế hoạch đi biển và xây dựng thành công phần mềm "Xử lý thông tin vị trí tàu", góp phần nâng cao độ chính xác dẫn đường và hỗ trợ công tác huấn luyện, sẵn sàng chiến đấu của lực lượng tàu ngầm Hải quân nhân dân Việt Nam.