Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Chương 2: Hệ thống IMU và các tính toán liên quan Trong chương này, sẽ trình bày một số khái niệm, định nghĩa Chương 3: Ứng dụng bộ lọc Kalman vào hệ thống INS Trong chương này, sẽ trình bày các nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị Chương 4: Mô hình và thực nghiệm Chương này sẽ trình bày kết quả thực nghiệm và một số nhận xét đánh giá về vấn đề đã được nghiên cứu. Giới thiệu Trong 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.
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 [3]. 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 đã được sử dụng. Năm 1978, hệ thống định vị tích hợp tối ưu đã được Sindlinger nghiên cứu và đặt tên là “CNS”, hệ định vị kết 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.
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu GPS [10] 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 thiết kế với mục đích ban đầu phục vụ cho quân sự và được điều hành bởi lực lượng Air Force của bộ quốc phòng Mỹ. Về sau này GPS đã được đưa 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. 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.
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. 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: - 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. 5 - 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, hệ thống định vị vệ tinh GPS đã được mở rộng trong rất nhiều lĩnh vực vì thiết bị thu GPS khá rẻ và dễ sử dụng, nhỏ gọn, tiêu tốn ít năng lượng. Hiện nay, nghiên cứu phát triển hệ GPS giá rẻ vẫn đang được tiến hành. 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 (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 ô tô, 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 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 [4] 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 6 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 [5], 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 40m 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 [6]. 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 [7]. 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 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. 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 [8]. 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 7 thống này lại sử dụng IMU giá rẻ.