Phương Pháp Ước Lượng Tư Thế Vệ Tinh Nhỏ Quan Sát Trái Đất Bằng Hợp Nhất Dữ Liệu Cảm Biến Tốc Độ Góc Và Cảm Biến Sao

• Tác giả: Ngô Duy Tân
• Người hướng dẫn: TS. Thái Quang Vinh
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Ước lượng tư thế vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất bằng việc hợp nhất hóa dữ liệu của cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tư thế vệ tinh
• 1.2. Các hệ tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh
• 1.3. Biểu diễn tư thế vệ tinh
• 1.3.1. Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng quaternion
• 1.3.2. Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng các vec-tơ Pivot
• 1.3.3. Sai lệch tư thế vệ tinh
• 1.3.4. Các chỉ tiêu chính của phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
• 1.3.5. Thuật toán ước lượng tư thế và những ràng buộc trên vệ tinh
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VỆ TINH VÀ CẢM BIẾN TƯ THẾ TRONG BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH
• 2.1. Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng và điều khiển tư thế vệ tinh
• 2.1.1. Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng
• 2.1.2. Luật điều khiển tư thế vệ tinh
• 2.2. Cảm biến tư thế vệ tinh
• 2.2.1. Cảm biến tốc độ góc
• 2.2.2. Cảm biến sao
• 3. CHƯƠNG 3: ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH BẰNG HỢP NHẤT DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN
• 3.1. Sơ đồ khối bộ ước lượng tư thế
• 3.2. Ước lượng tư thế bằng cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc sử dụng phương pháp trọng số
• 3.3. Sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF)
• 3.4. Các phương pháp ước lượng dựa trên thuật toán QUEST (Quaternion Estimation)
• 3.5. Ứng dụng phương pháp Pivot trong bài toán ước lượng tư thế vệ tinh
• 3.6. Phương pháp thích nghi
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ BÙ ĐỘ TRƯỢT CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC
• 4.1. Xây dựng bộ ước lượng tư thế có bù độ trượt
• 4.1.1. Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng trọng số
• 4.1.2. Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng bộ lọc Kalman mở rộng
• 5. CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ KHÁNG LỖI TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT
• 5.1. Thiết kế bộ ước lượng tư thế vệ tinh sử dụng bộ lọc Kalman
• 5.1.1. Nguyên tắc hoạt động
• 5.1.2. Điều chỉnh hệ số lọc
• 5.2. Sử dụng thuật toán fuzzy để điều chỉnh bộ lọc hợp nhất dữ liệu
• 5.3. Đề xuất cơ chế kháng lỗi cho ước lượng tư thế trên vệ tinh quan sát Trái đất
• 5.3.1. Mô phỏng vệ tinh ở chế độ tiêu chuẩn
• 5.3.2. Mô phỏng vệ tinh ở chế độ chụp ảnh
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Trong nghiên cứu về tư thế vệ tinh, việc hiểu rõ các khái niệm cơ bản là rất quan trọng. Tư thế vệ tinh không chỉ đơn thuần là hướng trỏ của vệ tinh mà còn bao gồm vận tốc góc quanh các trục trong hệ quy chiếu. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh, đặc biệt là trong việc chụp ảnh và thu thập dữ liệu. Độ chính xác trong việc xác định tư thế là yếu tố quyết định đến chất lượng hình ảnh và dữ liệu thu thập được. Các cảm biến như cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cần thiết cho việc điều khiển và xác định tư thế. Việc hợp nhất dữ liệu từ các cảm biến này giúp cải thiện độ tin cậy và chính xác của hệ thống.

1.1 Tư thế vệ tinh

Tư thế vệ tinh được định nghĩa là hướng trỏ của vệ tinh trong không gian và vận tốc góc của nó. Để thực hiện nhiệm vụ, vệ tinh cần phải có khả năng định hướng chính xác, chẳng hạn như hướng ăng-ten về phía trạm điều khiển và hướng các tấm pin mặt trời về phía Mặt Trời. Điều này không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động mà còn ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu thu thập. Các cảm biến như cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao là những thiết bị chính trong việc xác định tư thế. Việc hợp nhất dữ liệu từ các cảm biến này là cần thiết để đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong quá trình hoạt động của vệ tinh.

II. Mô hình vệ tinh và cảm biến tư thế

Mô hình động lực học của vệ tinh là một phần quan trọng trong việc ước lượng tư thế. Việc xây dựng mô hình này giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của vệ tinh trong không gian. Cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao là hai loại cảm biến chính được sử dụng để thu thập dữ liệu về tư thế. Cảm biến sao giúp xác định vị trí của vệ tinh dựa trên các ngôi sao, trong khi cảm biến tốc độ góc cung cấp thông tin về tốc độ quay của vệ tinh. Sự kết hợp giữa hai loại cảm biến này cho phép tạo ra một hệ thống ước lượng tư thế chính xác hơn. Việc sử dụng các thuật toán như bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) và thuật toán QUEST giúp tối ưu hóa quá trình ước lượng và cải thiện độ tin cậy của dữ liệu.

2.1 Cảm biến tốc độ góc

Cảm biến tốc độ góc là thiết bị quan trọng trong việc xác định tốc độ quay của vệ tinh. Nó cung cấp thông tin cần thiết để điều chỉnh tư thế của vệ tinh trong không gian. Độ chính xác của cảm biến này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều khiển và ổn định tư thế của vệ tinh. Việc sử dụng cảm biến tốc độ góc kết hợp với cảm biến sao giúp cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng tư thế. Các thuật toán xử lý dữ liệu từ cảm biến này cần phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất trong môi trường vũ trụ.

2.2 Cảm biến sao

Cảm biến sao là thiết bị giúp xác định vị trí của vệ tinh dựa trên các ngôi sao. Nó cung cấp thông tin về hướng trỏ của vệ tinh trong không gian. Sự kết hợp giữa cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc là rất quan trọng trong việc ước lượng tư thế. Cảm biến sao giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu thu thập được, đặc biệt trong các nhiệm vụ chụp ảnh và giám sát Trái đất. Việc sử dụng các thuật toán hợp nhất dữ liệu từ hai loại cảm biến này sẽ tạo ra một hệ thống ước lượng tư thế hiệu quả hơn.

III. Ước lượng tư thế vệ tinh

Ước lượng tư thế vệ tinh là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp của nhiều loại dữ liệu từ các cảm biến khác nhau. Việc sử dụng phương pháp hợp nhất dữ liệu từ cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Các thuật toán như bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) và thuật toán QUEST được áp dụng để xử lý và phân tích dữ liệu. Sự kết hợp này không chỉ giúp tối ưu hóa quá trình ước lượng mà còn đảm bảo rằng vệ tinh có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường vũ trụ khắc nghiệt. Việc phát triển các phương pháp ước lượng tư thế kháng lỗi cũng là một phần quan trọng trong nghiên cứu này.

3.1 Hợp nhất dữ liệu

Hợp nhất dữ liệu từ các cảm biến là một bước quan trọng trong quá trình ước lượng tư thế. Việc này giúp tạo ra một bức tranh tổng thể về tư thế của vệ tinh, từ đó cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu. Các thuật toán như EKF và QUEST được sử dụng để xử lý dữ liệu từ cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao. Sự kết hợp này cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, đặc biệt trong các tình huống mà một trong hai cảm biến gặp phải sự cố hoặc độ chính xác bị suy giảm.