Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ PHẠM VĂN HỊA VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI THEO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 Cơng trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thế Hiếu TS Lê Kỳ Biên Phản biện 1: PGS TS Trần Đức Tân Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS TS Lê Vĩnh Hà Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 3: TS Phan Nhật Giang Học viện Kỹ thuật Quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp Viện KH&CN quân vào hồi …… ngày …… tháng …… năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Viện KH&CN quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Gần đây, máy bay không người lái (UAV) trở thành nhân tố quan trọng, phát huy hiệu tác chiến đại, khả hoạt động lại phụ thuộc nhiều vào hệ thống định vị dẫn đường khoang Việc nghiên cứu phương pháp định vị dẫn đường cho UAV thiết bị bay thu hút quan tâm nhà khoa học Tuy nhiên liên quan đến ứng dụng quân sự, kết nghiên cứu giải pháp chi tiết cho hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình (TAN), TAN sử dụng thiết bị định vị vơ tuyến (ĐVVT) khoang công bố rộng rãi, nước ta chưa quan tâm nhiều Vì vậy, nghiên cứu phương pháp TAN sử dụng thiết bị ĐVVT khoang cho UAV cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn nước ta Xuất phát từ lý trên, nghiên cứu sinh chọn đề tài nghiên cứu cho luận án tiến sĩ “Về phương pháp giải toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo đồ địa phương” Mục tiêu nghiên cứu luận án - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương biểu diễn dạng hệ số phản xạ bề mặt mặt đất, sử dụng thiết bị ĐVVT, hàm tương quan cực trị (ECF) hệ thống dẫn đường quán tính (INS) - Thực nghiệm mơ thống kê máy tính thử nghiệm phần cứng dựa đồ địa phương giả định thông số cho trước thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu đề xuất Đối tượng, phạm vi nghiên cứu luận án Nghiên cứu hệ thống ĐVVT khoang theo đồ địa phương Xây dựng số giải pháp mơ hình hệ thống ĐVVT cho UAV kiểu trực thăng (bay độ cao từ 100 - 500m, tốc độ bay 80km/giờ) theo đồ địa phương Việt Nam Phương pháp nghiên cứu luận án Vận dụng lý thuyết định vị vơ tuyến, xác suất thống kê tính tốn giải tích để xây dựng mối liên hệ tốn học, đề xuất số giải pháp toán định vị theo đồ địa phương Đánh giá kết mơ thống kê máy tính thử nghiệm thuật toán định vị phần cứng Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án đặt giải nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết khoa học xây dựng giải pháp định vị cho UAV theo đồ địa phương, cho phép cải thiện hiệu độ tin cậy định vị Các kết đạt luận án phù hợp đáp ứng nhu cầu thực tiễn tương lai, mở hướng nghiên cứu ứng dụng khả thi Việt Nam Nội dung nghiên cứu bố cục luận án 1) Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích sở tốn học để xây dựng giải pháp định vị theo đồ địa phương 2) Đề xuất giải pháp, thuật toán phần mềm xây dựng đồ địa phương theo hệ số phản xạ bề mặt mặt đất 3) Xây dựng mơ hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương sử dụng thiết bị ĐVVT khoang, hàm ECF hệ thống INS 4) Xây dựng thuật toán định vị theo đồ địa phương, đề xuất phương pháp lựa chọn tham số nhằm nâng cao độ tin cậy hiệu suất định vị 5) Thực nghiệm mơ thống kê máy tính thử nghiệm phần cứng để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu, từ đưa số khuyến nghị với mơ hình hệ thống ĐVVT khoang cho UAV Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục cơng trình cơng bố tác giả, tài liệu tham khảo phụ lục, nội dung luận án gồm chương: Chương Tổng quan hệ thống định vị dẫn đường khoang cho UAV; Chương Thông tin định vị vô tuyến xây dựng giải pháp tạo đồ địa phương; Chương Xây dựng mơ hình hệ thống giải pháp định vị theo đồ địa phương cho UAV Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN KHOANG CHO UAV 1.1 Nhu cầu phát triển hệ thống định vị dẫn đường cho UAV Sử dụng hệ thống định vị dẫn đường phức hợp, hỗ trợ nhiều tình tác chiến xu phát triển UAV thiết bị bay đại, đặt nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu 1.2 Hệ tọa độ hệ thống định vị dẫn đường cho UAV 1.2.1 Hệ tọa độ tham chiếu vuông góc khơng gian 1.2.2 Hệ tọa độ địa lý tồn cầu WGS-84 1.2.3 Hệ quy chiếu tọa độ vng góc phẳng 1.3 Hệ thống dẫn đường quán tính 1.3.1 Sơ đồ chức hệ thống dẫn đường quán tính 1.3.2 Phương trình dẫn đường qn tính 1.3.3 Khả ứng dụng INS hệ thống dẫn đường kết hợp INS hoạt động không dựa vào nguồn tham khảo bên ngồi, khơng bị gây nhiễu, tồn sai số tích lũy theo thời gian nên thường cần kết hợp với hệ thống tham chiếu khác: định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS), TAN… 1.4 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 1.4.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh tồn cầu 1.4.2 Ngun lý tính toán định vị hệ thống GNSS 1.4.3 Độ xác định vị hệ thống GNSS Hệ thống GNSS có độ xác cao, dễ sử dụng chịu tác động nhiều yếu tố, dễ bị gây nhiễu từ bên bị tạo giả 1.5 Hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình 1.5.1 Sự phát triển ứng dụng dẫn đường TAN TAN sử dụng phép so ghép đặc trưng địa hình mặt đất để xác định tọa độ cho phương tiện mang Do hoạt động chủ động, TAN khó bị gây nhiễu GNSS ln cần có khác biệt đặc trưng địa hình 1.5.2 Dẫn đường theo độ cao địa hình TERCOM SITAN TERCOM SITAN phương pháp TAN điển hình, sử dụng đặc trưng đường bao độ cao địa hình để định vị cho phương tiện mang, ứng dụng nhiều UAV tên lửa hành trình 1.5.3 Dẫn đường theo đồ địa hình số DTM Biểu diễn đặc trưng địa hình dạng đồ địa hình số (DTM) cho phép cải thiện độ xác khả tính tốn TAN sử dụng thiết bị ĐVVT hoạt động ví trí, điều kiện thời tiết, khó bị gây nhiễu… 1.5.4 Phương pháp dẫn đường môi trường chưa biết SLAM 1.6 Một số nghiên cứu dẫn đường tham chiếu địa hình Trong kết nghiên cứu công bố, việc xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo đặc trưng phản xạ bề mặt mặt đất sử dụng thiết bị ĐVVT số vấn đề chưa đề cập không công bố rộng rãi, cần tiếp tục nghiên cứu chi tiết cụ thể 1.7 Bài toán tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương 1.7.1 Đặt toán Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương biểu diễn dạng hệ số phản xạ bề mặt mặt đất, sử dụng thiết bị ĐVVT khoang, hàm ECF hệ thống INS Thực nghiệm mơ thống kê máy tính thử nghiệm phần cứng dựa đồ địa phương giả định thông số cho trước thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu đề xuất 1.7.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu giới hạn toán Bài toán giải điều kiện giới hạn sau: - Tại thời điểm định vị, UAV giai đoạn bay bằng, ổn định trạng thái sở dẫn đường INS (có mơ hình sai số tọa độ theo thời gian ước lượng trước), giữ độ cao hướng bay theo hành trình định trước Việc thu thập, phân tích tín hiệu phản xạ xử lý thơng tin định vị xem q trình dừng so với tốc độ tính tốn - Các thơng số kỹ thuật thiết bị ĐVVT khoang xác định trước cố định suốt trình hoạt động, chức quét mặt đất thiết bị ĐVVT thực chuẩn xác theo yêu cầu hệ thống định vị Các tham số cung cấp cho hệ thống từ thiết bị ĐVVT cảm biến khoang (trạng thái góc anten độ cao bay) đủ xác tức thời - Để phục vụ mô phỏng, thư viện đồ theo hệ số phản xạ bề mặt mặt đất (tại khu vực độ cao bay hành trình bay UAV) tạo phương pháp giả định, xem đủ tin cậy tương ứng với thông số thiết bị ĐVVT chọn Mơ hình thống kê phạm vi yếu tố ngẫu nhiên tác động đến tín hiệu phản xạ dự đốn Dữ liệu tra cứu từ tài liệu tham khảo luận án đủ độ tin cậy 1.7.3 Phương pháp, nội dung nghiên cứu hướng giải 1.8 Kết luận chương Dựa kết nghiên cứu, rút số nhận xét sau: Để đáp ứng yêu cầu khả tác chiến nhu cầu ứng dụng ngày cao UAV thiết bị bay, việc sử dụng hệ thống dẫn đường phức hợp dựa dẫn đường INS, GNSS TAN nhằm hỗ trợ nhiều tình thực tế phức tạp, nâng cao độ xác, độ ổn định khả chống nhiễu xu tất yếu Dẫn đường TAN sử dụng thiết bị ĐVVT khoang chưa nghiên cứu nhiều, Việt Nam cơng bố rộng rãi yếu tố liên quan đến ứng dụng quân Các kết nghiên cứu theo hướng cho UAV số nội dung chưa cơng bố, cần có nghiên cứu chi tiết cụ thể Do đó, tốn tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương đặt giải luận án có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Trên sở đó, nội dung nghiên cứu đặt thực chương luận án Chương THÔNG TIN ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP TẠO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG 2.1 Đặc trưng phản xạ sóng vơ tuyến bề mặt mặt đất 2.1.1 Tính chất phản xạ sóng vơ tuyến bề mặt mặt đất Kích thước phần tử phân giải mặt đất tính theo biểu thức: d x   R / cos   c. / (2cos  ) (2.1)  d y   B  2.R.sin( / 2)  R. với  R  c. /  B  2.R.sin( / 2) tương ứng độ phân giải theo cự ly phương vị thiết bị ĐVVT,  - độ rộng búp sóng anten,  - độ rộng xung phát,  - góc chiếu xạ, c = 3.108 m/s - tốc độ truyền sóng điện từ khơng khí, R - cự ly đến vùng mặt đất chiếu xạ Gọi H độ cao thiết vị ĐVVT so với mặt đất, ta có R = H / sin, diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) vùng mặt đất chiếu xạ là:  H  c. (2.5)  2.cos  với  hệ số phản xạ bề mặt mặt đất chiếu xạ 2.1.2 Phương trình xác định hệ số phản xạ bề mặt mặt đất Dạng phổ biến phương trình radar ĐVVT có dạng: Рt  Pр G   (4 ) R L (2.13) đó: Pp - cơng suất phát đỉnh, G - tăng ích anten,  - bước sóng xung thăm dò, L - suy giảm cơng suất tín hiệu Vì biểu thức (2.5) sử dụng để tính RCS cho mục tiêu dạng bề mặt mặt đất, thay  từ (2.5) R = H / sin vào (2.13) ta nhận được: 2 Pр G   c. sin  (2.16) Pt   H L 128. cos  Trong phạm vi luận án, C  Pр G   c. sin  128. cos  số Từ biểu thức (2.16), hệ số phản xạ  xác định dạng đơn vị dB:  dB  Pt dB  C dB  3.H dB  LdB (2.20) Các phương trình (2.1) (2.20) sở để xây dựng đồ địa phương giải pháp định vị theo đồ địa phương 2.1.3 Đặc trưng thống kê biên độ tín hiệu phản xạ Hàm mật độ xác suất (PDF) biên độ tín hiệu phản xạ có dạng:  U  U 02   U U  U (2.30) f (U )  exp    I    2 2    2   đó: I  U U2      2 2  U U cos    d  hàm Bessel loại I bậc 0,  2   exp  U - biên độ tín hiệu phản xạ tổng hợp, U0 - biên độ thành phần phản xạ chính,  2 - phương sai biên độ thành phần phản xạ phụ 2.2 Sự suy giảm cơng suất tín hiệu phản xạ 2.2.1 Các yếu tố làm suy giảm cơng suất tín hiệu phản xạ Suy giảm cơng suất tín hiệu phản xạ chia thành: dB LdB  LdB c  Lf dB dB đó: Lc - suy hao cố định, L f - thăng giáng công suất (2.32) Với thiết bị ĐVVT khoang, suy hao cố định gồm: dB dB dB LdB c  La  Lant  LB dB a dB ant với L , L (2.33) dB B , L tương ứng suy hao khí quyển, dạng búp sóng anten hệ số độ rộng búp sóng anten 2.2.2 Mơ hình thăng giáng cơng suất tín hiệu phản xạ Từ (2.30), hàm PDF biên độ tín hiệu phản xạ có dạng sau: - Phân bố Rice theo (2.30) tín hiệu phản xạ gồm thành phần phản xạ thành phần phụ - Phân bố Reyleigh tín hiệu phản xạ có thành phần phụ - Tiến tới phân bố Gaussian thành phần phản xạ mạnh thành phần phản xạ phụ Đây sở cho việc thực mô tác động yếu tố thăng giáng cơng suất tín hiệu phản xạ luận án 2.3 Bản đồ địa phương đồ thăm dò 2.3.1 Xác định tham số phần tử phân giải mặt đất - Kích thước phần tử phân giải mặt đất:  d x  c. / (2 cos  )   d y  H  / sin  (2.36) - Hệ số phản xạ phần tử phân giải mặt đất: dB  dB  Pt dB  C dB  3.H dB  LdB c  Lf (2.37) 2.3.2 Bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ bề mặt mặt đất Bản đồ địa phương (M x N) pixel biểu diễn dạng ma trận tham chiếu ACh gồm (M x N) phần tử 2.3.3 Bản đồ thăm dò, ma trận thăm dò ma trận chuẩn Để biểu diễn đồ thăm dò, sử dụng ma trận thăm dò ATD gồm (m x n) phần tử Bài toán định vị theo đồ địa phương k quy tìm ma trận chuẩn ACh-k-i,j ma trận tham chiếu ACh-k giống với ma trận thăm dò ATD kích thước, từ tìm số định vị (I, J) 2.4 Đề xuất giải pháp xây dựng đồ địa phương 2.4.1 Giải pháp xác định tham số đồ địa phương 1) Kích thước phần tử phân giải đồ (dxk, dyk): xác định theo biểu thức (2.36) dựa tham số chiếu xạ (, , Hk, k, k) 2) Kích thước đồ (Dxk x Dyk): chọn cho, vùng đồ thăm dò qt ln nằm đồ địa phương k tương ứng 3) Tọa độ gốc đồ (x0k, y0k): chọn để tâm đồ địa phương nằm quỹ đạo bay định trước UAV dB 4) Các giá trị hệ số phản xạ  pixel đồ: xác theo biểu thức (2.37) dựa đồ phản xạ có độ phân giải cao: Q  i , j    i , j (q ).S (q) (2.39) q 1 đó, Q - số vùng đồng nằm pixel thứ (i, j), vùng có diện tích S(q) hệ số phản xạ đồng i,j(q) 11 Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật thiết bị ĐVVT giả định STT Thông số kỹ thuật Cơng suất phát đỉnh Bước sóng Độ rộng xung phát Độ rộng búp sóng Tăng ích anten Ký hiệu Pp    G Đơn vị dB m m độ dB Giá trị 30 0,03 0,1.10-6 12 Để tạo sở liệu đồ địa phương với tham số khác hình 2.16 phục vụ thực nghiệm mô phỏng, luận án chọn tham số thiết bị ĐVVT băng X giả định bảng 2.2 đồ phản xạ giả định dựa đồ khu vực sân bay Cát Bi (Hải Phòng) Hình 2.16 Các đồ địa phương độ cao bay khác 2.6 Kết luận chương Tính chất phản xạ sóng vơ tuyến bề mặt mặt đất, đặc trưng kích thước phần tử phân giải hệ số phản xạ, xác định dựa thông số cho trước thiết bị ĐVVT khoang Tín hiệu phản xạ biến ngẫu nhiên, chịu tác động yếu tố làm suy hao thăng giáng công suất, ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy định vị theo đồ địa phương, cần nghiên cứu đánh giá chi tiết Giải pháp, thuật toán phần mềm xây dựng đồ địa phương dựa thơng số thiết bị ĐVVT, mơ hình sai số INS yêu cầu nhiệm vụ bay UAV cho phép: tạo sở liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT khoang UAV, nâng cao hiệu suất độ tin cậy định vị 12 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ THEO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG CHO UAV 3.1 Một số phương pháp so ghép ma trận hệ thống TAN 3.1.1 Phương pháp sai số trung bình bình phương nhỏ  m n 2 MMSE ( I , J )  Min  ACh i , j ( p, q )  ATD ( p, q)     (i , j )  m.n p 1 q 1  (3.4) Gọi Kng ngưỡng định so ghép ma trận, MMSE(I, J) < Kng, việc xác định ma trận ACh-I,J đủ tin cậy có số định vị (I, J) 3.1.2 Phương pháp sai số tuyệt đối trung bình tối thiểu  m n  LMAE ( I , J )  Min  ACh i , j ( p, q)  ATD ( p, q)   (i , j )  m.n p 1 q 1  (3.8) Nếu LMAE(I, J) < Kng, việc xác định ma trận chuẩn ACh-I,J đủ tin cậy 3.1.3 Phương pháp tương quan cực trị m n      А ( p, q )  А   А ( p, q)  А   p 1 q 1  (3.11) rMax ( I , J )  Max   m n m n (i , j )    А ( p, q)  А    А ( p, q)  А 2   p 1 q 1  p 1 q 1 với: АCh  i,j , АTD giá trị trung bình phần tử ma trận ACh-i,j ATD Ch  i,j Ch  i,j Ch  i,j Ch  i,j TD TD TD TD Nếu rMax(I, J) > Kng, ma trận chuẩn ACh-I,J tìm đủ tin cậy 3.2 Xây dựng số giải pháp hệ thống định vị theo đồ địa phương cho UAV 3.2.1 Xác định thời điểm mở đầu dò định vị vơ tuyến khoang Cự ly từ UAV điểm M(xM, yM, zM) đến tâm đồ địa phương k: R  ( xM  xTk )  ( y M  yTk )  ( z M  zTk ) (3.15) Cự ly từ điểm bắt đầu mở đầu dò đến tâm đồ địa phương k là: Rk  Hk sin k (3.16) Giám sát cự ly R, bắt đầu xảy R  Rk, UAV thâm nhập vào đồ địa phương k thời điểm đầu dò thiết bị ĐVVT mở 13 3.2.2 Giải pháp xác định tọa độ UAV theo đồ địa phương Tọa độ UAV xác định theo biểu thức:  xM  x0 k  J d xk sin k  I d yk cos k  H k cot  k cos k   yM  y0 k  J d xk cos k  I d yk sin k  H k cot  k sin k (3.20) đó: (I, J) - số định vị, (dxk, dyk) - kích thước phần tử phân giải, (x0k, y0k) - tọa độ gốc đồ địa phương k, Hk - độ cao bay so với mặt đất, k - góc phương vị k - góc chiếu xạ 3.3 Xây dựng mơ hình hệ thống thuật toán định vị theo đồ địa phương cho UAV 3.3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống định vị vơ tuyến khoang Hình 3.3 Mơ hình hệ thống ĐVVT khoang cho UAV Khi UAV thâm nhập vào đồ thứ k, thiết bị ĐVVT phát xung thăm dò quét mặt đất để xác định (m x n) pixel đồ thăm dò, tạo ma trận thăm dò ATD Việc so ghép sử dụng hàm ECF tìm ma trận chuẩn ACh-k-i,j ma trận tham chiếu ACh-k giống với ma trận thăm dò ATD, xác định tọa độ UAV, làm thông tin hiệu chỉnh cho INS 3.3.2 Xây dựng thuật toán định vị theo đồ địa phương Trong thuật tốn định vị (hình 3.5), ngưỡng định so ghép Kng liên quan đến yêu cầu mức độ tin cậy định vị hệ thống ĐVVT Với hệ thống định vị sử dụng hàm ECF, yêu cầu độ tin cậy cao ngưỡng 14 Kng phải chọn gần Còn với phương pháp LMAE MMSE, Kng phải chọn gần Với nội dung “Thoát lặp”, luận án đề xuất giải pháp thích nghi nhằm bảo đảm độ tin cậy định vị: giám sát số lần định vị không đủ tin cậy để tăng giảm kích thước (m x n) ma trận thăm dò cách tự động, thích nghi với mức tác động thăng giáng cơng suất Lf Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán định vị theo đồ địa phương 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng định vị Chất lượng định vị mơ hình hệ thống ĐVVT (độ tin cậy thời gian thực định vị) chịu ảnh hưởng yếu tố: suy hao cố định, thăng giáng ngẫu nhiên phần tử ma trận thăm dò, phương pháp so ghép ma trận (ECF, LMAE MMSE) kích thước ma trận thăm dò (m x n) Do đó, đánh giá tác động yếu tố đến chất lượng định vị mơ hình hệ thống ĐVVT thuật tốn định vị cần thiết 15 3.3.4 Sai số phương pháp định vị theo đồ địa phương Sai số tọa độ định vị cho UAV tính theo biểu thức:   xM  1,5.( d xk sin  k  d yk cos k )    y M  1,5.( d xk cos k  d yk sin  k ) (3.24) 3.4 Xây dựng phương pháp đánh giá kết nghiên cứu 3.4.1 Phương pháp đánh giá kết dựa mô Monte-Carlo Để đánh giá thống kê tính hiệu quả, độ tin cậy định vị mơ hình hệ thống ĐVVT thuật toán định vị đề xuất, luận án sử dụng phương pháp Monte-Carlo thực Matlab với 1000 mẫu 3.4.2 Phương pháp đánh giá kết thử nghiệm phần cứng Dựa thuật toán định vị đề xuất, phần mềm định vị xây dựng ngôn ngữ C nạp cho chip ARM Kit STM32F4 Discovery (hình 3.8), thực theo phương pháp so ghép ma trận: MMSE, LMAE ECF Các ma trận thăm dò ma trận tham chiếu tạo từ phần mềm máy tính chương truyền cho Kit STM32F4 Discovery qua cổng RS232 Chip STM32F407VGT6 thực so ghép ma trận để tìm số định vị (I, J) xác định thời gian tính tốn định vị, truyền trở lại máy tính để thống kê, đánh giá Hình 3.8 Kit STM32F4 Discovery thử nghiệm thuật toán định vị 16 3.5 Đánh giá hiệu mơ hình hệ thống sử dụng hàm ECF 3.5.1 Đánh giá hiệu dựa xác suất định vị a Ma trận x b Ma trận x c Ma trận 11 x 11 d Ma trận 13 x 13 e Ma trận 15 x 15 f Ma trận 17 x 17 Hình 3.10 Xác suất định vị với phương pháp so ghép ma trận 17 Hình 3.10 biểu diễn số kết mô đánh giá xác suất định vị Pd theo mức thăng giáng ngẫu nhiên Lf cho phương pháp so ghép ma trận (ECF, LMAE MMSE) với mức suy hao Lc = 1,3dB Hình 3.10a với kích thước ma trận thăm dò (5 x 5), mức Lf = 1,0dB, Pd sử dụng hàm ECF cao MMSE khoảng 20% cao LMAE khoảng 30% Với kích thước ma trận thăm dò khác (hình 3.10b, c, d, e, f) cho kết Pd sử dụng hàm ECF cao sử dụng MMSE LMAE 3.5.2 Đánh giá hiệu dựa việc chọn ngưỡng so ghép ma trận Hình 3.11 biểu diễn số kết mơ giá trị ECF, LMAE MMSE theo thay đổi mức suy hao công suất Lc, với mức thăng giáng Lf = 0,5dB Các giá trị ECF  1, LMAE MMSE thay đổi tỷ lệ với Lc Do đó, việc chọn ngưỡng định so ghép ma trận Kng sử dụng phương pháp LMAE MMSE khó khăn so với sử dụng hàm ECF a Ma trận x b Ma trận x c Ma trận 13 x 13 d Ma trận 17 x 17 Hình 3.11 Ngưỡng định với phương pháp so ghép ma trận 18 3.5.3 Đánh giá thời gian tính tốn thuật tốn định vị Kết thử nghiệm Kit STM32F4 Discovery với kích thước ma trận tham chiếu (23 x 23) để xác định thời gian tính tốn định vị bảng 3.1 Thuật toán định vị sử dụng phương pháp MMSE ln cho thời gian tính tốn nhỏ (khoảng 5,5ms) Với phương pháp ECF LMAE, thời gian tính tốn gần tương đương nhau, tương ứng 14,7ms 14,6ms Bảng 3.1 Thời gian tính tốn định vị với phương pháp so ghép ma trận TT Kích thước ma trận thăm dò Ma trận thăm dò (5 x 5) Ma trận thăm dò (7 x 7) Ma trận thăm dò (9 x 9) Ma trận thăm dò (11 x 11) Ma trận thăm dò (13 x 13) Ma trận thăm dò (15 x 15) Ma trận thăm dò (17 x 17) Thời gian định vị trung bình ECF (ms) MMSE (ms) LMAE (ms) 15,2 17,7 18,8 18,2 15,5 11,3 6,3 14,7 4,2 6,0 7,1 7,3 6,4 4,8 2,8 5,5 10,6 15,7 18,9 19,5 17,3 13,0 7,4 14,6 3.6 Đánh giá độ tin cậy thuật toán định vị theo đồ địa phương 3.6.1 Tác động suy hao cơng suất tín hiệu phản xạ a Ma trận x với Lf =1,2dB b Ma trận x với Lf =2,5dB c Ma trận 13 x 13 với Lf =3,6dB d Ma trận 17 x 17 với Lf =5,0dB Hình 3.12 Xác suất định vị theo yếu tố suy hao công suất Lc 19 Mô tác động suy hao công suất Lc đến xác suất định vị Pd thực với mức thăng giáng công suất Lf không đổi Các kết mô cho thấy, Pd sử dụng hàm ECF gần không đổi khơng chịu ảnh hưởng Lc (hình 3.12) 3.6.2 Tác động thăng giáng cơng suất tín hiệu phản xạ a Ma trận x b Ma trận x c Ma trận 11 x 11 d Ma trận 13 x 13 e Ma trận 15 x 15 f Ma trận 17 x 17 Hình 3.13 Xác suất định vị theo yếu tố thăng giáng công suất Lf 20 Mô tác động thăng giáng cơng suất tín hiệu phản xạ Lf đến xác suất định vị Pd thực với suy hao Lc chọn không đổi Các kết mô cho thấy, Pd giảm nhanh tăng mức Lf Tuy nhiên, kích thước ma trận thăm dò lớn Pd cao Hình 3.13 số kết mô với Lc = 5,0dB: với ma trận thăm dò (5 x 5), Pd trì mức 90% với mức Lf khoảng 1,2dB (hình 3.13a) Ma trận (11 x 11) trì Pd = 90% với mức Lf = 3,5dB (hình 3.13c) ma trận (17 x 17) trì Pd = 90% với mức Lf = 6,1dB (hình 3.13f) 3.6.3 Vai trò kích thước ma trận thăm dò với độ tin cậy định vị Các kết mô tác động thăng giáng công suất Lf cho thấy vai trò kích thước ma trận thăm dò (m x n) với độ tin cậy định vị Nếu chọn ngưỡng Kng = 0,8 để đạt Pd > 90%, kích thước ma trận thăm dò ứng với mức thăng giáng Lf cao bảng 3.2 Nếu chọn (m x n) lớn (với m < M, n < N), độ tin cậy định vị cao thời gian tính tốn lớn Giải pháp lựa chọn thích nghi kích thước ma trận thăm dò (m x n) theo mức thăng giáng cơng suất tín hiệu phản xạ Lf thể tính hiệu mơ hình hệ thống ĐVVT khoang cho UAV theo đồ địa phương mà luận án đề xuất Bảng 3.2 Khả định vị kích thước ma trận với thăng giáng STT Kích thước ma trận (m x n) 5x5 7x7 9x9 11 x 11 13 x 13 15 x 15 17 x 17 Mức thăng giáng cao [dB] 1,2 2,1 2,8 3,5 4,2 5,3 6,1 Bên cạnh theo tính chất hàm ECF, kết so ghép ma trận phụ thuộc vào tổng số phần tử ma trận (tích m.n) mà không phụ thuộc vào số m n Hình 3.15 trường hợp mơ với ma trận thăm dò 36 phần tử, tương ứng có ba loại ma trận (6 x 6), (4 x 9) (9 x 4), xác suất định vị với ma trận thăm dò gần tương đương 21 a Ma trận (6 x 6) (4 x 9) b Ma trận (6 x 6) (9 x 4) Hình 3.15 Xác suất định vị với ma trận thăm dò 36 phần tử 3.7 Một số nhận xét khuyến nghị với mơ hình hệ thống ĐVVT 3.7.1 Nhận xét hiệu và độ tin cậy định vị Từ kết mô Monte-Carlo thử nghiệm phần cứng để đánh giá hiệu và độ tin cậy định vị mô hình hệ thống ĐVVT khoang thuật tốn định vị, rút số nhận xét sau: 1) Về hiệu định vị mơ hình hệ thống ĐVVT khoang cho UAV sử dụng hàm ECF mà luận án đề xuất so với phương pháp LMAE MMSE công bố nghiên cứu trước đây: - Khi có tác động yếu tố thăng giáng ngẫu nhiên cơng suất tín hiệu phản xạ Lf, mơ hình hệ thống sử dụng hàm ECF có độ tin cậy định vị cao so với sử dụng phương pháp LMAE MMSE - Với mức suy hao cơng suất tín hiệu phản xạ Lc thay đổi khó dự đốn trước, việc lựa chọn ngưỡng định Kng so ghép ma trận với phương pháp LMAE MMSE khó khăn so với sử dụng hàm ECF - Tuy nhiên, việc so ghép ma trận thuật tốn định vị sử dụng hàm ECF đòi hỏi tài nguyên để thực nhiều thời gian tính tốn lớn so với phương pháp LMAE MMSE 2) Độ tin cậy thuật toán định vị sử dụng hàm ECF không bị ảnh hưởng suy hao cố định Lc, chịu tác động đáng kể mức thăng giáng ngẫu nhiên Lf Giải pháp lựa chọn thích nghi kích thước ma trận 22 thăm dò (m x n) theo mức thăng giáng cơng suất Lf cho phép bảo đảm độ tin cậy thời gian tính tốn định vị Kết thử nghiệm phần cứng khẳng định tính khả thi công nghệ thực khả đáp ứng thời gian tính tốn thuật tốn định vị 3.7.2 Một số khuyến nghị với mơ hình ĐVVT khoang Với mơ hình hệ thống ĐVVT khoang theo đồ địa phương mà luận án đề xuất, độ xác định vị, độ tin cậy định vị thời gian tính tốn định vị tiêu quan trọng Tùy theo nhiệm vụ yêu cầu ứng dụng, luận án đưa số khuyến nghị sau: 1) Thiết bị ĐVVT khoang cảm biến góc chiếu xạ: băng tần cơng tác (hay bước sóng ), độ rộng xung phát  độ rộng búp sóng  thiết bị ĐVVT định độ tin cậy sai số định vị Độ ổn định thông số kỹ thuật thiết bị ĐVVT cảm biến góc chiếu xạ ảnh hưởng đến tồn tiêu hệ thống Do đó, luận án khuyến nghị chọn thiết bị ĐVVT băng X, thông số kỹ thuật có độ ổn định cao, sử dụng cảm biến góc xác, tiếp tục nghiên cứu ứng dụng số kỹ thuật để cải thiện độ phân giải (như: nén xung, radar SAR…) 2) Thiết bị dẫn đường quán tính INS hệ thống điều khiển bay: sai số tọa độ INS theo thời gian ảnh hưởng đến việc xây dựng đồ địa phương xác định thời điểm mở đầu dò thiết bị ĐVVT Độ xác hướng bay k độ cao bay Hk ảnh hưởng đến độ tin cậy sai số định vị Tùy theo nhiệm vụ điều kiện ứng dụng hệ thống ĐVVT khoang, lựa chọn thiết bị INS có độ xác phù hợp, hệ thống điều khiển bay cần trì độ xác theo hành trình trước tác động từ bên 3) Xây dựng quỹ đạo bay định trước lập toán bay cho UAV: liên quan đến việc xây dựng sở liệu đồ địa phương cho hệ thống ĐVVT Luận án khuyến nghị ưu tiên chọn đồ địa phương có độ bất đồng cao hệ số phản xạ Trong số trường hợp, điều chỉnh việc chọn quỹ đạo bay định trước cho UAV để chọn đồ địa phương 23 4) Chọn ngưỡng định so ghép ma trận: tùy theo yêu cầu độ tin cậy định vị, chọn ngưỡng Kng phù hợp (các kết mô thực với Kng = 0,8), kết hợp với chọn kích thước ma trận thăm dò (m x n) 5) Lựa chọn kiểu ma trận thăm dò: để bảo đảm tính tương đồng hình học pixel đồ thăm dò, luận án khuyến nghị chọn ma trận thăm dò dạng ma trận vuông (m = n) 3.8 Kết luận chương Trước tác động làm suy hao thăng giáng ngẫu nhiên cơng suất tín hiệu phản xạ, mơ hình hệ thống ĐVVT sử dụng hàm ECF cho hiệu độ tin cậy định vị cao phương pháp LMAE MMSE Giải pháp lựa chọn kích thước ma trận thăm dò theo mức thăng giáng cơng suất phản xạ cho phép cải thiện chất lượng hệ thống ĐVVT khoang, bảo đảm độ tin cậy thời gian tính tốn định vị Kết thử nghiệm phần cứng khẳng định tính khả thi cơng nghệ thực khả đáp ứng thời gian tính tốn thuật toán định vị đề xuất KẾT LUẬN A Các kết nghiên cứu luận án Với mục tiêu, đối tượng, phạm vi nội dung nghiên cứu đặt giải luận án, rút số nhận xét sau: 1) Để đáp ứng yêu cầu khả tác chiến nhu cầu ứng dụng UAV thiết bị bay, hệ thống dẫn đường khoang cần xây dựng theo hướng phức hợp, có sử dụng hệ thống ĐVVT khoang, nhằm nâng cao độ xác, độ ổn định khả chống nhiễu 2) Việc xác định kích thước phần tử phân giải, hệ số phản xạ bề mặt mặt đất phân tích yếu tố tác động sở quan trọng để giải toán định vị cho UAV theo đồ địa phương 3) Giải pháp thuật toán xây dựng đồ địa phương dựa thông số thiết bị ĐVVT, mô hình sai số hệ thống INS yêu cầu 24 nhiệm vụ bay UAV cho phép tạo sở liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT khoang, nâng cao hiệu suất độ tin cậy định vị 4) Mơ hình hệ thống ĐVVT khoang cho UAV theo đồ địa phương, thuật toán định vị sử dụng hàm tương quan cực trị ECF giải pháp lựa chọn kích thước ma trận thăm dò theo mức thăng giáng cơng suất phản xạ cải thiện hiệu quả, độ tin cậy thời gian tính tốn định vị 5) Bằng thực nghiệm mơ thống kê máy tính thử nghiệm phần cứng, luận án đánh giá kết nghiên cứu, từ đưa số khuyến nghị với mơ hình hệ thống ĐVVT khoang đề xuất Các kết nghiên cứu luận án có tính mới, tính khoa học thực tiễn, đáp ứng nhu cầu cần thiết tương lai nước ta B Những đóng góp luận án 1) Đề xuất giải pháp, thuật toán phần mềm xây dựng đồ địa phương theo hệ số phản xạ bề mặt mặt đất dựa thông số thiết bị ĐVVT, làm sở liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT khoang 2) Đề xuất mơ hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương sử dụng thiết bị định vị vô tuyến khoang, hàm tương quan cực trị ECF hệ thống dẫn đường quán tính INS Mơ hình hệ thống thuật tốn định vị cho UAV kiểm nghiệm mô thống kê thực nghiệm phần cứng C Hướng nghiên cứu Hoàn thiện giải pháp thuật toán mà luận án xây dựng, thử nghiệm với điều kiện thực tế Từ đó, xây dựng đồ phản xạ bề mặt mặt đất có độ phân giải cao phạm vi toàn quốc, tạo sở liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT khoang cho UAV thiết bị bay Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống ĐVVT khoang theo đồ địa phương, sử dụng cho UAV cánh UAV tốc độ lớn theo hướng: sử dụng kỹ thuật thiết bị ĐVVT có độ phân giải cao, sử dụng phương pháp so ghép ma trận có chất lượng tốt hơn… DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Phạm Văn Hòa, Nguyễn Thế Hiếu, Lê Kỳ Biên (2011), “Về số phương pháp định vị dẫn đường cho phương tiện bay khơng người lái”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, Số đặc san, 8-2011, tr 45-52 Nguyễn Thế Hiếu, Phạm Văn Hòa (2011), “Nguyên lý xây dựng hệ thống đa cho phương tiện bay không người lái”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Số đặc san, 8-2011, tr 53-61 Phạm Văn Hòa, Nguyễn Thế Hiếu, Lê Kỳ Biên (2011), “Nghiên cứu phương pháp dẫn đường tự động khoang sử dụng ảnh địa hình cho phương tiện bay khơng người lái”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Số đặc san, 9-2011, tr 22-29 Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên (2015), “Giải pháp định vị theo đồ địa hình cho máy bay khơng người lái sử dụng radar khoang”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, Số đặc san Điện tử, 102015, tr 104-111 Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên (2017), “Mơ hình hệ thống định vị khoang theo đồ địa phương cho máy bay không người lái”, Hội thảo quốc gia “Ứng dụng công nghê cao vào thực tiễn”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, Số đặc san ACMEC, 7-2017, tr 136-143 ... cứu cho luận án tiến sĩ Về phương pháp giải toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo đồ địa phương Mục tiêu nghiên cứu luận án - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho. .. Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích sở tốn học để xây dựng giải pháp định vị theo đồ địa phương 2) Đề xuất giải pháp, thuật toán phần mềm xây dựng đồ địa phương theo hệ số... cập không công bố rộng rãi, cần tiếp tục nghiên cứu chi tiết cụ thể 1.7 Bài toán tự động định vị cho UAV theo đồ địa phương 1.7.1 Đặt toán Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho