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

Tuy nhiên do liên quan đến ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp chi tiết cho các hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình TAN, nhất là TAN sử dụng thiết bị định vị vô tu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Công trình được hoàn thành tại:

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Phản biện 3: TS Phan Nhật Giang

Học viện Kỹ thuật Quân sự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi …… ngày …… tháng

…… năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Viện KH&CN quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Gần đây, máy bay không người lái (UAV) đã trở thành nhân tố quan trọng, phát huy hiệu quả trong tác chiến hiện đại, nhưng khả năng hoạt động lại phụ thuộc nhiều vào các hệ thống định vị và dẫn đường trên khoang Việc nghiên cứu các phương pháp định vị và dẫn đường cho UAV

và thiết bị bay luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Tuy nhiên

do liên quan đến ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp chi tiết cho các hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình (TAN), nhất là TAN sử dụng thiết bị định vị vô tuyến (ĐVVT) trên khoang ít được công

bố rộng rãi, ở nước ta vẫn chưa được quan tâm nhiều Vì vậy, nghiên cứu phương pháp TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang cho UAV là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở nước ta hiện nay

Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài nghiên

cứu cho luận án tiến sĩ “Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương”

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất, sử dụng thiết bị ĐVVT, hàm tương quan cực trị (ECF) và hệ thống dẫn đường quán tính (INS)

- Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng dựa trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước của thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu hệ thống ĐVVT trên khoang theo bản đồ địa phương Xây dựng một số giải pháp và mô hình hệ thống ĐVVT cho UAV kiểu trực thăng (bay ở độ cao từ 100 - 500m, tốc độ bay dưới 80km/giờ) theo bản đồ địa phương ở Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Vận dụng lý thuyết định vị vô tuyến, xác suất thống kê và tính toán giải tích để xây dựng mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong bài toán định vị theo bản đồ địa phương Đánh giá kết quả bằng mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm thuật toán định vị trên phần cứng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đặt ra và giải quyết nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và khoa học trong xây dựng giải pháp định vị cho UAV theo bản đồ địa phương, cho phép cải thiện hiệu quả và độ tin cậy định vị Các kết quả đạt được của luận án phù hợp và đáp ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay và trong tương lai, mở ra các hướng nghiên cứu ứng dụng khả thi ở Việt Nam

6 Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án

1) Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích các cơ

sở toán học để xây dựng các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương 2) Đề xuất giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất

3) Xây dựng mô hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS 4) Xây dựng thuật toán định vị theo bản đồ địa phương, đề xuất phương pháp lựa chọn các tham số nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất định vị 5) Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra một

số khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung luận án gồm 3 chương: Chương 1 Tổng quan về hệ thống định vị và dẫn đường trên khoang cho UAV; Chương 2 Thông tin định vị vô tuyến và xây dựng giải pháp tạo bản đồ địa phương; Chương 3 Xây dựng mô hình hệ thống và giải pháp định vị theo bản đồ địa phương cho UAV

3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ

VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN KHOANG CHO UAV

1.1 Nhu cầu phát triển hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV

Sử dụng các hệ thống định vị và dẫn đường phức hợp, có thể hỗ trợ nhau trong nhiều tình huống tác chiến là xu thế phát triển của UAV và thiết bị bay hiện đại, đang đặt ra nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu

1.2 Hệ tọa độ trong các hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV

1.2.1 Hệ tọa độ tham chiếu vuông góc không gian

1.2.2 Hệ tọa độ địa lý toàn cầu WGS-84

1.2.3 Hệ quy chiếu tọa độ vuông góc phẳng

1.3 Hệ thống dẫn đường quán tính

1.3.1 Sơ đồ chức năng của hệ thống dẫn đường quán tính

1.3.2 Phương trình dẫn đường quán tính

1.3.3 Khả năng ứng dụng của INS và hệ thống dẫn đường kết hợp

INS hoạt động không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài, không bị gây nhiễu, nhưng tồn tại sai số tích lũy theo thời gian nên thường cần kết hợp với các 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 toàn cầu

1.4.2 Nguyên lý tính toán và định vị trong hệ thống GNSS

1.4.3 Độ chính xác định vị của hệ thống GNSS

Hệ thống GNSS có độ chính xác cao, dễ sử dụng nhưng chịu tác động bởi nhiều yếu tố, dễ bị gây nhiễu từ bên ngoài hoặc bị tạo giả

1.5 Hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình

1.5.1 Sự phát triển và ứng dụng của 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 hơn GNSS nhưng luôn cần có sự khác biệt về đặc trưng địa hình

1.5.2 Dẫn đường theo độ cao địa hình TERCOM và SITAN

TERCOM và SITAN là 2 phương pháp TAN điển hình, sử dụng đặc trưng đường bao độ cao địa hình để định vị cho phương tiện mang, đang được ứng dụng trên nhiều UAV và tên lửa hành trình

1.5.3 Dẫn đường theo bản đồ địa hình số DTM

Biểu diễn đặc trưng địa hình dạng bản đồ địa hình số (DTM) cho phép cải thiện độ chính xác và khả năng tính toán TAN sử dụng thiết bị ĐVVT

có thể hoạt động ở mọi ví trí, điều kiện thời tiết, khó bị gây nhiễu…

1.5.4 Phương pháp dẫn đường trong môi trường chưa biết SLAM

1.6 Một số nghiên cứu về dẫn đường tham chiếu địa hình

Trong các kết quả nghiên cứu đã công bố, việc xây dựng phương pháp

tự động định vị cho UAV theo đặc trưng phản xạ của bề mặt mặt đất sử dụng thiết bị ĐVVT vẫn còn một số vấn đề chưa được đề cập hoặc không được công bố rộng rãi, cần tiếp tục được nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn

1.7 Bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương

1.7.1 Đặt bài toán

Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo bản

đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất,

sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng dựa trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước của thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất

1.7.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán

Bài toán được giải trong những điều kiện và giới hạn sau:

- Tại thời điểm định vị, UAV trong giai đoạn bay bằng, ổn định trạng thái trên cơ sở dẫn đường INS (có mô hình sai số tọa độ theo thời gian có thể ước lượng trước), giữ độ cao và hướng bay đúng theo hành trình định trước Việc thu thập, phân tích tín hiệu phản xạ và xử lý thông tin định vị

có thể xem là quá trình dừng so với tốc độ tính toán

5

- Các thông số kỹ thuật của thiết bị ĐVVT trên khoang đã xác định trước và cố định trong suốt quá trình hoạt động, chức năng quét mặt đất của thiết bị ĐVVT có thể thực hiện chuẩn xác theo yêu cầu của hệ thống định vị Các tham số cung cấp cho hệ thống từ thiết bị ĐVVT và cảm biến trên khoang (trạng thái góc anten và độ cao bay) là đủ chính xác và tức thời

- Để phục vụ mô phỏng, thư viện bản đồ theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất (tại các khu vực và độ cao bay trong hành trình bay của UAV) sẽ được tạo bằng phương pháp giả định, được xem là đủ tin cậy và tương ứng với các thông số của thiết bị ĐVVT đã chọn Mô hình thống kê và phạm vi các yếu tố ngẫu nhiên tác động đến tín hiệu phản xạ có thể dự đoán Dữ liệu tra cứu từ các tài liệu tham khảo trong luận án là đủ độ tin cậy

1.7.3 Phương pháp, nội dung nghiên cứu và hướng giải quyết

1.8 Kết luận chương 1

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra một số nhận xét sau:

1 Để đáp ứng yêu cầu về khả năng tác chiến và các nhu cầu ứng dụng ngày càng cao của UAV và thiết bị bay, việc sử dụng các hệ thống dẫn đường phức hợp dựa trên dẫn đường INS, GNSS và TAN nhằm hỗ trợ nhau trong nhiều tình huống thực tế phức tạp, nâng cao độ chính xác, độ

ổn định và khả năng chống nhiễu là xu thế tất yếu

2 Dẫn đường TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang vẫn chưa được nghiên cứu nhiều, nhất là tại Việt Nam và ít được công bố rộng rãi do các yếu tố liên quan đến ứng dụng quân sự Các kết quả nghiên cứu theo hướng này cho UAV vẫn còn một số nội dung chưa được công bố, cần có những nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn

Do đó, bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương được đặt ra và giải quyết trong luận án có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Trên cơ sở đó, 5 nội dung nghiên cứu chính đã được đặt

ra và sẽ thực hiện trong các chương 2 và 3 của luận án

Chương 2 THÔNG TIN ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP TẠO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG

2.1 Đặc trưng phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất

2.1.1 Tính chất phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất

Kích thước phần tử phân giải mặt đất có thể tính theo biểu thức:

với Rc / 2 và B 2 .sin( / 2)R  tương ứng là độ phân giải theo cự ly

và phương vị của 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 trong không khí, R - cự ly đến vùng mặt đất chiếu xạ

Gọi H là độ cao của thiết vị ĐVVT so với mặt đất, ta có R = H / sin,

do đó diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của vùng mặt đất chiếu xạ là:

.2.cos

р t

P G Р

R L

 



trong đó: P p - công suất phát đỉnh, G - tăng ích anten,  - bước sóng xung

thăm dò, L - suy giảm công suất tín hiệu

Vì biểu thức (2.5) được sử dụng để tính RCS cho mục tiêu dạng bề mặt của mặt đất, thay  từ (2.5) và R = H / sin vào (2.13) ta nhận được:

.sin1

р t

2.1.3 Đặc trưng thống kê biên độ của tín hiệu phản xạ

Hàm mật độ xác suất (PDF) của biên độ tín hiệu phản xạ có dạng:

 - phương sai biên độ các thành phần phản xạ phụ

2.2 Sự suy giảm công suất tín hiệu phản xạ

2.2.1 Các yếu tố làm suy giảm công suất tín hiệu phản xạ

Suy giảm công suất tín hiệu phản xạ được chia thành:

trong đó: L dB c - suy hao cố định,L dB f - thăng giáng công suất

Với thiết bị ĐVVT trên khoang, suy hao cố định gồm:

2.2.2 Mô hình thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ

Từ (2.30), hàm PDF của biên độ tín hiệu phản xạ có các dạng sau:

- Phân bố Rice theo (2.30) nếu tín hiệu phản xạ gồm thành phần phản

xạ chính và các thành phần phụ

- Phân bố Reyleigh nếu tín hiệu phản xạ chỉ có các thành phần phụ

- Tiến tới phân bố Gaussian khi thành phần phản xạ chính rất mạnh hơn các thành phần phản xạ phụ

Đây là cơ sở cho việc thực hiện mô phỏng sự tác động của yếu tố thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ trong luận án

2.3 Bản đồ địa phương và bản đồ thăm dò

2.3.1 Xác định các tham số của phần tử phân giải mặt đất

- Kích thước phần tử phân giải mặt đất:

/ (2 cos ) / sin

2.3.2 Bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất

Bản đồ địa phương (M x N) pixel có thể biểu diễn dưới dạng ma trận tham chiếu A Ch gồm (M x N) phần tử

2.3.3 Bản đồ thăm dò, ma trận thăm dò và ma trận chuẩn

Để biểu diễn bản đồ thăm dò, có thể sử dụng ma trận thăm dò A TD gồm (m x n) phần tử Bài toán định vị theo bản đồ địa phương k quy về tìm

ma trận chuẩn A Ch-k-i,j trong ma trận tham chiếu A Ch-k giống nhất với ma

trận thăm dò A TD cùng kích thước, từ đó tìm được bộ chỉ số định vị (I, J)

2.4 Đề xuất giải pháp xây dựng bản đồ địa phương

2.4.1 Giải pháp xác định các tham số của bản đồ địa phương

1) Kích thước của phần tử phân giải bản đồ (d xk , d yk): xác định theo biểu thức (2.36) dựa trên các tham số chiếu xạ (, , H k , k, k)

2) Kích thước của bản đồ (D xk x D yk): được chọn sao cho, vùng bản đồ

thăm dò quét được luôn nằm trong bản đồ địa phương k tương ứng

3) Tọa độ gốc của bản đồ (x 0k , y 0k): chọn để tâm bản đồ địa phương nằm trên quỹ đạo bay định trước của UAV

4) Các giá trị hệ số phản xạ dBcủa các pixel bản đồ: xác theo biểu thức (2.37) hoặc dựa trên bản đồ phản xạ có độ phân giải cao:

1( ) ( )

9

2.4.2 Giải pháp xây dựng ma trận tham chiếu

Kích thước của ma trận tham chiếu có thể tính theo biểu thức:

int( / )int( / )

Mỗi phần tử ma trận tham chiếu A Ch (i, j) chính là hệ số phản xạ i j, ,

được xác định theo P t trong biểu thức (2.37) nhờ bộ biến đổi ADC:

( , ) int( 15 / )

trong đó, Max là hệ số phản xạ lớn nhất của bề mặt mặt đất

Do đó, mỗi byte bộ nhớ có thể lưu trữ được 2 phần tử của ma trận tham chiếu, cho phép hạn chế dung lượng bộ nhớ lưu trữ trên khoang

2.4.3 Giải pháp xây dựng bộ cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương

Tọa độ gốc (x 0k , y 0k ) được chọn sao cho bản đồ địa phương k có độ bất

đồng về hệ số phản xạ cao nhất Một số tham số của bản đồ địa phương được xác định dựa trên tốc độ sai số tọa độ của INS ( d IN S [m/s]) và giới hạn sai số tọa độ theo nhiệm vụ bay của UAV (d UAV [m]):

với V UAV - tốc độ bay trung bình của UAV

3) Số bản đồ địa phương K Max cần xây dựng cho một hành trình bay:

2.5 Xây dựng thuật toán và phần mềm tạo các bản đồ địa phương

2.5.1 Xây dựng thuật toán tạo các bản đồ địa phương

Hình 2.12 Lưu đồ thuật toán xây dựng các bản đồ địa phương

2.5.2 Xây dựng phần mềm tạo bản đồ địa phương

Với thuật toán đã đề xuất, phần mềm tạo các bản đồ địa phương có các độ phân giải khác nhau được xây dựng trên Visual Basic (hình 2.13)

Hình 2.13 Giao diện phần mềm xây dựng bản đồ địa phương

11

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật chính của thiết bị ĐVVT giả định

2 Tín hiệu phản xạ là biến ngẫu nhiên, chịu tác động của các yếu tố làm suy hao và thăng giáng công suất, ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy định vị theo bản đồ địa phương, cần được nghiên cứu và đánh giá chi tiết

3 Giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa phương dựa trên các thông số của thiết bị ĐVVT, mô hình sai số của INS và yêu cầu nhiệm vụ bay của UAV cho phép: tạo ra bộ cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT trên khoang UAV, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy định vị