Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa bản đồ (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TRUNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THƠNG MINH ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TRUNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THÔNG MINH ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Trường Xuân TS Đào Ngọc Long HÀ NỘI - 2018 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Trần Trung Chun ii Lời cảm ơn Luận án tiến sĩ kỹ thuật phủ Việt Nam hỗ trợ phần kinh phí thơng qua Đề án 911 thực Bộ môn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai hỗ trợ Bộ môn Tin học trắc địa, Khoa Công nghệ thông tin, hỗ trợ mặt thủ tục Phòng Đào tạo sau đại học, Trường đại học Mỏ - Địa chất, hỗ trợ thực nghiệm Phòng thí nghiệm Địa tin học, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng thí nghiệm Vi điện tử Vi hệ thống, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn đơn vị, tổ chức giúp đỡ thời gian nghiên cứu Luận án thực hướng dẫn, hợp tác hỗ trợ số cá nhân đóng góp nhiều cho việc chuẩn bị hoàn thành nghiên cứu Trước hết xin chân thành cảm ơn NGƯT.PGS.TS Nguyễn Trường Xuân TS Đào Ngọc Long trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, ln sẵn lòng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình nghiên cứu Tôi biết ơn PGS.TS Đỗ Ngọc Đường PGS.TS Đặng Nam Chinh giúp tơi có ý tưởng ban đầu đề tài nghiên cứu, chia sẻ cho nhiều kinh nghiệm hiểu biết Tôi biết ơn PGS.TS Trần Đình Trí ln quan tâm giúp đỡ từ thời gian chuẩn bị hoàn thành luận án Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Xuân Trường, PGS.TS Trần Vân Anh TS Trần Trung Anh quan tâm sâu sắc, đạo sát sao, tạo điều kiện giúp đỡ tích cực chia sẻ nhiều hiểu biết cho nghiên cứu sinh Tôi biết ơn GS.TSKH Phan Văn Lộc, TS Trần Thùy Dương chia sẻ cho nhiều hiểu biết liên quan đến nội dung nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Sáng, TS Đinh Cơng Hòa, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, PGS.TS Nguyễn Văn Trung, TS Phạm Quốc Khánh, TS Nhữ Việt Hà góp ý chân thành thẳng thắn, giúp cho luận án tơi hồn thiện tốt Xin chân thành cảm ơn GS.TS Trương Xuân Luận, PGS.TS Phạm Vọng Thành, iii TS Diêm Cơng Hồng, ThS Nơng Thị Oanh giúp đỡ, động viên hỗ trợ Tôi biết ơn GS.TS Bùi Tiến Diệu, làm việc University College of Southeast Norway phản hồi, hợp tác sáng tạo đóng góp nhiều cho nghiên cứu tơi Nhờ có TS Nguyễn Thị Mai Dung, TS Lê Hồng Anh, TS Dương Thành Trung mà thường xuyên hợp tác nghiên cứu, trao đổi thảo luận kết nghiên cứu Tôi biết ơn PGS.TS Trần Đức Tân, phó trưởng khoa Điện tử - Viễn thơng, Trường Đại học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ, thảo luận giải thích số kết nghiên cứu hiểu biết sâu sắc mà PGS chia sẻ Tôi xin chân thành cảm ơn nhà nghiên cứu: ThS Nguyễn Đình Chinh làm việc Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ trình sử dụng thiết bị thu thập liệu hiệu chuẩn cảm biến; ThS Phạm Anh Dũng làm việc Leica Geosystems, KS Phùng Thanh Tùng làm việc Công ty cổ phần thiết bị khảo sát Việt Nam, ThS Đào Xuân Vương, ThS Nguyễn Đức Hạnh làm việc Công ty Cổ phần Dịch vụ Thương mại Khảo sát Hà Đông KS Trần Hữu Đức giúp xác định tuyến tham chiếu công nghệ RTK với máy thu Trimble R2; KS Nguyễn Đạt Quảng KS Quách Mạnh Tuấn làm việc Công ty TNHH Máy đo đạc Miền Bắc KS Bùi Tiến Dũng, giúp sử dụng UAV để bay chụp xử lý ảnh khu vực thử nghiệm Tôi xin cảm ơn tất bạn tơi có nhiều thời gian vui vẻ ngồi làm việc hội lớp, kỳ nghỉ, bóng đá, khoảnh khắc thư giãn khác, để sau tơi tập trung vào nghiên cứu tốt Cuối cùng, tơi muốn nói lời cảm ơn đặc biệt tới vợ Mai Ngọc Liên, gái Trần Mai Anh trai Trần Trung Hiếu tình u cảm thơng, cho phép dành nhiều thời gian cho công việc nghiên cứu Tơi hết lòng biết ơn bố mẹ tơi tình yêu cống hiến to lớn để trưởng thành ngày hôm nay, cảm ơn anh chị tơi tình u gia đình quan tâm giúp đỡ họ cho công việc iv Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Danh mục ký hiệu vii Danh mục thuật ngữ từ viết tắt ix Danh sách bảng x Danh sách hình vẽ xi Mở đầu Tổng quan Ước lượng sai số cảm biến quán tính Smartphone 11 1.1 Tóm tắt 11 1.2 Giới thiệu 11 1.3 Mơ hình sai số bù nhiễu cảm biến 14 1.4 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính 16 1.4.1 Giới thiệu 16 1.4.2 Kỹ thuật hiệu chuẩn cảm biến sáu vị trí 18 1.4.3 Kết luận 26 1.5 Phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến qn tính 26 1.5.1 Giới thiệu 26 1.5.2 Phương pháp luận 28 1.5.3 Phân tích nhiễu dùng phương sai Allan 32 1.5.4 Chất lượng ước lượng phương sai Allan 33 1.5.5 Kết luận 33 v Tích hợp GNSS/INS Smartphone 34 2.1 Tóm tắt 34 2.2 Giới thiệu 34 2.3 Khái quát hệ tọa độ động học Trái Đất 35 2.3.1 Các hệ tọa độ sử dụng 35 2.3.2 Động học Trái Đất 42 2.4 Hệ thống dẫn đường quán tính 49 2.5 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 55 2.6 Sử dụng Smartphone để xác định vị trí điểm 58 2.7 Xây dựng IMU Smartphone 59 2.7.1 Định hướng từ cảm biến tốc độ góc 59 2.7.2 Định hướng từ cảm biến gia tốc 60 2.7.3 Giải thuật định hướng kết hợp để xây dựng IMU 61 2.8 Tích hợp GNSS/INS Smartphone 62 2.8.1 Kiến trúc tích hợp 63 2.8.2 Xử lý liệu với phép lọc Kalman mở rộng 68 2.9 Kết luận 72 Thực nghiệm kết 73 3.1 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính 73 3.1.1 Môi trường thực nghiệm 73 3.1.2 Các kết thảo luận 74 3.2 Phân tích mơ hình hóa liệu cảm biến quán tính 80 3.2.1 Môi trường thực nghiệm 80 3.2.2 Các kết thảo luận 80 3.3 Tích hợp GNSS/INS Smartphone 84 3.3.1 Môi trường thực nghiệm 84 3.3.2 Các kết thảo luận 85 3.4 Ứng dụng Trắc địa - Bản đồ 88 3.4.1 Môi trường thực nghiệm 88 vi 3.4.2 Khu vực thực nghiệm 89 3.4.3 Các kết thảo luận 91 Kết luận kiến nghị 94 Một số cơng trình cơng bố tác giả 97 Bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE 97 Bài báo tạp chí khoa học nước 97 Bài báo hội nghị khoa học quốc tế 97 Phần mềm ứng dụng di động App Store 97 Tài liệu tham khảo 98 Phụ lục I Phụ lục A Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến gia tốc II Phụ lục B Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc III Phụ lục C So sánh kết IV Phụ lục D Một số mã nguồn Matlab phát triển V III D.1 Mã nguồn mô-đun hiệu chuẩn cảm biến VIII D.2 Mã nguồn hàm bù nhiễu XIII D.3 Mã nguồn hàm tính trọng lực cục XIII vii Danh mục ký hiệu B Nhiễu bất ổn độ lệch (Bias Instability) fˆ Véc-tơ liệu đầu cảm biến gia tốc f Véc-tơ gia tốc thực cảm biến gia tốc g Trọng trường cục (Local gravity) h Độ cao so với mực nước biển (Altitude Elevation) H Độ cao so với mặt Ellipsoid (Height) ι Kinh độ (Longitude) µ Vĩ độ trắc địa (Latitude) ω ˆ Véc-tơ liệu đầu cảm biến tốc độ góc ω Véc-tơ tốc độ góc thực cảm biến tốc độ góc ωe Tốc độ quay trái đất (Speed of the Earth’s Rotation) p Tốc độ góc theo trục x φ Góc liệng (Roll) ψ Góc hướng (Yaw Heading) q Tốc độ góc theo trục y Q Nhiễu lượng tử hóa (Quanization Noise) r Tốc độ góc theo trục z N Nhiễu bước ngẫu nhiên (Random Walk) R Nhiễu tỷ lệ cưa (Rate Ramp) K Nhiễu tỷ lệ bước ngẫu nhiên (Rate Random Walk) θ Góc chúc (Pitch) viii Danh mục thuật ngữ từ viết tắt A-GNSS Hệ thống tăng cường GNSS - Assisted GNSS A-GPS Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS Accelerometer Cảm biến gia tốc AHRS Hệ tham chiếu hướng - Attitude and Heading Reference Systems API Giao diện lập trình - Application Programming Interface Autonomous Tự chủ động (hay tự trị) b-frame Hệ tọa độ vật thể Beidou Hệ thống định vị vệ tinh khu vực độc lập Trung Quốc điều hành C6D Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp trực tiếp C6W Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp có trọng số C6X Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp đề xuất ECEF Hệ tọa độ vng góc khơng gian địa tâm định vị Trái Đất - EarthCentered, Earth-Fixed ECI Hệ quy chiếu quán tính Trái Đất - Earth-Centered Inertial EGNOS Dịch vụ lớp phủ định vị quốc tế Châu Âu - European Geostationary Navigation Overlay Service EKF Phép lọc Kalman mở rộng - Extended Kalman Filter Galileo Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Liên minh Châu Âu đối tác phát triển Gimbal Hệ INS có đế GLONASS Hệ thống vệ tinh định vị tồn cầu Nga điều hành ... - ĐỊA CHẤT TRẦN TRUNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG GNSS/ INS TRÊN THIẾT BỊ THƠNG MINH ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ. .. Kalman Filter Galileo Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Liên minh Châu Âu đối tác phát triển Gimbal Hệ INS có đế GLONASS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Nga điều hành ix GNSS Hệ thống định vị vệ... quaternion Roll Góc liệng SBAS Hệ thống tăng cường không gian - Satellite-Based Augmentation System Smartphone Điện thoại thông minh Strapdown Hệ INS không đế TĐBĐ Trắc địa - Bản đồ UAV Máy bay không người