Nâng cao chất lượng hệ thống định vị dẫn đường trên cơ sở cấu trúc ghép chặt INS/GPS kết hợp với đo pha sóng mang và DGPS

Trong những năm gần đây, các giải pháp tích hợp INS/GPS đang được nghiên cứu một cách rộng rãi nhằm đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao về độ chính xác của các hệ thống định vị dẫn đường. Bài báo đề xuất một giải pháp tích hợp trên cơ sở cấu trúc ghép chặt INS/GPS, kết hợp với đo pha sóng mang GPS và hệ thống GPS vi phân (DGPS) để nâng cao độ chính xác của hệ thống định vị dẫn đường, thích hợp cho các đối tượng máy bay không người lái (UAV) với chi phí thấp. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải pháp đề xuất cho phép giảm khoảng 80% sai số của hệ thống so với giải pháp ghép chặt INS/GPS truyền thống.

P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC GHÉP CHẶT INS/GPS KẾT HỢP VỚI ĐO PHA SÓNG MANG VÀ DGPS IMPROVEMENT OF THE NAVIGATION SYSTEM BASED ON INS/GPS TIGHTLY-COUPLED INTEGRATION WITH THE USE OF CARRIER WAVE PHASES AND DGPS Nguyễn Đức Thi1,*, Nguyễn Đình Sự2, Trần Xn Tình3, Hồng Trung Kiên4, Nguyễn Trường Sơn4, Trần Thủy Văn5 TÓM TẮT Trong năm gần đây, giải pháp tích hợp INS/GPS nghiên cứu cách rộng rãi nhằm đáp ứng đòi hỏi ngày cao độ xác hệ thống định vị dẫn đường Bài báo đề xuất giải pháp tích hợp sở cấu trúc ghép chặt INS/GPS, kết hợp với đo pha sóng mang GPS hệ thống GPS vi phân (DGPS) để nâng cao độ xác hệ thống định vị dẫn đường, thích hợp cho đối tượng máy bay không người lái (UAV) với chi phí thấp Kết mơ cho thấy giải pháp đề xuất cho phép giảm khoảng 80% sai số hệ thống so với giải pháp ghép chặt INS/GPS truyền thống Từ khóa: GPS, INS, DGPS, pha sóng mang ABSTRACT In recent years, there are variety of INS/GPS integration mechanisms developed to meet the requirement of higher performance navigation systems This paper proposes a solution based on low-cost INS/GPS tightly-coupled integration with the use of carrier wave phases and Differential GPS (DGPS) to improve performance of a navigation system used for Unmanned Aerial Vehicles (UAV) The simulation results showed that the proposed solution can reduce the system error by approximately 80% as campared to the conventional INS/GPS tightly-coupled integration Keywords: GPS, INS, DGPS, carrier wave phase Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phòng Kinh tế Nhà máy A31, Qn chủng Phòng khơng Khơng qn Học viện Phòng khơng, khơng qn Học viện Kỹ thuật Qn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: thi2306pro@gmail.com Ngày nhận bài: 10/9/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 16/10/2019 Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2019 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, để định vị dẫn đường, người ta sử dụng hai phương thức hệ thống dẫn đường quán tính (INS) hệ thống định vị vệ tinh (GPS) INS hệ thống dùng cảm biến vận tốc góc cảm biến gia tốc để tính tốn vị trí, tốc độ thay đổi vị trí vật thể Đặc điểm hệ thống tín hiệu đầu liên tục có sai số tích lũy theo thời gian GPS thực cách đo khoảng cách từ vị trí vật thể đến vệ tinh, vị trí vệ tinh biết, xác định vị trí vật thể Đặc điểm hệ thống tín hiệu không liên tục sai số thông tin khơng bị tích lũy theo thời gian, bị nhiều nguồn nhiễu bên ngồi tác động Chính vậy, việc INS GPS hoạt động độc lập chưa đáp ứng nhu cầu dẫn đường cần độ xác cao thông tin liên tục cho đối tượng động Biện pháp kết hợp hai phương pháp định vị dẫn đường GPS INS cho ta nguồn thơng tin liên tục với độ xác cao Tín hiệu GPS sử dụng để khử sai số tích lũy hệ INS tín hiệu INS sử dụng để giảm trừ nhiễu cho hệ thống GPS Các giải pháp tích hợp INS/GPS nghiên cứu cách rộng rãi nhằm đáp ứng đòi hỏi ngày cao độ xác hệ thống định vị dẫn đường Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu việc tích hợp GPS INS sử dụng cấu trúc ghép lỏng ghép chặt được công bố với kết đáng ghi nhận [1, 2, 3, 5, 6] Tuy nhiên, hầu hết giải pháp sử dụng cấu trúc ghép lỏng Cấu trúc ghép lỏng có nhược điểm hoạt động thiết bị thu GPS bắt tối thiểu vệ tinh Cấu trúc ghép chặt cho phép hệ thống hoạt động thiết bị thu GPS khơng bắt đủ vệ tinh, đòi hỏi tính tốn với độ phức tạp cao Cấu trúc ghép lỏng sử dụng [13] đề xuất cho ứng dụng trắc địa, đồ thiết bị cầm tay, khơng đòi hỏi độ xác tính ổn định hệ thống cao Bên cạnh đó, giải pháp đưa [14, 15, 16] chủ yếu tập trung vào xây dựng thuật toán đánh giá sai số từ INS đòi hỏi phép tính tốn xử lý phức tạp Trong báo này, đề xuất giải pháp tích hợp sở cấu trúc ghép chặt INS/GPS, kết hợp với đo pha sóng mang GPS hệ thống GPS vi phân (DGPS) để No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CƠNG NGHỆ nâng cao độ xác hệ thống định vị dẫn đường, thích hợp cho đối tượng máy bay không người lái (UAV) sử dụng thiết bị thu GPS INS thông thường chi phí thấp PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TÍCH HỢP GPS/INS Giải pháp tích hợp sở cấu trúc ghép lỏng có ưu điểm dễ thực hiện, độ xác định vị dẫn đường khơng cao Các UAV đòi hỏi hệ thống định vị dẫn đường có độ xác cao, vậy, giải pháp tích hợp sử dụng cấu trúc ghép chặt lựa chọn phù hợp cho UAV 2.1 Phân tích cấu trúc ghép chặt INS/GPS Sơ đồ điển hình cấu trúc ghép chặt INS/GPS trình bày hình Hình Cấu trúc ghép chặt INS/GPS Trong cấu trúc này, khoảng cách giả dự đoán khoảng cách giả thu từ GPS sử dụng để xác định sai lệch Sai lệch đưa vào lọc Kalman để ước lượng tối ưu sai số hệ thống bao gồm: vị trí, vận tốc, độ cao độ trơi cảm biến INS Sai số ước lượng vị trí, vận tốc độ cao cập nhập để hiệu chỉnh PVA (vị trí, vận tốc, độ cao) INS, từ xác định đầu cho hệ thống Sai số ước lượng độ trôi cảm biến INS dùng để hiệu chỉnh lại cảm biến quán tính Từ hình 1, khoảng cách giả quan sát nhận từ việc máy thu GPS sử dụng tham chiếu chuẩn khác giá trị với khoảng cách giả dự đoán từ INS đầu vào lọc Kalman mở rộng (EKF) để ước lượng sai số vị trí, vận tốc sai số trơi cảm biến qn tính Do ảnh hưởng sai số nên độ xác máy thu GPS mức vài chục mét đến hàng trăm mét, độ xác đầu lọc tích hợp EKF đạt mức hàng chục mét Điều dẫn tới độ xác hệ thống dẫn đường thấp không đáp ứng yêu cầu UAV có nhiệm vụ trinh sát, thu thập thông tin (các UAV đòi hỏi hệ thống định vị dẫn đường có độ xác cao với sai số 10m, đáp ứng thời gian thực hoạt động điều kiện vệ tinh bị che khuất) Để nâng cao độ xác hệ thống, giải pháp nâng cao độ xác GPS thơng qua việc xác định xác vị trí máy thu GPS Trong thực tế, phương pháp hiệu cho phép nâng cao độ xác vị trí máy thu GPS sử dụng pha sóng mang Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2.2 Đo hiệu pha sóng mang Như biết, sóng mang L1 có bước sóng = 0,1903 , thay đổi pha theo quãng đường truyền lớn Do đó, việc xác định vị trí dùng pha sóng mang cho độ xác cao Tuy nhiên, để sử dụng pha sóng mang, trước hết ta phải khử số nguyên lần bước sóng không xác định từ vệ tinh tới máy thu Một cách tổng quan phương trình đo pha sóng mang biểu diễn theo phương trình sau: (θ + N)λ = r + I + T + cδt + ε (1) Trong đó: θ pha sóng mang chu kỳ điểm thu, N số nguyên không xác định, c vận tốc ánh sáng, λ bước sóng sóng mang, r khoảng cách hình học vệ tinh thiết bị thu GPS, I T độ giữ chậm sóng mang tầng điện ly tầng đối lưu, δt sai số đồng hồ thiết bị thu GPS đồng hồ vệ tinh, ε biểu diễn sai số lại Để sử dụng pha sóng mang ứng dụng dẫn đường thời gian thực, cần phải loại bỏ số nguyên không xác định N Một phương pháp hiệu sử dụng hiệu pha sóng mang đo hai thời điểm liên tiếp, cho độ dịch khoảng cách hai lần đo khơng lớn bước sóng Giả sử t t thời điểm đo trước thời điểm đo tại, pha sóng mang xác định sau: (θ + N)λ = r +I + T + cδ t + ε (2) (θ + N)λ = r + I + T + cδ t +ε (3) Từ phương trình (2) (3) ta có: ∆θ = θ − θ = λ (r + I + T + cδ t + ε) − λ (r +I + T + cδ t + ε) (4) ∆t = t − t (5) Vì sai số sai số tầng điện ly, sai số tầng đối lưu, sai số đồng hồ hai thời điểm đo liên tiếp có giá trị xấp xỉ nhau, nên ta biểu diễn hiệu pha sóng mang hai thời điểm cách gần sau: ∆θ ≈ (6) Như vậy, thấy từ tín hiệu GPS việc xác định ∆θ có sai số nhỏ nhiều so với việc xác định khoảng cách Điều gợi ý cho sử dụng phương trình (6) để tăng độ xác hệ thống tích hợp INS/GPS Trước hết, ta dùng ∆θ để tính vận tốc khoảng cách giả, thay cho cách đo vận tốc giả hiệu ứng Doppler Vì việc đo vận tốc hiệu ứng Doppler thường chịu nhiều ảnh hưởng nhiễu loạn việc xác định vận tốc giả hiệu pha sóng mang [7] ρ̇ ≈ ∆ ≈ ∆ ≈ ∆ ∆ (7) Khi ∆ nhỏ cơng thức (7) cho giá trị xác định vận tốc giả xác Ngồi ra, để tăng độ xác việc đo khoảng cách giả sử dụng thêm tín hiệu từ hệ thống DGPS SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2.3 Hệ thống DGPS DGPS hệ thống định vị xây dựng dựa hệ thống GPS, có thêm trạm tham khảo lắp đặt vị trí biết trước tọa độ xác Nhiệm vụ trạm tham khảo tính số liệu sai số việc định vị Các số liệu bao gồm giá trị cần hiệu chỉnh khoảng cách giả, vị trí vệ tinh Các giá trị hiệu chỉnh trạm phát liệu Datalink cung cấp cho người sử dụng, dùng để tính vị trí cách xác Ưu điểm hệ thống nâng cao độ xác vị trí với sai số vài mét có nhược điểm giới hạn phạm vi hoạt động khoảng phát trạm tham chiếu, sai số tăng xa trạm gia tăng nhanh sai số hiệu chỉnh vi sai theo thời gian từ lúc tính tốn Trong trường hợp tín hiệu DGPS, hệ thống hoạt động với tín hiệu GPS khoảng cách giả không hiệu chỉnh, sai số lúc với sai số hệ thống GPS thông thường Chấp nhận ưu nhược điểm DGPS, ta thấy thu thập thêm tín hiệu DGPS để gia tăng độ xác cho hệ thống định vị dẫn đường Thứ nhất, DGPS thiết lập cho hầu hết vùng Thứ hai, việc dùng thêm DGPS không làm cho hệ thống phức tạp mà đảm bảo độ tin cậy cao, hoạt động ổn định lâu dài Thứ ba, chi phí khơng cao so với việc sử dụng hệ thống GPS thơng thường kích thước, trọng lượng nhỏ gọn lắp đặt dễ dàng UAV HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT  Thứ hai, khoảng cách giả từ GPS cộng với tham số hiệu chỉnh từ DGPS cung cấp, trước đưa vào lọc Kalman So với sơ đồ ghép chặt thơng thường sơ đồ cho độ xác cao việc xác định vận tốc giả hiệu pha sóng mang có độ xác cao [8] việc dùng DGPS cho phép xác định khoảng cách giả với độ xác cao Giải thuật tính tốn tham số định vị dẫn đường trình bày cụ thể phần 3.2 Tính tốn tham số Trong cấu trúc đề xuất, hệ INS kiểu gắn chặt (Strapdown INS) lựa chọn đối tượng phục vụ UAV Trên sơ đồ, khối “Thuật toán dẫn đường quán tính” có nhiệm vụ tiếp nhận liệu đo lường từ đầu cảm biến quán tính tính tốn thơng tin vị trí, vận tốc, độ cao hệ tọa độ dẫn đường (ở giả thiết hệ tọa độ dẫn đường hệ tọa độ đất - địa phương (NED) với N hướng bắc, E hướng đông, D hướng xuống tâm trái đất) Theo [10], biểu diễn hệ phương trình vi phân dẫn đường quán tính cho vector vị trí p ,vector vận tốc v , vector độ cao C hệ hệ tọa độ dẫn đường (n-frame) sau: D v ṗ C f − 2ω +ω v + g v̇ = (8) Ċ (ω − C ω ) C Trong đó: 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống D ⎛(M + h) = ⎜ ⎝ Hình Sơ đồ tích hợp INS/GPS đề xuất Trên sở phân tích phần 2, nhóm tác giả đề xuất xây dựng sơ đồ tích hợp INS/GPS cải tiến để xác định vị trí trình bày hình Ở đây, hệ thống tích hợp cải tiến tương tự mơ hình ghép chặt, khác hai điểm sau đây:  Thứ nhất, việc đo vận tốc khoảng cách giả hiệu ứng Doppler thay cách hiệu pha sóng mang 0 ⎞ 0⎟ (N + h)cosφ −1⎠ a N= (1 − e sin φ) / a(1 − e ) M= (1 − e sin φ) / f vector lực xác định, định nghĩa khác gia tốc thực tế không gian gia tốc trọng trường trái đất g vector trọng trường φ vĩ độ, h độ cao ω vector tốc độ quay e-frame (hệ tọa độ địa tâm) với hệ tọa độ quán tính (i-frame) biểu diễn n-frame ω vector tốc độ quay n-frame với e-frame ω vector tốc độ quay n-frame với i-frame ω vector tốc độ quay b-frame (hệ tọa độ liên kết) với i-frame Theo [10], từ cơng thức trên, xây dựng sơ đồ thuật tốn hình Trên hình 3, ký hiệu γ trọng lực vĩ độ trắc địa φ độ cao elip h Cơng thức tính giá trị γ sau [10]: = (0 ) (9) ) = (1 + sin + )ℎ + ℎ (10) +( + No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 đó: a1 = 9,7803266715, a2 = 0,0052790414, a3 = 0,0000232718, a4 = -0,0000030876910891, a5 = 0,0000000043977311, a6 = 0,0000000000007211 Bỏ qua sai số nhỏ, vận tốc khoảng cách giả từ GPS nhận cách đo pha sóng mang dựa công thức (7) sau: ρ̇ , = ∆ (14) ∆ Ta tính tốn vector (l) từ thiết bị thu đến vệ tinh i sử dụng thơng tin vector vị trí (p , ), vận tốc (v , ) INS vector vị trí p , vận tốc ṗ vệ tinh thông tin quỹ đạo vệ tinh sau: l , = p − p , (15) l̇ Hình Thuật tốn dẫn đường qn tính Theo sơ đồ thuật tốn hình 3, tính tốn vị trí (p), vận tốc (n) độ cao (a) vật thể mang INS giá trị mang sai số INS, để hiệu chỉnh sai số ta sử dụng lọc Kalman, trước hết ta xây dựng mơ hình sai số INS Theo [10], mơ hình sai số động INS cấu trúc hình biểu diễn không gian trạng thái sau: ẋ = Fx + Gu (11) δp = δv δϵ G= C F ; F= F F 0 −C F F F δf ; u= δω (f ×) ; −(ω ×) ρ , = ρ̇ , = ρ l Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 (l , , = ρ̇ , , l̇ , ) (18) + F δX + G δX (20) Trong đó: , E = = ρ , l (21) , , ̇ , ; Trong đó: c vận tốc ánh sáng, sai số đồng hồ máy thu, sai số đồng hồ vệ tinh, độ giữ chậm tầng đối lưu, độ giữ chậm tầng điện ly, sai số khác Sau cộng với giá trị hiệu chỉnh sai số DGPS cung cấp sai số đồng hồ máy thu, khoảng cách giả từ GPS được viết lại sau: ρ , = d + cδt + ε (13) (17) , Triển khai giá trị ρ , ρ̇ , theo giá trị ρ , ρ̇ , theo công thức Taylor mở rộng, bỏ thành phần bậc cao, với ký hiệu (X = p , ) vận tốc (X = v , ), ta sau: ρ , = ρ , + E δX + δb (19) G = ⎡ ω cosφ + ⎤ ⎢ ⎥; − ω = ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ −ω sinφ − ⎣ ⎦ Ở đây: δp sai số vị trí, δv sai số vận tốc, δϵ sai số độ cao Các ma trận Frr, Frv, Fvr, Fvv, Fer, Fev tính theo phương trình trình bày [10] Để xây dựng phương trình đo cho lọc EKF, ta phải xác định hiệu khoảng cách giả đo từ GPS ước lượng từ INS Theo [9], khoảng cách giả nhận từ GPS ρ , biểu diễn sau: ρ , = d + cδt + cδt + cI + cT + ε (12) (16) , Khoảng cách giả vận tốc khoảng cách giả ước lượng từ INS tính qua phương trình sau đây: ρ̇ đó: = ṗ − v , = −ρ , , F = , = , , , l (22) , , , ̇ , , , r , − ̇ , , (23) δb = cδt (24) Hiệu ρ , ρ , với ρ̇ , ρ̇ , giá trị đo cho mơ hình ghép chặt INS/GPS Phương trình đo vệ tinh i, thời điểm k sau: z = [ρ , − ρ , ρ̇ , − ρ̇ , ] + v (25) Áp dụng phương trình (19-24) ta có sau: −E δX − δb z = + v (26) −F δX − G δX Biểu diễn phương trình (26), dạng sau: z =H x +v ; Trong đó: δr x = δv δb ; H (27) = −E −F 0× −G −1 (28) Vector trạng thái lọc EKF bao gồm sai số INS sai số đo GPS, phương trình trạng thái biểu diễn sau: ̇ = + (29) Trong đó: SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 δp ⎛δv ⎞ =⎜ ; δϵ ⎟ ⎝ δb ⎠ 0 C G= −C F F= F F F F F 0× (f ×) ; −(ω ×)0 ; ⎡ ω cosφ + ⎤ ⎢ ⎥; − u= ; ω = ⎢ ⎥ δω ⎢ ⎥ −ω sinφ − ⎣ ⎦ Ở đây: δp sai số vị trí, δv sai số vận tốc, δϵ sai số độ cao, δb sai số đồng hồ máy thu Phương trình đo cho m vệ tinh thời điểm k sau: Z =H X +v (30) Trong đó: −E × × −1 ⎡ −E 0 × −1⎤ × ⎢ ⎥ ⋮ ⋮ ⋮ ⎥ ⎢ ⋮ × × −1 ⎥ −E H = ⎢ ; −F −G 0× ⎥ ⎢ ⎢ −F −G × ⎥ ⎢⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⎥ ⎣−F −G 0× ⎦ Các giá trị hiệu chỉnh cho tham số tính toán ước lượng sở phương trình (29), (30) sử dụng thuật tốn lọc Kalman trình bày [10] Ngồi ra, q trình tính tốn vị trí tốc độ, việc đồng thời gian đo INS GPS cần thiết, thời điểm đo GPS INS khơng chắn có liệu Việc lấy liệu INS thời điểm đo GPS biểu diễn hình δf Hình Đồng thời gian INS GPS Cơng thức tính vị trí vận tốc INS thời điểm tGPS sau: n n n r (t GPS )  r (tk1 )  n r (tk )  r (tk1 ) (tGPS  tk1 ) tk  tk 1 t t t t n n = k GPS r (tk 1 )  GPS k 1 r (t k ) tk  tk1 tk  tk1 n v (t GPS )= tk  tGPS n t t n v (t k1 )  GPS k 1 v (tk ) tk  tk1 tk  tk 1 (31) (32) MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Thiết lập điều kiện mô Công cụ Matlab sử dụng để thực mô cho hệ thống đề xuất Để mô phỏng, giả thiết UAV chuyển động khơng gian có sử dụng cảm biến quán tính kiểu gắn chặt thiết bị thu GPS, DGPS Giả sử, thời điểm ban đầu vị trí vận tốc 0, hướng góc ban đầu 0, vật chuyển động với gia tốc vận tốc góc khơng đổi sau: m m m a = 0,2 ; a = 0,1 ; a = 10 ; s s s ϕ̇ = 0; θ̇ = 0,01; ψ̇ = 0,01; (33) Trong đó: ϕ, θ, ψ góc xoắn, góc gật góc hướng Các gia tốc tính hệ tọa độ liên kết Các cảm biến quán tính xác định gia tốc vận tóc góc có sai số định Cảm biến HG1700 Inertial Measurement Unit công ty Honeywell Aerospace sử dụng phổ biến thực tế lựa chọn để khảo sát Trên sở thông số kỹ thuật HG1700, sai số cảm biến gia tốc góc tính xấp xỉ theo phương trình đây: δ = 2,424068 × 10 + rand(± 2,424068) × 10 (rad/s) (34) δ = 0,0249 + rand(±0,00637)(m/s) (35) đó: rand ký hiệu giá trị hàm lấy giá trị ngẫu nhiên δ sai số cảm biến góc, δ sai số cảm biến gia tốc Các giá trị sử dụng để tính tốn vị trí vận tốc hệ tọa độ dẫn đường Khoảng cách giả từ vệ tinh GPS tính khoảng cách hình học cộng với loại sai số hiệu chỉnh sai số từ DGPS Sai số GPS DGPS mô tả bảng [6] Bảng Sai số GPS DGPS STT Nguồn gây sai số Sai số tầng điện ly Sai số tầng đối lưu Sai số đồ hồ vệ tinh Sai số quỹ đạo vệ tinh Sai số ảnh hưởng đa đường truyền Sai số nhiễu máy thu tính toán Sai số đồng hồ máy thu Sai số cố ý SA GPS ±5m ±1.5m ±3m ±4,2m ±1m ±1m ±5m ±100m DGPS ±0,5m ±0,2m ±0m ±0,3m ±1m ±1m ±5m ±0m Quỹ đạo chuyển động vệ tinh theo thời gian cần giả lập để tính khoảng cách hình học thiết bị thu vệ tinh Có thể biểu diễn quỹ đạo vệ tinh thông qua tham số trình bày bảng [19] Trong khảo sát này, để giảm lượng tính tốn, có tham số quỹ đạo vệ tinh sử dụng để mô thông số cụ thể mô tả bảng Để đánh giá tính hiệu quả, kết mơ hệ thống tích hợp INS/GPS đề xuất so sánh với kết mô hệ thống tích hợp INS/GPS ghép lỏng, hệ thống INS/GPS ghép chặt truyền thống sử dụng Doppler để đo vận tốc (trong đó, việc lấy vận tốc Doppler thực cách lấy vận tốc chuẩn cộng với nhiễu [18]) No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Tham số quỹ đạo vệ tinh STT Tham Định nghĩa số Crs Biên độ dao động điều hòa hình sin bán kính quỹ đạo ∆n Sai số trung bình chuyển động so với giá trị tính tốn M0 Giá trị bất thường trung bình thời điểm tham chiếu Cuc Biên độ dao động điều hòa hình cosin góc vĩ độ e Độ lệch tâm Cus Biên độ dao động điều hòa hình cosin góc kinh độ A Căn bậc hai bán kính trục 10 11 12 13 14 15 Đơn vị m П/s П Radian Radian √m Toe Thời gian tham chiếu lịch vệ tinh s Cic Biên độ dao động điều hòa hình cosin góc nghiêng Radian Ω0 Kinh độ điểm trục đứng quỹ đạo bay chu kỳ П hàng tuần Cis Biên độ dao động điều hòa hình sin góc nghiêng Radians Crc Biên độ dao động điều hòa hình cosin bán kính П quỹ đạo ω Góc điểm vệ tinh gần Trái đất П/s Ω̇ Vận tốc theo trục đứng IDOT Vận tốc góc nghiêng П/s Hình Sai số cấu trúc ghép lỏng ghép chặt INS/GPS (có đo pha sóng mang) Ghi chú: П số PI Bảng Tham số quỹ đạo 06 vệ tinh Vệ tinh -5,9875e+001 1,5294e-009 -4,8401e-001 -2,9840e-006 3,7472e-003 7,8715e-006 5,1536e+003 2,5198e+005 -2,2352e-008 6,408e-001 1,3039e-007 3,0394e-001 2,2494e-002 -5,1669e-001 -2,5994e-009 Vệ tinh 6,5281e+001 1,6692e-009 -8,7179e-001 3,3509e-006 1,1916e-003 3,3546e-006 5,1535e+003 2,5200e+005 -5,0291e-008 -7,0909e-001 4,0978e-007 3,0031e-001 3,0363e-002 -2,8071e-001 -2,7268e-009 Vệ tinh -8,5656e+001 1,4644e-009 -8,8417e-001 -4,5337e-006 68008e-006 6,5677e-006 5,1537e+003 2,5200e+005 -4,4703e-008 -3,5952e-001 -1,2480e-007 3,0513e-001 2,5019e-002 -8,2533e-001 -2,5919e-009 Vệ tinh 4,6969e+001 1,4919e-009 -8,8899e-001 2,4196e-006 6,7628e-003 1,1941e-005 5,1537e+003 2,5200e+005 -1,2852e-007 9,6454e-001 -9,1270e-008 3,0066e-001 1,4213e-002 8,2234e-001 -2,5278e-009 Vệ tinh 6,200e+002 1,1192e-009 -9,7589e-001 1,3784-007 7,8766e-003 1,1863e-005 5,1538e+003 2,5200e+005 7,2643e-008 -2,7200e-001 -6,8918e-008 3,1381e-001 1,6128e-002 -6,0022e-001 -2,3444e-009 4.2 Kết mô đánh giá Kết mô sai số hệ thống không gian 3D hai cấu trúc ghép lỏng ghép chặt INS/GPS truyền thống biểu diễn hình (cấu trúc ghép chặt có đo pha sóng mang) Trường hợp sai số hệ thống không gian 3D hai cấu trúc ghép chặt truyền thống cấu trúc đề xuất (sử dụng DGPS) biểu diễn hình Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 55.2019 Hình Sai số cấu trúc ghép chặt INS/GPS truyền thống đề xuất Bảng tổng hợp kết sai số số thời điểm hệ Vệ tinh Đơn vị thống: sử dụng INS, sử dụng GPS, ghép lỏng INS/GPS, ghép chặt 5,4563e+001 m INS/GPS cấu trúc đề xuất 1,6494e-009 П/s Kết mô cho thấy 1,1990e-001 П hệ thống tích hợp INS/GPS 2,8610e-006 Radian cho phép giảm đáng kể sai số so với 5,0219e-003 trường hợp sử dụng riêng lẻ INS 3,4180e-003 Radian GPS, đặc biệt trường hợp 5,1537e+003 √m sử dụng INS gây sai số tích lũy theo 2,5200e+005 s thời gian lớn Cấu trúc ghép chặt có đo pha sóng mang hiệu quả, -1,6764e-008 Radian cho phép giảm gần 50% sai số -7,0123e-001 П so với trường hợp cấu trúc ghép 6,8918e-008 Radians lỏng thông thường Trường hợp sử 3,0266e-001 П dụng thêm pha sóng mang GPS 3,0716e-002 П để xác định khoảng cách giả 5,1312e-001 П/s xác kết hợp với DGPS (giải pháp đề xuất) cho phép nâng cao -2,7663e-009 П/s độ xác hệ thống Lúc sai số giảm khoảng 80% so với hệ thống không sử dụng phương pháp đo hiệu pha sóng mang DGPS (hệ thống ghép chặt INS/GPS truyền thống) Bảng So sánh sai số vị trí (tính theo m) hệ thống Thời gian INS độc lập 0s 10s 2,05 GPS Ghép lỏng Ghép chặt độc lập GPS/INS GPS/INS 115 0 12 40 24,1 Đề xuất 1,80 SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 20s 30s 40s 50s 100s 200s 300s 400s 500s Trung bình 7,155 15,79 27,72 43,03 61,37 659 1540 2690 3718  193 187 50 33 187 181 56 15 20 99,52 113 47 99 37 241 21 34 30 65,66 20,2 17,9 25,9 17,8 41,4 8,5 44,9 21,1 12,3 34,52 7,74 1,04 5,96 9,55 6,88 8,13 4,26 2,12 8,93 6,568 KẾT LUẬN Bài báo trình bày phân tích ưu nhược điểm giải pháp tích hợp INS/GPS truyền thống, từ đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp INS/GPS sở sử dụng thêm pha sóng mang GPS để xác định khoảng cách giả kết hợp với giá trị hiệu chỉnh DGPS, thích hợp cho đối tượng UAV sử dụng thiết bị thu GPS INS thông thường chi phí thấp Cơng cụ Matlab sử dụng để thực mô cho hệ thống đề xuất, với giả thiết UAV chuyển động khơng gian có sử dụng cảm biến quán tính kiểu gắn chặt thiết bị thu GPS, DGPS Kết mô cho thấy giải pháp đề xuất cho phép giảm khoảng 80% sai số hệ thống so với giải pháp ghép chặt INS/GPS truyền thống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Van, T N., Duc, T C., & Duc-Tan, T (2015) Application of street tracking algorithm in an INS/GPS integrated navigation system IETE Journal of Research, 61(3), 251-258 [2] Duc-Tan, T., Fortier, P., & Huynh, H T (2011) Design, simulation, and performance analysis of an INS/GPS system using parallel Kalman filters structure REV Journal on Electronics and Communications, 1(2) [3] Đào Trần Khánh, 2016 Nghiên cứu xây dựng thiết bị INS/GPS cho toán định vị dẫn đường sở ứng dụng công nghệ nhúng Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân [4] Lưu Mạnh Hà, 2009 Nghiên cứu tích hợp hệ thống dẫn đường quán tính hệ thống định vị toàn cầu Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ [5] Trần Minh Đức, 2011 Nâng cao chất lượng hệ thống tích hợp GPS/INS sử dụng lọc Kalman mở rộng Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ [6] Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Duc, N D., & Thuy, N P (2007, November) Integration of inertial navigation system and global positioning system: Performance analysis and measurements In 2007 International Conference on Intelligent and Advanced Systems (pp 1047-1050) IEEE [7] Songlai Han and Jinling Wang, 2011 Integrated GPS/INS navigation system with dual-rate Kalman Filter School of Surveying and Spatial Information Systems, The University of New South Wales, Sydney, NSW 2012, Australia [8] S Moafipoor, D.A Grejner-Brzezinska, C.K Toth, 2006 Tightly coupled GPS/INS integration based on GPS carrier phase velocity update The Ohio State University Geodetic and Geoinformation Science [9] Khan Badshah and Qin Yongyuan, 2016 Tightly coupled integration of a low-cost MEMS INS/GPS using adaptive Kalman filtering School of automation, Northwesterm Polytechnical University, Xi’an Shaanxi, China [10] Eun-Hwan Shin, 2001 Accuracy Improvement of Low-costINS/GPS for Land Applications The University of Calgary, Canada [11] Agnar Sveinsson, 2012, INS/GPS error analysis and integartion Shool of Science and Enginnering Reykjavík University, Ireland [12] Tran Duc-Tan, Paul Fortier, Huu-Tue Huynh, 2011 Design, Simulation, and Performance Analysis of an INS/GPS System using Parallel Kalman Filters Structure REV Journal on Electronics and Communications [13] Trần Trung Chuyên, 2018 Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS/GPS thiết bị thơng minh ứng dụng trắc địa đồ Thư viện trường Đại học Mỏ Địa chất [14] Guangqi Wang, Yu Han, Jian Chen, Shubo Wang, Zichao Zhang, Nannan Du, Yongjun Zheng, 2018 A GNSS/GPS Integrated Navigation Algorithm Based on Kalman Filter Science Direct, IFAC-Papers OnLine, vol 51, issue 17, pp232-237 [15] Nguyen Quang Vinh, 2017 INS/GPS Integration System Using Street Return Algorithm and Compass Sensor Science Direct, Procedia Computer Science, vol 103, issue 17, pp475-482 [16] Tareg Hassan, RiyantoTrilaksono Bambang, 2018 Integrated INS/GPS navigation system International Journal on Electrical Engineering and Informatics, vol.10, no.3, pp491-512 [17] Roger Johnson, Jerzy Sasiadek, JanuszZalewski, 2005, Kalman Filter Enhancement for UAV Navigation, University of Central Florida Orlando [18] S Ryan, M Szarmes, G Lachapelle and M.E Cannon, 1997 DGPS Kinematic Carrier Phase Signal Simulation Analysis for Precise Aircraft Velocity Determination Department of Geomatics Engineering, The University of Calgary [19] Ryan Monaghan GPS Satellite Position Estimation fromEphemeris Data by Minimum Mean Square Error Filtering Under Conditions of Selective Availability IEEE [20] George T Schmidt and Richard E Phillips, 2010 INS/GPS Integration Architectures Massachusetts Institute of Technology 10 Goffe Road Lexington, MA 02421, USA [21] Tamas Horvath, 2002 Performance comparison of wide area differential GPS systems Department of Geodesy and Geomatics Engineering University of New Brunswick, Canada [22] Agnar Sveinsson, 2012 INS/GPS error analysis and integration School of Science and Engineering Reykjavík University [23] Tomáš Vaispacher, Róbert Bréda,František Adamčík, 2015 Error Analysis of Inertial Navigation Systems Using Test Algorithms, Preliminary communication/ Prethodnopriopćenje [24] Gianluca Falco, Marco Pini, Gianluca Marucco, 2017 Loose and Tight GNSS/INS Integrations: Comparison of Performance Assessed in Real Urban Scenarios Jörg F Wagner, Academic Editor [25] Michele Iafrancesco, 2015 GPS/INS Tightly coupled position and attitude determination with low-cost sensors Institute for Communications and Navigation Prof Dr Christoph Găunther AUTHORS INFORMATION Nguyen Duc Thi1, Nguyen Dinh Su2, Tran Xuan Tinh3, Hoang Trung Kien4, Nguyen Truong Son4, Tran Thuy Van5 Vietnam Defence Industry Directorate A31 Factory, Air Defence - Air Force Service Air Defence - Air Force Academy Military Technical Academy Hanoi University of Industry No 55.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY ... hợp sở cấu trúc ghép lỏng có ưu điểm dễ thực hiện, độ xác định vị dẫn đường khơng cao Các UAV đòi hỏi hệ thống định vị dẫn đường có độ xác cao, vậy, giải pháp tích hợp sử dụng cấu trúc ghép chặt. .. 4.2 Kết mô đánh giá Kết mô sai số hệ thống không gian 3D hai cấu trúc ghép lỏng ghép chặt INS/GPS truyền thống biểu diễn hình (cấu trúc ghép chặt có đo pha sóng mang) Trường hợp sai số hệ thống. .. phù hợp cho UAV 2.1 Phân tích cấu trúc ghép chặt INS/GPS Sơ đồ điển hình cấu trúc ghép chặt INS/GPS trình bày hình Hình Cấu trúc ghép chặt INS/GPS Trong cấu trúc này, khoảng cách giả dự đo n