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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGÔ DUY TÂN 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã sỗ: 62 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2018 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Thái Quang Vinh Người hướng dẫn khoa học 2: TS Bùi Trọng Tuyên Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Dự đoán tư vệ tinh quan sát Trái đất phương pháp hợp liệu đa cảm biến, Kỷ yếu Hội thảo khoa học “Nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ vũ trụ - 2011”, Viện Công nghệ vũ trụ, 2011 Hợp liệu cảm biến tốc độ quay cảm biến để dự đoán tư vệ tinh nhỏ, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 Xác định tư kết hợp cảm biến quay hồi chuyển vệ tinh VNREDSat-1, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ trụ Ứng dụng – Hà Nội, 19/12/2014 Hiệu chỉnh quỹ đạo cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất quỹ đạo đồng Mặt trời, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ trụ Ứng dụng – Hà Nội, 19/12/2014 Small satellite attitude determination by gyroscope and star tracker fusion, International Conference on Information and Convergence Technology for Smart Society - Ho Chi Minh, 1/2016 A New Approach for Small Satellite Gyroscope and Star Tracker Fusion, Indian Journal of Science and Technology, Volume 9, Issue 17, 5/2016 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS) Xác định quỹ đạo vệ tinh viễn thám phù hợp với điều kiện Việt Nam, Tạp chí Khoa học đo đạc đồ, số 34-12/2017 Proposed design of a fault-tolerance attitude estimator for small earth observation satellite, International Journal of Mechanical Engineering & Technology (IJMET), Volume 9, Issue 1, 1/2018 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS) Study on the needs and proposal for high and very high resolution satellite remote sensing systems in Viet Nam, International Journal of Civil Engineering & Technology (IJCIET), Volume 9, Issue 1, 1/2018 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS) MỞ ĐẦU Các liệu từ cảm biến đo tư vệ tinh (cảm biến đo hướng, đo tốc độ góc) cần hợp lại với để thành số liệu tin cậy cung cấp cho điều khiển, nhiệm vụ ước lượng tư vệ tinh Một số thách thức ràng buộc sau: - Hạn chế nguồn lượng - Năng lực xử lý: phận xử lý vệ tinh chủ yếu sử dụng chip FPGA (mảng logic khả trình) SoC (System on Chip) để lập trình thực chức mong muốn - Ảnh hưởng môi trường xạ vũ trụ: đặc thù môi trường vũ trụ ảnh hưởng lớn đến thiết kế lựa chọn linh kiện điện tử cho vệ tinh - Thông tin liên lạc vệ tinh trạm mặt đất: vệ tinh quan sát Trái đất có thời gian liên lạc với vệ tinh hạn chế - Tính thời gian thực - Phức tạp phép chuyển đổi hệ tọa độ phép quay hệ quy chiếu: để giải nhiệm vụ vệ tinh Các thuật toán/phần mềm dự đoán tư vệ tinh thường thực chip FPGA Đây lý quan trọng để lựa chọn thuật toán đơn giản, hiệu tối ưu phần cứng vệ tinh Các thuật toán hay phương pháp xác định tư vệ tinh phải đảm bảo yêu cầu sau đây: - Tính ổn định hoạt động - Độ tin cậy kết đầu - Có chế phản ứng với tình đặc biệt quỹ đạo nhiễu hay lỗi cảm biến - Tối ưu hiệu tài nguyên hạn chế vệ tinh (nguồn lượng, dung lượng nhớ, lực xử lý) Như vậy, việc nghiên cứu đề xuất phương pháp ước lượng tư có khả thích nghi cao với môi trường làm việc đặc thù yêu cầu chặt chẽ định hướng quan trọng cơng nghệ vệ tinh Việc triển khai thuật tốn thích nghi địi hỏi phải cân nhắc độ ổn định tính đơn giản mặt tính tốn để phù phù hợp với nguồn tài nguyên hữu hạn Do vậy, chế thích nghi đơn giản tối ưu mặt tính tốn cần phải lựa chọn Đây ưu điểm chế thích nghi thuật tốn logic mờ Từ phân tích trên, tác giả lựa chọn nghiên cứu luận án: “Ước lượng tư vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất việc hợp hóa liệu cảm biến tốc độ góc cảm biến sao” MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Luận án thực với mục tiêu tổng quát là: nghiên cứu đề xuất phương pháp ước lượng tư vệ tinh việc hợp hóa liệu cảm biến cảm biến tốc độ góc vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất có khả thỏa mãn ràng buộc phần cứng môi trường hoạt động phần cứng chuyên dụng vệ tinh CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tư vệ tinh Thuật ngữ “tư vệ tinh” sử dụng để nói hướng trỏ vệ tinh hệ quy chiếu cho vận tốc góc vệ tinh quanh trục hệ quy chiếu Một vệ tinh làm việc quỹ đạo cần phải đáp ứng nhiều yêu cầu hướng trỏ không gian hướng ăng-ten phía trạm điều khiển mặt đất, hướng pin Mặt Trời phía Mặt Trời để nạp ắc-quy định hướng thiết bị chụp ảnh đảm bảo độ xác chụp ảnh mặt đất Để dự đốn điều khiển tư vệ tinh theo nhiệm vụ cụ thể lập trình sẵn phân hệ xác định điều khiển tư vệ tinh (ADCS) cần phải có thơng tin xác, tin cậy từ nhiều loại cảm biến tư khác như: cảm biến hướng mặt trời, cảm biến sao, cảm biến tốc độ góc, cảm biến từ trường,… Điểm đáng lưu ý loại cảm biến tư có nhiều đặc trưng khác tốc độ lấy mẫu, độ xác, độ tin cậy, phép đo phụ thuộc vị trí vệ tinh Do đó: Hợp liệu đa cảm biến trình kết hợp liệu từ nhiều cảm biến khác với mục đích cho kết cuối tốt sử dụng cảm biến độc lập 1.2 Các hệ tọa độ khảo sát chuyển động vệ tinh Để phân tích chuyển động vệ tinh, ta cần xác định hệ trục toạ độ mô tả chuyển động vệ tinh Các hệ tọa độ bao gồm hệ tọa độ quán tính i , hệ toạ độ quỹ đạo LHLV o hệ tọa độ vệ tinh b Trong luận án này, tác giả giả thiết vệ tinh vật rắn bay quanh quỹ đạo hình trịn xung quanh trái đất 1.3 Biễu diễn tư vệ tinh Các phương pháp biểu diễn tư vệ tinh gồm có:  Ma trận quay DCM (Direct Cosine Matrix)  Phép quay RPY (Roll, Pitch, Yaw)  Góc trục quay Euler  Biểu diễn tư vệ tinh quaternion  Các tham số MRP (Modified Rodrigues Parameters)  Biểu diễn tư vệ tinh tham số Pivot (đây phương pháp nay) Sai lệch tư vệ tinh Khi sử dụng quaternion ta xác định sai lệch tư q có dạng:  v q  qdq   d  q4 d q4  vd   v    vTd   q4   q1d  q   v  quaternion mong muốn q d   2d    d   q3d   q4d     q4d   q1  q  v q   2     q3   q4     q4  quaternion thực tế Do ưu điểm phương pháp biểu diễn tư quaternion, nên phương pháp phổ biến hiệu cho thuật toán xác định tư vệ tinh nhỏ 1.4 Các tiêu phân hệ xác định điều khiển tư vệ tinh Một số tiêu xác định điều khiển tư vệ tinh: - Các tham số độ xác tư vệ tinh, bao gồm sai số xác định sai số điều khiển tư thế: o Sai số hướng: sai lệch góc trục tư thực vệ tinh tư mong muốn: (θreal  θcmd ) o Sai số ước lượng: sai lệch trục tư ước lượng tư thực: (θ flt  θcmd ) o Sai số tốc độ góc: sai lệch tốc độ góc tốc độ góc thực vệ tinh tốc độ góc mong muốn: (ωreal  ωt arg et ) - Độ ổn định tư - Tốc độ đáp ứng: bao gồm tốc độ chuyển tiếp tốc độ hội tụ - Khả thích nghi kháng lỗi Sai số điều khiển tư ảnh hưởng đến độ xác vị trí chụp ảnh mặt đất chất lượng hình học ảnh thu Do vậy, yêu cầu sai số độ ổn định hướng điều khiển tư vệ tinh tiêu quan trọng hàng đầu nhiệm vụ quan sát Trái đất 1.5 Thuật toán ước lượng tư ràng buộc vệ tinh Thuật toán ước lượng tư vệ tinh sử dụng hai nguồn liệu đầu vào cảm biến tốc độ góc cảm biến Do vậy, để xây dựng thiết kế ước lượng hiệu có khả thích nghi hay kháng lỗi phải nghiên cứu tác động loại cảm biến lên dự đoán để xây dựng kịch mô sát với thực tế Các trường hợp điển hình sau nghiên cứu: - Đối với cảm biến tốc độ góc: tác động độ trượt cảm biến hỏng cảm biến - Đối với cảm biến sao: tác động nhiễu không đo tư (do ảnh hưởng vật sáng) Một đặc điểm ràng buộc quan trọng thiết kế hệ thống xác định điều khiển tư vệ tinh tối ưu với phần cứng có lực xử lý hạn chế Các kết nghiên cứu rằng, lọc Kalman (cụ thể lọc EKF) có ưu điểm vượt trội so với phương pháp truyền thống TRIAD hay QUEST tối ưu với phần cứng vệ tinh Các phương pháp thích nghi có khả áp dụng với điều kiện thông số kỹ thuật vệ tinh biến động trường hợp cảm biến lỗi Tuy nhiên, yêu cầu đặc thù vệ tinh hoạt động quỹ đạo với nhiều ràng buộc độ tin cậy, độ xác nguồn tài ngun tính tốn hạn chế nên phương pháp thích nghi chưa áp dụng phổ biến Trong hệ thống điều khiển phương pháp logic mờ sử dụng phổ biến để thực chế thích nghi Logic mờ lựa chọn ưu điểm sau đây: - Tính linh hoạt, dễ hiều - Giao diện dễ sử dụng Tính tốn đơn giản - Dễ kiểm tra Kết luận chương: Hiệu chức ước lượng tư nói riêng hay phân hệ xác định điều khiển tư nói chung phụ thuộc vào yếu tố sau đây: - Phương pháp biểu diễn tư - Ràng buộc vệ tinh - Các thuật tốn ước lượng tư CHƯƠNG - MƠ HÌNH VỆ TINH VÀ CẢM BIẾN TƯ THẾ TRONG BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH 1.6 Xây dựng mơ hình động lực học vệ tinh với bánh xe động lượng điều khiển tư vệ tinh 2.1.1 Xây dựng mơ hình động lực học vệ tinh với bánh xe động lượng Phương trình động lực học vệ tinh sau: Với hw mô men động lượng bánh xe Ne lực tác động từ bên Nc lực điều khiển Is ma trận quán tính vệ tinh Nếu tách phần tử vô hướng q4, phần tử lại vec tơ tư vệ tinh gọi vec tơ Gibbs Chọn vec tơ trạng thái Lực điều khiển đầu vào u=Nc Phương trình trạng thái vệ tinh sau: ) 10 2.1.2 Luật điều khiển tư cho vệ tinh quan sát Trái đất Để đơn giản trình nghiên cứu mô phỏng, luật điều khiển tư vệ tinh sau lựa chọn: u  K pqe - K dωe Trong đó: u lực yêu cầu để điều khiển tư vệ tinh, lực tạo từ bánh xe động lượng K p , K d : hệ số điều khiển qe , ωe : sai số hướng tốc độ góc giá trị ước lượng giá trị mong muốn tính sau: Trong đó: qs, qr ma trận tư tức thời tư mong muốn ωe ωr ma trận tốc độ góc tức thời tốc độ góc mong muốn Trong chế đội trì hướng trỏ Trái nhiệm vụ xác định điều khiển tư vệ tinh điều khiển trì tốc độ quay vệ tinh theo trục pitch để vệ tinh luốn hướng trái đất với: 0  2*  (rad/s) To Và To chu kỳ quay vệ tinh quanh Trái đất Đối với vệ tinh quat sát Trái đất có quỹ đạo đồng mặt trời chu kỳ To có thời gian khoảng 90 phút 11 Ở chế độ chụp ảnh, tư vệ tinh bám theo quỹ đạo tính tốn sẵn (có thể tính tốn từ phần mềm mặt đất gửi lên tự động tính tốn vệ tinh) Mơ hình vệ tinh tuyến tính hóa quanh tốc độ góc hướng Trái đất [0, -ωo, 0]: x(t) = Ax(t) + Bu Nc (t) + Bd Ndist Trong đó: x(t) ma trận trạng thái xác định [ω q h] h mơ men động lượng góc bánh xe động lượng Nc lực yêu cầu Ndist lựa nhiễu động bên A, B ma trận trạng thái Cảm biến tư vệ tinh 2.2 2.2.1 Cảm biến tốc độ góc Mơ hình theo ba trục cảm biến miền thời gian liên tục sau: ω = ω + β + ηv β = ηu Trong đó: ω tốc độ đo được, β độ trôi theo thời gian ηu ηv hai q trình nhiễu trắng độc lập Gau-xơ có giá trị trung bình khơng 2.2.2 Cảm biến Cảm biến thiết bị quang học để xác định tư vệ tinh cách chụp ảnh với độ xác cao Cảm biến 12 chụp ảnh vũ trụ từ vệ tinh so sánh với đồ sẵn có thiết bị, từ sai số thiết bị tính tư vệ tinh Cảm biến mơ tả sau: qs q q Trong đó:, q s quaternion đầu cảm biến sao, q quaternion thực tế q nhiễu cảm biến, có kỳ vọng khơng phương sai : E q s (t ) E q s (t )qTs (t ) σ 2s (t )I x Kết luận chương: Mơ hình đặc trưng phân hệ ADCS mô tả vệ tinh sử dụng bánh xe động lượng làm cấu chấp hành để điều khiển tư vệ tinh, đồng thời sử dụng cảm biến tư đầu vào cảm biến cảm biến tốc độ góc Việc lựa chọn mơ hình với cấu chấp hành cảm biến đo nhằm đảm bảo tính thực tế xu hướng thiết kế vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ CHƯƠNG - ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH BẰNG HỢP NHẤT DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN Xác định tư vệ tinh thực toán ước lượng tối ưu từ nguồn liệu khác Thuật toán ước lượng phải đánh giá mức độ tin cậy nguồn liệu đo từ cảm biến đơn lẻ để từ đưa hệ số, cịn gọi độ tin cậy, để từ làm sở để hợp cảm biến 13 Một số phương pháp ước lượng tư vệ tinh phổ biến:  Ước lượng tư sử dụng phương pháp trọng số  Sử dụng lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF)  Sử dụng thuật toán QUEST (Quaternion Estimation)  Ứng dụng phương pháp Pivot (phương pháp mới)  Phương pháp thích nghi Phương pháp thích nghi đặc biệt có ý nghĩa trường hợp tham số hệ thống khơng biết xác Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp thích nghi vào thuật tốn vệ tinh có nhược điểm sử dụng thêm nhớ, giảm tốc độ tính tốn tăng cơng suất tiêu thụ Đây ràng buộc nhằm đảm bảo tính tức thời thao tác điều khiển tư vệ tinh Kết luận chương: Trong chương này, tác giả trình bày mơ hình ước lượng tư ứng dụng cho vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ Đồng thời, mơ hình hóa ước lượng tư sử dụng lọc Kalman Kalman mở rộng Đây mơ hình để ứng dụng chế thích nghi nhằm nâng cao tính kháng lỗi ước lượng tư nói riêng phân hệ xác định điều khiển tư nói chung CHƯƠNG - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ BÙ ĐỘ TRƯỢT CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC 4.1 Xây dựng hợp cảm biến tư có bù độ trượt Vec-tơ trạng thái cho dự đoán lựa chọn sau: Trong đó: q=[q1 q2 q3 q4] quaternion tư vệ tinh β= [βx βy βz] vec-tơ độ lệch cảm biến tốc độ góc 14 Bộ hợp liệu lọc EKF mô tả sau: Bảng 4.1 Bộ lọc EKF hợp tư vệ tinh có bù độ trượt cảm biến tốc độ góc 4.2 Kết mô Các tham số đầu vào: - Ma trận quán tính vệ tinh: J 13.5 0 12.8 0 18.8 kg.m2 - Nhiễu cảm biến sao: [96” 16” 16”] (lần lượt theo trục X,Y Z) (3σ) - Tốc độ trượt cảm biến tốc độ góc: 6o/h - Nhiễu ngẫu nhiên cảm biến tốc độ góc (ARW): 0.15o/ h - Tốc độ góc trỏ hướng Trái đất: 𝑟𝑎𝑑/𝑠 (với chu kỳ quay 90∗60 vệ tinh: T=90 phút) - Tốc độ góc mong muốn chụp ảnh: [-0.0036 0.0032] rad/s - Giai đoạn chụp ảnh: To+200 đến To+300 (giây) 2∗𝜋 15 -0.0074 - Mo men tác động bên ngoài: τ=[0 0]; - Điều kiện ban đầu: x=[1 0 0 0]; - Thuật toán điều khiển: PID - Góc mong muốn điều khiển đến: quay vệ tinh quanh trục quay (roll) góc 30o 4.2.1 Kết mô phương pháp ước lượng trọng số Hình 4.1 Kết ước lượng tư vệ Hình 4.2 Sai số trỏ hướng vệ tinh tinh (Roll, Pitch, Yaw) phương phương pháp ước lượng tư pháp trọng số phương pháp trọng số Hiệu phân hệ xác định điều khiển tư vệ tinh thể số sai số hướng: Trục/chỉ số Roll (rad) Pitch (rad) Yaw (rad) Giá trị trung 0.0003805 0.0007924 0.0005978 0.0002736 0.0004816 0.0003729 bình (mean) Độ lệch chuẩn (std) Bảng 4.2 Bảng xác định độ xác trỏ hướng vệ tinh sử dụng phương pháp ước lượng tư trọng số 16 4.2.2 Kết mô phương pháp ước lượng bô lọc Kalman mở rộng Hình 4.3 Kết ước lượng tư (Roll, Hình 4.4 Sai số trỏ hướng vệ tinh Pitch, Yaw) có bù độ trượt cảm biến tốc dùng lọc Kalman mở rộng có bù độ độ góc lọc Kalman mở rộng trượt cảm biến tốc độ góc Các số đánh giá độ sai số hướng vệ tinh sử dụng thuật toán điều khiển tư có sử dụng lọc EKF để bù độ trượt sau: Trục/chỉ số Roll (rad) Pitch (rad) Yaw (rad) Giá trị trung bình (mean) -4.81 e-05 1.48 e-06 -1.66 e-05 Độ lệch chuẩn (std) 0.0001515 0.0001493 0.0001348 Bảng 4.3 Bảng xác định độ xác trỏ hướng vệ tinh sử dụng phương pháp ước lượng tư có bù độ trượt cảm biến tốc độ góc Kết luận chương: Đánh giá hai thuật toán ước lượng tư thế: sử dụng trọng số bù độ trượt cảm biến tốc độ góc Kết cho thấy, lọc Kalman sử dụng hợp lý hồn tồn có khả ước lượng bù độ trượt cảm biến tốc độ góc, từ tăng tính tin cậy kháng lỗi phân hệ xác định điều khiển tư vệ tinh 17 CHƯƠNG - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ KHÁNG LỖI TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT 5.1 Thiết kế hợp liệu tư vệ tinh sử dụng lọc Kalman Bộ dự đoán tư (GSE) hoạt động dựa nguyên lý lọc Kalman ước lượng trạng thái hệ thống: Khởi tạo q(0) q0 β(0) β0 Dự đoán tư dựa phương ωk ω k ,Gyro trình động học βˆ k βˆ k qˆ k qˆ k ωk ,Gyro : số đo từ cảm biến gyro Tính toán sai số cách nhân zk βˆ k q(ω k ) 2qk , SST qˆ k (quaternion) giá trị đo SST tư dự đoán qk , SST : giá trị đo SST Hiệu chỉnh tư độ trượt Xk ,Cor - Hệ số hiệu chỉnh tư qk ,Cor - Hệ số hiệu chỉnh độ trượt gyro dk ,Cor q k ,Cor d k ,Cor qˆ k 1, Cor qˆ k βˆ k 1,Cor βˆ k K GSE z k q k ,Cor d k ,Cor 5.2 Sử dụng thuật toán fuzzy để điều chỉnh hợp liệu Đề xuất sử dụng thuật toán fuzzy logic để giám sát bù thông số Q k R k lọc: Qk _ new Q0 2( k 1) R k _ new R0 2( k 1) (5.1) 18 Trong thơng thường, hệ số điều chỉnh, Q0 , R lọc EKF ma trận số Thuật tuán fuzzy xây dựng với hai đầu vào giá trị trung bình phương sai sai số thặng dư, đầu hệ số hiệu chỉnh Khởi tạo q(0) q0 β(0) β0 P ( k0 ) P0 R ( k0 ) R0 Dự đoán tư dựa phương ωk trình động học βˆ k βˆ k qˆ k qˆ k ωk ,Gyro : số đo từ cảm biến gyro Tính tốn sai số cách nhân zk qk , SST : giá trị đo SST q(ω k ) 2q k , SST qˆ k FLO(var( z k ), mean( z k )) (quaternion) giá trị đo SST tư dự đoán βˆ k ω k ,Gyro Pk +1 = (I - K k,GSE )Pk Rk = Ro ( 2( k 1)) K k +1,GSE = Pk +1 / (Pk +1 + R k ) FLO: hàm đánh giá Hiệu chỉnh tư độ trượt 5.3 Hệ số hiệu chỉnh tư Xk ,Cor q k ,Cor d k ,Cor qk ,Cor qˆ k 1,Cor qˆ k Hệ số hiệu chỉnh độ trượt gyro dk ,Cor βˆ k 1,Cor βˆ k Kk 1,GSE zk q k ,Cor d k ,Cor Đề xuất chế kháng lỗi cho ước lượng tư vệ tinh quan sát Trái đất Dựa kết nghiên cứu trên, chế kháng lỗi đề xuất cho hợp tư vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất sau: 19 Khi cảm biến tốc độ góc hoạt động bình thường: Số đo cảm - biến tốc độ góc dùng để tính tư vệ tinh Khi số đo cảm biến tốc độ góc suy giảm nghiêm trọng: Vận tốc - góc tham chiếu sử dụng thay cho số đo quay Trong trường hợp số đo cảm biến bị gián đoạn khoảng thời gian vượt giới hạn cho phép (do hạt tích điện, bị lóa…), số đo cảm biến tốc độ góc chọn để tính tư vệ tinh Khi cảm biến tốc độ góc hỏng: Vận tốc góc tham chiếu sử - dụng thay cho số đo cảm biến tốc độ góc Trong trường hợp số đo cảm biến bị gián đoạn khoảng thời gian vượt giới hạn cho phép, tích phân phương trình động lực học vệ tinh chọn để tính tư vệ tinh Mơ 5.4 5.4.1 Mô vệ tinh chế độ tiêu chuẩn Các thơng số vệ tinh: - Ma trận qn tính vệ tinh: J 13.5 0 12.8 0 18.8 kg.m2 - Nhiễu cảm biến sao: [96’ 16‘ 16’] (3σ) - Tốc độ trượt cảm biến tốc độ góc: 6o/h - Nhiễu ngẫu nhiên cảm biến tốc độ góc (ARW): 0.15o/ h - Tốc độ góc Trái đất: 2*pi/(90*60) rad/s (To=90 phút) - Tốc độ góc mong muốn chụp ảnh: [-0.0036 -0.0074 0.0032] rad/s - Giai đoạn chụp ảnh: To+200 đến To+300 (giây) 20 - Mo men tác động bên ngoài: τ=[0 0]; Điều kiện ban đầu: x=[1 0 0 0]; Kết mô lọc Kalman sau: Hình 5.1 Kết mơ EKF Hình 5.2 Kết mơ có bị nhiễu bù thuật tốn fuzzy 5.4.2 Mơ vệ tinh chế độ chụp ảnh Kịch sau: - Hướng vệ tinh bắt đầu chụp ảnh: [-10; 25; 20] o - Tốc độ góc vệ tinh chụp ảnh [-0.0035 -0.0073 0.0034] rad/s; - Thời gian chụp ảnh: Trong khoảng thời gian 100-200 (giây) Kết mô phỏng: Khi khơng có tác động nhiễu lên cảm biến: Hình 5.3 Tư vệ tinh chụp ảnh Hình 5.4 Tốc độ góc vệ tinh chụp ảnh Khi có tác động nhiễu 21 Hình 5.5 Tư vệ tinh chụp Hình 5.6 Sai số xác định tư vệ ảnh tinh Hiệu chỉnh thuật tốn kháng lỗi Hình 5.7 Tư vệ tinh áp dụng Hình 5.8 Tốc độ góc vệ tinh thuật toán kháng lỗi áp dụng thuật toán kháng lỗi Kết luận chương: Bộ lọc EKF hiệu biết rõ tham số hệ thống trình nhiễu Tuy nhiên thực tế có nhiều tham số khơng xác định nên mơ hình khơng thật hiệu Điều khẳng định hệ thống sử dụng nhiều loại cảm biến khác với hệ số tin cậy không cố định (như tượng liệu) Để khắc phục bất thường này, thuật toán fuzzy áp dụng để đánh giá độ tin cậy hệ thống từ có hiệu chỉnh phù hợp với xu hướng biến động từ làm sở để xây dựng hợp kháng lỗi thích nghi 22 KẾT LUẬN Về phương pháp ước lượng tư vệ tinh: Ở môi trường hoạt động bình thường thuật tốn sử dụng lọc Kalman thông thường thể hiệu độ xác, tốc độ tính tốn đặc biệt tính đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp để triển khai phần cứng vệ tinh với nguồn tài nguyên hạn chế Cơ chế thích nghi thuật toán mờ ước lượng thể hiệu trường hợp sau đây: chất lượng đo cảm biến bị suy giảm ảnh hưởng nhiễu đo (cảm biến hình ảnh cảm biến sao) tích lũy nhiễu (độ trượt cảm biến tốc độ góc) Khi chất lượng tín hiệu đo khơng đủ độ tin cậy (cảm biến hỏng nhiễu q lớn) chế thích nghi thực nhiệm vụ giám sát để kích hoạt chế kháng lỗi ước lượng Cơ chế kháng lỗi ước lượng tư vệ tinh: giá trị đo cảm biến khơng cịn sử dụng ước lượng sử dụng liệu thay như: sử dụng số liệu đo cảm biến sử dụng để ước lượng liệu thay cho cảm biến bị lỗi; sử dụng liệu tính tốn sẵn (hướng tốc độ góc mong muốn) Do điều kiện hoạt động khắc nghiệt tiêu chí an tồn cho vệ tinh, nên chế kháng lỗi đảm bảo hoạt động vệ tinh phạm vi định, sai số gây nhiễu yếu tố bất định quỹ đạo nên vệ tinh chuyển chế độ an toàn (safe mode) ngưỡng bị vi phạm Các giá trị ngưỡng liên quan địi hỏi phân tích tính tốn kỹ dựa thơng số xác vệ tinh thiết kế hệ thống 23 KIẾN NGHỊ - Nghiên cứu chuyên sâu thuật toán xác định tư tối ưu hiệu nguồn tài nguyên vệ tinh Đặc biệt mô thiết bị phần cứng chip FPGA SoC (System on Chip) - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp biểu diễn tư vệ tinh tham số Pivot Đây phương pháp hoàn toàn cần nghiên cứu để đánh giá khả áp dụng cho phân hệ xác định điều khiển tư vệ tinh NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Luận án cơng trình nghiên cứu liên quan đến thiết kế mô cho phân hệ ước lượng tư nói riêng xác định điều khiển tư nói chung cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất gắn với thông số kịch thực tế Luận án có đóng góp sau: - Trên sở chức năng, hoạt động đặc tính kỹ thuật cảm biến cảm biến tốc độ, tác giả đề xuất giải pháp hợp liệu để ước lượng tư vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất cách xác tin cậy, với thuật toán đơn giản dễ triển khai thiết bị vệ tinh (với nhiều ràng buộc lượng, dung lượng nhớ lực xử lý) - Đề xuất phương pháp kháng lỗi cho hợp liệu, chế thích nghi sử dụng fuzzy logic nhằm đảm bảo ước lượng tư hoạt động hiệu tin cậy trường hợp chất lượng đo cảm biến bị suy giảm, không đủ tin cậy độ trượt cảm biến tốc độ, tín hiệu cảm biến 24