NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNGGNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THÔNG MINHỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒLUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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 i Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Trần Trung Chuyên 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, Phịng 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 khơng có hướng dẫn, hợp tác hỗ trợ số cá nhân đóng góp nhiều cho việc chuẩn bị hồn 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 lịng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình nghiên cứu Tơi 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 tơi 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 Hịa, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, PGS.TS Nguyễn Văn Trung, TS Phạm Quốc Khánh, TS Nhữ Việt Hà, TS Đồng Thị Bích Phương góp ý chân thành thẳng thắn, giúp cho luận án tơi hồn thiện tốt Xin chân thành cảm ơn GS.TS Trương Xuân Luận, 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 toàn cầu Nga điều hành x Danh sách bảng Bảng 1.1 Đặc tính cách xử lý nguồn sai số cảm biến 14 Bảng 1.2 Tổng hợp mơ hình hiệu chuẩn cảm biến quán tính 18 Bảng 1.3 Đặc tính nguồn sai số ngẫu nhiên cảm biến 32 Bảng 2.1 Cơ sở giải pháp tích hợp GNSS/INS 61 Bảng 3.1 Dữ liệu đầu cảm biến vị trí hiệu chuẩn 73 Bảng 3.2 Các hệ số cảm biến gia tốc (C6D) 73 Bảng 3.3 Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W) 73 Bảng 3.4 Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6D) 75 Bảng 3.5 Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W) 75 Bảng 3.6 Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W phương pháp đề xuất) 77 Bảng 3.7 Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W phương pháp đề xuất) 77 Bảng 3.8 Độ lệch Allan cảm biến iPhone Plus 81 Bảng 3.9 Ước lượng nhiễu cảm biến quán tính iPhone Plus 81 Bảng 3.10 Độ xác định vị tích hợp GNSS/INS iPhone Plus 84 xi Danh sách hình vẽ Hình 1.1 Cảm biến chuyển động Smartphone 13 Hình 1.2 Mơ hình hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc Smartphone 20 Hình 1.3 Mơ hình hiệu chuẩn cảm biến gia tốc Smartphone 21 Hình 1.4 Lấy mẫu theo cluster 28 Hình 1.5 Minh họa kết phân tích đường cong phương sai Allan 31 Hình 2.1 Hai hệ tọa độ trực giao 37 Hình 2.2 Các trục hệ ECI 38 Hình 2.3 Các trục hệ ECEF 39 Hình 2.4 Các trục hệ N ED 40 Hình 2.5 Các trục hệ vật thể b 42 Hình 2.6 Các góc Euler 44 Hình 2.7 Mơ tả tốn tư hệ Strapdown 46 Hình 2.8 Định hướng hệ β so với hệ α xoay quanh trục αˆr 47 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống dẫn đường quán tính 49 Hình 2.10 Sơ đồ xử lý dẫn đường quán tính 50 Hình 2.11 Sơ đồ khối phương trình định vị hệ ECI 51 Hình 2.12 Sơ đồ khối phương trình định vị hệ ECEF 52 Hình 2.13 Sơ đồ khối phương trình định vị hệ định vị cục Hình 2.14 Sử dụng tín hiệu bốn vệ tinh để định vị 56 Hình 2.15 Nguyên lý định vị phổ biến Smartphone (A-GNSS) 57 Hình 2.16 Sơ đồ khối lọc định hướng xây dựng IMU 60 Hình 2.17 Kiến trúc tổng quát hệ thống tích hợp GNSS/INS 53 Smartphone 63 Hình 2.18 Kiến trúc tích hợp GNSS/INS điển hình 64 Hình 2.19 Kiến trúc cải INS vịng lặp mở vịng lặp đóng 65 Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Công tác Trắc địa - Bản đồ (TĐBĐ) bao gồm đo đạc thể thông tin đối tượng mặt đất làm sở để thể thông tin khác gắn với mặt đất Kể từ năm 1960 Việt Nam, đồ thành lập phương pháp truyền thống bao gồm xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ độ cao quốc gia làm sở cho công việc đo vẽ thành lập đồ gốc dựa phép đo máy đo chuyên dụng; in đồ để sử dụng cho nhiều mục đích khác Bên cạnh cơng nghệ đo đạc độ xác cao máy đo chuyên dụng, thiết bị thu tín hiệu vệ tinh Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems (GNSS) độ xác cao phần mềm chuyên dụng đắt tiền, nhiều nhiệm vụ đo đạc, khảo sát khơng địi hỏi phải sử dụng thiết bị đại nêu trên, ví dụ tìm điểm, khảo sát tuyến đo đạc, thu thập thông tin thuộc tính đối tượng địa lý thực địa Đối với dạng công việc này, yêu cầu dẫn đường, xác định vị trí đối tượng quan tâm, thu thập, xử lý, lưu trữ chia sẻ liệu trở nên yêu cầu cấp bách Các tiện ích dẫn đường, xác định vị trí có sẵn máy đo GNSS tầm tay, nhiên chúng thiết bị đắt tiền Cùng với phát triển cơng nghệ, điện thoại thơng minh, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, gọi chung thiết bị thông minh đời trang bị hợp phần máy thu GNSS cảm biến [10, 19] Trong thiết bị thơng minh kể Điện thoại thơng minh (Smartphone), đối tượng nghiên cứu trang bị thành phần có hệ điều hành, phần cứng định vị cảm biến, thành phần thường xuyên cập nhật, nâng cấp cải thiện hiệu Một yếu tố quan trọng Smartphone người dùng tận dụng phần cứng trang bị sẵn, lập trình để tạo ứng dụng cài đặt vào Smartphone, làm cho Smartphone có thêm tính Tổng quan Smartphone làm thay đổi sống hàng triệu người dùng tồn giới có nhiều ứng dụng sáng tạo cho nhiều lĩnh vực đồng thời thu nhận, lưu trữ, cập nhật xử lý liệu máy tính cá nhân hay máy tính xách tay [2] Do Smartphone có khả xử lý liệu hiệu máy vi tính, đồng thời trang bị sẵn nhiều cảm biến [22, 25, 27], nên lập trình để tạo ứng dụng, làm cho Smartphone có thêm tính thiết bị Việc tạo ứng dụng chuyên ngành Smartphone giúp tiết kiệm chi phí khơng phải mua thiết bị chun dụng có độ xác tương đương, tạo điều kiện tiếp cận thông tin nhanh [6] Nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công Smartphone lĩnh vực nông nghiệp [59], địa chất [20], quản lý nước [42], quản lý lưu lượng giao thông [8], giáo dục môi trường [50], y học [35] Trong khoa học Trái Đất có số cơng trình nghiên cứu sau: Jones cộng [58], tiến hành đánh giá độ xác vị trí điểm mặt số Smartphone phổ biến sử dụng Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS (A-GPS) Các Smartphone chọn thử nghiệm đại diện hệ khác Dữ liệu tọa độ vị trí điểm thu thập cách cho sinh viên tình nguyện sử dụng Smartphone họ để định vị so sánh với điểm chuẩn đo phương pháp RTK Mục tiêu họ tạo kết ban đầu độ xác định vị Smartphone làm sở cho nghiên cứu Kết đánh giá độ xác cho thấy sai số vị trí điểm mặt trung bình tất loại Smartphone thử nghiệm ±67.47f eet (khoảng ±20m) Sai số trung phương vị trí điểm mặt cho tất sản phẩm thử nghiệm sử dụng hệ điều hành iOS (iPhone 4) ±44.79f eet (khoảng ±14m), sai số trung phương vị trí điểm mặt cho tất sản phẩm thử nghiệm sử dụng hệ điều hành Android ±207.25f eet (khoảng ±63m) Tổng quan Smartphone làm thay đổi sống hàng triệu người dùng tồn giới có nhiều ứng dụng sáng tạo cho nhiều lĩnh vực đồng thời thu nhận, lưu trữ, cập nhật xử lý liệu máy tính cá nhân hay máy tính xách tay [2] Do Smartphone có khả xử lý liệu hiệu máy vi tính, đồng thời trang bị sẵn nhiều cảm biến [22, 25, 27], nên lập trình để tạo ứng dụng, làm cho Smartphone có thêm tính thiết bị Việc tạo ứng dụng chuyên ngành Smartphone giúp tiết kiệm chi phí khơng phải mua thiết bị chun dụng có độ xác tương đương, tạo điều kiện tiếp cận thông tin nhanh [6] Nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công Smartphone lĩnh vực nông nghiệp [59], địa chất [20], quản lý nước [42], quản lý lưu lượng giao thông [8], giáo dục môi trường [50], y học [35] Trong khoa học Trái Đất có số cơng trình nghiên cứu sau: Jones cộng [58], tiến hành đánh giá độ xác vị trí điểm mặt số Smartphone phổ biến sử dụng Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS (A-GPS) Các Smartphone chọn thử nghiệm đại diện hệ khác Dữ liệu tọa độ vị trí điểm thu thập cách cho sinh viên tình nguyện sử dụng Smartphone họ để định vị so sánh với điểm chuẩn đo phương pháp RTK Mục tiêu họ tạo kết ban đầu độ xác định vị Smartphone làm sở cho nghiên cứu Kết đánh giá độ xác cho thấy sai số vị trí điểm mặt trung bình tất loại Smartphone thử nghiệm ±67.47f eet (khoảng ±20m) Sai số trung phương vị trí điểm mặt cho tất sản phẩm thử nghiệm sử dụng hệ điều hành iOS (iPhone 4) ±44.79f eet (khoảng ±14m), sai số trung phương vị trí điểm mặt cho tất sản phẩm thử nghiệm sử dụng hệ điều hành Android ±207.25f eet (khoảng ±63m) 104 [55] David Titterton and John Weston Strapdown Inertial Navigation Technology Vol 17 Institution of Engineering and Technology (IET), 2004 doi: 10.1049/pbra017e [56] Duc Tan Tran, Manh Ha Luu, Thang Long Nguyen, et al “Land-vehicle mems INS/GPS positioning during GPS signal blockage periods” Journal of Science, Vietnam National University, Hanoi 23.4 (2007), pp 243251 [57] Michael Trăobs and Gerhard Heinzel “Improved spectrum estimation from digitized time series on a logarithmic frequency axis” Measurement 39.2 (2006), pp 120–129 doi: 10.1016/j.measurement.2005.10.010 [58] Tyler W Jones, Luke Marzen, and Art Chappelka “Horizontal accuracy assessment of global positioning system data from common smartphones” Papers in Applied Geography 1.1 (2015), pp 59–64 doi: 10 1080 / 23754931.2015.1009304 [59] Lihua Zheng, Minzan Li, Caicong Wu, et al “Development of a smart mobile farming service system” Mathematical and Computer Modelling 54.34 (2011) Mathematical and Computer Modeling in agriculture (CCTA 2010), pp 1194–1203 issn: 0895-7177 doi: 10.1016/j.mcm.2010.11 053 url: http://www.sciencedirect.com/science/article/ pii/S0895717710005443 [60] Wen-Hong Zhu and Tom Lamarche “Velocity Estimation by Using Position and Acceleration Sensors” IEEE Transactions on Industrial Electronics 54.5 (2007), pp 2706–2715 doi: 10.1109/tie.2007.899936 I Phụ lục II Phụ lục A Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến gia tốc Cam bien gia toc (Up) 0.2 X Y Z X Y Z 0.8 Gia toc (g) -0.2 Truc X Cam bien gia toc (Down) 1.2 -0.4 0.6 -0.6 0.4 -0.8 0.2 -1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.2 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1.2 X Y Z X Y Z 0.8 Gia toc (g) Truc Y -0.2 -0.4 0.6 0.4 -0.6 0.2 -0.8 -1 -0.2 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 So mau 0.2 1.2 X Y Z X Y Z 0.8 -0.4 0.6 Truc Z Gia toc (g) -0.2 -0.6 0.4 -0.8 0.2 -1 -1.2 -0.2 500 1000 1500 2000 2500 So mau 3000 3500 4000 4500 1000 2000 3000 4000 5000 So mau Hình A.1: Dữ liệu hiệu chuẩn sáu vị trí cảm biến gia tốc 6000 III Phụ lục B Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc Cam bien toc goc (Up) 0.025 X Y Z 0.02 X Y Z 0.02 0.015 Toc goc (rad/giay) 0.015 Truc X Cam bien toc goc (Down) 0.025 0.01 0.005 0.01 0.005 -0.005 -0.005 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0.03 0.025 X Y Z 0.02 X Y Z 0.025 0.02 Toc goc (rad/giay) 0.015 Truc Y 0.01 0.005 0.015 0.01 0.005 0 -0.005 -0.005 -0.01 -0.01 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 So mau 0.03 0.025 X Y Z 0.02 X Y Z 0.025 0.02 Toc goc (rad/giay) 0.015 Truc Z 0.01 0.005 0.015 0.01 0.005 0 -0.005 -0.005 -0.01 -0.01 500 1000 1500 2000 So mau 2500 3000 3500 4000 1000 2000 3000 4000 5000 So mau Hình B.1: Dữ liệu hiệu chuẩn sáu vị trí cảm biến tốc độ góc 6000 ix GNSS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems GPS Hệ thống định vị toàn cầu - Global Positioning System Gyroscope Cảm biến tốc độ góc IF Hệ quy chiếu quán tính - Inertial Frame IMU Bộ đo quán tính - Inertial Measurement Unit INS Hệ thống dẫn đường quán tính - Inertial Navigation System KF Phép lọc Kalman - Kalman Filter Magnetometer Cảm biến từ trường MEMS Hệ thống vi điện tử - Microelectromechanical systems n-frame Hệ tọa độ địa phương NHC Điều kiện ràng buộc “vận tốc khơng”- None - Holonomic Constrain Pitch Góc chúc PSD Mật độ phổ công suất - Power Spectral Density Quaternion Đại số 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 lái - Unmanned Aerial Vehicle WAAS Hệ thống tăng cường diện rộng - Wide Area Augmentation System Yaw Góc hướng V Sai so vi [m] 20 GNSS GNSS/INS -20 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thoi gian [s] Sai so kinh [m] 20 GNSS GNSS/INS -20 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thoi gian [s] Sai so cao [m] 50 GNSS GNSS/INS -50 20 40 60 80 100 120 Thoi gian [s] Hình C.2: So sánh sai số vị trí 140 160 180 VI Van toc N [m/s] 20 REF GNSS GNSS/INS -20 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thoi gian [s] Van toc E [m/s] 20 REF GNSS GNSS/INS -20 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thoi gian [s] Van toc D [m/s] REF GNSS GNSS/INS -2 -4 20 40 60 80 100 120 Thoi gian [s] Hình C.3: So sánh vận tốc 140 160 180 VII Vi [do] 21.07 REF GNSS GNSS/INS 21.068 21.066 21.064 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thoi gian [s] Kinh REF GNSS GNSS/INS 105.782 105.78 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Thoi gian [s] Do cao 40 REF GNSS GNSS/INS 20 [m] [do] 105.784 -20 20 40 60 80 100 Thoi gian [s] Hình C.4: So sánh vị trí 120 140 160 180 VIII Phụ lục D Một số mã nguồn Matlab phát triển D.1 Mã nguồn mô-đun hiệu chuẩn cảm biến function SPCalibration %% numbersep Cac thiet lap co ban % Giai phong cac bien bo nho clearvars; % Dong tat ca cac cua so dang mo close all; % Xoa lich su cau lenh clc; %% numbersep Cac bien toan cuc 10 % Vi phong lab 11 phi = 21.07; 12 % Trong luc cuc bo (g) 13 g = 1.0; 14 % He so chuyen doi tu gia toc tu g sang miligal (mGal) 15 g2mGal = 980665.0; 16 % He so chuyen doi tu radian/giay sang do/gio 17 rps2dph = 206264.806247096; 18 % He so chuyen doi tu ty le sang ppm 19 s2ppm = 1e6; 20 % Toc quay trai dat (radian/giay) 21 omegae = 15.0141/rps2dph; 22 % Toc quay trai dat tai khu vuc thuc nghiem (radian/ giay) 61 2.8 Tích hợp GNSS/INS Smartphone Bảng 2.1: Cơ sở giải pháp tích hợp GNSS/INS Các yếu tố INS GNSS GNSS/INS Vận tốc Chính xác cao Chính xác Được cải thiện thời gian ngắn thời gian dài có lợi cho vị trí Chênh cao Chính xác Ảnh hưởng nhiễu Được cải thiện Tần số lấy mẫu Cao (100Hz) Thấp (1Hz) Cao Hoạt động Tự trị (tự chủ) Phụ thuộc vệ tinh Được cải thiện Tính hiệu Ổn định Ít ổn định Được cải thiện Trọng lực Bị ảnh hưởng Ít nhạy cảm Được cải thiện Ổn định Được cải thiện Độ xác vị trí Giảm theo thời gian Như phân tích mục 2.4 mục 2.5 sở giải pháp tích hợp GNSS/INS trình bày tóm tắt Bảng 2.1 cho thấy giải pháp tích hợp GNSS/INS làm cho độ xác định vị cải thiện INS có số lợi hoạt động tự chủ, băng thơng cao, 50Hz có nhiễu ngắn hạn thấp Nó cung cấp tư thế, tốc độ góc, gia tốc để cung cấp giải pháp vị trí vận tốc phương tiện mang Tuy nhiên, độ xác giải pháp định vị quán tính giảm theo thời gian sai số IMU tích lũy thơng qua phương trình định vị Nếu IMU cung cấp giải pháp định vị INS với độ xác cao vài phút đầu sau hiệu chỉnh, chi phí cho IMU đắt mức từ 100, 000USD trở lên Các loại IMU có độ xác cao khoảng 30 giây đầu sau hiệu chuẩn có chi phí thấp từ 10USD trở lên tùy thuộc vào độ xác [15, 60], tận dụng cảm biến quán tính Smartphone trang bị sẵn để xây dựng IMU giải pháp luận án Hệ thống GNSS phân tích mục 2.5, cung cấp độ xác định vị cao thời gian dài (nhiễu dài hạn thấp) với sai số định vị điểm đơn 73 3.1.2 Các kết thảo luận Bảng 3.1: Dữ liệu đầu cảm biến vị trí hiệu chuẩn Gia tốc trung bình (g) Vị trí Tốc độ góc trung bình (rad/s) x y z x y a1 -0.9956853 0.0196865 -0.0032300 -0.0236105 0.0429588 -0.0096099 b1 1.0007095 0.0290214 0.0289969 -0.0237501 0.0432619 -0.0096285 0.0053687 -0.9683114 0.0096136 -0.0246018 0.0445951 -0.0094427 0.0116855 1.0277003 -0.0001160 -0.0251846 0.0451323 -0.0095303 0.0194991 0.0289320 -0.9964766 -0.0250807 0.0449503 -0.0094562 -0.0126140 0.0281021 1.0055874 -0.0247356 0.0454440 -0.0094877 -0.9951405 0.0185922 -0.0157429 -0.0017736 0.0185117 0.0059672 0.9993481 0.0278926 0.0292347 -0.0025403 0.0183652 0.0060000 0.0143109 -0.9819852 0.0231276 -0.0027346 0.0180067 0.0060608 d 0.0190733 1.0128091 -0.0120039 -0.0019045 0.0181152 0.0060649 e2 0.0248056 0.0040796 -0.9994034 -0.0030329 0.0182612 0.0061545 -0.0290054 0.0439046 1.0016744 -0.0010104 0.0196830 0.0068433 c d e f a b c f Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM z Bảng 3.2: Các hệ số cảm biến gia tốc (C6D) Độ lệch (mGal) Thiết bị Hệ số tỷ lệ (ppm) Hệ số chéo trục (ppm) bx a b ya b za SXX a SY Y a SZZ a SXY a SXZ a SY X a SY Z a SZX a SZY a TB1 2,478 29,089 4,502 -1,798 -2,017 963 - - - - - - 2,032 15,160 1,205 -2,759 -2,552 519 - - - - - - TB Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM Bảng 3.3: Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W) Thiết bị Độ lệch (mGal) Hệ số tỷ lệ (ppm) Hệ số chéo trục (ppm) SY Y a SZZ a SXY a SXZ a SY X a SY Z a SZX a SZY a TB1 4,734 26,990 7,253 -1,803 -1,994 1,032 3,158 -16,057 4,667 -415 16,113 -4,865 5,458 20,478 4,394 -2,756 -2,603 539 2,381 -26,905 4,650 bx a TB b ya b za SXX a Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM 19,912 22,489 -17,566 Bảng 3.1 kết trung bình liệu đầu cảm biến quán tính iPhone Plus sáu vị trí hiệu chuẩn xác định theo công thức từ 1.9 75 Từ kết Bảng 3.2 3.3 cho thấy, dòng sản phẩm, độ lệch hệ số tỷ lệ có giá trị khác Do đó, tất thiết bị phải hiệu chuẩn trước sử dụng cho mục đích định vị tích hợp GNSS/INS Bảng 3.4: Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6D) Độ lệch (o /h) Thiết bị TB1 TB Hệ số tỷ lệ (ppm) Hệ số chéo trục (ppm) bxg b yg b zg SXX g SY Y g SZZ g SXY g SXZ g SY X g SY Z g SZX g SZY g -4,891 9,255 -1,954 92 -245 11 - - - - - - -444 3,732 1,337 387 -64 -376 - - - - - - Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM Bảng 3.5: Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W) Thiết bị bx g b yg b zg Hệ số tỷ lệ (ppm) SXX g SY Y g Hệ số chéo trục (ppm) SZZ g SXY g SXZ g SY X g SY Z g SZX g SZY g -5,0529,156-1,965 1,668,021 -11,264,923 -398,757 11,135,627 -6,593,122 -5,791,774 -9,432,627 355,756 1,672,976 -447 3,814 1,275 13,648,975 -3,072,676 -14,160,963-1,5861,391-38,644,801 2,800,376 -27,166,374-626,534 -78,615 TB TB Độ lệch (o /h) Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM Bảng 3.4 3.5 thông số độ lệch hệ số tỷ lệ cảm biến tốc độ góc iPhone Plus hai kỹ thuật Sử dụng mơ hình bù nhiễu 1.4 cho kết Hình 3.2 Từ kết Bảng 3.4 3.5, Hình 3.2 cho thấy, độ lệch hai kỹ thuật tương đương Tuy nhiên, với kỹ thuật hiệu chuẩn C6W khơng dùng thiết bị xác để làm tham chiếu hệ số tỷ lệ yếu tố khơng trực giao cảm biến tốc độ góc có bất thường Điều hoàn toàn phù hợp với kết luận El-Diasty cộng [12], Shashi Poddar cộng [47], giải thích mục 1.4.2 Với kỹ thuật C6W liệu, sau áp dụng phương pháp chuẩn hóa ảnh hưởng ωe đề xuất cho kết phù hợp thể Bảng 3.6 Bảng 3.7 Kết xác định độ lệch, hệ số tỷ lệ yếu tố không trực giao trục cảm thể Hình 3.3, 3.4 3.5 Độ tin cậy phương pháp đề xuất kiểm chứng thông qua thực nghiệm Như vậy, 77 Bảng 3.6: Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W phương pháp đề xuất) Độ lệch (mGal) Thiết bị SY Y a SXX a b za b ya bx a Hệ số tỷ lệ (ppm) Hệ số chéo trục (ppm) SZZ a SXY a SXZ a SY X a SY Z a SZX a SZY a -385 16,098 -4,836 TB1 4,739 26,946 7,267 -1,798 -2,017 963 3,170 -16,064 4,613 5,392 20,525 4,475 -2,759 -2,552 519 2,348 -26,971 4,671 TB Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM 19,948 22,476 -17,589 Bảng 3.7: Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W phương pháp đề xuất) Độ lệch (o /h) Thiết bị bx g TB1 b yg Hệ số tỷ lệ (ppm) b zg -5,056 9,159 -1,965 TB -446 3,820 1,277 Hệ số chéo trục (ppm) SXX g SY Y g SZZ g SXY g SXZ g SY X g SY Z g SZX g SZY g 92 -245 11 267 -193 -188 -256 40 387 -64 -376 -417 -949 60 -648 -5 -15 Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial FK1NTA7VG5QM 0.05 -0.05 0.05 -0.05 Gia toc (g) -1 Sai so (rad/s) -0.05 Toc goc (rad/s) 1 0.05 -0.05 0 Gia toc (g) 0.05 -1 Gia toc (g) 0.05 Do lech (Z) -0.05 -1 Sai so (rad/s) -1 Cam bien toc goc Do lech (Y) Sai so (g) Do lech (X) Sai so (g) Cam bien gia toc 0.05 -0.05 -1 Toc goc (rad/s) Hình 3.3: Sai số độ lệch trục -1 Toc goc (rad/s) (Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ) 81 Bảng 3.8: Độ lệch Allan cảm biến iPhone Plus1 Cảm biến tốc độ góc (o /h) τ (giây) Cảm biến gia tốc (µm/s2 ) σx σy σz δx δy δz σx σy σz δx δy δz 0.01 262.70 216.19 166.57 57.33 47.18 36.35 12482 4969 16626 2724 1084 3628 0.03 165.99 136.05 103.56 36.22 29.69 22.60 7335 2906 8053 1601 634 1757 0.06 120.81 98.56 74.57 26.36 21.51 16.27 5206 2053 5699 1136 448 1244 0.14 80.37 66.47 49.24 17.54 14.51 10.74 3481 1343 3744 760 293 817 0.34 53.32 44.08 31.83 11.64 9.62 6.95 2400 870 2421 524 190 528 0.81 35.71 29.27 20.90 7.79 6.39 4.56 1868 573 1609 408 125 351 1.00 32.48 26.56 18.90 7.09 5.80 4.12 1774 518 1469 387 113 321 1.42 28.02 22.64 15.99 6.11 4.94 3.49 1623 440 1280 354 96 279 1.74 25.92 20.70 14.52 5.66 4.52 3.17 1540 402 1189 336 88 260 1.95 24.86 19.75 13.75 5.43 4.31 3.00 1495 382 1143 326 83 249 3.00 21.54 16.62 11.33 4.70 3.63 2.47 1338 317 1003 292 69 219 4.67 19.42 13.66 9.28 4.24 2.98 2.02 1196 266 940 261 58 205 11.24 19.30 10.45 6.50 4.21 2.28 1.42 992 195 1130 216 42 246 27.03 26.33 12.90 5.29 5.75 2.81 1.15 1122 181 1716 245 39 374 65.02 40.85 21.40 5.68 8.91 4.67 1.24 1651 249 2332 360 54 509 156.45 60.92 37.23 6.24 13.29 8.12 1.36 2820 396 3063 615 86 668 376.41 93.02 65.30 7.52 20.30 14.25 1.64 4972 622 4329 1085 136 945 905.66 136.92 105.70 14.76 29.88 23.07 3.22 7737 926 6024 1688 202 1314 2179.05 160.31 129.30 28.47 34.98 28.22 6.21 9891 1032 6726 2158 225 1468 5242.89 175.69 15.29 58.66 38.34 3.34 12.80 9217 828 7503 2011 181 1637 Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ Bảng 3.9: Ước lượng nhiễu cảm biến quán tính iPhone Plus1 Loại nhiễu Ký hiệu √ Cảm biến tốc độ góc (o /h/ Hz) √ Cảm biến gia tốc (µm/s2 / Hz) σx σy σz RMS σx σy σz RMS Lượng tử hóa Q 25.96 20.74 14.55 20.94 1542 402 1191 1148 Bước ngẫu nhiên N 32.48 26.56 18.90 26.57 1774 518 1469 1363 Bất ổn độ lệch B 19.30 10.45 5.29 13.03 992 181 940 796 Tỷ lệ bước ngẫu nhiên K 21.54 16.62 11.33 17.02 1338 317 1003 983 Tỷ lệ cưa R 28.07 22.68 16.03 22.80 1625 441 1282 1222 Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ 84 3.3.2 Các kết thảo luận Kết thực nghiệm cho thấy sử dụng giải pháp tích hợp GNSS/INS Smartphone để xác định tọa độ tuyến đường ơ-tơ cải thiện đáng kể độ xác vị trí, đặc biệt khoảng thời gian tín hiệu GNSS bị mất, điều thấy rõ Hình 3.10 Mức cải thiện độ xác mặt sử dụng tích hợp GNSS/INS đạt 62% so với GNSS Smartphone thông thường thể Bảng 3.10 kết hợp IMU với phương vị (course) vận tốc (speed) thu từ API Smartphone để ước lượng vận tốc hệ định vị cục NED Mức cải thiện độ cao đạt 89%, cao nhiều so với mức cải thiện mặt phẳng thực tế, độ xác độ cao GNSS chịu ảnh hưởng lớn cấu tạo vật chất bên Trái Đất nên độ xác độ cao thường thấp độ xác mặt Khi tích hợp GNSS/INS, INS hoạt động tự độc lập (tự trị) nên độ xác độ cao cải thiện nhiều so với độ xác mặt hồn tồn có sở, điểm mạnh việc tích hợp GNSS/INS Đặc biệt, việc xử lý tích hợp GNSS/INS Smartphone với lộ trình bị gián đoạn tín hiệu GNSS cố ý thể Hình 3.10 kết hợp phương pháp Smoothing phương pháp Ràng buộc vận tốc không hàn gắn đoạn bị tín hiệu GNSS Bảng 3.10: Độ xác định vị tích hợp GNSS/INS iPhone Plus1 Ký hiệu GNSS (RMSE) GNSS/INS (RMSE) Vận tốc (m/s) Vị trí (m) Vận tốc (m/s) Vị trí (m) Mức cải thiện Vị trí (%) N 0.055 3.709 1.365 1.153 69 E 0.048 3.666 1.133 1.630 56 D 0.058 7.015 0.591 0.764 89 Thiết bị iPhone Plus, iOS 10.2.1, Serial F2LNJH7TG5QQ