(Luận văn thạc sĩ) NGHIÊN cứu CÔNG NGHỆ TÍCH hợp và xử lý dữ LIỆU INS GPS, PHỤC vụ CÔNG tác đào tạo NGÀNH TRẮC địa bản đồ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ BÁO CÁO TĨM TẮT KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU INS/GPS, PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO NGÀNH TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ” MÃ SỐ: 2015.07.09 Cơ quan chủ trì đề tài/dự án: Trường ĐH Tài nguyên Môi trường HN Chủ nhiệm đề tài/dự án: ThS Đỗ Văn Dương Hà Nội – 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ BÁO CÁO TĨM TẮT KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ TÍCH HỢP VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU INS/GPS, PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO NGÀNH TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ” MÃ SỐ: 2015.07.09 Chủ nhiệm đề tài/dự án: (ký tên) ThS Đỗ Văn Dương Cơ quan chủ trì đề tài/dự án: (ký tên đóng dấu) PGS.TS Phạm Quý Nhân Hà Nội - 2017 Đặt vấn đề Việc thu thập thông tin địa lý cách tức thời trở nên cần thiết để phục vụ cho việc thơng tin nhanh, ứng phó với thiên tai, thảm họa thiên nhiên Sự phát triển ứng dụng tự động hóa việc thu thập liệu thông tin địa lý lên xu hướng năm gần để thay cho công nghệ truyền thống Trên giới, từ năm 90 kỷ trước, hệ thống lập đồ di động mặt đất hàng không đề xuất phát triển phục vụ việc thu thập liệu địa lý cách tự động, nhanh chóng Những năm gần chứng kiến phát triển mạnh mẽ hệ thống lập đồ di động sử dụng máy bay không người lái Về nguyên lý bản, hệ thống lập đồ di động (MMS) giống hệ thống bay chụp ảnh hàng khơng truyền thống, việc thu thập liệu để thành lập đồ bao gồm hai bước chính: (1) Thu nhận hình ảnh máy chụp ảnh đám mây điểm máy quét laser (2) Tính chuyển tọa độ điểm từ hệ tọa độ khung ảnh (máy quét laser) hệ tọa độ trắc địa quy chuẩn Công nghệ phổ biến sử dụng cho mục đích sử dụng hệ thống tham chiếu tọa độ trực tiếp với tích hợp hệ thống định vị tồn cầu (GPS) hệ thống định vị quán tính (INS) với cảm biến quán tính (IMU) Ở nước, với việc phát triển khai thác sử dụng hệ thống MMS, hệ thống Lidar hàng không, hệ thống chụp ảnh hàng không sử dụng máy bay không người lái, hệ thống định vị, định hướng INS/GPS đề cập đến Tuy nhiên, nghiên cứu nước tồn số hạn chế cần nghiên cứu sau: - Các nghiên cứu cơng nghệ tích hợp INS/GPS nước tập trung chủ yếu vào ứng dụng cho định vị dẫn đường phương tiện giao thông lĩnh vực quân Việc nghiên cứu hệ thống INS/GPS ứng dụng cho ngành trắc địa đồ hạn chế chưa đầy đủ - Các nghiên cứu nước nghiên cứu phương pháp tích hợp lỏng, trị đo GPS cung cấp cho hệ thống vị trí vận tốc máy thu GPS Việc tích hợp chặt sử dụng trực tiếp trị đo GPS thô khoảng cách giả, trị đo Doppler, hay trị đo pha sóng tải chưa đề cập - Vẫn hạn chế việc nghiên cứu đề, xuất tích hợp thêm cảm biến phụ trợ nhằm nâng cao độ xác tính ổn định hệ thống tích hợp - Chưa tập trung đến phương pháp sử lý số liệu cho sử lý sau phép lọc hai chiều, phép ước lượng trơn để nâng cao độ xác hệ thống - Các module phần mềm giới thiệu nghiên cứu chủ yếu module phần mềm mơ cịn đơn giản, chưa nhiều tham số thiết đặt cho việc xử lý số liệu Điều gây khó khăn cho người sử dụng phát triển cho ứng dụng thực tế - Các nghiên cứu nước hạn chế việc nghiên cứu thử nghiệm hệ thống INS/GPS mơi trường nhiễu, khuất tín hiệu GPS - Việc thử nghiệm đánh giá độ xác hệ thống chưa thật thuyết phục tin cậy thiếu hệ thống chuẩn phương pháp đo đạc đủ tin cậy - Đối với công tác đào tạo lĩnh vực Trắc địa-Bản đồ Việt nam, công nghệ GPS đưa vào chương trình giảng dạy, nhiên, năm gần với công nghệ yêu cầu xác định cách đồng thời tham số vị trí hướng tần số đầu cao công nghệ Lidar hàng không, công nghệ đo ảnh sử dụng máy bay không người lái riêng cơng nghệ GPS chưa đủ mà cần phải tích hợp thêm hệ thống INS phương pháp xử lý số liệu tích hợp Để khắc phục tồn nghiên cứu trên, đề tài này, tác giả giải vấn đề sau: - Nghiên cứu cơng nghệ tích hợp INS/GPS ứng dụng cho ngành Trắc địa-Bản đồ - Tập trung vào phương pháp tích hợp chặt INS/GPS sử dụng trực tiếp trị đo GPS thô khoảng cách giả, trị đo Doppler, hay trị đo pha sóng tải Với phương pháp tích hợp chặt, hệ thống tận dụng tín hiệu GPS vệ tinh quan sát, nhờ nâng cao độ xác hệ thống mơi trường đo bị nhiễu, khuất tín hiệu GPS - Nghiên cứu tích hợp trị đo INS với trị đo GPS tương đối động để nâng cao độ xác định vị, qua kết hợp hệ thống thiết kế với trạm tham chiếu tọa độ (Trạm Cors) sẵn có khu vực - Nghiên cứu, tích hợp thêm cảm biến phụ trợ la bàn điện tử, cảm biến vận tốc, cảm biến độ cao nhằm nâng cao độ xác tính ổn định hệ thống - Các phép lọc hai chiều, ước lượng trơn tập trung nghiên cứu để nâng cao độ xác phương pháp xử lý số liệu tích hợp - Thiết kế xây dựng phần mềm xử lý số liệu đầu hệ thống tích hợp với giao diện người dùng để tiện lợi cho việc nghiên cứu, thử nghiệm sử dụng cho thực tế sản xuất - Nghiên cứu, đề xuất thử nghiệm hệ thống tích hợp INS/GPS đa dạng mơi trường bị nhiễu, khuất tín hiệu GPS đô thị, môi trường đồi núi, qua đường hầm - Thử nghiệm đánh giá độ xác hệ thống dựa hệ thống chuẩn phần mềm thương mại phương pháp đo đạc thực địa xác - Các nghiên cứu đề tài sở để cung cấp tài liệu khoa học, bổ sung trang thiết bị thí nghiệm phục vụ đào tạo cơng nghệ tích hợp INS/GPS, ứng dụng ngành Trắc địa-Bản đồ Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu - Phát triển hệ thống tích hợp INS/GPS sử dụng cảm biến qn tính máy thu GPS, phục vụ cơng tác đào tạo ngành Trắc địa-Bản đồ - Thiết kế, xây dựng phần mềm để xử lý số liệu tích hợp INS/GPS - Thử nghiệm độ tin cậy hệ thống tích hợp phần mềm I TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG INS/GPS 1.1 Trên giới Mặc dù nghiên cứu phát triển từ sớm (1960) hệ thống INS trước thường bị hạn chế phổ biến ứng dụng thương mại với hai lý thường liên quan đến ứng dụng lĩnh vực quân giá thành cho hệ thống thường cao (hàng trăm ngàn đô la Mỹ/ bộ) Ưu điểm hệ thống INS vận hành cách độc lập để cung cấp thông tin định vị, định hướng tần số đầu cao (50-200 Hz) Trong năm gần đây, nhờ phát triển công nghệ vi điện tử, hệ thống INS sử dụng cảm biến quán tính vi điện tử (MEMS IMU) với kích thước nhỏ, nhẹ, giá thành thấp (vài trăm đến vài ngàn đô la Mỹ) xu hướng khai thác sử dụng hệ thống ứng dụng dân Tuy nhược điểm hệ thống INS sử dụng MEMS IMU sai số tăng nhanh theo thời gian ảnh hưởng nguồn sai số hệ thống nhiễu MEMS IMU Ở mặt khác, từ xây dựng thương mại hóa phần cho mục đích dân sự, hệ thống GPS nghiên cứu sử dụng cách rộng rãi cho đa dạng mục đích định vị, dẫn đường đo đạc đồ Ưu điểm GPS cung cấp thơng tin vị trí với độ xác ổn định ( cỡ mét với định vị điểm đơn cỡ cm với định vị vi phân) thời điểm, nơi bề mặt trái đất mơi trường thơng thống Tuy nhiên GPS có nhược điểm tần số đầu thấp (1 Hz), bị nhiễu thông tin định vị điều kiện môi trường bị nhiễu, khuất tín hiệu GPS đường hầm, mặt nước hay rừng rậm Do vậy, để đảm bảo thông tin định vị, định hướng cách tin cậy, liên tục điều kiện môi trường cho mục đích định vị dẫn đường MMS, việc tích hợp GPS INS sử dụng MEMS IMU giải pháp hiệu nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi giới Hình 1.1 minh họa số hệ thống tích hợp INS/GPS thương mại Hình 1.1 Một số hệ thống INS/GPS thương mại: (a) Span LCI (Novatel, Canada), (b) C-MIGIT (BEI, USA), (c) MIDG (Robotics, USA) Mặc dù lý thuyết, hệ thống tích hợp INS/GPS cung cấp thông tin định vị, định hướng cách liên tục với độ xác ổn định, vấn đề chỗ điều kiện môi trường bị nhiễu tín hiệu GPS, sai số vị trí hệ thống tăng nhanh, đặc biệt với hệ thống tích hợp sử dụng MEMS IMU giá thấp Ở khía cạnh khác, coi cung cấp thơng tin định vị với độ xác ổn định, thực tế GPS chịu ảnh hưởng nhiều nguồn sai số nguồn sai số gây sai số trị đo GPS với độ lớn phụ thuộc vào môi trường đo, máy đo phương pháp đo Do xu hướng nghiên cứu giới tập trung vào phương pháp nhằm nâng cao độ xác định vị, định hướng hệ thống INS/GPS sử dụng cảm biến IMU máy thu GPS giá thấp Để đạt mục đích này, có ba cách tiếp cận chính, phổ biến nghiên cứu nâng cao độ xác INS, nâng cao độ xác GPS cải thiện phương pháp tích hợp INS/GPS Để nâng cao độ xác INS, phương pháp thường tập trung nghiên cứu thông qua phép kiểm nghiệm nhằm phát nguồn sai số hệ thống nhiễu gây cảm biến qn tính, từ hiệu chỉnh vào liệu đầu cảm biến giảm bớt sai số phương pháp xử lý số liệu thích hợp Với phương pháp kiểm nghiệm IMU, nhược điểm phương pháp địi hỏi phải trang bị thiết bị chun dụng phịng thí nghiệm để kiểm nghiệm, điều số trường hợp không khả thi làm tăng giá thành chung hệ thống Ở hướng khác, giá trị loại sai số hệ thống IMU ước lượng thông qua phương pháp xử lý số liệu q trình xử lý số liệu tích hợp INS/GPS Ưu điểm phương pháp không yêu cầu thiết bị quy trình kiểm nghiệm đắt tiền Tuy nhược điểm độ tin cậy ước lượng sai số không cao so với phương pháp kiểm nghiệm phịng thí nghiệm Đối với GPS, đề cập trên, độ xác định vị GPS phụ thuộc vào ba yếu tố điều kiện môi trường, chất lượng máy thu phương pháp định vị Đối với ứng dụng định vị dẫn đường MMS, hai phương pháp định vị GPS phù hợp cho độ xác cao thường áp dụng định vị đơn xác (Precise Point Positioning (PPP)) định vị tương đối động (Kinematic positioning) Theo tài liệu nghiên cứu nguồn sai số kiểm nghiệm tốt sử dụng lịch vệ tinh xác, độ xác định vị phương pháp PPP đạt cỡ dm Với định vị tương đối động, khoảng cách từ trạm sở đến máy thu di động không dài (