Về các phương pháp dự đoán tư thế cho vệ tinh, có rất nhiều phương pháp cổ điển như sử dụng bộ lọc Kalman, phương pháp QUEST (Quarternion Estimator), hay các phương pháp thích nghi [37] . Tuy nhiên, mỗi phương pháp đếu có các ưu và nhược điểm riêng và một một nguyên tắc rất cổ điển của các thuật toán trên vệ tinh là “Nếu không lỗi thì không sửa”. Do vậy, bộ lọc Kalman vẫn là bộ dự đoán tư thế phổ biến.
Thuật toán ước lượng tư thế trên vệ tinh sử dụng hai nguồn dữ liệu đầu vào là cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao. Do vậy, để xây dựng và thiết kế được bộ ước lượng hiệu quả có khả năng thích nghi hay kháng lỗi thì việc nghiên cứu tác động của từng loại cảm biến này lên bộ dự đoán là công việc quan trọng để xây dựng các kịch bản mô phỏng sát với thực tế. Các trường hợp điển hình sau đây được nghiên cứu đánh giá tác động lên bộ hợp nhất dữ liệu cảm biến:
- Đối với cảm biến tốc độ góc: tác động của độ trượt của cảm biến và hỏng cảm biến
- Đối với cảm biến sao: tác động của nhiễu và không đo được tư thế (do ảnh hưởng bởi các vật sáng).
Các tình huống trên sẽ là các đầu vào cho các kịch bản mô phỏng chức năng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh.
Theo [5], các thuật toán dự đoán tư thế sử dụng các bộ lọc Kalman như EKF hoặc UKF có nhược điểm là các phương pháp này không có tính bền vững khi xuất hiện các sự cố đối với các cảm biến đầu vào. Các lỗi cảm biến này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sai số dự đoán của bộ dự đoán và sai số điều khiển của cả phân hệ ADCS. Do đó, các thuật toán sử dụng bộ lọc Kalman filter cần phải có cơ chế thích nghi để có khả năng kháng lỗi.
Một trong những đặc điểm và cũng là ràng buộc quan trọng của thiết kế các hệ thống xác định và điều khiển tư thế của vệ tinh đó là tối ưu với phần cứng có năng lực xử lý hạn chế. Cụ thể là nhà thiết kế chỉ được lựa chọn một số chủng loại máy tính trên vệ tinh do đã kiểm chứng hoạt động trong môi trường vũ trụ, và các loại thiết bị xử lý này thường có năng lực xử lý không cao nhưng các đòi hỏi về độ thời gian thực rất cao
(do yêu cầu về thời gian chụp ảnh). Đây cũng là đặc điểm khác biệt quan trọng và là yếu tố quyết định việc lựa chọn các thuật toán ước lượng và điều khiển tư thế vệ tinh.
Surrey Satellite Technology (SST) là một trong những đơn vị nghiên cứu và ứng dụng về công nghệ vệ tinh nhỏ hàng đầu thế giới. Đơn vị này đã thiết kế và thương mại hóa các máy tính trên vệ tinh cho các nhiệm vụ quan sát Trái đất quỹ đạo thấp. Máy tính OBC750 là một trong những sản phẩm điển hình của SST. Các đặc trưng sơ bộ như sau [67] :
Bộ vi xử lý : IBM PPC750FL, 2 MIPS
Hệ điều hành : RTEM (hệ điều hành thời gian thực).
Bộ nhớ trong : 256MB
Công suất : 10W.
Hình 1.8.Máy tính OBC750 của SST.
Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng, các máy tính trên vệ tinh có cấu hình và năng lực không cao, thậm chí là rất thấp so với các thiết bị xư lý sử dụng cho chức năng tương tự trên mặt đất. Do vậy, bài toán thiết kế và lựa chọn thuật toán cho ước lượng và điều khiển tư thế vệ tinh phải tối ưu được nguồn lực xử lý (tốc độ xử lý, sử dụng bộ nhớ, công suất) nhưng vẫn phải đảm bảo tính thời gian thực (real-time) của các thao tác xử lý và điều khiển.
M.A. Si Mohammed và một số tác giả khác đã có những tổng kết và đánh giá các giải thuật ước lượng tư thế vệ tinh trên máy tính OBC750 [44] cho dòng vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất. Nghiên cứu này đã tiến hành so sánh, đánh giá các chỉ tiêu của các bộ ước lượng tư thế thực hiện trên OBC750. Các chỉ tiêu đánh giá gồm có:
- Sai số theo 3 trục Euler của các thuật toán ước lượng tư thế.
- Dung lượng bộ nhớ sử dụng.
- Thời gian hội tụ.
- Thời gian tính toán.
Kết quả nghiên cứu trên chỉ ra rằng, bộ lọc Kalman (cụ thể là bộ lọc EKF) có ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống như TRIAD hay QUEST về tối ưu
Các phương pháp thích nghi có khả năng áp dụng với điều kiện các thông số kỹ thuật của vệ tinh biến động hoặc trong trường hợp các cảm biến lỗi. Tuy nhiên, do các yêu cầu đặc thù của vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo với nhiều ràng buộc về độ tin cậy, độ chính xác và nguồn tài nguyên tính toán hạn chế nên các phương pháp thích nghi vẫn chưa được áp dụng phổ biến [22] , [37] . Hơn thế nữa, một trong những vấn đề của các bộ lọc Kalman phi tuyến như bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter-EKF) hoặc Unscented Kalman Filter (UKF) là tính bền vững hay kháng lỗi (các lỗi cảm biến).
Do vậy, các cơ chế thích nghi thường áp dụng cho bộ lọc Kalman thông thường [22] . Theo nghiên cứu của Mokhtar Aboelaze và nnk [47] về thực hiện các thuật toán xác định và điều khiển tư thế trên vệ tinh, thì các thuật toán hoàn toàn được thực hiện trên các chip FPGA chuyên dụng nhằm đảm bảo tốc độ, độ ổn định và tính thời gian thực. Ngoài ra, nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng, giải thuật logic mờ cũng có khả năng được tích hợp và các thuật toán trên để tăng tính kháng lỗi.
Nghiên cứu gần đây nhất của Geogr Grillmayer [19] về kiến trúc hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh dựa trên nền chip FPGA cho thấy xu hướng các chip FPGA có khả năng thay thế các chip ASIC trên vệ tinh cỡ nhỏ.
Theo nghiên cứu [54] , trong các hệ thống điều khiển thì phương pháp logic mờ được sử dụng rất phổ biến để thực hiện các cơ chế thích nghi. Logic mờ được lựa chọn do những ưu điểm sau đây:
- Tính linh hoạt, dễ hiều - Giao diện dễ sử dụng.
- Tính toán đơn giản. Đây là một trong những ưu điểm nổi bật của logic mờ rất phù hợp cho vệ tinh trên quỹ đạo do sử dụng ít tài nguyên (bộ nhớ, năng lực tính toán).
- Dễ kiểm tra
Việc triển khai các thuật toán lọc thích nghi trên các chip FPGA chuyên dụng ứng dụng các thuật toán thích nghi như logic mờ đã được thể hiện tại một số nghiên cứu.
Cụ thể là: Mokhtar Aboelaze và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm thực hiện thuật toán điều khiển tư thế vệ tinh sử dụng fuzzy logic trên chip FPGA của hãng Xilinx [47] . Kết quả nghiên cứu cho thấy các chip FPGA có khả năng thực hiện các thuật toán thích nghi trong các ràng buộc về tốc độ xử lý và năng lượng tiêu thụ.
Bên cạnh đó, Muhammad Yasir và cộng sự đã phát triển thành công hệ thống thử nghiệm máy tính trên vệ tinh dựa trên nền chip FPGA [49] . Kết quả nghiên cứu cho thấy các các phần mềm trên vệ tinh, đặc biệt là phần mềm ADCS có thể được triển khai trên các chip FPGA cho các vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ.
Kết luận chương: Chương này tác giả trình bày tổng quan về tư thế, biểu diễn tư thế và ước lượng tư thế trên vệ tinh. Hiệu năng của chức năng ước lượng tư thế nói riêng hay phân hệ xác định và điều khiển tư thế nói chung phụ thuộc vào các yếu tố chính sau đây:
- Phương pháp biểu diễn tư thế: ảnh hưởng đến tốc độ và độ tinh cậy của các phép tính toán. Đến nay quaternion vẫn là phương pháp biểu diễn tư thế được dùng phổ biến. Tuy nhiên, phương pháp biểu diễn bằng các véc-tơ Pivot cũng mở ra các hướng nghiên cứu và ứng dụng mới.
- Ràng buộc trên vệ tinh: chủ yếu là năng lực của thiết bị phần cứng trên vệ tinh.
Đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lựa chọn các thuật toán nhằm tối ưu với phần ứng nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
- Các thuật toán ước lượng tư thế: Bộ lọc Kalman vẫn là phương pháp phổ biến.
Các giải thuật thích nghi cần dựa trên các bộ lọc cơ bản này nhưng vẫn phải đàm bảo các ràng buộc nêu trên. Do vậy, giải thuật lozic mờ để hiệu chỉnh bộ lọc Kalman là hướng nghiên cứu phù hợp đảm bảo tối ưu với phần cứng hiện có và các chỉ tiêu của phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh.