4. Đề xuất cỏc giải phỏp mới, nội dung và phƣơng phỏp nghiờn cứu
1.1.3. Nguyờn lý hoạt động
Để xỏc định chớnh xỏc vị trớ của một điểm trong hệ thống GPS, cần sử dụng ớt nhất 4 vệ tinh, cú nghĩa là một mỏy thu GPS khi liờn lạc đƣợc với nhiều hơn 4 vệ tinh thỡ cú thể cho biết vị trớ chớnh xỏc của mỏy thu đú (Hỡnh 1.3). Đồng bộ thời gian là vấn đề vụ cựng quan trọng trong hệ thống GPS. Cú sự lệnh thời gian giữa thiết bị thu và phỏt tớn hiệu là do hầu hết cỏc thiết bị định vị GPS cú giỏ thành tƣơng đối rẻ, cỡ xấp xỉ 100 USD, vỡ thế nờn đồng hồ thời gian khụng thể là loại cú độ chớnh xỏc cao. Tốc độ ỏnh sỏng xấp xỉ 3.108 m/s, nếu đồng hồ của thiết bị nhận GPS cú sai số là 0,001s hay 1ms thỡ sẽ gõy ra một sai số về khoảng cỏch là 0,001 3.108 m = 300.000 m hay 300 km. Đõy là một trong lý do rất khú ỏp dụng cỏc hệ thống thu phỏt tớn hiệu khỏc nhƣ RF hay truển hỡnh số để thay thế GPS.
Hỡnh 1. 3: Tớn hiệu từ vệ tinh và nguyờn tắc xỏc định vị trớ đối tƣợng NMEA là chuẩn giao thức đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong cỏc mỏy thu GPS hiện nay. Đƣợc phỏt triển bởi Hiệp hội Điện tử hàng hải quốc gia (National Marine Electronics Association), đến nay NMEA cú 4 phiờn bản, đú là: NMEA 1.5, NMEA 2.0, NMEA 2.3 và NMEA 3.01. Giao diện truyền thụng của mỏy thu GPS đƣợc định nghĩa trong NMEA là chuẩn RS-232, tốc độ truyền dữ liệu phổ biến là 4.800 baud, một số mỏy thu GPS hiện nay cú thể truyền dữ liệu với tốc độ 9.600 baud và cao hơn. Cỏc thụng điệp gửi đi từ mỏy thu GPS cú độ dài tối đa là 82 ký tự mó ASCII và đƣợc gọi là cỏc cõu (sentence). Số lƣợng thụng điệp là khỏc nhau đối với mỗi phiờn bản giao thức. Một mỏy thu GPS cú thể gửi đi khoảng 26 loại thụng điệp khỏc nhau. Cỏc loại thụng điệp đƣợc phõn biệt với nhau bằng 5 ký tự đầu tiờn ngay sau dấu $. [85]. 1.1.4. Sai số và cỏc nguyờn nhõn gõy sai số
Độ chớnh xỏc của một hệ thống quản lý giỏm sỏt sử dụng GPS khụng phải luụn là một con số cố định, tức là chỳng ta khụng thể khẳng định rằng hệ thống này “chớnh xỏc bao nhiờu một”. Độ chớnh xỏc của hệ thống quản lý giỏm sỏt cỏc thiết bị sử dụng GPS phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đú hai yếu tố chớnh là module thu tớn hiệu GPS và bản đồ số thể hiện kết quả chuyển động của đối tƣợng. Thực chất ta chỉ cú thể núi độ chớnh xỏc của module thu tớn hiệu GPS đƣợc sử dụng trong thiết kế chứ khụng phải là độ chớnh xỏc của hệ thống GPS. Số liệu mà module GPS đƣa ra lại phụ thuộc vào chất lƣợng của module, cấu trỳc module cú sử dụng đồng xử lý hỗ trợ hay khụng, hay đặc điểm chuyển động của đối tƣợng mang module GPS tại thời điểm đú là đứng yờn, chuyển động nhỏ, chuyển động thẳng, chuyển động cong. Ngoài ra, chất lƣợng của hệ
thống bản đồ số cũng là yếu tố quan trọng khi núi về độ chớnh xỏc của hệ thống giỏm sỏt sử dụng GPS. Cú rất nhiều tỏc động khỏc nữa cú thể làm giảm độ chớnh xỏc của bộ thu GPS bao gồm sai số thời gian từ đồng hồ trờn vệ tinh, sai số vị trớ của vệ tinh, ảnh hƣởng của tầng điện ly và tầng khớ quyển, phản xạ bởi cỏc bề mặt…
Tổng hợp sai số và độ ảnh hƣởng của cỏc nhõn tố tới tớnh chớnh xỏc của GPS đƣợc liệt kờ trong bảng sau: [1, 18]
Bảng 1: Nguồn gốc và nguyờn nhõn gõy sai số GPS
Hiệu ứng tầng điện ly ± 5 một
Sự thay đổi trong quỹ đạo vệ tinh ± 2.5 một Sai số của đồng hồ của vệ tinh ± 2 một Hiệu ứng đa đƣờng (Sai số do phản xạ) ± 1 một
Hiệu ứng đối lƣu ± 0.5 một
Lỗi tớnh toỏn và làm trũn ± 1 một
1.2. Hệ thống INS
1.2.1. Cỏc hệ tọa độ (Frames)
Hệ toạ độ vật thể (b-frame)
Hệ tọa độ vật thể Body frame (b-frame), cũn gọi là Vehicle frame hay Plane (hệ tọa độ P), là hệ tọa độ cơ bản của INS (Hỡnh 1.4). Đõy là hệ trục toạ độ trực giao tƣơng ứng với cỏc hƣớng chuyển động roll-pitch-heading của vật thể. Vận tốc của đối tƣợng chuyển động trong hệ tọa độ vật thể ứng với 3 trục x, y, z.
Hệ tọa độ quỏn tớnh ECI
Hệ trục toạ độ quỏn tớnh ECI (Hỡnh 1.5) cố định trong khụng gian đối với cỏc vật thể trờn quỹ đạo của trỏi đất, vỡ vậy nú thƣờng đƣợc sử dụng để xỏc đinh vị trớ của cỏc vệ tinh nhõn tạo trờn quỹ đạo. Gốc của hệ trục nằm ở tõm trỏi đất, mặt phẳng XY
trựng với mặt phẳng chứa đƣờng xớch đạo, trục X cú hƣớng từ tõm trỏi đất đến điểm xuõn phõn – là giao điểm giữa quỹ đạo quay của trỏi đất và đƣờng xớch đạo của mặt trời, và trục Y vuụng gúc với trục X theo hƣớng 900.
Hỡnh 1. 5: Hệ toạ độ quỏn tớnh ECI
Hệ toạ độ dẫn đƣờng (n-frame)
Hệ tọa độ dẫn đƣờng (n-frame) là hệ tọa độ đo đạc cục bộ với tõm của nú trựng với hệ toạ độ của cảm biến, trục x chỉ về hƣớng đo đạc phớa bắc, trục z vuụng gúc trực giao với đƣờng elipsoid tham chiếu hƣớng xuống dƣới, và trục y nằm bờn phải của khung trực giao. Cỏc tớnh toỏn cho hệ thống dẫn đƣờng thƣờng dựa trờn hai hệ tọa độ là Bắc – Đụng –Xuống NED (North – East – Down) và Đụng – Bắc – Lờn ENU (East – North – Up). Thuận lợi của hệ toạ độ ENU là cao độ sẽ tăng lờn khi đi lờn. Thuận lợi của hệ toạ độ NED là quay bờn phải là chiều dƣơng đối với trục x, và cỏc trục là tƣơng ứng với toạ độ gúc roll, pitch và heading của phƣơng tiện khi mà đối tƣợng chuyển động nằm trờn mặt phẳng hƣớng về hƣớng Bắc. Về cơ bản hai hệ ENU và NED cú tớnh chất gần nhƣ nhau, chỉ khỏc nhau về giỏ trị của thụng số là ngƣợc dấu do tớnh chất đảo trục tọa độ. Trong cỏc bài toỏn điều khiển bay, rất nhiều cỏc thụng số liờn quan tới
vật thể bay tới từ cỏc đối tƣợng nằm bờn dƣới nú. Do đú, sẽ là hợp lý để xỏc định chiều đi xuống nhƣ một số cú giỏ trị dƣơng. Điều này phự hợp với cỏc tọa độ của hệ NED. Vỡ vậy hệ NED trở nờn rất phổ biến với cỏc kết quả nghiờn cứu cú thể dễ dàng tỡm kiếm cũng nhƣ kết hợp với nhau. Hệ trục toạ độ này sẽ quay cựng với trỏi đất nờn thƣờng đƣợc sử dụng để xỏc định vị trớ theo ba trục, từ đú cú thể dễ dàng hơn khi chuyển đổi sang kinh độ, vĩ độ.
Trong cỏc thiết kế mới gần đõy, nhất là đối với cỏc thiết kế của chõu Âu, hệ tọa độ NWU (North – West – Up hay cũn gọi là North – West – Zenith coordinate system) thƣờng đƣợc sử dụng trờn cơ sở hệ tọa độ CCS (Cartesian Coordinate System). Đối với cỏc hệ khụng gian thƣờng sử dụng hệ tọa độ AAC (Altitude - Azimuth Coordinate System) [82].
Hỡnh 1. 6: Hệ tọa độ CCS và hệ NWU 1.2.2. Cỏc thành phần đặc trƣng cho chuyển động
Cỏc thành phần cơ bản thể hiện trạng thỏi chuyển động của một đối tƣợng bao gồm gia tốc và gúc quay theo cỏc hƣớng, bao gồm gúc quay (roll, pitch, yaw) và gúc trƣợt (α, β) trong hệ quy chiếu đú [60].
Hỡnh 1. 7: Cỏc gúc quay roll, pitch, yaw
Gúc trƣợt α và β
Khi chuyển động của đối tƣợng khụng theo gúc pitch , ta cú sự khỏc biệt giữa hƣớng thực của đối tƣợng và gúc hƣớng (true attack và attack angle). Gúc trƣợt này gọi là , đặc trƣng cho độ lệch giữa vộc tơ tốc độ thực của đối tƣợng với vộc tơ gốc của gúc pitch (Hỡnh 1.8).
Hỡnh 1. 8: Gúc trƣợt α
Xột về mặt toỏn học, gúc trƣợt này đƣợc biểu diễn theo cụng thức:
2 2 arctan v u (1.4)
Ngoài gúc trƣợt , đối tƣợng chuyển động cũn chịu tỏc động của hiện tƣợng lệch gúc hƣớng, gúc lệch (sideslip), là độ lệch giữa Heading và Yaw (Hỡnh 1.9).
Hỡnh 1. 9: Gúc trƣợt β
Xột về mặt toỏn học, gúc trƣợt này đƣợc biểu diễn theo cụng thức:
u v heading arctan (1.5)
Cỏc tớnh toỏn đối với hệ thống INS trƣớc đõy thƣờng bỏ qua hai gúc trƣợt này. Đõy cũng là một trong những nguyờn nhõn gõy ra sai số lớn khi tớnh toỏn với hệ thống INS, đặc biệt khi ỏp dụng cho cỏc đối tƣợng bay hay đối tƣợng chuyển động cú hiện tƣợng trƣợt văng. Giải phỏp thiết kế với INS 9-DOF trong luận ỏn đó giải quyết triệt để đƣợc vấn đề này.
1.2.3. Ma trận chuyển vị giữa cỏc hệ tọa độ
Trong bài toỏn định vị dẫn đƣờng cho một vật thể chuyển động, cú nhiều yếu tố cần quan tõm bao gồm: gia tốc, vận tốc, khoảng di chuyển, cỏc gúc quay và hƣớng chuyển động (gúc hƣớng). Ngƣời ta đƣa ra cỏc khỏi niệm hệ tọa độ quy chiếu, đú là Hệ tọa độ quỏn tớnh (i-frame), Hệ tọa độ trỏi đất (e-frame) hay G (Ground), Hệ tọa độ dẫn đƣờng (n-frame), Hệ tọa độ vật thể (b-frame) hay cũn gọi là hệ tọa độ gắn liền của đối tƣợng P (Plane). Chuyển động của vật thể lỳc đú là sự di chuyển của hệ quy chiếu này so với hệ quy chiếu khỏc. Vớ dụ tốc độ di chuyển của vật thể (transport rate) là tốc độ quay của hệ toạ độ dẫn đƣờng (n-frame) đối với hệ toạ độ trỏi đất (e-frame). Đại lƣợng này khỏc với vận tốc (velocity) và là yếu tố chỉ cú ý nghĩa về mặt giỏ trị. Cỏc hệ quy chiếu đƣợc liờn hệ với nhau thụng qua ma trận cosine chỉ phƣơng DCM, là ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ, ký hiệu là R (ma trận quay Rotation) với cỏc phần tử
đƣợc biểu diễn theo cỏc gúc Euler [88]. Đại lƣợng này ký hiệu là 2 1
f f
C . đặc trƣng cho chuyển động của hệ tọa độ f1 (frame 1) với hệ tọa độ f2 (frame 2). Tớnh toỏn ma trận quay R đƣợc mụ tả chi tiết trong thiết kế hệ thống với INS cụ thể, đƣợc trỡnh bày chi tiết trong chƣơng tiếp theo.
1.2.4. Định vị sử dụng cảm biến quỏn tớnh
Hệ thống dẫn đƣờng quỏn tớnh INS là một cụng cụ dẫn đƣờng sử dụng thiết bị tớnh toỏn và cỏc phần tử cảm ứng sự di chuyển để xỏc định vị trớ và tốc độ một cỏch liờn tục. Tốc độ (Transporrt rate) của phƣơng tiện chuyển động đƣợc quyết định bởi xu hƣớng (Attitude) và vận tốc di chuyển (Velocity). Một hệ định vị sử dụng cảm biến quỏn tớnh cơ bản bao gồm hai loại cảm biến là gia tốc kế Acc (Acceleremetor) và con quay hồi chuyển Gyro (Gyroscope). Con quay hồi chuyển Gyro sẽ đo gúc quay và gia tốc kế Acc sẽ đo gia tốc di chuyển. Về mặt lý thuyết, với điều kiện ban đầu xỏc định về vận tốc và vị trớ thụng qua một hệ tọa độ định vị (thƣờng đƣợc xỏc định từ GPS) thỡ tớch phõn kết quả từ gia tốc kế sẽ thu đƣợc vận tốc và tớch phõn vận tốc sẽ thu đƣợc khoảng cỏch di chuyển. Đõy cũng chớnh là lý do khi mất đi thụng tin của hệ tọa định vị GPS thỡ hệ thống sẽ mất đi khả năng định vị chớnh xỏc. Gyro sẽ giỳp xỏc định hƣớng dịch chuyển thụng qua cỏc hƣớng của gia tốc. Kết hợp của số đo gia tốc và gúc quay trờn cơ sở cỏc hệ quy chiếu ta sẽ xỏc định đƣợc hƣớng và vị trớ của phƣơng tiện chuyển động.
Cú ba loại cụng nghệ mà hệ thống dẫn đƣờng quỏn tớnh ỏp dụng, bao gồm: hệ Gimbaled (Gimbaled gyrostabilized platforms), hệ Fluid-suspended (Fluid-suspended gyrostabilized platforms) và hệ Strapdown (Strapdown gyrostabilized platforms) [15]. Hai hệ thống thƣờng đƣợc sử dụng là Gimbaled và Strapdown, tựy theo tớnh năng và chất lƣợng yờu cầu của đối tƣợng chuyển động. Hệ Gimbaled thƣờng sử dụng cỏc INS cơ đắt tiền cho cỏc thiết bị hiện đại đũi hỏi độ chớnh xỏc và an toàn rất cao. Cỏc thiết kế trong luận ỏn này sử dụng INS dạng MEMS, cấu trỳc Strapdown.
Hệ Strapdown là khỏi niệm về phƣơng tiện chủ đƣợc sử dụng để đề cập đến những vật thể mà hệ INS gắn chặt lờn đú. Cỏc cảm biến quỏn tớnh Gyro cú thể đƣợc gắn trờn một hệ thống cỏc trục quay trơn để chỳng cú thể giữ hƣớng cố định khi phƣơng tiện chủ di chuyển, hoặc chỳng cú thể đƣợc gắn trực tiếp lờn phƣơng tiện chủ.
Cỏc hệ MEMS thay thế cỏc khối dao động cơ bằng cỏc phần tử cơ điện tử cú độ chớnh xỏc cao. Trong hệ Strapdown, đầu tiờn hệ thống sẽ đo gia tốc theo hệ trục toạ độ gắn trờn vật thể P, sau đú sẽ chuyển vị về hệ trục tọa độ quy chiếu G. Nhƣ vậy hệ Strapdown sẽ sử dụng một IMU khụng bị cỏch ly với phƣơng tiện chủ. Nú thay thế cỏc khớp cỏch ly nhƣ ở hệ Gyro cơ bằng một quỏ trỡnh tớnh toỏn phần mềm. Ƣu điểm của hệ thống MEMS là giỏ thành rẻ hơn so với hệ cơ do khụng cần sử dụng cỏc khớp cỏch ly, nhƣng nhƣợc điểm là chỳng cần phải hoạt động với tốc độ quay cao để cú đƣợc số liệu đầu ra đủ biến thiờn độ nhạy. Đối với vật thể bay trong trƣờng hợp chuyển động với khoảng cỏch lớn, thay đổi vựng địa lý, ta cần tớnh đến gia tốc Corriolis do ảnh hƣởng của chuyển động quay trỏi đất.
1.2.5. Sai số và quỏ trỡnh căn chỉnh ban đầu
Cú nhiều loại sai số trong cỏc hệ thống INS, chủ yếu là do cỏc cảm biến quỏn tớnh gõy nờn. Cỏc sai số này bao gồm: sai số độ lệch (Bias), hệ số tỉ lệ (Scale factor), độ ổn định đầu ra (Output stability), độ nhạy nhiệt (Thermal sensitivity), độ nhạy với từ tớnh (Magnetic sensitivity), ảnh hƣởng của lực ly tõm (Centrifuge), sai số do khả năng chịu va đập (Shock survivability) [1, 36]. Thụng thƣờng trong hệ INS Strapdown ta quan tõm tới một số lỗi gõy ra bởi cỏc cảm biến gia tốc và vận tốc gúc nhƣ đƣợc trỡnh bày trong bảng 2.
Bảng 2: Cỏc lỗi chớnh của hệ strapdown
Loại Gõy nờn sai số
Lỗi vị trớ khi lắp đặt cảm biến Gúc nghiờng, gúc chỳc và gúc hƣớng
Độ lệch (offset) của cảm biến gia tốc Đầu ra cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một giỏ trị khụng đổi. Giỏ trị này lại thay đổi mỗi khi tắt/bật thiết bị. Hiện tƣợng lệch và trụi của cảm biến
vận tốc gúc (do tỏc động của nhiệt độ)
Vật thể khụng chuyển động nhƣng vẫn cú vận tốc gúc thay đổi
Hai sai số cơ bản là Drift (độ trụi) và Bias (độ lệch), là những thay đổi trong cỏc khoảng thời gian khỏc nhau gõy ra cỏc nhiễu cho phộp đo. Điều này dẫn đến tỡnh huống cảm biến sẽ cho cỏc thụng số khỏc nhau trong cỏc thời điểm khỏc nhau ngay cả khi đối tƣợng chuyển động hoàn toàn tƣơng tự nhau trong mỗi thời điểm. Xử lý đƣợc hai thụng số này là một trong những yếu tố quyết định nõng cao chất lƣợng cho hệ thống INS. Khi tớnh toỏn với cỏc hệ thống INS đơn trục trƣớc đõy, hai tham số này thƣờng bị bỏ qua.
Những sai số của hệ thống INS trong đo gia tốc và vận tốc gúc sẽ dẫn tới cỏc sai số của cỏc phần tử trong ma trận quay, từ đú gõy sai số cho cỏc gúc quay roll, pitch và yaw ở bƣớc tớnh toỏn tiếp theo. Điều này gõy sai số tăng dần khi xỏc định vị trớ và vận tốc của vật thể do việc lấy tớch phõn, gọi là sai số dẫn đƣờng. Vỡ vậy xử lý chống trụi dữ liệu INS là một vấn đề mang tớnh quyết định cho chất lƣợng của hệ thống INS. Đõy là lý do mà cỏc hệ thống INS rẻ tiền khụng thể hoạt động độc lập trong khoảng thời gian dài đƣợc. Trƣớc khi hệ INS đi vào hoạt động cần phải thiết lập một số điều kiện cho hệ thống (quỏ trỡnh Calib), và phải xỏc định cỏc giỏ trị ban đầu về cỏc thụng số giới hạn đƣa ra theo cỏc trục. Ngoài ra cũng cần phải xỏc định đƣợc vị trớ đầu của phƣơng tiện, thƣờng đƣợc xỏc định từ GPS, từ đú tớnh toỏn ra cỏc vị trớ tiếp theo tạo ra quỹ đạo chuyển động của đối tƣợng.
Khi triển khai thực tế, cỏc sai lệch của hệ thống tớch hợp chủ yếu do cỏc yếu tố sau quyết định:
- Sai số do đối tƣợng và đặc điểm chuyển động, trong đú vấn đề vi phạm điều kiện bờ (banking angles) là một trong cỏc yếu tố chớnh gõy sai lệch kết quả đo. Khi đối