Cấu trúc tích hợp lỏng trong hệ thống INS/GPS sử dụng phép lọc Kalman mở rộng (EKF)

Bài viết Cấu trúc tích hợp lỏng trong hệ thống INS/GPS sử dụng phép lọc Kalman mở rộng (EKF) nghiên cứu lý thuyết về cơ sở cấu trúc của hai loại cấu trúc tích hợp lỏng đã giới thiệu ở trên. Đồng thời sẽ tiến hành thực nghiệm cấu trúc tích hợp lỏng trên hai thuật toán mở và đóng trong các điều kiện môi trường khác nhau nhằm đánh giá tính hiệu quả của 2 phương pháp.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc tích hợp lỏng trong hệ thống INS/GPS sử dụng phép lọc Kalman mở rộng (EKF) CẤU TRÚC TÍCH HỢP LỎNG TRONG HỆ THỐNG INS/GPS SỬ DỤNG PHÉP LỌC KALMAN MỞ RỘNG (EKF) Vương Thị Hòe1, Đỗ Văn Dương2, Lưu Thị Thu Hương2 1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 2 Trung tâm Biên giới và Địa giới, Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam Tóm tắt Ngày nay, hệ thống định vị định hướng INS/GPS được lắp đặt trên các thiết bị bay không người lái, trên các phương tiện cơ giới,… nhằm thu thập dữ liệu thông tin địa lý [2, 3, 4] và thành lập bản đồ di động mặt đất [5, 6] một cách tức thời để ứng phó với các thiên tai, thảm họa thiên nhiên. Phương pháp tích hợp hệ thống INS/GPS phổ biến nhất hiện nay được áp dụng là phương pháp tích hợp lỏng. Đây được coi là cách truyền thống và đơn giản nhất để tích hợp dữ liệu GPS vào trong hệ thống INS/GPS. Trong thực tế, có hai loại cấu trúc tích hợp lỏng là cấu trúc mở và cấu trúc đóng. Nội dung bài báo nghiên cứu lý thuyết về cơ sở cấu trúc của hai loại cấu trúc tích hợp lỏng đã giới thiệu ở trên. Đồng thời sẽ tiến hành thực nghiệm cấu trúc tích hợp lỏng trên hai thuật toán mở và đóng trong các điều kiện môi trường khác nhau nhằm đánh giá tính hiệu quả của 2 phương pháp. Từ khóa: INS - Hệ thống dẫn đường quán tính; GPS; Hệ thống vệ tinh định vị của Mỹ; IMU; Đơn vị đo lường quán tính. Abstract The liquid - integrated structure into INS/GPS system using Extensive Kalman Filter (EKF) Today, the INS/GPS navigation system is installed on unmanned aerial vehicles, motorised vehicles, etc to collect geographic information [2, 3, 4] and customised mobile ground map [5, 6] immediately aiming to cope with natural disasters. The most popular method of INS/GPS system integration currently applied is the liquid one. This is the most tradditional and simplest way to integrate GPS data into INS/GPS system. In fact, there are two liquid integrating structures, open and close structures. The context of the article researching theoretically basis of structure in two types of liquid - integrated formation has been introduced above. Simultaneously, the liquid - integrated structure experiment will be conducted on two algorithms, open and close system included under different environmental conditions to evaluate the effectiveness of two methods. Keyword: INS - Inertial Navigation System; GPS; Global Navigation Satellite System; IMU; Inertial Measurement Unit. 1. Đặt vấn đề Tích hợp lỏng INS/GPS là phương pháp tích hợp truyền thống và đơn giản nhất để tích hợp dữ liệu GPS vào trong hệ thống tích hợp. Hệ thống xử lý dữ liệu GPS tính toán tọa độ (và vận tốc) của máy thu, sau đó gửi kết quả đến bộ lọc Kalman mở rộng (EKF). Bằng việc tính toán ra số giữa kết quả định vị cung cấp bởi INS và GPS, các tham số định vị sẽ được ước lượng một cách tin cậy nhất. Ưu điểm chính của tích hợp lỏng là nó có cấu trúc đơn giản, không cần những hiểu biết sâu về tín hiệu và trị đo GPS. Nhược điểm của phương pháp tích hợp này là các trị đo cập nhật từ GPS chỉ được cung cấp khi có ít nhất 4 vệ tinh được quan sát [7, 8]. Hội thảo Quốc gia 2022 399 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Cơ chế tính toán trong INS Cơ chế tính toán trong INS thường để chỉ công tác tính toán từ đầu ra của các cảm biến để cho ra lời giải về vị trí, vận tốc và hướng xoay của khối đo lường quá trình trong một hệ quy chiếu nhất định. Nguyên lý và các công thức chi tiết của các cơ chế INS được trình bày trong các tài liệu Titterton and Weston (2004) [9]. Công thức cơ bản của cơ chế tính toán INS trong l - frame được mô tả theo công thức dưới đây: (1) Trong đó: và là vi phân theo thời gian của vị trí và vận tốc trong l - frame; là vi phân theo thời gian của tư thế (phương hướng); là vector lực quy đổi, nhận được từ đầu ra của gia tốc kế; là vận tốc góc của b - frame so với i - f rame, biểu diễn trong b - frame; là ma trận xoay từ b - frame so với l - frame; là ma trận xoay của Trái đất so với i - frame; là ma trận xoay của l - frame so với Trái đất (e - frame); là trọng lực thường trong l - frame. được định nghĩa như sau: (2) Trong đó: N là bán kính đường cong kinh tuyến; M là bán kính đường cong vĩ tuyến; h là độ cao ellipsoid và là vĩ độ tại điểm xét. Sơ đồ khối tính toán được mô tả như Hình 1 dưới đây. Hình 1: Cơ chế tính toán trong INS [1, 9] 2.2. Tính toán trị đo GPS Hình 2: Sơ đồ khối tính lời giải GPS [1, 2] 400 Hội thảo Quốc gia 2022 Trước hết, dữ liệu thô từ máy thu GPS được chuyển đổi về định dạng RINEX thông qua mô đun phần mềm chuyển đổi dữ liệu đi kèm máy thu của hãng sản xuất máy thu. Từ tệp thông tin đạo hàng, vị trí và vận tốc của máy thu trong hệ tọa độ địa tâm tại các thời điểm thu dữ liệu trị đo được tính toán. Dữ liệu trị đo thô được tính bù các loại sai số như sai số do tầng khí quyển, sai số đồng hồ để cho ra trị đo khoảng cách giả và trị đo pha đã được cải chính. Từ các trị đo cải chính và thông tin đạo hàng vệ tinh có thể tính ra vị trí của máy thu dựa theo thuật toán được mô tả trong Hình 2. 2.3. Phép lọc Kalman (KF) và phép lọc Kalman mở rộng (EKF) 2.3.1. Phép lọc Kalman KF được xem như là một dạng đặc biệt của lý thuyết ước lượng Bayes. Trong trường hợp hàm hệ thống và hàm trị đo có dạng tuyến tính trở thành: xk = Φ k −1;k xk −1 + wk −1 (3) ...