ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TÌM HIỂU VỀ BỘ LỌC KALMAN TRONG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP GPS/INS
SV: Cao Ngọc Phát
Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính (INS) Và hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
1.1. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS).
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) Là một mạng gồm 24 vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất tại độ cao 11.000 dặm (17.600 km). Được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ ấn định chi phí ban đầu vào khoảng 13 tỷ USD, song việc truy nhập tới GPS là miễn phí đối với mọi người dùng, kể cả những người ở các nước khác.
Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số những ứng dụng khác nhau, bao gồm đạo hàng hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương tiện giao thông trên bộ và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên. Với việc khắc phục được những giới hạn về độ chính xác quân sự vào tháng 3/1996, ngày nay GPS có thể chỉ ra chính xác vị trí của các mục tiêu chỉ nhỏ bằng đồng 10 xu ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất.
Vệ tinh GPS đầu tiên đã được phóng vào năm 1978. Mười vệ tinh đầu tiên là các vệ tinh “mở mang’, gọi là Block 1 (Lô 1). Từ năm 1989 đến năm 1993 có 23 vệ tinh khai thác, gọi là Block 2 (Lô 2) Đã được phóng lên quỹ đạo. Vệ tinh thứ 24 được phóng nốt vào năm 1994 đã hoàn thành hệ thống. Các vệ tinh được bố trí sao cho các tín hiệu từ 6 trong số đó có thể được thu nhận gần như 100 phần trăm thời gian tại bất kỳ điểm nào trên trái đất.
Trong số 24 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu radio được truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) Và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất.
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống định vi toàn cầu. GPS bao gồm 3 mảng (xem hình 1.2):
-Mảng người dùng: Gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS.
-Mảng kiểm soát: Bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào..
-Mảng không gian: Gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD. Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2.. . Một đài phát thanh FM thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 19.200 km.
1.1.2. Thành phần của hệ thống định vị toàn cầu.
Hệ thống GPS gồm có các vệ tinh, các máy thu và các hệ thống điều khiển dưới đất. Các vệ tinh phát các tín hiệu ở tần số 1575,42 MHz để các máy thu GPS dưới mặt đất có thể tách ra được. Các máy thu này có thể được lắp đặt trên các con tầu, các máy bay và các xe ô tô để cung cấp thông tin định vị chính xác bất kể điều kiện thời tiết như thế nào.
Chúng phát hiện, giải mã và xử lý các tín hiệu vệ tinh GPS để xác định vị trí chính xác của người dùng. Đoạn điều khiển (hay đoạn mặt đất) Của GPS gồm có 5 trạm giám sát không người điều khiển đặt tại Hawaii, Kwajalein ở Thái Bình Dương, Diago Garcia ở ấn Độ Dương, Ascension Island ở Đại Tây Dương và Colorado Springs ở Solo.
Còn có một Trạm mặt đất chính đặt tại Falcon AFB ở Colorado Springs, và 4 trạm mặt đất an-ten lớn để phát quảng bá các tín hiệu lên các vệ tinh. Các trạm này cũng bám theo và giám sát các vệ tinh GPS.
1.1.3. Hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu.
Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất.
Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh. Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí.
Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút.
Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu.
Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Ngay như tại tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được máy thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh. Để đo lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số vệ tinh truyền tới máy thu (Hình 1.2).
GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 - Worldwide Geodetic System 1984). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị.
1.1.4. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu.
Mặc dù hệ thống GPS chỉ mới được hoàn thành vào năm 1994 nhưng nó đã thực sự tự khẳng định mình trong những ứng dụng quân sự. Ngày nay, GPS đã trở thành một yếu tố quan trọng của hầu như tất cả các chiến dịch quân sự và tất cả các hệ thống vũ khí. Ngoài ra, GPS còn được sử dụng trên các vệ tinh để đạt được các dữ liệu quỹ đạo có độ chính xác cao và để điều khiển hướng bay của các con tầu vũ trụ.
Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu được triển khai để đáp ứng các yêu cầu của giới quân sự, nhưng người ta đang không ngừng tìm ra các cách thức mới để sử dụng những khả năng của nó, từ cao siêu đến bình dị. Một trong số cách thức thứ nhất là sử dụng GPS cho công tác quản lý động vật hoang dã. ở châu Phi, các máy thu GPS được sử dụng để giám sát các đường hướng di trú của các đàn động vật lớn cho những mục đích nghiên cứu khác nhau.
Những máy thu GPS cầm tay hiện đang được sử dụng thường ngày trong các ứng dụng thực địa, trong đó có đòi hỏi việc thu thập thông tin chính xác, kể cả việc kiểm tra hiện trường của các công ty phục vụ công cộng, việc vẽ bản đồ của các nhà khai thác dầu mỏ và khí đốt và việc quy hoạch tài nguyên của các công ty lâm nghiệp.
---------------------------------------
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT NỘI DUNG
Bảng giải thích các chữ viết tắt
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính (INS) Và hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
1.1. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống định vi toàn cầu
1.1.2. Thành phần của hệ thống định vị toàn cầu
1.1.3. Hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu
1.1.4. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu
1.1.5. Mã trong hệ thống định vị toàn cầu
1.1.6. Hoạt động
1.2. Hệ thống dẫn đường quán tính (INS)
1.2.1. Phương trình động học
1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của INS
Chương 2: Lý thuyết hệ thống dẫn đường tích hợp GPS/ INS
2.1 Giới thiệu về hệ dẫn đường quán tính
2.2 Các hệ tọa độ
2.2.1 Hệ tọa độ quán tính (Inertial Frame)
2.2.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất (The Earth Fixed Frame)
2.2.3 Hệ tọa độ định vị (Navigation frame)
2.2.4 Hệ tọa độ gắn liền vật thể (Body frame)
2.3 Phương trình định vị
2.4 Hệ Phương trình định vị trong hệ tọa độ cố định tâm trái đât (e-frame)
2.5. Tổng quan về hệ cảm nhận quán tính IMU
2.6 Thuật toán dẫn đường quán tính
Các ký hiệu trong lưu đồ
2.7. Các loại nhiễu ảnh hưởng đến khối IMU
2.7.1. Nhiễu tất định
2.7.2 Nhiễu thống kê
Chương 3: Áp dụng bộ lọc Kalman (hai bộ lọc Kalman) Vào bài toán dẫn đường
3.1. Bộ lọc Kalman
3.1.1. Bản chất tính toán của bộ lọc
3.1.2. Bản chất thống kê của bộ lọc
3.2. Xây dựng bộ lọc Kalman cải tiến
3.2.1. Hệ thống dẫn đường tích hợp GPS/ INS
3.2.2. Bộ loc kalman cải tiến
Chương 4: Các kết qủa thực nghiệm
4.1 Thiết bị phần cứng
4.1.1 Khối dẫn đường quán tính MICRO-ISU BP3010
4.1.2 Thiết bị thu GPS
4.2. Kết quả thực nghiệm
4.2.1. Xây dựng hệ tích hợp INS/ GPS theo thời gian thực
4.2.2. Kết quả
KẾT LUẬN
Tài liệu
---------------------------------------------
Keyword: download,do an tot nghiep,tim hieu,ve bo loc kalman,trong he thong,dan duong tich hop gps/ins,cao ngoc phat
Nhận xét
Đăng nhận xét