Luận án tiến sĩ Địa chất: Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS/INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa - bản đồ

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án "Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS/INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa - bản đồ" là nghiên cứu giải pháp tích hợp GNSS/INS trên Smartphone để cải thiện độ chính xác định vị tọa độ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Địa chất: Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS/INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa - bản đồ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TRUNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THÔNG MINH ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRẦN TRUNG CHUYÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TÍCH HỢP HỆ THỐNG GNSS/INS TRÊN THIẾT BỊ THÔNG MINH ỨNG DỤNG TRONG TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Nguyễn Trường Xuân 2. TS. Đào Ngọc Long HÀ NỘI - 2018
i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả của luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Trần Trung Chuyên
ii Lời cảm ơn Luận án tiến sĩ kỹ thuật này được chính phủ Việt Nam hỗ trợ một phần kinh phí thông qua Đề án 911 và được thực hiện tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai cùng sự hỗ trợ của Bộ môn Tin học trắc địa, Khoa Công nghệ thông tin, sự hỗ trợ về mặt thủ tục của Phòng Đào tạo sau đại học, Trường đại học Mỏ - Địa chất, sự hỗ trợ trong thực nghiệm của Phòng thí nghiệm Địa tin học, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng thí nghiệm Vi cơ điện tử và Vi hệ thống, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn các đơn vị, tổ chức này đã giúp đỡ tôi trong thời gian nghiên cứu. Luận án sẽ không thể thực hiện nếu không có sự hướng dẫn, hợp tác và hỗ trợ của một số cá nhân đã đóng góp rất nhiều cho việc chuẩn bị và hoàn thành nghiên cứu này. Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn NGƯT.PGS.TS. Nguyễn Trường Xuân và TS. Đào Ngọc Long đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, luôn sẵn lòng và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu. Tôi rất biết ơn PGS.TS. Đỗ Ngọc Đường và PGS.TS. Đặng Nam Chinh đã giúp tôi có được ý tưởng ban đầu về đề tài nghiên cứu, chia sẻ cho tôi nhiều kinh nghiệm và hiểu biết. Tôi rất biết ơn PGS.TS. Trần Đình Trí đã luôn quan tâm và giúp đỡ tôi từ thời gian chuẩn bị cho đến khi hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Trần Xuân Trường, PGS.TS. Trần Vân Anh và TS. Trần Trung Anh về sự quan tâm sâu sắc, đã chỉ đạo sát sao, tạo điều kiện giúp đỡ tích cực và chia sẻ nhiều hiểu biết cho các nghiên cứu sinh. Tôi biết ơn GS.TSKH. Phan Văn Lộc, TS. Trần Thùy Dương đã chia sẻ cho tôi nhiều hiểu biết liên quan đến nội dung nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Sáng, TS. Đinh Công Hòa, PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc, PGS.TS. Nguyễn Văn Trung, TS. Phạm Quốc Khánh, TS. Nhữ Việt Hà vì sự góp ý rất chân thành và thẳng thắn, giúp cho luận án của tôi được hoàn thiện tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trương Xuân Luận, PGS.TS. Phạm Vọng Thành,
iii TS. Diêm Công Hoàng, ThS. Nông Thị Oanh về sự giúp đỡ, động viên và hỗ trợ. Tôi rất biết ơn GS.TS. Bùi Tiến Diệu, làm việc tại University College of Southeast Norway đã phản hồi, hợp tác và sáng tạo đã đóng góp rất nhiều cho nghiên cứu của tôi. Nhờ có TS. Nguyễn Thị Mai Dung, TS. Lê Hồng Anh, TS. Dương Thành Trung mà tôi được thường xuyên hợp tác trong nghiên cứu, trao đổi thảo luận về các kết quả nghiên cứu của tôi. Tôi rất biết ơn PGS.TS. Trần Đức Tân, phó trưởng khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội về những giúp đỡ, thảo luận và giải thích một số kết quả nghiên cứu của tôi cũng như những hiểu biết sâu sắc mà PGS chia sẻ. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà nghiên cứu: ThS. Nguyễn Đình Chinh làm việc tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến; ThS. Phạm Anh Dũng làm việc tại Leica Geosystems, KS. Phùng Thanh Tùng làm việc tại Công ty cổ phần thiết bị và khảo sát Việt Nam, ThS. Đào Xuân Vương, ThS. Nguyễn Đức Hạnh làm việc tại Công ty Cổ phần Dịch vụ Thương mại Khảo sát Hà Đông và KS. Trần Hữu Đức đã giúp tôi trong xác định tuyến tham chiếu bằng công nghệ RTK với máy thu Trimble R2; KS. Nguyễn Đạt Quảng cùng KS. Quách Mạnh Tuấn làm việc tại Công ty TNHH Máy đo đạc Miền Bắc và KS. Bùi Tiến Dũng, đã giúp tôi trong sử dụng UAV để bay chụp và xử lý ảnh khu vực thử nghiệm. Tôi xin cảm ơn tất cả các bạn của tôi vì đã có nhiều thời gian vui vẻ ngoài giờ làm việc như hội lớp, các kỳ nghỉ, bóng đá, và những khoảnh khắc thư giãn khác, để sau đó tôi có thể tập trung vào nghiên cứu được tốt hơn. Cuối cùng, tôi muốn nói lời cảm ơn đặc biệt tới vợ tôi Mai Ngọc Liên, con gái tôi Trần Mai Anh và con trai tôi Trần Trung Hiếu về tình yêu và sự cảm thông, cho phép tôi dành nhiều thời gian cho công việc nghiên cứu. Tôi hết lòng biết ơn bố mẹ tôi về tình yêu và sự cống hiến to lớn để tôi trưởng thành như ngày hôm nay, cảm ơn các anh chị của tôi về tình yêu gia đình và sự quan tâm giúp đỡ của họ cho công việc này.
iv Mục lục Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Danh mục các ký hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii Danh mục các thuật ngữ và từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . ix Danh sách bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x Danh sách hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Tổng quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1 Ước lượng sai số cảm biến quán tính của Smartphone . . . . . . 11 1.1 Tóm tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Mô hình sai số và bù nhiễu cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.4.2 Kỹ thuật hiệu chuẩn cảm biến sáu vị trí . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.3 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5 Phân tích và mô hình hóa dữ liệu cảm biến quán tính . . . . . . . . 26 1.5.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5.2 Phương pháp luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5.3 Phân tích nhiễu dùng phương sai Allan . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.5.4 Chất lượng ước lượng phương sai Allan . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.5.5 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
v 2 Tích hợp GNSS/INS trên Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.1 Tóm tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3 Khái quát các hệ tọa độ và động học Trái Đất . . . . . . . . . . . . 35 2.3.1 Các hệ tọa độ được sử dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2 Động học Trái Đất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4 Hệ thống dẫn đường quán tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.5 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.6 Sử dụng Smartphone để xác định vị trí điểm . . . . . . . . . . . . . 58 2.7 Xây dựng IMU trong Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.7.1 Định hướng từ cảm biến tốc độ góc . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.7.2 Định hướng từ cảm biến gia tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.7.3 Giải thuật định hướng kết hợp để xây dựng IMU . . . . . . . . . 61 2.8 Tích hợp GNSS/INS trong Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.8.1 Kiến trúc tích hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.8.2 Xử lý dữ liệu với phép lọc Kalman mở rộng . . . . . . . . . . . . 68 2.9 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3 Thực nghiệm và các kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1 Hiệu chuẩn cảm biến quán tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1.2 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.2 Phân tích và mô hình hóa dữ liệu cảm biến quán tính . . . . . . . . 80 3.2.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2.2 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3 Tích hợp GNSS/INS trên Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3.2 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.4 Ứng dụng trong Trắc địa - Bản đồ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.4.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
vi 3.4.2 Khu vực thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.4.3 Các kết quả và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Kết luận và kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Một số công trình đã công bố của tác giả . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Bài báo tạp chí khoa học trong nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Bài báo hội nghị khoa học quốc tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Phần mềm ứng dụng di động App Store . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Phụ lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I Phụ lục A Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến gia tốc . . . . . . . . . . . . II Phụ lục B Dữ liệu hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc . . . . . . . . . III Phụ lục C So sánh các kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV Phụ lục D Một số mã nguồn Matlab được phát triển . . . . . . . V . III D.1 Mã nguồn mô-đun hiệu chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . .VIII D.2 Mã nguồn hàm bù nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII D.3 Mã nguồn hàm tính trọng lực cục bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII
vii Danh mục các ký hiệu B Nhiễu bất ổn độ lệch (Bias Instability) fˆ Véc-tơ dữ liệu đầu ra của cảm biến gia tốc f Véc-tơ gia tốc thực của cảm biến gia tốc g Trọng trường cục bộ (Local gravity) h Độ cao so với mực nước biển (Altitude hoặc Elevation) H Độ cao so với mặt Ellipsoid (Height) ι Kinh độ (Longitude) µ Vĩ độ trắc địa (Latitude) ˆ Véc-tơ dữ liệu đầu ra của cảm biến tốc độ góc ω ω Véc-tơ tốc độ góc thực của cảm biến tốc độ góc ωe Tốc độ quay trái đất (Speed of the Earth’s Rotation) p Tốc độ góc theo trục x φ Góc liệng (Roll) ψ Góc hướng (Yaw hoặc Heading) q Tốc độ góc theo trục y Q Nhiễu lượng tử hóa (Quanization Noise) r Tốc độ góc theo trục z N Nhiễu bước ngẫu nhiên (Random Walk) R Nhiễu tỷ lệ răng cưa (Rate Ramp) K Nhiễu tỷ lệ bước ngẫu nhiên (Rate Random Walk) θ Góc chúc (Pitch)
viii Danh mục các thuật ngữ và từ viết tắt A-GNSS Hệ thống tăng cường GNSS - Assisted GNSS A-GPS Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS Accelerometer Cảm biến gia tốc AHRS Hệ tham chiếu thế hướng - Attitude and Heading Reference Systems API Giao diện lập trình - Application Programming Interface Autonomous Tự chủ động (hay tự trị) b-frame Hệ tọa độ vật thể Beidou Hệ thống định vị vệ tinh khu vực độc lập do Trung Quốc điều hành C6D Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp trực tiếp C6W Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp có trọng số C6X Kỹ thuật hiệu chuẩn sáu vị trí - phương pháp đề xuất ECEF Hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm định vị Trái Đất - Earth- Centered, Earth-Fixed ECI Hệ quy chiếu quán tính Trái Đất - Earth-Centered Inertial EGNOS Dịch vụ lớp phủ định vị quốc tế Châu Âu - European Geostationary Navigation Overlay Service EKF Phép lọc Kalman mở rộng - Extended Kalman Filter Galileo Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu do Liên minh Châu Âu và các đối tác phát triển Gimbal Hệ INS có đế GLONASS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu do Nga điều hành
ix GNSS Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems GPS Hệ thống định vị toàn cầu - Global Positioning System Gyroscope Cảm biến tốc độ góc IF Hệ quy chiếu quán tính - Inertial Frame IMU Bộ đo quán tính - Inertial Measurement Unit INS Hệ thống dẫn đường quán tính - Inertial Navigation System KF Phép lọc Kalman - Kalman Filter Magnetometer Cảm biến từ trường MEMS Hệ thống vi cơ điện tử - Microelectromechanical systems n-frame Hệ tọa độ địa phương NHC Điều kiện ràng buộc “vận tốc không”- None - Holonomic Constrain Pitch Góc chúc PSD Mật độ phổ công suất - Power Spectral Density Quaternion Đại số quaternion Roll Góc liệng SBAS Hệ thống tăng cường không gian - Satellite-Based Augmentation System Smartphone Điện thoại thông minh Strapdown Hệ INS không đế TĐBĐ Trắc địa - Bản đồ UAV Máy bay không người lái - Unmanned Aerial Vehicle WAAS Hệ thống tăng cường diện rộng - Wide Area Augmentation System Yaw Góc hướng
x Danh sách bảng Bảng 1.1. Đặc tính và cách xử lý các nguồn sai số của cảm biến . . 14 Bảng 1.2. Tổng hợp các mô hình hiệu chuẩn cảm biến quán tính . . 18 Bảng 1.3. Đặc tính các nguồn sai số ngẫu nhiên của cảm biến . . . . 32 Bảng 3.1. Dữ liệu đầu ra của cảm biến tại các vị trí hiệu chuẩn . . . 74 Bảng 3.2. Các hệ số cảm biến gia tốc (C6D) . . . . . . . . . . . . . . 74 Bảng 3.3. Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W) . . . . . . . . . . . . . . 74 Bảng 3.4. Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6D) . . . . . . . . . . . . 76 Bảng 3.5. Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W) . . . . . . . . . . . 76 Bảng 3.6. Các hệ số cảm biến gia tốc (C6W phương pháp đề xuất) . 78 Bảng 3.7. Các hệ số cảm biến tốc độ góc (C6W phương pháp đề xuất) 78 Bảng 3.8. Độ lệch Allan của các cảm biến trong iPhone 6 Plus . . . 82 Bảng 3.9. Ước lượng các nhiễu của cảm biến quán tính iPhone 6 Plus 82 Bảng 3.10. Độ chính xác định vị tích hợp GNSS/INS iPhone 6 Plus . 85
xi Danh sách hình vẽ Hình 1.1. Cảm biến chuyển động trên Smartphone . . . . . . . . . . 13 Hình 1.2. Mô hình hiệu chuẩn cảm biến tốc độ góc của Smartphone 20 Hình 1.3. Mô hình hiệu chuẩn cảm biến gia tốc của Smartphone . . 21 Hình 1.4. Lấy mẫu theo các cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Hình 1.5. Minh họa kết quả phân tích đường cong phương sai Allan 32 Hình 2.1. Hai hệ tọa độ trực giao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Hình 2.2. Các trục của hệ ECI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Hình 2.3. Các trục của hệ ECEF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Hình 2.4. Các trục của hệ N ED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Hình 2.5. Các trục của hệ vật thể b . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Hình 2.6. Các góc Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Hình 2.7. Mô tả bài toán tư thế trong hệ Strapdown . . . . . . . . 46 Hình 2.8. Định hướng của hệ β so với hệ α xoay quanh trục αˆr . . 48 Hình 2.9. Sơ đồ cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính . . 50 Hình 2.10. Sơ đồ bộ xử lý dẫn đường quán tính . . . . . . . . . . . . 51 Hình 2.11. Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ ECI . . . . . . 52 Hình 2.12. Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ ECEF . . . . . 53 Hình 2.13. Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ định vị cục bộ 54 Hình 2.14. Sử dụng tín hiệu của bốn vệ tinh để định vị . . . . . . . . 57 Hình 2.15. Nguyên lý định vị phổ biến các Smartphone (A-GNSS) . 58 Hình 2.16. Sơ đồ khối bộ lọc định hướng xây dựng IMU . . . . . . . 62 Hình 2.17. Kiến trúc tổng quát hệ thống tích hợp GNSS/INS trong Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Hình 2.18. Kiến trúc tích hợp GNSS/INS điển hình . . . . . . . . . . 65 Hình 2.19. Kiến trúc cải chính INS vòng lặp mở và vòng lặp đóng . 66
xii Hình 2.20. Kiến trúc tích hợp GNSS/INS lỏng . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 2.21. Sơ đồ khối tổng thể tích hợp GNSS/INS lỏng . . . . . . . 68 Hình 3.1. Dữ liệu đầu ra và bù nhiễu của cảm biến gia tốc . . . . . 75 Hình 3.2. Dữ liệu đầu ra và bù nhiễu của cảm biến tốc độ góc . . . 77 Hình 3.3. Sai số do độ lệch trục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Hình 3.4. Sai số do hệ số tỷ lệ trên các trục . . . . . . . . . . . . . . 79 Hình 3.5. Sự không trực giao của các trục cảm . . . . . . . . . . . . 79 Hình 3.6. Đường cong Allan của cảm biến tốc độ góc iPhone 6 Plus 80 Hình 3.7. Đường cong Allan của cảm biến gia tốc iPhone 6 Plus . . 81 Hình 3.8. IMU của iPhone 6 Plus ở vị trí Zup . . . . . . . . . . . . 83 Hình 3.9. So sánh lộ trình thử nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Hình 3.10. So sánh lộ trình thử nghiệm bị gián đoạn tín hiệu GNSS 87 Hình 3.11. Môi trường và các thiết bị tham gia thực nghiệm . . . . . 88 Hình 3.12. Lộ trình đo và khu vực thực nghiệm . . . . . . . . . . . . 89 Hình 3.13. Hiệu chuẩn và ghi dữ liệu cảm biến quán tính . . . . . . 90 Hình 3.14. Đo cập nhật tuyến đường giao thông bằng phần mềm . . 90 Hình 3.15. Tuyến đường đo bằng GNSS của iPhone và Trimble R2 . 92 Hình 3.16. Các vị trí thường bị gián đoạn tín hiệu vệ tinh . . . . . . 92 Hình 3.17. Đoạn có sai số vị trí điểm GNSS trên iPhone lớn (1) . . . 93 Hình 3.18. Đoạn có sai số vị trí điểm GNSS trên iPhone lớn (2) . . . 93 Hình A.1. Dữ liệu hiệu chuẩn sáu vị trí của cảm biến gia tốc . . . . II Hình B.1. Dữ liệu hiệu chuẩn sáu vị trí của cảm biến tốc độ góc . . III Hình C.1. So sánh sai số vận tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV Hình C.2. So sánh sai số vị trí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V Hình C.3. So sánh vận tốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI Hình C.4. So sánh vị trí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
1 Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Công tác Trắc địa - Bản đồ (TĐBĐ) bao gồm đo đạc và thể hiện thông tin các đối tượng trên mặt đất làm cơ sở để thể hiện các thông tin khác gắn với mặt đất. Kể từ những năm 1960 ở Việt Nam, bản đồ đã được thành lập bằng phương pháp truyền thống bao gồm xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ và độ cao quốc gia làm cơ sở cho mọi công việc về đo vẽ và thành lập bản đồ gốc dựa trên các phép đo của máy đo chuyên dụng; in ra các bản sao của bản đồ để sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Các máy đo chuyên dụng có độ chính xác cao được sử dụng trong đo vẽ thành lập bản đồ nhưng có giá thành cao. Với sự phát triển của công nghệ máy tính, hình ảnh thu được từ vệ tinh và Hệ thống định vị toàn cầu - Global Positioning System (GPS) thì việc thành lập bản đồ trở nên dễ dàng hơn. Các máy thu GPS đã trở thành công cụ quan trọng để định vị, dẫn đường, tìm kiếm đối tượng quan tâm, gửi thông tin định vị tức thời, cập nhật thông tin không gian trợ giúp công tác TĐBĐ. Các máy thu GPS cầm tay có chi phí thấp hơn máy GPS chuyên dụng nhưng lại không đủ độ chính xác để xây dựng các điểm khống chế trắc địa hay các công việc đòi hỏi độ chính xác cao. Tuy nhiên, GPS cầm tay vẫn là công cụ hữu ích để hỗ trợ ra quyết định và trợ giúp công tác TĐBĐ từ nhiều năm nay. Cùng với sự phát triển công nghệ, điện thoại thông minh, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, gọi chung là thiết bị thông minh được ra đời đã trang bị hợp phần máy thu Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems (GNSS) và các cảm biến [10, 19]. Trong các thiết bị thông minh kể trên thì Điện thoại thông minh (Smartphone), đối tượng của nghiên cứu này được trang bị các thành phần trong đó có hệ điều hành, phần cứng định vị và các cảm biến, những thành phần này thường xuyên được cập nhật, nâng cấp và cải thiện hiệu năng. Một trong những yếu tố quan trọng của Smartphone là người
2 dùng có thể tận dụng phần cứng được trang bị sẵn, lập trình để tạo ra các ứng dụng cài đặt vào Smartphone, làm cho Smartphone có thêm tính năng như một thiết bị mới để ứng dụng hiệu quả trong thực tế như định vị tọa độ trong công tác TĐBĐ. Nếu độ chính xác định vị tọa độ của Smartphone đáp ứng được một số công việc cụ thể trong TĐBĐ thì có thể sử dụng Smartphone và phần mềm được cài đặt để thay thế các thiết bị định vị tọa độ chuyên dụng có độ chính xác tương đương, giúp rút ngắn thời gian, giảm chi phí cấu thành sản phẩm Đo đạc - Bản đồ. Để đánh giá khả năng ứng dụng của thiết bị thông minh trong TĐBĐ, NCS cùng cộng sự đã tận dụng phần cứng GNSS được trang bị sẵn để lập trình phần mềm định vị tọa độ và thu thập dữ liệu thực địa, tính chuyển tọa độ theo hệ quy chiếu và lưới chiếu bản đồ, đồng thời làm thực nghiệm định vị xác định tọa độ các điểm, tuyến đường và đánh giá độ chính xác vị trí điểm thu được bằng iPhone. Kết quả độ chính xác định vị tọa độ của iPhone và máy GPS cầm tay chuyên dụng là tương đương, công trình khoa học này đã được NCS và cộng sự công bố trong bài báo tạp chí khoa học quốc tế SCIE và phân phối 02 ứng dụng trên App Store. Smartphone đã được ứng dụng thành công trong công tác TĐBĐ đối với một số công việc cụ thể như: đo cập nhật các đối tượng địa vật, đối tượng đường giao thông, đối tượng đường địa giới hành chính, đối tượng rừng và đất rừng cho bản đồ tỷ lệ 1:5.000 hoặc nhỏ hơn, đo diện tích rừng, trữ lượng rừng, tìm kiếm điểm khống chế trắc địa, tìm kiếm điểm khống chế ảnh. Trên thực tế, phần cứng định vị GNSS được trang bị sẵn trên Smartphone ở thời điểm 2009 và hiện tại 2017 chưa có sự thay đổi đáng kể về công nghệ nên độ chính xác định vị tọa độ chưa cao [1, 58]. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của Smartphone trong TĐBĐ còn hạn chế, cần có những nghiên cứu để cải thiện độ chính xác định vị tọa độ của Smartphone. Độ chính xác định vị GNSS của Smartphone phụ thuộc vào một số yếu tố chính như phần cứng định vị GNSS, khả năng thu nhận tín hiệu vệ tinh, kỹ thuật và giải pháp định vị. Để cải thiện độ chính xác định vị trên Smartphone
3 có thể nâng cấp phần cứng định vị và phần mềm xử lý, kết hợp phần cứng định vị mở rộng bên ngoài, hay tận dụng các cảm biến quán tính được trang bị sẵn trên Smartphone để xây dựng giải pháp định vị tích hợp GNSS/INS. Việc nâng cấp phần cứng định vị và phần mềm xử lý trên Smartphone hoàn toàn phụ thuộc vào nhà sản xuất và công nghệ hiện tại. Cũng có thể kết hợp phần cứng định vị mở rộng bên ngoài nhưng đòi hỏi chi phí mua thiết bị mở rộng. Việc tận dụng các cảm biến quán tính được trang bị sẵn trên Smartphone để xây dựng hệ thống tích hợp GNSS/INS sẽ là giải pháp phù hợp do không phải trang bị thêm bất kỳ thiết bị mở rộng nào. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Mục đích của luận án này là nghiên cứu giải pháp tích hợp GNSS/INS trên Smartphone để cải thiện độ chính xác định vị tọa độ. • Đối tượng nghiên cứu là GNSS, Hệ thống dẫn đường quán tính - Inertial Navigation System (INS) trên Smartphone; cảm biến gia tốc và cảm biến tốc độ góc của Smartphone. • Phạm vi nghiên cứu là nâng cao độ chính xác định vị tọa độ của Smartphone ứng dụng trong một số công tác TĐBĐ. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm có đảm bảo bằng các kiến thức, nền tảng toán học chặt chẽ, phát triển phần mềm và mô phỏng thực nghiệm để kiểm chứng đảm bảo độ tin cậy, tham khảo ý kiến chuyên gia trong lĩnh vực Điện tử viễn thông, Công nghệ thông tin và TĐBĐ.
4 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài • Ý nghĩa khoa học – Bổ sung về lý thuyết định vị tích hợp GNSS/INS trên Smartphone. – Đưa ra cơ sở khoa học và giải pháp tích hợp GNSS/INS trên Smartphone ứng dụng trong TĐBĐ. • Ý nghĩa thực tiễn – Những công bố khoa học về độ chính xác định vị sử dụng Smartphone sẽ góp phần giảm chi phí mua sắm thiết bị chuyên dụng có độ chính xác tương đương. – Rút ngắn thời gian, giảm chi phí cấu thành sản phẩm Đo đạc - Bản đồ. – Đã nâng cao được độ chính xác định vị trên Smartphone bằng cách tích hợp GNSS/INS. – Mở ra hướng nghiên cứu thực nghiệm bài toán tích hợp GNSS/INS với chi phí thấp và dễ áp dụng. – Mở ra khả năng tính toán và chế tạo bộ thu GNSS/INS tại Việt Nam. 5. Các luận điểm bảo vệ và điểm mới của luận án • Các luận điểm khoa học – Luận điểm 1: Smartphone hiện tại có trang bị phần cứng GNSS hoàn toàn có khả năng ứng dụng trong TĐBĐ. – Luận điểm 2: Ước lượng sai số cảm biến quán tính của Smartphone là giải pháp phù hợp cho bài toán tích hợp GNSS/INS để nâng cao độ chính xác định vị tọa độ trên Smartphone. • Các điểm mới của luận án
5 – Đề xuất phương pháp chuẩn hóa ảnh hưởng của tốc độ quay Trái Đất lên các trục của cảm biến tốc độ góc cho kỹ thuật hiệu chuẩn không cần thiết bị tham chiếu ngoài nhằm giải quyết vấn đề tốc độ quay Trái Đất bị lẫn trong nhiễu của cảm biến chi phí thấp và các cảm biến quán tính được trang bị sẵn trên thiết bị thông minh. – Mô-đun chức năng hiệu chuẩn cảm biến quán tính được lập trình để có thể thực hiện trực quan ngay trên Smartphone theo thời gian thực giúp dễ dàng hiệu chuẩn ở thực địa và kiểm tra trước khi tiến hành đo. – Phần mềm định vị GPS và thu thập dữ liệu thực địa được phát triển hoàn thiện trên nền tảng iOS để ứng dụng trong Trắc địa - Bản đồ. 6. Kết cấu luận án Luận án gồm mở đầu, tổng quan, 3 chương, kết luận kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo, danh mục công trình công bố của tác giả, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục. Toàn bộ nội dung luận án được trình bày trong 133 trang, trong đó nội dung chính gồm 105 trang, 50 hình và đồ thị, 13 bảng biểu, 60 tài liệu tham khảo. 7. Cơ sở tài liệu Luận án được xây dựng dựa trên cơ sở tài liệu từ nguồn chính thức quốc tế đã công bố như ISI, Scopus và các hãng công nghệ như Apple Inc., Google Inc., InvenSense Inc., Qualcomm Technologies, Inc., Chipworks Inc.
6 Tổng quan Smartphone đang làm thay đổi cuộc sống của hàng triệu người dùng trên toàn thế giới do có nhiều ứng dụng sáng tạo cho nhiều lĩnh vực đồng thời có thể thu nhận, lưu trữ, cập nhật và xử lý dữ liệu như một chiếc máy tính cá nhân hay máy tính xách tay [2]. Do Smartphone có khả năng xử lý dữ liệu và hiệu năng như một chiếc máy vi tính, đồng thời được trang bị sẵn nhiều cảm biến [22, 25, 27], nên có thể lập trình để tạo ra các ứng dụng, làm cho Smartphone có thêm tính năng như một thiết bị mới. Việc tạo ra các ứng dụng chuyên ngành trên Smartphone sẽ giúp tiết kiệm chi phí bởi vì không phải mua một thiết bị chuyên dụng có độ chính xác tương đương, tạo điều kiện tiếp cận thông tin nhanh hơn [6]. Nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công của Smartphone trong các lĩnh vực như nông nghiệp [59], địa chất [20], quản lý nước [42], quản lý lưu lượng giao thông [8], giáo dục môi trường [50], y học [35]. Trong khoa học Trái Đất đã có một số công trình nghiên cứu sau: Jones và cộng sự [58], đã tiến hành đánh giá độ chính xác vị trí điểm mặt bằng của một số Smartphone phổ biến sử dụng Hệ thống tăng cường GPS - Assisted GPS (A-GPS). Các Smartphone được chọn thử nghiệm là đại diện của các thế hệ khác nhau. Dữ liệu tọa độ vị trí điểm được thu thập bằng cách cho các sinh viên tình nguyện sử dụng Smartphone của họ để định vị và so sánh với các điểm chuẩn được đo bằng phương pháp RTK. Mục tiêu của họ là tạo ra một kết quả ban đầu về độ chính xác định vị của Smartphone làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả đánh giá độ chính xác cho thấy sai số vị trí điểm mặt bằng trung bình trên tất cả các loại Smartphone được thử nghiệm là ±67.47f eet (khoảng ±20m). Sai số trung phương vị trí điểm mặt bằng cho tất cả các sản phẩm được thử nghiệm sử dụng hệ điều hành iOS (iPhone 4) là ±44.79f eet (khoảng ±14m), trong khi sai số trung phương vị trí điểm mặt bằng cho tất cả các sản phẩm được thử nghiệm sử dụng hệ điều hành Android là ±207.25f eet (khoảng ±63m).