1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

NGÔ DUY TÂN

ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT

TRÁI ĐẤT BẰNG VIỆC HỢP NHẤT HÓA DỮ LIỆU

CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC VÀ CẢM BIẾN SAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã sỗ: 62 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2018

2

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện

Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Thái Quang Vinh

Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Bùi Trọng Tuyên

Phản biện 1: …

Phản biện 2: …

Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học

viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm

201….

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

3

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1. Dự đoán tư thế vệ tinh quan sát Trái đất bằng phương pháp hợp

nhất dữ liệu đa cảm biến, Kỷ yếu Hội thảo khoa học “Nghiên cứu

phát triển và ứng dụng công nghệ vũ trụ - 2011”, Viện Công nghệ

vũ trụ, 2011.

2. Hợp nhất dữ liệu cảm biến tốc độ quay và cảm biến sao để dự đoán

tư thế vệ tinh nhỏ, Kỷ yếu Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số

vấn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin và truyền thông- Hà Nội,

03-04/12/2012

3. Xác định tư thế bằng bộ kết hợp cảm biến sao và con quay hồi

chuyển trên vệ tinh VNREDSat-1, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ

trụ và Ứng dụng – Hà Nội, 19/12/2014

4. Hiệu chỉnh quỹ đạo cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất trên quỹ đạo

đồng bộ Mặt trời, Kỷ yếu Hội thảo Công nghệ vũ trụ và Ứng dụng

– Hà Nội, 19/12/2014.

5. Small satellite attitude determination by gyroscope and star

tracker fusion, International Conference on Information and

Convergence Technology for Smart Society - Ho Chi Minh, 1/2016

6. A New Approach for Small Satellite Gyroscope and Star Tracker

Fusion, Indian Journal of Science and Technology, Volume 9,

Issue 17, 5/2016 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS).

7. Xác định quỹ đạo vệ tinh viễn thám phù hợp với điều kiện Việt Nam,

Tạp chí Khoa học đo đạc và bản đồ, số 34-12/2017.

8. Proposed design of a fault-tolerance attitude estimator for small

earth observation satellite, International Journal of Mechanical

Engineering & Technology (IJMET), Volume 9, Issue 1, 1/2018

(tạp chí thuộc danh mục SCOPUS).

9. Study on the needs and proposal for high and very high resolution

satellite remote sensing systems in Viet Nam, International Journal

of Civil Engineering & Technology (IJCIET), Volume 9, Issue 1,

1/2018 (tạp chí thuộc danh mục SCOPUS).

4

MỞ ĐẦU

Các dữ liệu từ các cảm biến đo tư thế trên vệ tinh (cảm biến đo

hướng, đo tốc độ góc) cần được hợp nhất lại với nhau để thành một số

liệu tin cậy cung cấp cho bộ điều khiển, đây chính là nhiệm vụ của bộ

ước lượng tư thế vệ tinh.

Một số thách thức và ràng buộc như sau:

- Hạn chế về nguồn năng lượng.

- Năng lực xử lý: các bộ phận xử lý trên vệ tinh chủ yếu sử dụng

các chip FPGA (mảng logic khả trình) hoặc SoC (System on Chip)

để lập trình thực hiện các chức năng mong muốn.

- Ảnh hưởng của các môi trường và bức xạ vũ trụ: đây là đặc thù

của môi trường vũ trụ ảnh hưởng rất lớn đến thiết kế và lựa chọn

linh kiện điện tử cho vệ tinh.

- Thông tin liên lạc giữa vệ tinh và trạm mặt đất: các vệ tinh quan

sát Trái đất có thời gian liên lạc với vệ tinh rất hạn chế.

- Tính thời gian thực.

- Phức tạp trong các phép chuyển đổi hệ tọa độ hoặc phép quay

trong các hệ quy chiếu: để giải quyết các nhiệm vụ trên vệ tinh.

Các thuật toán/phần mềm dự đoán tư thế vệ tinh thường được thực

hiện bởi các chip FPGA. Đây cũng là lý do quan trọng để lựa chọn các

thuật toán đơn giản, hiệu quả và tối ưu về phần cứng trên vệ tinh.

Các thuật toán hay phương pháp của bộ xác định tư thế vệ tinh

phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

- Tính ổn định về hoạt động.

- Độ tin cậy về kết quả đầu ra.

5

- Có cơ chế phản ứng với các tình huống đặc biệt trên quỹ đạo như

nhiễu hay lỗi cảm biến.

- Tối ưu về hiệu năng và tài nguyên hạn chế trên vệ tinh (nguồn

năng lượng, dung lượng bộ nhớ, năng lực xử lý).

Như vậy, việc nghiên cứu và đề xuất các phương pháp ước lượng

tư thế có khả năng thích nghi cao với môi trường làm việc đặc thù và

yêu cầu chặt chẽ là định hướng quan trọng trong công nghệ vệ tinh.

Việc triển khai các thuật toán thích nghi đòi hỏi phải cân nhắc về độ

ổn định và tính đơn giản về mặt tính toán để phù phù hợp với nguồn

tài nguyên hữu hạn. Do vậy, các cơ chế thích nghi đơn giản nhưng tối

ưu về mặt tính toán cần phải được lựa chọn. Đây cũng là ưu điểm của

cơ chế thích nghi bằng thuật toán logic mờ.

Từ những phân tích trên, tác giả đã lựa chọn nghiên cứu luận

án: “Ước lượng tư thế vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất bằng việc hợp

nhất hóa dữ liệu của cảm biến tốc độ góc và cảm biến sao”.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

Luận án được thực hiện với mục tiêu tổng quát là: nghiên cứu và

đề xuất một phương pháp ước lượng tư thế vệ tinh bằng việc hợp nhất

hóa dữ liệu các cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc trên vệ tinh nhỏ

quan sát Trái đất có khả năng thỏa mãn các ràng buộc về phần cứng

và môi trường hoạt động của các phần cứng chuyên dụng trên vệ tinh.

6

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1. Tư thế vệ tinh

Thuật ngữ “tư thế vệ tinh” được sử dụng để nói về hướng trỏ của

vệ tinh trong một hệ quy chiếu đã cho và vận tốc góc của vệ tinh quanh

các trục trong hệ quy chiếu đó. Một vệ tinh làm việc trên quỹ đạo cần

phải đáp ứng được nhiều yêu cầu về hướng trỏ trong không gian như

hướng ăng-ten về phía trạm điều khiển trên mặt đất, hướng các tấm

pin Mặt Trời về phía Mặt Trời để nạp ắc-quy và định hướng thiết bị

chụp ảnh và đảm bảo độ chính xác khi chụp ảnh trên mặt đất.

Để có thể dự đoán và điều khiển được tư thế của vệ tinh theo nhiệm

vụ cụ thể lập trình sẵn thì phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh

(ADCS) cần phải có thông tin chính xác, tin cậy từ nhiều loại cảm biến

tư thế khác nhau như: cảm biến hướng mặt trời, cảm biến sao, cảm

biến tốc độ góc, cảm biến từ trường,… Điểm đáng lưu ý là mỗi loại

cảm biến tư thế này có rất nhiều đặc trưng khác nhau như tốc độ lấy

mẫu, độ chính xác, độ tin cậy, phép đo phụ thuộc và vị trí hiện tại của

vệ tinh. Do đó: Hợp nhất dữ liệu đa cảm biến là quá trình kết hợp

dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau với mục đích cho ra kết quả cuối

cùng tốt hơn khi sử dụng từng cảm biến độc lập.

1.2. Các hệ tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh

Để phân tích chuyển động của vệ tinh, ta cần xác định các hệ trục

toạ độ mô tả chuyển động của vệ tinh. Các hệ tọa độ này bao gồm hệ

tọa độ quán tính i , hệ toạ độ quỹ đạo LHLV o và hệ tọa độ vệ tinh

b . Trong luận án này, tác giả giả thiết vệ tinh là một vật rắn bay

quanh quỹ đạo hình tròn xung quanh trái đất.

7

1.3. Biễu diễn tư thế vệ tinh

Các phương pháp biểu diễn tư thế vệ tinh gồm có:

Ma trận quay DCM (Direct Cosine Matrix)

Phép quay RPY (Roll, Pitch, Yaw)

Góc và trục quay Euler

Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng quaternion

Các tham số MRP (Modified Rodrigues Parameters)

Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng các tham số Pivot (đây là phương

pháp mới hiện nay).

Sai lệch tư thế vệ tinh

Khi sử dụng quaternion ta xác định sai lệch tư thế q có dạng:

4

d

44

d d

T

d d

q

qq

vv 1 vq q q

v

trong đó

1d

2d d

d

3d 4d

4d

q

q

q q

q

vq

là quaternion mong muốn

và 1

2

3 4

4

q

q

q q

q

vq

là quaternion thực tế.

Do những ưu điểm của phương pháp biểu diễn tư thế bằng

quaternion, nên đây là phương pháp phổ biến và hiệu quả cho các thuật

toán xác định và tư thế trên vệ tinh nhỏ.

1.4. Các chỉ tiêu chính của phân hệ xác định và điều khiển tư thế

vệ tinh

Một số chỉ tiêu về xác định và điều khiển tư thế vệ tinh:

8

- Các tham số về độ chính xác tư thế vệ tinh, bao gồm sai số về xác

định và sai số về điều khiển tư thế:

o Sai số chỉ hướng: là sai lệch góc trên từng trục giữa tư thế thực

của vệ tinh và tư thế mong muốn: ( )real cmdθ θ

o Sai số ước lượng: là sai lệch trên từng trục giữa tư thế ước lượng

được và tư thế thực: ( )flt cmdθ θ

o Sai số tốc độ góc: là sai lệch về tốc độ góc giữa tốc độ góc thực

của vệ tinh và tốc độ góc mong muốn: arg

( )real t etω ω .

- Độ ổn định về tư thế

- Tốc độ đáp ứng: bao gồm tốc độ chuyển tiếp và tốc độ hội tụ.

- Khả năng thích nghi và kháng lỗi.

Sai số về điều khiển tư thế ảnh hưởng đến độ chính xác về vị

trí chụp ảnh trên mặt đất và chất lượng hình học của ảnh thu được. Do

vậy, các yêu cầu về sai số và độ ổn định về hướng và điều khiển tư thế

vệ tinh luôn là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu của các nhiệm vụ quan sát

Trái đất.

1.5. Thuật toán ước lượng tư thế và những ràng buộc trên vệ tinh

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 phải nghiên cứu tác động của từng loại cảm biến này lên

bộ dự đoán để xây dựng các kịch bản mô phỏng sát với thực tế. Các

trường hợp điển hình sau đây được nghiên cứu:

- 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).

9

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.

Các kết quả nghiên cứu 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 với phần cứng trên vệ tinh. 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.

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.

- Dễ kiểm tra

Kết luận chương: 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.

- Ràng buộc trên vệ tinh.

- Các thuật toán ước lượng tư thế.

10

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH VỆ TINH VÀ CẢM BIẾN TƯ THẾ TRONG

BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH

1.6. Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe

động lượng và điều khiển tư thế vệ tinh

2.1.1 Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe

động lượng

Phương trình động lực học của vệ tinh như sau:

Với

hw là mô men động lượng của các bánh xe

Ne là lực tác động từ bên ngoài

Nc là lực điều khiển

Is là ma trận quán tính của vệ tinh

Nếu tách phần tử vô hướng q4, các phần tử còn lại của vec tơ tư

thế vệ tinh được gọi là vec tơ Gibbs

Chọn vec tơ trạng thái

Lực điều khiển đầu vào là u=Nc. Phương trình trạng thái của vệ

tinh như sau:

)

11

2.1.2 Luật điều khiển tư thế cho vệ tinh quan sát Trái đất

Để đơn giản trong quá trình nghiên cứu và mô phỏng, luật điều

khiển tư thế vệ tinh sau đây được lựa chọn:

e

p e du K q - K ω

Trong đó: u là lực yêu cầu để điều khiển tư thế vệ tinh, lực này được

tạo ra từ các bánh xe động lượng

, :p d

K K các hệ số điều khiển

, :ee

q ω các sai số về hướng và tốc độ góc giữa giá trị ước lượng được

và giá trị mong muốn và được tính như sau:

Trong đó: qs, qr là các ma trận tư thế tức thời và tư thế mong muốn

ωe và ωr là các ma trận tốc độ góc tức thời và tốc độ góc mong muốn.

Trong chế đội duy trì hướng trỏ về Trái đấy thì nhiệm vụ của bộ

xác định và điều khiển tư thế vệ tinh là điều khiển và duy trì tốc độ

quay của vệ tinh theo trục pitch để quả vệ tinh luôn luốn hướng về trái

đất với:

0

2*

oT

(rad/s)

Và o

T là chu kỳ quay của vệ tinh quanh Trái đất

Đối với vệ tinh quat sát Trái đất có quỹ đạo đồng bộ mặt trời thì

chu kỳ To có thời gian khoảng 90 phút.

12

Ở chế độ chụp ảnh, tư thế vệ tinh được bám theo các quỹ đạo được

tính toán sẵn (có thể tính toán từ phần mềm dưới mặt đất gửi lên hoặc

tự động tính toán trên vệ tinh).

Mô hình vệ tinh được tuyến tính hóa quanh tốc độ góc hướng Trái

đất [0, -ωo, 0]:

u c d distx(t) = Ax(t) + B N (t) + B N

Trong đó: x(t) là ma trận trạng thái và được xác định là [ω q h]

h mô men động lượng góc của các bánh xe động lượng

Nc lực yêu cầu

Ndist các lựa nhiễu động bên ngoài

A, B là các ma trận trạng thái.

2.2 Cảm biến tư thế vệ tinh

2.2.1 Cảm biến tốc độ góc

Mô hình theo ba trục của cảm biến này trong miền thời gian liên

tục như sau:

v

u

ω = ω+β+ η

β = η

Trong đó: ω là tốc độ đo được, β là độ trôi theo thời gian và

uη và vη là hai quá trình nhiễu trắng độc lập Gau-xơ có giá trị trung

bình bằng không.

2.2.2 Cảm biến sao

Cảm biến sao là một thiết bị quang học để xác định tư thế của vệ

tinh bằng cách chụp ảnh các sao với độ chính xác cao. Cảm biến sao

13

chụp ảnh các sao trong vũ trụ từ vệ tinh rồi so sánh với bản đồ sao sẵn

có trong thiết bị, từ sai số này thiết bị tính ra được tư thế của vệ tinh.

Cảm biến sao được mô tả như sau:

sq q q

Trong đó:,

sq là quaternion đầu ra của cảm biến sao,

q là quaternion thực tế

q là nhiễu của cảm biến, có kỳ vọng bằng không và

phương sai là :

2

4 4

( ) 0

( ) ( ) ( )

s

T

s s s x

E t

E t t t

q

q q σ I

Kết luận chương: Mô hình đặc trưng của phân hệ ADCS mô tả

vệ tinh sử dụng các bánh xe động lượng làm cơ cấu chấp hành để điều

khiển tư thế của vệ tinh, đồng thời sử dụng các cảm biến tư thế đầu

vào là cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc. Việc lựa chọn mô hình

với các cơ cấu chấp hành và cảm biến đo này nhằm đảm bảo tính thực

tế và xu hướng thiết kế của các vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ.

CHƯƠNG 3 - ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH BẰNG HỢP NHẤT

DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN

Xác định tư thế trên vệ tinh thực ra là một bài toán ước lượng tối

ưu từ các nguồn dữ liệu khác nhau. Thuật toán ước lượng này phải

đánh giá được mức độ tin cậy của từng nguồn dữ liệu đo từ từng cảm

biến đơn lẻ để từ đó đưa ra được một hệ số, còn gọi là độ tin cậy, để

từ đó làm cơ sở để hợp nhất các cảm biến.

14

Một số phương pháp ước lượng tư thế vệ tinh phổ biến:

Ước lượng tư thế bằng sử dụng phương pháp trọng số

Sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF)

Sử dụng thuật toán QUEST (Quaternion Estimation)

Ứng dụng phương pháp Pivot (phương pháp mới).

Phương pháp thích nghi.

Phương pháp thích nghi đặc biệt có ý nghĩa trong trường hợp các

tham số của hệ thống không biết chính xác. Tuy nhiên, việc áp dụng

các phương pháp thích nghi vào các thuật toán trên vệ tinh có nhược

điểm là sử dụng thêm bộ nhớ, giảm tốc độ tính toán và tăng công suất

tiêu thụ. Đây cũng chính là các ràng buộc nhằm đảm bảo tính tức thời

của các thao tác điều khiển tư thế trên vệ tinh.

Kết luận chương: Trong chương này, tác giả đã trình bày mô hình

của bộ ước lượng tư thế ứng dụng cho vệ tinh quan sát Trái đất cỡ nhỏ.

Đồng thời, đã mô hình hóa được các bộ ước lượng tư thế sử dụng bộ

lọc Kalman và Kalman mở rộng. Đây chính là mô hình cơ bản để ứng

dụng cơ chế thích nghi nhằm nâng cao tính kháng lỗi của bộ ước lượng

tư thế nói riêng và của phân hệ xác định và điều khiển tư thế nói chung.

CHƯƠNG 4 - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ BÙ

ĐỘ TRƯỢT CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC

4.1 Xây dựng bộ hợp nhất cảm biến tư thế có bù độ trượt

Vec-tơ trạng thái cho bộ dự đoán được lựa chọn như sau:

Trong đó: q=[q1 q2 q3 q4] là quaternion tư thế vệ tinh. β= [βx βy βz]

là vec-tơ độ lệch của cảm biến tốc độ góc.

15

Bộ hợp nhất dữ liệu bằng bộ lọc EKF được mô tả như sau:

Bảng 4.1. Bộ lọc EKF hợp nhất tư thế vệ tinh có bù độ trượt cảm

biến tốc độ góc

4.2 Kết quả mô phỏng

Các tham số đầu vào:

- Ma trận quán tính của vệ tinh:

13.5 0 0

0 12.8 0

0 0 18.8

J kg.m2

- Nhiễu của cảm biến sao: [96” 16” 16”] (lần lượt theo các trục X,Y và Z) (3σ)

- Tốc độ trượt của cảm biến tốc độ góc: 6o/h.

- Nhiễu ngẫu nhiên của cảm biến tốc độ góc (ARW): 0.15o/ h.

- Tốc độ góc trỏ hướng Trái đất: 2∗𝜋

90∗60𝑟𝑎𝑑/𝑠 (với chu kỳ quay

của vệ tinh: T=90 phút)

- Tốc độ góc mong muốn khi chụp ảnh: [-0.0036 -0.0074 0.0032] rad/s

- Giai đoạn chụp ảnh: To+200 đến To+300 (giây).

16

- Mo men tác động bên ngoài: τ=[0 0 0];

- Điều kiện ban đầu: x=[1 0 0 0 0 0 0];

- Thuật toán điều khiển: PID

- Góc mong muốn điều khiển đến: quay vệ tinh quanh trục

quay (roll) một góc 30o.

4.2.1 Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng trọng số

Hình 4.1. Kết quả ước lượng tư thế vệ

tinh (Roll, Pitch, Yaw) bằng phương

pháp trọng số.

Hình 4.2. Sai số trỏ hướng của vệ tinh

phương pháp ước lượng tư thế bằng

phương pháp trọng số

Hiệu năng của phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh

được thể hiện bằng các chỉ số về sai số chỉ hướng:

Trục/chỉ số Roll (rad) Pitch (rad) Yaw (rad)

Giá trị trung

bình (mean)

0.0003805 0.0007924 0.0005978

Độ lệch chuẩn

(std)

0.0002736 0.0004816 0.0003729

Bảng 4.2 Bảng xác định độ chính xác trỏ hướng của vệ tinh khi sử

dụng phương pháp ước lượng tư thế bằng trọng số.

17

4.2.2 Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng bô lọc

Kalman mở rộng

Hình 4.3. Kết quả ước lượng tư thế (Roll,

Pitch, Yaw) có bù độ trượt cảm biến tốc

độ góc bằng bộ lọc Kalman mở rộng

Hình 4.4. Sai số trỏ hướng của vệ tinh khi

dùng bộ lọc Kalman mở rộng có bù độ

trượt cảm biến tốc độ góc.

Các chỉ số đánh giá độ sai số chỉ hướng của vệ tinh khi sử

dụng thuật toán điều khiển tư thế có sử dụng bộ lọc EKF để bù độ trượt

như sau:

Trục/chỉ số Roll (rad) Pitch (rad) Yaw (rad)

Giá trị trung bình (mean) -4.81 e-05 1.48 e-06 -1.66 e-05

Độ lệch chuẩn (std) 0.0001515 0.0001493 0.0001348

Bảng 4.3 Bảng xác định độ chính xác trỏ hướng của vệ tinh khi sử

dụng phương pháp ước lượng tư thế có bù độ trượt của cảm biến tốc

độ góc.

Kết luận chương: Đánh giá hai thuật toán ước lượng tư thế: sử

dụng trọng số và bù độ trượt của cảm biến tốc độ góc. Kết quả cho

thấy, bộ lọc Kalman nếu được sử dụng hợp lý hoàn toàn có khả năng

ước lượng và bù độ trượt của cảm biến tốc độ góc, từ đó tăng tính tin

cậy và kháng lỗi của phân hệ xác định và điều khiển tư thế của vệ tinh.

18

CHƯƠNG 5 - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ

KHÁNG LỖI TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT

5.1 Thiết kế bộ hợp nhất dữ liệu tư thế vệ tinh sử dụng bộ lọc

Kalman

Bộ dự đoán tư thế (GSE) hoạt động dựa trên nguyên lý lọc

Kalman ước lượng trạng thái của hệ thống:

Khởi tạo 0

0

(0)

(0)

q q

β β

Dự đoán tư thế dựa trên phương

trình động học.

,k Gyroω : số đo từ cảm biến gyro

1 ,

1

1 1

ˆ

ˆ ˆ

ˆ ˆ ( )

k k Gyro k

k k

k k k

ω ω β

β β

q q q ω

Tính toán sai số bằng cách nhân

(quaternion) giữa giá trị đo SST và

tư thế dự đoán

,k SSTq : giá trị đo SST.

1 , 1ˆ2k k SST kz q q

Hiệu chỉnh tư thế và độ trượt

- Hệ số hiệu chỉnh tư thế ,k Corq

- Hệ số hiệu chỉnh độ trượt gyro

,k Cord

,

, 1

,

1, 1 ,

1, ,

ˆ ˆ

ˆ ˆ

k Cor

k Cor GSE k

k Cor

k Cor k k Cor

k Cor k k Cor

qX K z

d

q q q

β β d

5.2 Sử dụng thuật toán fuzzy để điều chỉnh bộ hợp nhất dữ liệu

Đề xuất sử dụng thuật toán fuzzy logic để giám sát và bù các

thông số kQ và

kR của bộ lọc:

2( 1)

_ 0

2( 1)

_ 0

k

k new

k

k new

Q Q

R R

(5.1)

19

Trong đó 1 là hệ số điều chỉnh, nếu 1thì là bộ lọc EKF

thông thường, 0 0,Q R là các ma trận hằng số.

Thuật tuán fuzzy sẽ được xây dựng với hai đầu vào là giá trị

trung bình và phương sai của sai số thặng dư, đầu ra sẽ là hệ số hiệu

chỉnh .

Khởi tạo 0

0

0 0

0 0

(0)

(0)

( )

( )

k

k

q q

β β

P P

R R

Dự đoán tư thế dựa trên phương

trình động học.

,k Gyroω : số đo từ cảm biến gyro

1 ,

1

1 1

ˆ

ˆ ˆ

ˆ ˆ ( )

k k Gyro k

k k

k k k

ω ω β

β β

q q q ω

Tính toán sai số bằng cách nhân

(quaternion) giữa giá trị đo SST

và tư thế dự đoán

,k SSTq : giá trị đo SST.

FLO: hàm đánh giá

1 , 1

1 1

( 2( 1))

ˆ2

(var( ),mean( ))

k k SST k

k k

k

k

FLO

k +1 k,GSE

k o

k +1,GSE k +1 k +1 k

z q q

z z

P = (I - K )P

R = R

K = P / (P + R )

Hiệu chỉnh tư thế và độ trượt

- Hệ số hiệu chỉnh tư thế

,k Corq

- Hệ số hiệu chỉnh độ trượt

gyro ,k Cord

,

, 1, 1

,

1, 1 ,

1, ,

ˆ ˆ

ˆ ˆ

k Cor

k Cor k GSE k

k Cor

k Cor k k Cor

k Cor k k Cor

qX K z

d

q q q

β β d

5.3 Đề xuất cơ chế kháng lỗi cho ước lượng tư thế trên vệ tinh

quan sát Trái đất

Dựa trên các kết quả nghiên cứu trên, cơ chế kháng lỗi được

đề xuất cho bộ hợp nhất tư thế vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất như sau:

20

- Khi cảm biến tốc độ góc hoạt động bình thường: Số đo của cảm

biến tốc độ góc được dùng để tính tư thế vệ tinh.

- Khi số đo cảm biến tốc độ góc suy giảm nghiêm trọng: Vận tốc

góc tham chiếu được sử dụng thay cho số đo của con quay. Trong

trường hợp số đo cảm biến sao bị gián đoạn trong một khoảng thời

gian vượt quá giới hạn cho phép (do các hạt tích điện, do bị lóa…),

số đo của cảm biến tốc độ góc sẽ được chọn để tính tư thế vệ tinh.

- Khi cảm biến tốc độ góc hỏng: Vận tốc góc tham chiếu được sử

dụng thay cho số đo của cảm biến tốc độ góc. Trong trường hợp

số đo cảm biến sao bị gián đoạn trong một khoảng thời gian vượt

quá giới hạn cho phép, tích phân của phương trình động lực học

vệ tinh sẽ được chọn để tính tư thế vệ tinh.

5.4 Mô phỏng

5.4.1 Mô phỏng vệ tinh ở chế độ tiêu chuẩn

Các thông số vệ tinh:

- Ma trận quán tính của vệ tinh:

13.5 0 0

0 12.8 0

0 0 18.8

J kg.m2

- Nhiễu của cảm biến sao: [96’ 16‘ 16’] (3σ)

- Tốc độ trượt của cảm biến tốc độ góc: 6o/h.

- Nhiễu ngẫu nhiên của cảm biến tốc độ góc (ARW): 0.15o/ h

- Tốc độ góc chỉ Trái đất: 2*pi/(90*60) rad/s (To=90 phút)

- Tốc độ góc mong muốn khi chụp ảnh: [-0.0036 -0.0074

0.0032] rad/s

- Giai đoạn chụp ảnh: To+200 đến To+300 (giây).

21

- Mo men tác động bên ngoài: τ=[0 0 0];

- Điều kiện ban đầu: x=[1 0 0 0 0 0 0];

Kết quả mô phỏng bộ lọc Kalman như sau:

Hình 5.1. Kết quả mô phỏng bằng EKF

khi bị nhiễu

Hình 5.2. Kết quả mô phỏng khi có

bù bằng thuật toán fuzzy

5.4.2 Mô phỏng vệ tinh ở chế độ chụp ảnh

Kịch bản như sau:

- Hướng vệ tinh bắt đầu chụp ảnh: [-10; 25; 20] o

- Tốc độ góc của vệ tinh khi chụp ảnh [-0.0035 -0.0073 0.0034]

rad/s;

- Thời gian chụp ảnh: Trong khoảng thời gian 100-200 (giây)

Kết quả mô phỏng:

1. Khi không có tác động nhiễu lên cảm biến:

Hình 5.3. Tư thế vệ tinh khi chụp ảnh Hình 5.4. Tốc độ góc của vệ tinh khi

chụp ảnh

2. Khi có tác động của nhiễu

22

Hình 5.5. Tư thế vệ tinh khi chụp

ảnh

Hình 5.6. Sai số xác định tư thế vệ

tinh

3. Hiệu chỉnh bằng thuật toán kháng lỗi

Hình 5.7. Tư thế vệ tinh khi áp dụng

thuật toán kháng lỗi

Hình 5.8. Tốc độ góc của vệ tinh

khi áp dụng thuật toán kháng lỗi

Kết luận chương: Bộ lọc EKF rất hiệu quả khi biết rõ các tham

số của hệ thống và các quá trình nhiễu. Tuy nhiên trong thực tế có rất

nhiều các tham số không xác định nên mô hình này không thật sự hiệu

quả. Điều này càng được khẳng định khi hệ thống sử dụng nhiều loại

cảm biến khác nhau với các hệ số tin cậy không cố định (như hiện

tượng mất dữ liệu). Để khắc phục các bất thường này, thuật toán fuzzy

được áp dụng để đánh giá độ tin cậy của hệ thống từ đó có những hiệu

chỉnh phù hợp với xu hướng biến động và từ đó làm cơ sở để xây dựng

các bộ hợp nhất kháng lỗi thích nghi.

23

KẾT LUẬN

1. Về các phương pháp ước lượng tư thế vệ tinh: Ở môi trường hoạt

động bình thường thì thuật toán sử dụng bộ lọc Kalman thông thường

thể hiện hiệu quả về độ chính xác, tốc độ tính toán và đặc biệt là tính

đơn giản, gọn nhẹ, phù hợp để triển khai trên các phần cứng trên vệ

tinh với nguồn tài nguyên hạn chế.

2. Cơ chế thích nghi bằng thuật toán mờ của bộ ước lượng thể hiện

hiệu quả trong các trường hợp sau đây: chất lượng đo của cảm biến bị

suy giảm do ảnh hưởng của nhiễu đo (cảm biến hình ảnh của cảm biến

sao) hoặc do tích lũy nhiễu (độ trượt của cảm biến tốc độ góc). Khi

chất lượng tín hiệu đo không còn đủ độ tin cậy (cảm biến hỏng hoặc

nhiễu quá lớn) thì cơ chế thích nghi thực hiện nhiệm vụ như một bộ

giám sát để kích hoạt cơ chế kháng lỗi của bộ ước lượng.

3. Cơ chế kháng lỗi của bộ ước lượng tư thế vệ tinh: khi các giá trị đo

của cảm biến không còn sử dụng được thì bộ ước lượng sẽ sử dụng

các dữ liệu thay thế như: sử dụng số liệu đo của cảm biến còn sử dụng

được để ước lượng dữ liệu thay thế cho cảm biến bị lỗi; hoặc sử dụng

các dữ liệu tính toán sẵn (hướng và tốc độ góc mong muốn). Do điều

kiện hoạt động khắc nghiệt và tiêu chí an toàn cho vệ tinh, nên cơ chế

kháng lỗi chỉ đảm bảo hoạt động của vệ tinh trong một phạm vi nhất

định, về sai số gây ra do nhiễu hoặc các yếu tố bất định trên quỹ đạo

nên vệ tinh sẽ chuyển về chế độ an toàn (safe mode) khi một trong các

ngưỡng này bị vi phạm. Các giá trị ngưỡng liên quan này đòi hỏi phân

tích và tính toán rất kỹ dựa trên các thông số chính xác của quả vệ tinh

và thiết kế hệ thống.

24

KIẾN NGHỊ

- Nghiên cứu chuyên sâu về các thuật toán xác định tư thế tối ưu

giữa hiệu năng và nguồn tài nguyên trên vệ tinh. Đặc biệt mô

phỏng trên các thiết bị phần cứng như các chip FPGA hoặc SoC

(System on Chip).

- Nghiên cứu về ứng dụng phương pháp biểu diễn tư thế vệ tinh

bằng các tham số Pivot. Đây là một phương pháp hoàn toàn mới

cần nghiên cứu để đánh giá khả năng áp dụng cho phân hệ xác

định và điều khiển tư thế vệ tinh.

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Luận án này là công trình nghiên cứu liên quan đến thiết kế và mô

phỏng cho phân hệ ước lượng tư thế nói riêng và xác định và điều

khiển tư thế nói chung cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất gắn với

các thông số và kịch bản thực tế. Luận án có những đóng góp mới

như sau:

- Trên cơ sở chức năng, hoạt động và đặc tính kỹ thuật của các cảm

biến sao và cảm biến tốc độ, tác giả đã đề xuất giải pháp hợp nhất

dữ liệu để ước lượng tư thế của vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất một

cách chính xác và tin cậy, với các thuật toán đơn giản dễ triển khai

trên các thiết bị trên vệ tinh (với nhiều ràng buộc về năng lượng,

dung lượng bộ nhớ và năng lực xử lý).

- Đề xuất phương pháp kháng lỗi cho hợp nhất dữ liệu, cơ chế thích

nghi sử dụng fuzzy logic nhằm đảm bảo bộ ước lượng tư thế hoạt

động hiệu quả và tin cậy trong các trường hợp chất lượng đo của

các cảm biến bị suy giảm, không đủ tin cậy như độ trượt của cảm

biến tốc độ, mất tín hiệu của cảm biến sao.