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

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


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

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


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 - EarthCentered, 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


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


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.


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

54

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


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full