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
1


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: …

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).

3


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.

-

-

Tính ổn định về hoạt động.

-

Độ tin cậy về kết quả đầu ra.

4


-

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

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.
6


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:
 v
q  qdq   d
 q4 d

q4 1  vd   v 


7


-

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: (θreal  θcmd )
o Sai số ước lượng: là sai lệch trên từng trục giữa tư thế ước lượng
được và tư thế thực: (θ flt  θcmd )
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: (ωreal  ωt arg et ) .

-

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

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.




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:
u  K pqe - K dωe

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
K p , K d : các

hệ số điều khiển

qe , ωe : 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*  (rad/s)
To


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

12


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:
qs

q q

Trong đó:,
q s là

quaternion đầu ra của cảm biến sao,



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.

14




-

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:
𝑟𝑎𝑑/𝑠 (với chu kỳ quay
90∗60
của vệ tinh: T=90 phút)

-

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

-

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


Hình 4.2. Sai số trỏ hướng của vệ tinh

tinh (Roll, Pitch, Yaw) bằng phương

phương pháp ước lượng tư thế bằng

pháp trọng số.

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

0.0003805

0.0007924

0.0005978

0.0002736

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

Dự đoán tư thế dựa trên phương

ωk

ω k ,Gyro

trình động học.

βˆ k

1

βˆ k

qˆ k

1

qˆ k

ωk ,Gyro : số đo từ cảm biến gyro

Tính toán sai số bằng cách nhân

1

zk

βˆ k


qˆ k

1, Cor

qˆ k

βˆ k

1,Cor

βˆ k

1

K GSE z k

1

q k ,Cor
d k ,Cor

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

Q k và R k của

bộ lọc:
Qk _ new


.

Khởi tạo

q(0)

q0

β(0)

β0

P ( k0 )

P0

R ( k0 )

R0

Dự đoán tư thế dựa trên phương

ωk

trình động học.

βˆ k

1



βˆ k

ω k ,Gyro

1

Pk +1 = (I - K k,GSE )Pk
Rk = Ro

( 2( k 1))

K k +1,GSE = Pk +1 / (Pk +1 + R k )

FLO: hàm đánh giá
Hiệu chỉnh tư thế và độ trượt
5.3

Hệ số hiệu chỉnh tư thế

Xk ,Cor

q k ,Cor
d k ,Cor

qk ,Cor

qˆ k

1,Cor

19


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.
Mô phỏng

5.4
5.4.1

Mô phỏng vệ tinh ở chế độ tiêu chuẩn


-

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).

20


-

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:

chụp ảnh

2. Khi có tác động của nhiễu

21


Hình 5.5. Tư thế vệ tinh khi chụp

Hình 5.6. Sai số xác định tư thế vệ

ảnh

tinh

3. Hiệu chỉnh bằng thuật toán kháng lỗi

Hình 5.7. Tư thế vệ tinh khi áp dụng

Hình 5.8. Tốc độ góc của vệ tinh

thuật toán kháng lỗi

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

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.

23


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: