Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Ths.Trần Đức Tân thuộc
Khoa Điện tử -Viễn thông đã tận tình hướng dẫn em thực hiện khoá luận tốt nghiệp này.
Em cũng xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo đã giảng dạy em
trong suốt những năm học Đại Học. Những kiến thức nền tảng quý báu đó sẽ là hành trang
giúp cho em vững bước trong tương lai. Đặc biệt là các thầy trong trong bộ môn MEMS đã
tận tình hướng dẫn em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này.
Em xin chân thành cảm ơn đề tài QC 07 -17 và các cán bộ tham gia đề tài đã giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng em muốn bày tỏ lòng cảm ơn đối với gia đình, bạn bè, người thân đã luôn
động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập và thực hiện khoá luận này.
Hà Nội, tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 1 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
TÓM TẮT NỘI DUNG
Nhu cầu sử dụng hệ thống định vị và dẫn đường đã trở thành một nhu cầu không thể
thiếu trong cuộc sống ngày nay. Tuy nhiên hệ thống không thể đạt được sự chính xác tuyệt
đối. Vì vậy cần phải làm tăng độ chính xác của hệ thống định vị toàn cầu. Bằng cách khắc
phục được sai số của hệ thống dẫn đường (GPS) và hệ thống dẫn đường quán tính (INS) .
Hệ thống dẫn đường quán tính INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống
dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trị và độ chính xác cao trong những khoảng thời
gian ngắn. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống INS là do các cảm biến quán tính gây ra.
Chính vì thế trong những ứng dụng thời gian dài thì hệ thống INS thường sử dụng với các
hệ thống hỗ trợ khác như hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega và Tacan), hệ thống
dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS và Transit), JTIDS, DME…Các hệ thống này hoạt
động ổn định theo thời gian và vì thế cần tích hợp INS và các hệ thống hỗ trợ này. Sự kết
hợp GPS và INS là lý tưởng nhất vì hai hệ thống này có khả năng bù trừ nhau hiệu quả.
Trái tim của hệ thống tích hợp này chính là bộ lọc tối ưu Kalman.
Bộ lọc Kalman rất hiệu quả và linh hoạt trong việc kết hợp đầu ra bị nhiễu của cảm

2.6 Thuật toán dẫn đường quán tính...................................................................................................23
2.7.1. Nhiễu tất định..........................................................................................................27
2.7.2 Nhiễu thống kê..........................................................................................................27
Năm 1960 R.E Kalman đã xuất bản một bài báo với tiêu đề “A New Approach to Linear Filtering
and Predication Problems”. Nghiên cứu của Kalman đã khắc phục hạn chế của bộ lọc Weiner-Hopf
trong việc giải quyết bài toán thống kê tự nhiên. Kể từ đó, danh từ bộ lọc Kalman đã ra đời. Bộ lọc
này ước lượng trạng thái của quá trình thời gian rời rạc theo phương trình sai phân tuyến tính:.....28
3.1.1.Bản chất tính toán của bộ lọc.............................................................................29
Chúng ta định nghĩa là trạng thái tiền ước lượng ở thời điểm thứ k, là trạng thái hậu ước lượng
tại thời điểm thứ k và cho ra giá trị đo zk. Chúng ta có thể định nghĩa các lỗi tiền ước lượng và lỗi
hậu ước lượng như sau:.......................................................................................................................29
3.1.2. Bản chất thống kê của bộ lọc............................................................................30
Công thức (3.8) thể hiện bản chất thống kê của tiền ước lượng quy định trên tất cả các giá trị đo
trước zk (Quy tắc Bayer).....................................................................................................................30
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 4 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
4.1 Thiết bị phần cứng.........................................................................................................................38
4.1.1 Khối dẫn đường quán tính MICRO-ISU BP3010................................................38
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

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.
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 7 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
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

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.
Các khinh khí cầu có trang bị GPS đang giám sát các lỗ hổng trong tầng ô-zôn trên
các vùng cực và chất lượng không khí cũng đang được giám sát nhờ các máy thu GPS. Các
phao theo dõi lượng dầu tràn lớn trên biển phát đi các dữ liệu cần thiết nhờ sử dụng GPS.
Các nhà khảo cổ học và các nhà thám hiểm đang sử dung hệ thống này để đánh dấu các vị
trí ở xa trên biển và trên đất liền trước khi họ có thể lập quyết toán trang thiết bị và kinh
phí.
Theo dõi các phương tiện vận chuyển là một trong những ứng dụng GPS phát triển
nhanh nhất. Các đoàn tầu, các hệ thống vận chuyển công cộng, các đoàn xe tải quá cảnh,
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 9 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
các chuyến xe bưu chính... có trang bị các máy thu GPS để giám sát các vị trí của chúng
vào mọi thời điểm.
Các dữ liệu GPS sẽ trở nên hữu ích hơn đối với khách hàng khi nó được liên kết với
kỹ thuật vẽ bản đồ số. Theo đó, một số hãng sản xuất ô tô đang chào hàng một phương án
chế tạo xe mới là trang bị các màn hình trình bày hành trình xe chạy do các máy thu GPS
hướng dẫn. Các màn hình này thậm chí còn có thể tháo ra đem về nhà để lập chương trình
cho một chuyến đi. Một số phương tiện xe cộ có trang bị GPS đưa ra các bảng hướng dẫn
trên màn hiển thị cho các lái xe và qua các lệnh bằng tiếng nói tổng hợp. Những tính năng
này cho phép lái xe đến được bất kỳ nơi nào anh ta muốn một cách nhanh chóng hơn và an
toàn hơn so với trước đây.
Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng tế bào
để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng. Với việc ấn một phím bấm trên máy điện thoại di
động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và cùng một lúc báo hiệu
tới các dịch vụ điều phối trung tâm thông báo về vị trí, của họ về các tình huống khẩn cấp
hoặc các hỏng hóc trang thiết bị.

hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu
nhận trên mặt đất. Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên được tính bằng cách nhân thời gian cần
thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sáng là 300.000 km/giây.
Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển. Vì vậy, kèm theo
thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo
và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời
gian giữa các thiết bị thu và phát.
Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị thu GPS còn nhận thêm 2 loại dữ liệu
mã hóa:
 Dữ liệu Almanac: được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh
trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu
nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo.
 Dữ liệu Ephemeris: phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo
chính của chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất.
Việc sửa chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ
trên mặt đất trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông
tin được sửa chữa này được gọi là dữ liệu Ephemeris. Kết hợp dữ liệu Almanac và
Ephemeris, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 11 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
Nguyên nhân sai số
Sai số của phương pháp đinh vị GPS chủ yếu là do 6 nguyên nhân dưới đây (không kể
sai số nhân tạo SA đã được cựu tổng thống Bill Clinton ra lệnh tắt):
 Dữ liệu Ephemeris.
 Đồng hồ vệ tinh.
 Trễ ở tầng điện ly.
 Trễ ở tầng đối lưu.
 Nhiễu đa đường.
 Máy thu (bao gồm cả phần mềm).
Lỗi dữ liệu Ephemeris xảy ra khi thông điệp của GPS không truyền chính xác vị trí của

bay này. Hiện nay có hai cấu trúc dẫn đường quán tính tiêu biểu nhằm xác định các góc Ơle
từ các cảm biến vận tốc góc là cấu trúc gắn chặt (gimble) và cấu trúc nổi (strapdown). Cấu
trúc strapdown hiện được sử dụng rộng rãi hơn, trong đó các cảm biến gia tốc và vận tốc
góc được gắn chặt vào vật thể bay. Các giá trị gia tốc thu được từ các cảm biến gia tốc
được hiệu chỉnh với vận tốc quay của trái đất và gia tốc trọng trường nhằm xác định vị trí
và vận tốc chính xác của vật thể bay.
1.2.1. Phương trình động học.
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 13 -
Góc
hướng
Z
Góc trúc
Y
Góc nghiêng
X
khối tâm
0
1 sin cos
0 cos sin
tan tan
s0 sin cosec sec
p
q
r
θ θ
θ
φ φ φ
θ φ φ
θψ φ φ
 

y
và a
z
của vật thể bay dọc theo 3 trục toạ độ vật thể bay liên hệ với
vận tốc U, V và W trên hệ trục quả đất cố định (XYZ) theo hệ phương trình (1.2):
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 14 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
φθ
φθ
θ
.cosg.cos-W.p.
.sing.cos-W.p.
g.sinW.q.
.
.
.
+−=
+−=
+−+=
qUaW
rUaV
rVaU
z
y
x
(1.2)
Thực hiện tích phân
..
,VU
và

=












W
.
.
.
V
U
DCM
V
V
V
Z
Y
X
T
D
E
N

sẽ thu được vị trí của vật thể bay trên bề mặt trái đất (hệ trục
toạ độ dẫn đường). Vĩ độ
λ
, kinh độ
µ
và độ cao H của vật thể bay có thể xác định nhờ hệ
phương trình sau:
D
earth
E
earth
N
VH
R
V
R
V
−===
&
&
&
λ
µλ
cos
(1.4)
Sinh Viên: Cao Ngọc Phát - 15 -
Đại Học Công Nghệ. ĐHQGHN Khoa: Điện tử-Viễn Thông
Hình 1.6: Hệ trục toạ độ dẫn đường
1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của INS
 Ưu điểm của hệ INS

luật vật lý về tự nhiên và không chịu ảnh hưởng của các tín hiệu điện hay điện từ bên
ngoài, điều này là cơ sở cho cảm biến quán tính hoạt động đáng tin cậy và khó bị nhiễu.
Cảm biến quán tính hoạt động dự trên định luật II Newton:
F
dt
dm )(. x
&
=
(2.1)
Với :
F là vectơ tổng các lực tác dụng lên vật thể.
m là khối lượng vật thể.
x
&
là đạo hàm bậc nhất quãng đường chuyển động của vật thể (vận tốc chuyển động).
Phương trình (2.1) cần được đưa về dạng liên hệ với vectơ gia tốc trọng trường g.
x
&&
m
= F + mg (2.2)
Gia tốc sinh ra do lực F tác dụng lên vật là a =
m
F
, thay vào phương trình (2.2) ta có:
x
&&
= a + g (2.3)
Các phương trình này được ấn định cho hệ tọa độ quán tính Newton. Đối với hệ tọa độ
thứ i thì phương trình (2.3) có dạng.