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, cảm biến sao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ...*** 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2018 0 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ...*** 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã sỗ: 62 52 02 16 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Thái Quang Vinh 2. TS. Bùi Trọng Tuyên Hà Nội – 2018 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Hà Nội , ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Ngô Duy Tân 2 LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình Để hoàn thành luận án này, tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS Thái Quang Vinh và TS. Bùi Trọng Tuyên đã định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ và mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu của Luận án này. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban Lãnh đạo, Phòng Đào tạo Sau Đại học Viện Công nghệ Thông tin và Học viện Khoa học và Công nghệ -Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu, để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Công nghệ vũ trụ và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thử nghiệm và hoàn thiện các nội dung nghiên cứu của luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn quan tâm, động viên, khích lệ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Ngô Duy Tân 3 MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................... 0 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................................... 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 8 DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... 10 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 11 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ................................................................................. 16 1.1 Tư thế vệ tinh .................................................................................................... 16 1.2 Các hệ tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh .................................... 17 1.3 Biểu diễn tư thế vệ tinh ..................................................................................... 19 1.3.1 Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng quaternion .......................................................... 20 1.3.2 Biểu diễn tư thế vệ tinh bằng các vec-tơ Pivot ................................................. 22 1.3.3 Sai lệch tư thế vệ tinh ....................................................................................... 24 1.4 Các chỉ tiêu chính của phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ............. 25 1.5 Thuật toán ước lượng tư thế và những ràng buộc trên vệ tinh ......................... 27 CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH VỆ TINH VÀ CẢM BIẾN TƯ THẾ TRONG BÀI TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH ............................................................................... 31 2.1 Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng và điều khiển tư thế vệ tinh ........................................................................................................ 31 2.1.1 Xây dựng mô hình động lực học của vệ tinh với các bánh xe động lượng ...... 31 2.1.2 Luật điều khiển tư thế vệ tinh ........................................................................... 36 2.2 Cảm biến tư thế vệ tinh ..................................................................................... 38 2.2.1 Cảm biến tốc độ góc ......................................................................................... 38 2.2.2 Cảm biến sao .................................................................................................... 41 CHƯƠNG 3 - ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ VỆ TINH BẰNG HỢP NHẤT DỮ LIỆU ĐA CẢM BIẾN 45 3.1 Sơ đồ khối bộ ước lượng tư thế ........................................................................ 45 3.2 Ước lượng tư thế bằng cảm biến sao và cảm biến tốc độ góc sử dụng phương pháp trọng số ................................................................................................................. 47 3.3 Sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) ................ 49 4 3.4 Các phương pháp ước lượng dựa trên thuật toán QUEST (Quaternion Estimation)..................................................................................................................... 49 3.5 Ứng dụng phương pháp Pivot trong bài toán ước lượng tư thế vệ tinh............ 50 3.6 Phương pháp thích nghi .................................................................................... 54 CHƯƠNG 4 - ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ BÙ ĐỘ TRƯỢT CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ GÓC .................................................................. 56 4.1 Xây dựng bộ ước lượng tư thế có bù độ trượt .................................................. 56 4.2 Mô phỏng .......................................................................................................... 59 4.2.1 Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng trọng số .............................. 60 4.2.2 Kết quả mô phỏng phương pháp ước lượng bằng bô lọc Kalman mở rộng ..... 62 CHƯƠNG 5 - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TƯ THẾ KHÁNG LỖI TRÊN VỆ TINH QUAN SÁT TRÁI ĐẤT ................................................................... 65 5.1 Thiết kế bộ ước lượng tư thế vệ tinh sử dụng bộ lọc Kalman .......................... 65 5.1.1 Nguyên tắc hoạt động: ...................................................................................... 66 5.1.2 Điều chỉnh hệ số lọc ......................................................................................... 70 5.2 Sử dụng thuật toán fuzzy để điều chỉnh bộ lọc hợp nhất dữ liệu ..................... 71 5.3 Đề xuất cơ chế kháng lỗi cho ước lượng tư thế trên vệ tinh quan sát Trái đất. 74 5.4 Mô phỏng .......................................................................................................... 75 5.4.1 Mô phỏng vệ tinh ở chế độ tiêu chuẩn ............................................................. 75 5.4.2 Mô phỏng vệ tinh ở chế độ chụp ảnh ............................................................... 78 5.5 Kết luận ............................................................................................................. 83 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 84 KIẾN NGHỊ ................................................................................................................... 85 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN .............................................................. 86 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................................. 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 88 5 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Attitude Determination and Control Subsystem - Phân hệ xác định ADCS và điều khiển tư thế vệ tinh DCM Direct Cosine Matrix – Ma trận quay EKF Extended Kalman Filter - Bộ lọc Kalman mở rộng FPGA Field-programmable gate array- Mảng logic khả trình KF Kalman Filter - Bộ lọc Kalman MRP Modified Rodrigues Parameters- Các tham số MRP PID Proportional Integral Derivative -Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ QUEST Quaternioin Estimator - Bộ dự đoán quarternion Single Event Upset- Hiện tượng đảo bit dữ liệu do ảnh hưởng của SEU bức xạ vũ trụ System on Chip – Một loại mạch tích hợp các chức năng như một SoC máy tính (bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ, giao tiếp,) SSO Sun Synchronous Orbit – Quỹ đạo đồng bộ mặt trời SST Star tracker - Cảm biến sao UKF Unscented Kalman Filter Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster Monitoring VNREDSat-1 Satellite-Vệ tinh nhỏ Việt Nam giám sát tài nguyên thiên nhiên môi trường và thiên tai i Hệ tọa độ quán tính (inertial frame) b Hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ vệ tinh (body frame) o Hệ tọa độ quỹ đạo (orbit frame)  Góc nghiêng (roll)  Góc chúc ngóc (pitch)  Góc hướng (yaw) T q  qqqq1234,,,  Quaternion b ωbi ,ω Tốc độ quay của so với hệ quán tính được mô tả trong hệ 6 i v Véc tơ 3 thành phần mô tả trong hệ tọa độ i b v Véc tơ 3 thành phần mô tả trong hệ tọa độ b xˆ ˆ yaaa ˆ,, z  3 véc tơ đơn vị của hệ tọa độ quy chiếu a 11, 33x Ma trận đơn vị 33 Ii Ma trận mô men quán tính 33 của vệ tinh tính trong hệ tọa độ IIb , Ma trận 33 mô men quán tính của vệ tinh tính trong hệ tọa độ hh, b Mô men động lượng của vệ tinh tính trong hệ toạ độ H Mô men động lượng của vệ tinh tính trong hệ toạ độ ,a Góc và trục quay Euler chính b ττmm, Véc tơ mô men điều khiển của thanh từ lực tính trong hệ toạ độ τ w Véc tơ mô men điều khiển của bánh xe động lượng Tổng véc tơ mô men nhiễu tác động lên vệ tinh tính trong hệ toạ độ b ττdd, b ττgg, Véc tơ mô men nhiễu gia tốc trọng trường tính trong hệ toạ độ o Tốc độ quay của quỹ đạo vệ tinh  Tốc độ quay của bánh xe động lượng δ Véc tơ sai lệch về tốc độ quay tính trong hệ toạ độ b 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Chế độ hướng Trái đất và chế độ chụp ảnh của vệ tinh ........................................... 16 Hình 1.2 Các hệ trục tọa độ trong khảo sát chuyển động của vệ tinh ..................................... 17 Hình 1.3. Minh họa hệ tọa độ vệ tinh (ảnh mô hình vệ tinh VNREDSat-1) ............................ 18 Hình 1.4. Phép quay Pivot ........................................................................................................ 22 Hình 1.5. Biến đổi của Pivot Vec-tơ biểu diễn bằng các phép quay quanh trục cố định ......... 23 Hình 1.6. Tam giác cầu mô tả tổng hợp các phép quay............................................................ 24 Hình 1.7. Vùng cần chụp và ảnh hưởng của độ chính xác của phân hệ ADCS. ...................... 26 Hình 1.8.Máy tính OBC750 của SST. ...................................................................................... 28 Hình 2.1. Sơ đồ khối phân hệ ADCS trên vệ tinh .................................................................... 31 Hình 2.2. Mô hình vệ tinh ........................................................................................................ 33 Hình 2.3. Mô hình bánh xe động lượng .................................................................................... 33 Hình 2.4. Mô hình vệ tinh với các bánh xe động lượng ........................................................... 34 Hình 2.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển tư thế vệ tinh .................................................................... 36 Hình 2.6. Bám theo tốc độ góc ở chế độ chụp ảnh ................................................................... 37 Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo của một cảm biến tốc độ góc cơ học. ................................................. 39 Hình 2.8. Cảm biến tốc độ góc sợi quang................................................................................. 40 Hình 2.9. Cấu tạo của một cảm biến sao. ................................................................................. 42 Hình 3.1. Sơ đồ khối cơ bản của bộ ước lượng tư thế trên vệ tinh (Tác giả tổng hợp từ nhiều nguồn).............................................................................................................................. 45 Hình 3.2. Ví dụ kết quả hợp nhất bằng phương pháp trọng số (nguồn: kết quả mô phỏng trong tài liệu kỹ thuật của VNREDSat-1). ................................................................................ 48 Hình 3.3. Biểu diễn hình học của phép quay X-Y-X bằng cặp vec-tơ Pivot a’ và b’. ............ 51 Hình 4.1. Kết quả ước lượng tư thế vệ tinh (Roll, Pitch, Yaw) bằng phương pháp trọng số. .. 60 Hình 4.2. Sai số trỏ hướng của vệ tinh phương pháp ước lượng tư thế bằng phương pháp trọng số ..................................................................................................................................... 61 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 .......................................................................................... 62 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. ............................................................................................................... 63 Hình 5.1. Sơ đồ bộ hiệu chỉnh fuzzy ........................................................................................ 72 Hình 5.2. Hàm đánh giá đầu vào trung bình ............................................................................. 73 Hình 5.3. Hàm đánh giá đầu ra ................................................................................................ 73 Hình 5.4. Kết quả mô phỏng bằng bộ lọc EKF ........................................................................ 76 8 Hình 5.5. Kết quả mô phỏng bằng EKF khi bị nhiễu ............................................................... 76 Hình 5.6. Kết quả mô phỏng khi có bù bằng thuật toán fuzzy ................................................. 77 Hình 5.7. Tư thế vệ tinh khi chụp ảnh ...................................................................................... 78 Hình 5.8. Tốc độ góc của vệ tinh khi chụp ảnh ........................................................................ 79 Hình 5.9. Sai số xác định tư thế vệ tinh .................................................................................... 79 Hình 5.10. Tư thế vệ tinh khi chụp ảnh .................................................................................... 80 Hình 5.11. Tốc độ góc của vệ tinh khi chụp ảnh ...................................................................... 81 Hình 5.12. Sai số xác định tư thế vệ tinh .................................................................................. 81 Hình 5.13. Tư thế vệ tinh khi áp dụng thuật toán kháng lỗi ..................................................... 82 Hình 5.14. Tốc độ góc của vệ tinh khi áp dụng thuật toán kháng lỗi ....................................... 83 9 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Ưu điểm và nhược điểm của các loại cảm biến tư thế vệ tinh .................................. 43 Bảng 3.1 Chuyển đổi từ phép quay Euler sang các vec-tơ Pivot ............................................. 51 Bảng 4.1. Bộ lọc EKF hợp nhất tư thế vệ tinh có bù độ trượt cảm biến tốc độ góc ................. 59 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............................................................................................... 61 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. ..................................................... 63 Bảng 5.1. Nhiễu đầu ra của hệ thống ........................................................................................ 70 Bảng 5.2. Bảng các quy luật của bộ hiệu chỉnh fuzzy .............................................................. 73 10 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay, tại Việt Nam công nghệ vệ tinh nói chung và công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất nói riêng là lĩnh vực tương đối mới mẻ. Tuy nhiên, công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất đang ngày càng thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, kỹ sư do những ứng dụng ngày thực tiễn và đóng góp nhiều vào sự phát triển bền vững kinh tế xã hội. Cụ thể là, vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất cung cấp những dữ liệu ảnh chụp bề mặt Trái đất trên lãnh thổ Việt Nam và đây là nguồn dữ liệu rất quý giá và quan trọng cho các ứng dụng giám sát tài nguyên, thiên nhiên, môi trường và thiên tai. Vệ tinh nhỏ là phân loại các quả vệ tinh có khối lượng từ 500 kg trở xuống. Ngày này, công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất đã và đang được ứng dụng hiệu quả và rộng rãi trong các nghành giám sát tài nguyên, thiên nhiên và môi trường, nghiên cứu khoa học, công nghiệp và dịch vụ. Một hệ thống vệ tinh nhỏ có các ưu điểm nổi trội như chi phí thấp, thời gian thiết kế và triển khai ngắn, dễ dàng chuyển giao công nghệ, tuổi thọ hợp lý... Nhiệm vụ quan sát Trái đất là nhiệm vụ có tính ứng dụng cao và rộng rãi trong nhiều mặt của đời sống. Vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất thường là hoạt động ở quỹ đạo thấp (dưới 1000km), đáp ứng các ràng buộc khắt khe về kích thước, năng lực xử lý và chi phí. Đây là những lý do chính khiến cho vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất trở thành đối tượng để nghiên cứu, phát triển của các nước có nên công nghiệp vũ trụ non trẻ. Tiếp cận và làm chủ công nghệ vũ trụ, trong đó có công nghệ vệ tinh quan sát Trái đất là một trong những định hướng ưu tiên của Việt Nam. Điều này được thể hiện rõ nét bằng việc thực hiện thành công dự án “Vệ tinh nhỏ Việt Nam giám sát tài nguyên thiên nhiên môi trường và thiên tai” (VNREDSat-1). Đây là hệ thống vệ tinh quan sát Trái đất đầu tiên của Việt Nam, góp phần không nhỏ vào đào tạo và nâng cao chất lượng nguồn nhân lực về lĩnh vực này. Để tiếp tục kế thừa, phát huy và chuẩn bị cho các dự án tương tự trong tương lai thì việc tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu về các phân hệ trên vệ tinh thuộc chủng loại này là nhiệm vụ và xu hướng nghiên cứu của cán bộ, nhà khoa học liên quan, nhằm củng cố và xây dựng hướng đi về đạo tào và chuyển giao công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất. Trên vệ tinh, phân hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh được coi là phân hệ phức tạp và tinh vi nhất của quả vệ tinh. Phân hệ này đảm bảo tính định hướng chính 11 xác, tin cậy và linh hoạt của vệ tinh trong đặc biệt ở chế độ chụp ảnh bề mặt Trái đất và phản ứng với các sự cố trên vệ tinh. Một trong những bộ phận chịu ảnh hưởng nhiều nhất của các ảnh hưởng từ môi trường vũ trụ (nhiễu, nhiệt độ, bức xạ vũ trụ) hay các yếu tố không mong muốn (hỏng hóc, chất lượng biến động theo thời gian) chính là các cảm biến để xác định hướng trỏ và tốc độ quay của vệ tinh. Chất lượng của các giá trị đo này có ý nghĩa quan trọng đối với bộ điều khiển các cơ cấu chấp hành (như bánh xe động lượng) để điều chỉnh vệ tinh theo các kịch bản mong muốn. Các dữ liệu từ các cảm biến đo tư thế trên vệ tinh (cảm biến đo hướng, đo tốc độ góc) cần phải 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. Đến nay, việc triển khai các phần mềm trên vệ tinh để tăng tính tự động của hệ thống đang gặp phải một số thách thức và ràng buộc như sau: