Tóm tắt Luận án Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
PHẠM VĂN HÒA 
VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỰ ĐỘNG 
ĐỊNH VỊ CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI THEO 
BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử 
 Mã số: 62 52 02 03 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
HÀ NỘI - 2018 
Công trình được hoàn thành tại: 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
BỘ QUỐC PHÒNG 
Người hướng dẫn khoa học: 
 1. PGS. TS Nguyễn Thế Hiếu 
 2. TS Lê Kỳ Biên 
Phản biện 1: PGS. TS Trần Đức Tân 
 Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 
Phản biện 2: PGS. TS Lê Vĩnh Hà 
 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 
Phản biện 3: TS Phan Nhật Giang 
 Học viện Kỹ thuật Quân sự 
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện 
họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi  ngày  tháng 
 năm 2018. 
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
 - Thư viện Viện KH&CN quân sự. 
 - Thư viện Quốc gia Việt Nam. 
1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án 
Gần đây, máy bay không người lái (UAV) đã trở thành nhân tố quan 
trọng, phát huy hiệu quả trong tác chiến hiện đại, nhưng khả năng hoạt 
động lại phụ thuộc nhiều vào các hệ thống định vị và dẫn đường trên 
khoang. Việc nghiên cứu các phương pháp định vị và dẫn đường cho UAV 
và thiết bị bay luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Tuy nhiên 
do liên quan đến ứng dụng quân sự, những kết quả nghiên cứu và giải pháp 
chi tiết cho các hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình (TAN), nhất là 
TAN sử dụng thiết bị định vị vô tuyến (ĐVVT) trên khoang ít được công 
bố rộng rãi, ở nước ta vẫn chưa được quan tâm nhiều. Vì vậy, nghiên cứu 
phương pháp TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang cho UAV là cần 
thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở nước ta hiện nay. 
Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh đã chọn đề tài nghiên 
cứu cho luận án tiến sĩ “Về một phương pháp giải bài toán tự động định vị 
cho máy bay không người lái theo bản đồ địa phương”. 
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo 
bản đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt 
đất, sử dụng thiết bị ĐVVT, hàm tương quan cực trị (ECF) và hệ thống 
dẫn đường quán tính (INS). 
- Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên 
phần cứng dựa trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước 
của thiết bị ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất. 
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án 
Nghiên cứu hệ thống ĐVVT trên khoang theo bản đồ địa phương. 
Xây dựng một số giải pháp và mô hình hệ thống ĐVVT cho UAV kiểu 
trực thăng (bay ở độ cao từ 100 - 500m, tốc độ bay dưới 80km/giờ) theo 
bản đồ địa phương ở Việt Nam. 
2 
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án 
Vận dụng lý thuyết định vị vô tuyến, xác suất thống kê và tính toán 
giải tích để xây dựng mối liên hệ toán học, đề xuất một số giải pháp trong 
bài toán định vị theo bản đồ địa phương. Đánh giá kết quả bằng mô phỏng 
thống kê trên máy tính và thử nghiệm thuật toán định vị trên phần cứng. 
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 
Luận án đặt ra và giải quyết nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết và 
khoa học trong xây dựng giải pháp định vị cho UAV theo bản đồ địa 
phương, cho phép cải thiện hiệu quả và độ tin cậy định vị. Các kết quả đạt 
được của luận án phù hợp và đáp ứng nhu cầu thực tiễn hiện nay và trong 
tương lai, mở ra các hướng nghiên cứu ứng dụng khả thi ở Việt Nam. 
6. Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận án 
1) Nghiên cứu phương pháp định vị cho thiết bị bay, phân tích các cơ 
sở toán học để xây dựng các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương. 
2) Đề xuất giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa 
phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất. 
3) Xây dựng mô hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo bản đồ 
địa phương sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS. 
4) Xây dựng thuật toán định vị theo bản đồ địa phương, đề xuất phương 
pháp lựa chọn các tham số nhằm nâng cao độ tin cậy và hiệu suất định vị. 
5) Thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên 
phần cứng để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra một 
số khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV. 
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố của 
tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung luận án gồm 3 chương: 
Chương 1. Tổng quan về hệ thống định vị và dẫn đường trên khoang cho 
UAV; Chương 2. Thông tin định vị vô tuyến và xây dựng giải pháp tạo 
bản đồ địa phương; Chương 3. Xây dựng mô hình hệ thống và giải pháp 
định vị theo bản đồ địa phương cho UAV. 
3 
Chương 1 
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ 
VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN KHOANG CHO UAV 
1.1. Nhu cầu phát triển hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV 
Sử dụng các hệ thống định vị và dẫn đường phức hợp, có thể hỗ trợ 
nhau trong nhiều tình huống tác chiến là xu thế phát triển của UAV và 
thiết bị bay hiện đại, đang đặt ra nhiều nội dung cần tiếp tục nghiên cứu. 
1.2. Hệ tọa độ trong các hệ thống định vị và dẫn đường cho UAV 
1.2.1. Hệ tọa độ tham chiếu vuông góc không gian 
1.2.2. Hệ tọa độ địa lý toàn cầu WGS-84 
1.2.3. Hệ quy chiếu tọa độ vuông góc phẳng 
1.3. Hệ thống dẫn đường quán tính 
1.3.1. Sơ đồ chức năng của hệ thống dẫn đường quán tính 
1.3.2. Phương trình dẫn đường quán tính 
1.3.3. Khả năng ứng dụng của INS và hệ thống dẫn đường kết hợp 
INS hoạt động không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài, không bị gây 
nhiễu, nhưng tồn tại sai số tích lũy theo thời gian nên thường cần kết hợp với 
các hệ thống tham chiếu khác: định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS), TAN 
1.4. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 
1.4.1. Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 
1.4.2. Nguyên lý tính toán và định vị trong hệ thống GNSS 
1.4.3. Độ chính xác định vị của hệ thống GNSS 
Hệ thống GNSS có độ chính xác cao, dễ sử dụng nhưng chịu tác động 
bởi nhiều yếu tố, dễ bị gây nhiễu từ bên ngoài hoặc bị tạo giả. 
1.5. Hệ thống dẫn đường tham chiếu địa hình 
1.5.1. Sự phát triển và ứng dụng của dẫn đường TAN 
TAN sử dụng phép so ghép đặc trưng địa hình mặt đất để xác định tọa 
độ cho phương tiện mang. Do hoạt động chủ động, TAN khó bị gây nhiễu 
hơn GNSS nhưng luôn cần có sự khác biệt về đặc trưng địa hình. 
4 
1.5.2. Dẫn đường theo độ cao địa hình TERCOM và SITAN 
TERCOM và SITAN là 2 phương pháp TAN điển hình, sử dụng đặc 
trưng đường bao độ cao địa hình để định vị cho phương tiện mang, đang 
được ứng dụng trên nhiều UAV và tên lửa hành trình. 
1.5.3. Dẫn đường theo bản đồ địa hình số DTM 
Biểu diễn đặc trưng địa hình dạng bản đồ địa hình số (DTM) cho phép 
cải thiện độ chính xác và khả năng tính toán. TAN sử dụng thiết bị ĐVVT 
có thể hoạt động ở mọi ví trí, điều kiện thời tiết, khó bị gây nhiễu 
1.5.4. Phương pháp dẫn đường trong môi trường chưa biết SLAM 
1.6. Một số nghiên cứu về dẫn đường tham chiếu địa hình 
Trong các kết quả nghiên cứu đã công bố, việc xây dựng phương pháp 
tự động định vị cho UAV theo đặc trưng phản xạ của bề mặt mặt đất sử 
dụng thiết bị ĐVVT vẫn còn một số vấn đề chưa được đề cập hoặc không 
được công bố rộng rãi, cần tiếp tục được nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn. 
1.7. Bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương 
1.7.1. Đặt bài toán 
Nghiên cứu xây dựng phương pháp tự động định vị cho UAV theo bản 
đồ địa phương được biểu diễn dưới dạng hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất, 
sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang, hàm ECF và hệ thống INS. Thực 
nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm trên phần cứng dựa 
trên các bản đồ địa phương giả định và các thông số cho trước của thiết bị 
ĐVVT để phân tích, đánh giá các kết quả nghiên cứu và đề xuất. 
1.7.2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và giới hạn của bài toán 
Bài toán được giải trong những điều kiện và giới hạn sau: 
- Tại thời điểm định vị, UAV trong giai đoạn bay bằng, ổn định trạng 
thái trên cơ sở dẫn đường INS (có mô hình sai số tọa độ theo thời gian có 
thể ước lượng trước), giữ độ cao và hướng bay đúng theo hành trình định 
trước. Việc thu thập, phân tích tín hiệu phản xạ và xử lý thông tin định vị 
có thể xem là quá trình dừng so với tốc độ tính toán. 
5 
- Các thông số kỹ thuật của thiết bị ĐVVT trên khoang đã xác định 
trước và cố định trong suốt quá trình hoạt động, chức năng quét mặt đất của 
thiết bị ĐVVT có thể thực hiện chuẩn xác theo yêu cầu của hệ thống định vị. 
Các tham số cung cấp cho hệ thống từ thiết bị ĐVVT và cảm biến trên 
khoang (trạng thái góc anten và độ cao bay) là đủ chính xác và tức thời. 
- Để phục vụ mô phỏng, thư viện bản đồ theo hệ số phản xạ của bề mặt 
mặt đất (tại các khu vực và độ cao bay trong hành trình bay của UAV) sẽ 
được tạo bằng phương pháp giả định, được xem là đủ tin cậy và tương ứng 
với các thông số của thiết bị ĐVVT đã chọn. Mô hình thống kê và phạm vi 
các yếu tố ngẫu nhiên tác động đến tín hiệu phản xạ có thể dự đoán. Dữ liệu 
tra cứu từ các tài liệu tham khảo trong luận án là đủ độ tin cậy. 
1.7.3. Phương pháp, nội dung nghiên cứu và hướng giải quyết 
1.8. Kết luận chương 1 
Dựa trên các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra một số nhận xét sau: 
1. Để đáp ứng yêu cầu về khả năng tác chiến và các nhu cầu ứng dụng 
ngày càng cao của UAV và thiết bị bay, việc sử dụng các hệ thống dẫn 
đường phức hợp dựa trên dẫn đường INS, GNSS và TAN nhằm hỗ trợ 
nhau trong nhiều tình huống thực tế phức tạp, nâng cao độ chính xác, độ 
ổn định và khả năng chống nhiễu là xu thế tất yếu. 
2. Dẫn đường TAN sử dụng thiết bị ĐVVT trên khoang vẫn chưa 
được nghiên cứu nhiều, nhất là tại Việt Nam và ít được công bố rộng rãi do 
các yếu tố liên quan đến ứng dụng quân sự. Các kết quả nghiên cứu theo 
hướng này cho UAV vẫn còn một số nội dung chưa được công bố, cần có 
những nghiên cứu chi tiết và cụ thể hơn. 
Do đó, bài toán tự động định vị cho UAV theo bản đồ địa phương 
được đặt ra và giải quyết trong luận án có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa 
học và thực tiễn. Trên cơ sở đó, 5 nội dung nghiên cứu chính đã được đặt 
ra và sẽ thực hiện trong các chương 2 và 3 của luận án. 
6 
Chương 2 
THÔNG TIN ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ 
XÂY DỰNG GIẢI PHÁP TẠO BẢN ĐỒ ĐỊA PHƯƠNG 
2.1. Đặc trưng phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất 
2.1.1. Tính chất phản xạ sóng vô tuyến của bề mặt mặt đất 
Kích thước phần tử phân giải mặt đất có thể tính theo biểu thức: 
/ cos . / (2cos )
2. .sin( / 2) .
x R
y B
d c
d R R
   
  
 (2.1) 
với . / 2R c  và 2. .sin( / 2)B R  tương ứng là độ phân giải theo cự ly 
và phương vị của thiết bị ĐVVT,  - độ rộng búp sóng anten,  - độ rộng 
xung phát,  - góc chiếu xạ, c = 3.108 m/s - tốc độ truyền sóng điện từ 
trong không khí, R - cự ly đến vùng mặt đất chiếu xạ. 
Gọi H là độ cao của thiết vị ĐVVT so với mặt đất, ta có R = H / sin, 
do đó diện tích phản xạ hiệu dụng (RCS) của vùng mặt đất chiếu xạ là: 
. . . .
2.cos
H c  


 (2.5) 
với  là hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất chiếu xạ. 
2.1.2. Phương trình xác định hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất 
Dạng phổ biến của phương trình radar và ĐVVT có dạng:
2 2
3 4
. . .
(4 ) . .
р
t
P G
Р
R L
 
 (2.13) 
trong đó: Pp - công suất phát đỉnh, G - tăng ích anten,  - bước sóng xung 
thăm dò, L - suy giảm công suất tín hiệu. 
Vì biểu thức (2.5) được sử dụng để tính RCS cho mục tiêu dạng bề 
mặt của mặt đất, thay  từ (2.5) và R = H / sin vào (2.13) ta nhận được: 
2 2 4
3 3
. . . . . .sin1
. .
. 128. .cos
р
t
P G c
P
H L
   

 
 (2.16) 
Trong phạm vi của luận án, 
2 2 4
3
. . . . . .sin
128. .cos
рP G c
C
   
 
 là hằng số. Từ 
biểu thức (2.16), hệ số phản xạ  có thể xác định dưới dạng đơn vị dB: 
7 
 3.
dB dB dB dB dB
tP C H L (2.20) 
Các phương trình (2.1) và (2.20) là cơ sở để xây dựng bản đồ địa 
phương và các giải pháp định vị theo bản đồ địa phương. 
2.1.3. Đặc trưng thống kê biên độ của tín hiệu phản xạ 
Hàm mật độ xác suất (PDF) của biên độ tín hiệu phản xạ có dạng: 
2 2
0 0
02 2 2
.
( ) exp .
2
U U U UU
f U I
    
 (2.30) 
trong đó: 
2
0 0
0 2 2
0
. . .cos1
exp
2
U U U U
I d
  
 là hàm Bessel loại I bậc 0, 
U - biên độ tín hiệu phản xạ tổng hợp, U0 - biên độ thành phần phản xạ 
chính, 2 - phương sai biên độ các thành phần phản xạ phụ. 
2.2. Sự suy giảm công suất tín hiệu phản xạ 
2.2.1. Các yếu tố làm suy giảm công suất tín hiệu phản xạ 
Suy giảm công suất tín hiệu phản xạ được chia thành: 
dB dB dB
c fL L L (2.32) 
trong đó: 
dB
cL - suy hao cố định,
dB
fL - thăng giáng công suất. 
Với thiết bị ĐVVT trên khoang, suy hao cố định gồm: 
dB dB dB dB
c a ant BL L L L (2.33) 
với 
dB
aL , 
dB
antL , 
dB
BL tương ứng là suy hao do khí quyển, do dạng búp sóng 
anten và do hệ số độ rộng búp sóng anten. 
2.2.2. Mô hình thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ 
Từ (2.30), hàm PDF của biên độ tín hiệu phản xạ có các dạng sau: 
- Phân bố Rice theo (2.30) nếu tín hiệu phản xạ gồm thành phần phản 
xạ chính và các thành phần phụ. 
- Phân bố Reyleigh nếu tín hiệu phản xạ chỉ có các thành phần phụ. 
- Tiến tới phân bố Gaussian khi thành phần phản xạ chính rất mạnh 
hơn các thành phần phản xạ phụ. 
Đây là cơ sở cho việc thực hiện mô phỏng sự tác động của yếu tố 
thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ trong luận án. 
8 
2.3. Bản đồ địa phương và bản đồ thăm dò 
2.3.1. Xác định các tham số của phần tử phân giải mặt đất 
- Kích thước phần tử phân giải mặt đất: 
. / (2cos )
. / sin
x
y
d c
d H
 
 
 (2.36) 
- Hệ số phản xạ của phần tử phân giải mặt đất: 
3.dB dB dB dB dB dBt c fP C H L L (2.37) 
2.3.2. Bản đồ địa phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất 
Bản đồ địa phương (M x N) pixel có thể biểu diễn dưới dạng ma trận 
tham chiếu ACh gồm (M x N) phần tử. 
2.3.3. Bản đồ thăm dò, ma trận thăm dò và ma trận chuẩn 
Để biểu diễn bản đồ thăm dò, có thể sử dụng ma trận thăm dò ATD 
gồm (m x n) phần tử. Bài toán định vị theo bản đồ địa phương k quy về tìm 
ma trận chuẩn ACh-k-i,j trong ma trận tham chiếu ACh-k giống nhất với ma 
trận thăm dò ATD cùng kích thước, từ đó tìm được bộ chỉ số định vị (I, J). 
2.4. Đề xuất giải pháp xây dựng bản đồ địa phương 
2.4.1. Giải pháp xác định các tham số của bản đồ địa phương 
1) Kích thước của phần tử phân giải bản đồ (dxk, dyk): xác định theo 
biểu thức (2.36) dựa trên các tham số chiếu xạ (, , Hk, k, k). 
2) Kích thước của bản đồ (Dxk x Dyk): được chọn sao cho, vùng bản đồ 
thăm dò quét được luôn nằm trong bản đồ địa phương k tương ứng. 
3) Tọa độ gốc của bản đồ (x0k, y0k): chọn để tâm bản đồ địa phương 
nằm trên quỹ đạo bay định trước của UAV. 
4) Các giá trị hệ số phản xạ 
dB của các pixel bản đồ: xác theo biểu 
thức (2.37) hoặc dựa trên bản đồ phản xạ có độ phân giải cao: 
, ,
1
( ). ( )
Q
i j i j
q
q S q 
  (2.39) 
trong đó, Q - số vùng đồng nhất nằm trong pixel thứ (i, j), mỗi vùng có 
diện tích S(q) và hệ số phản xạ đồng nhất i,j(q). 
9 
2.4.2. Giải pháp xây dựn ... x n). Do đó, đánh giá tác động của các yếu tố này đến chất lượng định 
vị của mô hình hệ thống ĐVVT và thuật toán định vị là cần thiết. 
15 
3.3.4. Sai số của phương pháp định vị theo bản đồ địa phương 
Sai số tọa độ định vị cho UAV tính theo biểu thức: 
1,5.( .sin .cos )
1,5.( .cos .sin )
M xk k yk k
M xk k yk k
x d d
y d d
 
 
 (3.24) 
3.4. Xây dựng phương pháp đánh giá các kết quả nghiên cứu 
3.4.1. Phương pháp đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng Monte-Carlo 
Để đánh giá thống kê tính hiệu quả, độ tin cậy định vị của mô hình hệ 
thống ĐVVT và thuật toán định vị đã đề xuất, luận án sử dụng phương 
pháp Monte-Carlo được thực hiện trên Matlab với 1000 mẫu. 
3.4.2. Phương pháp đánh giá kết quả bằng thử nghiệm trên phần cứng 
Dựa trên thuật toán định vị đã đề xuất, phần mềm định vị được xây 
dựng trên ngôn ngữ C nạp cho chip ARM trên Kit STM32F4 Discovery 
(hình 3.8), thực hiện theo cả 3 phương pháp so ghép ma trận: MMSE, 
LMAE và ECF. Các ma trận thăm dò và ma trận tham chiếu được tạo từ 
phần mềm máy tính ở chương 2 và truyền cho Kit STM32F4 Discovery 
qua cổng RS232. Chip STM32F407VGT6 sẽ thực hiện so ghép ma trận để 
tìm ra bộ chỉ số định vị (I, J) và xác định thời gian tính toán định vị, truyền 
trở lại máy tính để thống kê, đánh giá. 
Hình 3.8. Kit STM32F4 Discovery thử nghiệm thuật toán định vị 
16 
3.5. Đánh giá hiệu quả của mô hình hệ thống sử dụng hàm ECF 
3.5.1. Đánh giá hiệu quả dựa trên xác suất định vị đúng 
 a. Ma trận 5 x 5 b. Ma trận 9 x 9 
 c. Ma trận 11 x 11 d. Ma trận 13 x 13 
 e. Ma trận 15 x 15 f. Ma trận 17 x 17 
Hình 3.10. Xác suất định vị đúng với các phương pháp so ghép ma trận 
17 
Hình 3.10 biểu diễn một số kết quả mô phỏng đánh giá xác suất định 
vị đúng Pd theo mức thăng giáng ngẫu nhiên Lf cho cả 3 phương pháp so 
ghép ma trận (ECF, LMAE và MMSE) với mức suy hao Lc = 1,3dB. Hình 
3.10a với kích thước ma trận thăm dò (5 x 5), tại mức Lf = 1,0dB, Pd sử 
dụng hàm ECF cao hơn MMSE khoảng 20% và cao hơn LMAE khoảng 
30%. Với các kích thước ma trận thăm dò khác (hình 3.10b, c, d, e, f) cũng 
cho kết quả Pd sử dụng hàm ECF cao hơn sử dụng MMSE và LMAE. 
3.5.2. Đánh giá hiệu quả dựa trên việc chọn ngưỡng so ghép ma trận 
Hình 3.11 biểu diễn một số kết quả mô phỏng các giá trị ECF, LMAE 
và MMSE theo sự thay đổi của mức suy hao công suất Lc, với mức thăng 
giáng Lf = 0,5dB. Các giá trị ECF 1, còn LMAE và MMSE thay đổi tỷ lệ 
với Lc. Do đó, việc chọn ngưỡng quyết định so ghép ma trận Kng sử dụng 
phương pháp LMAE và MMSE khó khăn hơn so với sử dụng hàm ECF. 
 a. Ma trận 5 x 5 b. Ma trận 9 x 9 
 c. Ma trận 13 x 13 d. Ma trận 17 x 17 
Hình 3.11. Ngưỡng quyết định với các phương pháp so ghép ma trận 
18 
3.5.3. Đánh giá thời gian tính toán của thuật toán định vị 
Kết quả thử nghiệm trên Kit STM32F4 Discovery với kích thước ma 
trận tham chiếu (23 x 23) để xác định thời gian tính toán định vị như trên 
bảng 3.1. Thuật toán định vị sử dụng phương pháp MMSE luôn cho thời 
gian tính toán nhỏ nhất (khoảng 5,5ms). Với phương pháp ECF và LMAE, 
thời gian tính toán gần tương đương nhau, tương ứng là 14,7ms và 14,6ms. 
Bảng 3.1. Thời gian tính toán định vị với các phương pháp so ghép ma trận 
TT Kích thước ma trận thăm dò ECF (ms) MMSE (ms) LMAE (ms) 
1 Ma trận thăm dò (5 x 5) 15,2 4,2 10,6 
2 Ma trận thăm dò (7 x 7) 17,7 6,0 15,7 
3 Ma trận thăm dò (9 x 9) 18,8 7,1 18,9 
4 Ma trận thăm dò (11 x 11) 18,2 7,3 19,5 
5 Ma trận thăm dò (13 x 13) 15,5 6,4 17,3 
6 Ma trận thăm dò (15 x 15) 11,3 4,8 13,0 
7 Ma trận thăm dò (17 x 17) 6,3 2,8 7,4 
Thời gian định vị trung bình 14,7 5,5 14,6 
3.6. Đánh giá độ tin cậy của thuật toán định vị theo bản đồ địa phương 
3.6.1. Tác động của suy hao công suất tín hiệu phản xạ 
 a. Ma trận 5 x 5 với Lf =1,2dB b. Ma trận 9 x 9 với Lf =2,5dB 
 c. Ma trận 13 x 13 với Lf =3,6dB d. Ma trận 17 x 17 với Lf =5,0dB 
Hình 3.12. Xác suất định vị đúng theo yếu tố suy hao công suất Lc 
19 
Mô phỏng tác động của suy hao công suất Lc đến xác suất định vị 
đúng Pd được thực hiện với mức thăng giáng công suất Lf không đổi. Các 
kết quả mô phỏng cho thấy, Pd sử dụng hàm ECF gần như không đổi và 
không chịu ảnh hưởng của Lc (hình 3.12). 
3.6.2. Tác động của thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ 
 a. Ma trận 5 x 5 b. Ma trận 9 x 9 
 c. Ma trận 11 x 11 d. Ma trận 13 x 13 
 e. Ma trận 15 x 15 f. Ma trận 17 x 17 
Hình 3.13. Xác suất định vị đúng theo yếu tố thăng giáng công suất Lf 
20 
Mô phỏng tác động của thăng giáng công suất tín hiệu phản xạ Lf đến 
xác suất định vị đúng Pd được thực hiện với suy hao Lc được chọn không 
đổi. Các kết quả mô phỏng cho thấy, Pd giảm nhanh khi tăng mức Lf. Tuy 
nhiên, các kích thước ma trận thăm dò càng lớn thì Pd càng cao. Hình 3.13 
là một số kết quả mô phỏng với Lc = 5,0dB: với ma trận thăm dò (5 x 5), 
Pd chỉ duy trì ở mức 90% với mức Lf khoảng 1,2dB (hình 3.13a). Ma trận 
(11 x 11) có thể duy trì Pd = 90% với mức Lf = 3,5dB (hình 3.13c) và ma 
trận (17 x 17) có thể duy trì Pd = 90% với mức Lf = 6,1dB (hình 3.13f). 
3.6.3. Vai trò của kích thước ma trận thăm dò với độ tin cậy định vị 
Các kết quả mô phỏng tác động của thăng giáng công suất Lf đã cho 
thấy vai trò của kích thước ma trận thăm dò (m x n) với độ tin cậy định vị. 
Nếu chọn ngưỡng Kng = 0,8 và để đạt Pd > 90%, các kích thước ma trận 
thăm dò ứng với các mức thăng giáng Lf cao nhất chỉ ra trên bảng 3.2. Nếu 
chọn (m x n) càng lớn (với m < M, n < N), độ tin cậy định vị càng cao 
nhưng thời gian tính toán càng lớn. Giải pháp lựa chọn thích nghi kích 
thước ma trận thăm dò (m x n) theo mức thăng giáng công suất tín hiệu 
phản xạ Lf đã thể hiện tính mới và hiệu quả của mô hình hệ thống ĐVVT 
trên khoang cho UAV theo bản đồ địa phương mà luận án đề xuất. 
Bảng 3.2. Khả năng định vị đúng của kích thước ma trận với thăng giáng 
STT Kích thước ma trận (m x n) Mức thăng giáng cao nhất [dB] 
1 5 x 5 1,2 
2 7 x 7 2,1 
3 9 x 9 2,8 
4 11 x 11 3,5 
5 13 x 13 4,2 
6 15 x 15 5,3 
7 17 x 17 6,1 
Bên cạnh đó theo tính chất của hàm ECF, kết quả so ghép ma trận chỉ 
phụ thuộc vào tổng số phần tử của ma trận (tích m.n) mà không phụ thuộc 
vào các chỉ số m và n. Hình 3.15 là trường hợp mô phỏng với ma trận thăm 
dò 36 phần tử, tương ứng có ba loại ma trận (6 x 6), (4 x 9) và (9 x 4), xác 
suất định vị đúng với các ma trận thăm dò này gần như tương đương nhau. 
21 
 a. Ma trận (6 x 6) và (4 x 9) b. Ma trận (6 x 6) và (9 x 4) 
Hình 3.15. Xác suất định vị đúng với ma trận thăm dò 36 phần tử 
3.7. Một số nhận xét và khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT 
3.7.1. Nhận xét về hiệu quả và và độ tin cậy định vị 
Từ các kết quả mô phỏng Monte-Carlo và thử nghiệm trên phần cứng 
để đánh giá hiệu quả và và độ tin cậy định vị của mô hình hệ thống ĐVVT 
trên khoang và thuật toán định vị, có thể rút ra một số nhận xét sau: 
1) Về hiệu quả định vị của mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho 
UAV sử dụng hàm ECF mà luận án đề xuất so với các phương pháp 
LMAE và MMSE đã công bố trong các nghiên cứu trước đây: 
- Khi có tác động của yếu tố thăng giáng ngẫu nhiên công suất tín 
hiệu phản xạ Lf, mô hình hệ thống sử dụng hàm ECF có độ tin cậy định vị 
cao hơn so với sử dụng phương pháp LMAE và MMSE. 
- Với mức suy hao công suất tín hiệu phản xạ Lc thay đổi hoặc khó dự 
đoán trước, việc lựa chọn ngưỡng quyết định Kng trong so ghép ma trận với 
phương pháp LMAE và MMSE khó khăn hơn so với sử dụng hàm ECF. 
- Tuy nhiên, việc so ghép ma trận trong thuật toán định vị sử dụng 
hàm ECF đòi hỏi tài nguyên để thực hiện nhiều hơn và thời gian tính toán 
lớn hơn so với phương pháp LMAE và MMSE. 
2) Độ tin cậy của thuật toán định vị sử dụng hàm ECF không bị ảnh 
hưởng bởi suy hao cố định Lc, nhưng chịu tác động đáng kể bởi mức thăng 
giáng ngẫu nhiên Lf. Giải pháp lựa chọn thích nghi kích thước ma trận 
22 
thăm dò (m x n) theo mức thăng giáng công suất Lf cho phép bảo đảm 
được cả độ tin cậy và thời gian tính toán định vị. Kết quả thử nghiệm trên 
phần cứng đã khẳng định tính khả thi về công nghệ thực hiện và khả năng 
đáp ứng thời gian tính toán của thuật toán định vị. 
3.7.2. Một số khuyến nghị với mô hình ĐVVT trên khoang 
Với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang theo bản đồ địa phương mà 
luận án đề xuất, độ chính xác định vị, độ tin cậy định vị và thời gian tính 
toán định vị là những chỉ tiêu quan trọng. Tùy theo từng nhiệm vụ và yêu 
cầu ứng dụng, luận án đưa ra một số khuyến nghị sau: 
1) Thiết bị ĐVVT trên khoang và cảm biến góc chiếu xạ: băng tần 
công tác (hay bước sóng ), độ rộng xung phát  và độ rộng búp sóng  
của thiết bị ĐVVT quyết định độ tin cậy và sai số định vị. Độ ổn định các 
thông số kỹ thuật của thiết bị ĐVVT và cảm biến góc chiếu xạ ảnh hưởng 
đến toàn bộ các chỉ tiêu của hệ thống. Do đó, luận án khuyến nghị chọn 
thiết bị ĐVVT băng X, các thông số kỹ thuật có độ ổn định cao, sử dụng 
các cảm biến góc chính xác, cũng như tiếp tục nghiên cứu ứng dụng một 
số kỹ thuật để cải thiện độ phân giải (như: nén xung, radar SAR). 
2) Thiết bị dẫn đường quán tính INS và hệ thống điều khiển bay: sai 
số tọa độ INS theo thời gian ảnh hưởng đến việc xây dựng bản đồ địa 
phương và xác định thời điểm mở đầu dò thiết bị ĐVVT. Độ chính xác của 
hướng bay k và độ cao bay Hk ảnh hưởng đến độ tin cậy và sai số định vị. 
Tùy theo nhiệm vụ và điều kiện ứng dụng hệ thống ĐVVT trên khoang, có 
thể lựa chọn thiết bị INS có độ chính xác phù hợp, hệ thống điều khiển bay 
cần duy trì độ chính xác theo hành trình trước các tác động từ bên ngoài. 
3) Xây dựng quỹ đạo bay định trước và lập bài toán bay cho UAV: liên 
quan đến việc xây dựng bộ cơ sở dữ liệu các bản đồ địa phương cho hệ 
thống ĐVVT. Luận án khuyến nghị ưu tiên chọn bản đồ địa phương có độ 
bất đồng cao về hệ số phản xạ. Trong một số trường hợp, có thể điều chỉnh 
việc chọn quỹ đạo bay định trước cho UAV để chọn bản đồ địa phương. 
23 
4) Chọn ngưỡng quyết định so ghép ma trận: tùy theo yêu cầu về độ tin 
cậy định vị, có thể chọn ngưỡng Kng phù hợp (các kết quả mô phỏng thực 
hiện với Kng = 0,8), kết hợp với chọn kích thước ma trận thăm dò (m x n). 
5) Lựa chọn kiểu ma trận thăm dò: để bảo đảm tính tương đồng về 
hình học giữa các pixel của bản đồ thăm dò, luận án khuyến nghị chọn ma 
trận thăm dò dạng ma trận vuông (m = n). 
3.8. Kết luận chương 3 
1. Trước các tác động làm suy hao hoặc thăng giáng ngẫu nhiên công 
suất tín hiệu phản xạ, mô hình hệ thống ĐVVT sử dụng hàm ECF cho hiệu 
quả và độ tin cậy định vị cao hơn các phương pháp LMAE và MMSE. 
2. Giải pháp lựa chọn kích thước ma trận thăm dò theo mức thăng 
giáng công suất phản xạ cho phép cải thiện chất lượng của hệ thống ĐVVT 
trên khoang, bảo đảm được cả độ tin cậy và thời gian tính toán định vị. 
3. Kết quả thử nghiệm trên phần cứng đã khẳng định được tính khả thi 
về công nghệ thực hiện và khả năng đáp ứng thời gian tính toán của thuật 
toán định vị đã đề xuất. 
KẾT LUẬN 
A. Các kết quả nghiên cứu của luận án 
Với các mục tiêu, đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu đã được 
đặt ra và giải quyết trong luận án, có thể rút ra một số nhận xét sau: 
1) Để đáp ứng yêu cầu về khả năng tác chiến và các nhu cầu ứng dụng 
của UAV và thiết bị bay, các hệ thống dẫn đường trên khoang cần được 
xây dựng theo hướng phức hợp, trong đó có sử dụng hệ thống ĐVVT trên 
khoang, nhằm nâng cao độ chính xác, độ ổn định và khả năng chống nhiễu. 
2) Việc xác định kích thước phần tử phân giải, hệ số phản xạ của bề 
mặt mặt đất và phân tích các yếu tố tác động là những cơ sở quan trọng để 
giải quyết bài toán định vị cho UAV theo bản đồ địa phương. 
3) Giải pháp và thuật toán xây dựng bản đồ địa phương dựa trên các 
thông số của thiết bị ĐVVT, mô hình sai số của hệ thống INS và yêu cầu 
24 
nhiệm vụ bay của UAV cho phép tạo ra bộ cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ 
thống ĐVVT trên khoang, nâng cao được hiệu suất và độ tin cậy định vị. 
4) Mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV theo bản đồ địa 
phương, thuật toán định vị sử dụng hàm tương quan cực trị ECF và giải 
pháp lựa chọn kích thước ma trận thăm dò theo mức thăng giáng công suất 
phản xạ cải thiện được hiệu quả, độ tin cậy và thời gian tính toán định vị. 
5) Bằng thực nghiệm mô phỏng thống kê trên máy tính và thử nghiệm 
trên phần cứng, luận án đã đánh giá các kết quả nghiên cứu, từ đó đưa ra 
một số khuyến nghị với mô hình hệ thống ĐVVT trên khoang đã đề xuất. 
Các kết quả nghiên cứu của luận án có tính mới, tính khoa học và thực 
tiễn, đáp ứng nhu cầu cần thiết hiện nay và trong tương lai ở nước ta. 
B. Những đóng góp mới của luận án 
1) Đề xuất giải pháp, thuật toán và phần mềm xây dựng bản đồ địa 
phương theo hệ số phản xạ của bề mặt mặt đất dựa trên các thông số của thiết 
bị ĐVVT, làm cơ sở dữ liệu tham chiếu cho hệ thống ĐVVT trên khoang. 
2) Đề xuất mô hình hệ thống tự động định vị cho UAV theo bản đồ 
địa phương sử dụng thiết bị định vị vô tuyến trên khoang, hàm tương quan 
cực trị ECF và hệ thống dẫn đường quán tính INS. 
Mô hình hệ thống và thuật toán định vị cho UAV đã được kiểm 
nghiệm bằng mô phỏng thống kê và thực nghiệm trên phần cứng. 
C. Hướng nghiên cứu tiếp theo 
1. Hoàn thiện các giải pháp và thuật toán mà luận án đã xây dựng, thử 
nghiệm với các điều kiện thực tế. Từ đó, xây dựng bản đồ phản xạ của bề 
mặt mặt đất có độ phân giải cao trên phạm vi toàn quốc, tạo cơ sở dữ liệu 
tham chiếu cho các hệ thống ĐVVT trên khoang cho UAV và thiết bị bay. 
2. Nghiên cứu cải thiện chất lượng của hệ thống ĐVVT trên khoang 
theo bản đồ địa phương, có thể sử dụng cho UAV cánh bằng hoặc UAV 
tốc độ lớn theo các hướng: sử dụng kỹ thuật và thiết bị ĐVVT có độ phân 
giải cao, sử dụng phương pháp so ghép ma trận có chất lượng tốt hơn
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 
1. Phạm Văn Hòa, Nguyễn Thế Hiếu, Lê Kỳ Biên (2011), “Về một số 
phương pháp định vị và dẫn đường cho các phương tiện bay không 
người lái”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, Số 
đặc san, 8-2011, tr. 45-52. 
2. Nguyễn Thế Hiếu, Phạm Văn Hòa (2011), “Nguyên lý xây dựng hệ 
thống ra đa cho các phương tiện bay không người lái”, Tạp chí Nghiên 
cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, Số đặc san, 8-2011, tr. 53-61. 
3. Phạm Văn Hòa, Nguyễn Thế Hiếu, Lê Kỳ Biên (2011), “Nghiên cứu 
phương pháp dẫn đường tự động trên khoang sử dụng ảnh địa hình cho 
các phương tiện bay không người lái”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và 
Công nghệ Quân sự, Số đặc san, 9-2011, tr. 22-29. 
4. Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên (2015), “Giải pháp định vị theo bản đồ địa 
hình cho máy bay không người lái sử dụng radar trên khoang”, Tạp chí 
Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, Số đặc san Điện tử, 10-
2015, tr. 104-111. 
5. Phạm Văn Hòa, Lê Kỳ Biên (2017), “Mô hình hệ thống định vị trên 
khoang theo bản đồ địa phương cho máy bay không người lái”, Hội 
thảo quốc gia “Ứng dụng công nghê cao vào thực tiễn”, Tạp chí Nghiên 
cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, Số đặc san ACMEC, 7-2017, tr. 
136-143.