Nhằm mục đích nâng cao độ chính xác và khắc phục những khó khăn khi định vị GPS thông thường không đạt kết quả tốt, chúng tôi đã nghiên cứu định vị tuyệt đối xử lý trị đo giả cự ly kết hợp ba hệ thống GPS, GALILEO và BEIDOU. Kết quả xử lý tại 5 trạm đo IGS thường trực cho thấy độ chính xác định vị hướng Đông, hướng Bắc và độ cao cải thiện so với định vị GPS thông thường lần lượt khoảng 63%, 65% và 60%.
Nghiên cứu ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI KẾT HỢP BA HỆ THỐNG GPS, GALILEO VÀ BEIDOU NGUYỄN NGỌC LÂU(1), TRẦN VĂN NAM(2) (1) Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Lâm Nghiệp - Phân hiệu phía Nam (2) Tóm tắt: Nhằm mục đích nâng cao độ xác khắc phục khó khăn định vị GPS thông thường không đạt kết tốt, nghiên cứu định vị tuyệt đối xử lý trị đo giả cự ly kết hợp ba hệ thống GPS, GALILEO BEIDOU Kết xử lý trạm đoIGS thường trực cho thấy độ xác định vị hướng Đông, hướng Bắc độ cao cải thiện so với định vị GPS thông thường khoảng 63%, 65% 60% Giới thiệu Định vị tuyệt đối GPS thông thường sử dụng phố biến Nó có ưu điểm xử lý đơn giản áp dụng cho đa số loại máy thu.Tuy nhiên, phương pháp có hạn chế độ xác không cao, khoảng từ 5m đến 15m Hơn nữa, khu vực có độ che phủ cao gần nhà cao tầng, bìa rừng,…, việc định vị nhiều không thực số lượng vệ tinh cung cấp tín hiệu cho máy thu khơng đủ (< 4) Để nâng cao độ xác định vị tuyệt đối, số biện pháp hiệu xử lý kết hợp nhiều hệ thống định vị vệ tinh khác Khi kết hợp, số lượng vệ tinh quan sát tăng lên làm tăng số trị đo thừa, dẫn đến cải thiện độ xác Mặt khác, định vị kết hợp giải vấn đề khó khăn khu vực bị che khuất, mà định vị điểm sử dụng GPS thông thường không thực Khó khăn định vị kết hợp phải có máy thu đa hệ thống vệ tinh, cần giải nhiều vấn đề liên quan khác hệ thống định vị GNSS (Global Navigation Satellite Systems) hệ toạ độ, thời gian, cấu trúc lịch vệ tinh, độ xác trị đo, nguồn sai số hệ thống, vv… Các hệ thống vệ tinh định vị phát triển bao gồmGPS, GALILEO, BEI- DOU GLONASS Cả bốn hệ thống định vị có nhiều đặc điểm tương tự nhau, nhiên ba hệ thống GPS, GALILEO BEIDOU có nhiều điểm tương đồng với nhiều Đây thuận lợi việc xử lý tích hợp Hệ thống GPS, GALILEO BEIDOU sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access – CDMA)có phép nhiều vệ tinh sử dụng chung tần số giống Trong hệ thống GLONASS sử dụng kỹ thuật phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access – FDMA) nên vệ tinh bắt buộc phải truyền tín hiệu theo tần số khác Trong nghiên cứu này, thực định vị tuyệt đối kết hợp trị đo giả cự ly ba hệ thống GPS, GALILEO BEIDOU Để giải vấn đề xử lý tích hợp, báo này, chúng tơi trình bày việc khắc phục nguồn sai sốdo ảnh hưởng khí quyển, sai số đồng hồ máy thu, sai số hệ thống định vị (Inter–system Bias ISB)…Tiếp theo khảo sát trọng số trị đo giả cự ly cho hệ thống GALILEO BEIDOU tương ứng với GPS Cuối cùng, việc xử lý tích hợp ba hệ thống có áp dụng trọng số khảo sát trạm đo khác chứng minh cải thiện độ xác kết hợp GPS, GALILEO BEIDOU so với định vị GPS thông thường Ngày nhận bài: 15/11/2018, ngày chuyển phản biện: 19/11/2018, ngày chấp nhận phản biện: 22/11/2018, ngày chấp nhận đăng: 27/11/2018 tạp chí khoa học đo đạc đồ sè 38-12/2018 11 Nghiên cứu Những vấn đề cần giải xử lý kết hợp 2.1 Chuyển đổi hệ toạ độ hệ thống thời gian Để thực toán định vị kết hợp cần đưa hệ thống hệ toạ độ hệ thời gian Trong nghiên cứu đưa hệ thống hệ toạ độ WGS84 hệ thống thời gian GPST GPS Như biết,GPS sử dụng hệ toạ độ WGS84, đồng với hệ ITRF2008 thời điểm 2000 [5] Hệ thống GALILEO sử dụng hệ toạ độ GTRF Phiên hệ thống toạ độ GALILEO GTRF13v02 đồng với ITRF2008 sai lệch khoảng cm [8] Hệ thống BEIDOU sử dụng hệ toạ độ CGCS2000 đồng với ITRF97 thời điểm 2000 [9] Để chuyển đổi từ hệ toạ độ hệ toạ độ sử dụng toán tham số Theo website tổ chức ITRS phiên khác hệ toạ độ ITRF có sai lệch mức cm Trong nghiên cứu này, quan tâm đến độ xác định vị mức vài dm- mét nên việc ảnh hưởng nhỏ khác biệt phiên ITRF bỏ qua Đối với hệ thống thời gian, hệ thống GALILEO sử dụng hệ thống thời gian GST (GALILEO Time) trùng với hệ thống thời gian GPS [5].Hệ thống BEIDOU sử dụng hệ thống thời gian BDT(BEIDOU Time) lệch so với GPST 14 giây, BDT = GPST – 14 giây 2.2 Khắc phục nguồn sai số trị đo giả cự ly Phương trình trị đo giả cự ly GNSS có dạng tổng quát sau [4]: Pi = pi + c (dt - dTi) - Ii + Ti + c ISB Xr, Yr, Xr toạ độ gần máy thu c vận tốc ánh sáng môi trường chân không dt số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu dTi số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh Ii độ trễ điện ly Ti độ trễ đối lưu ISB độ trễ hệ thống trình giải mã tín hiệu máy thu GNSS đến từ vệ tinh không hệ thống Số hạng tồn trị đo GALILEO BEIDOU, GPS thường giả sử Phương trình (1) cho thấy trị đo GNSS có chứa nguồn sai số chính.Phương pháp để khử giảm nguồn sai số sau: - Khắc phục ảnh hưởng tầng điện ly Đối với máy thu tần số nguồn sai số hiệu chỉnh theo mơ hình kinh nghiệm Ví dụ mơ hình Klobuchar loại bỏ khoảng 60% ảnh hưởng điện ly Đối với máy thu tần số, người ta sử dụng phương pháp kết hợp trị đo tạo trị đo P3.Trị đo loại bỏ 90% ảnh hưởng điện ly [4] Trị đo P3 tính theo cơng thức sau: (3) Trong đó: tần số fL1 fL2 trị đo giả cự ly hai (4) (1) Trong đó: i P : Là trị đo giả cự ly ứng với vệ tinh thứ i pi : Khoảng cách hình học từ vệ tinh i đến máy thu (2) 12 Với : Xi, Yi, Zi toạ độ vệ tinh thứ i - Khắc phục ảnh hưởng tầng đối lưu Tầng đối lưu tầng khí tính từ mặt đất đến độ cao khoảng 50km Trong tầng đối lưu chứa nhiều nước bụi khí Ảnh hưởng tầng đối lưu đến tín hiệu điện từ khơng phụ thuộc vào tần số sóng tải, c chia tạp chí khoa học đo đạc ®å sè 38-12/2018 Nghiên cứu thành ảnh hưởng phần khô (trên cao) ảnh hưởng phần ướt (dưới thấp) Ảnh hưởng phần khô chiếm khoảng 90% ảnh hưởng phần ướt 10% [2] Chúng tính độ trễ đối lưuhướng thiên đỉnhtheo cơng thức thường dùng Saastamoinen, công bố vào năm 1973 [4].Để chuyển từ hướng thiên đỉnh sang hướng phải chọn hàm ánh xạ (mapping function) Hàm ánh xạ sử dụng phổ biến Niell công bố năm 1996 [4] - Khắc phục sai số đồng hồ máy thu sai số ISB Sai số ISB hình thành việc xử lý tín hiệu khơng đồng máy thu thu nhận tín hiệu từ hệ thống định vị vệ tinh khác nhau.Sai số chủ yếu xuất trọng hệ thống GALILEO BEIDOU với độ lớn khác phụ thuộc vào kiểu máy thu ISB ảnh hưởng đáng kể đến kết toán định vị kết hợp trị đo hệ thống khác nhau.Vì cần loại bỏ khỏi trị đo trước đưa vào toán định vị Để khử thành phần sai số máy thu sai số ISB, ta cần lấy hiệu nội trị đo giả cự ly hệ thống [4] Nghĩa hệ thống định vị chọn vệ tinh làm chuẩn lấy hiệu với vệ tinh khác hệ thống Phương trình hiệu trị đo giả cự ly vệ tinh k vệ tinh l hệ thống máy thu là: Các hệ thống định vị khác cung cấp trị đo giả cự ly có độ xác khơng giống Nếu xem chúng có độ xác nhau, tức có trọng số trị đo nhau, kết xử lý tích hợp có xác định vị GPS thơng thường.Vì vấn đề xác trọng số trị đo thích hợp cho hệ thống quan trọng.Để xác định trọng số cho hệ thống, dựa vào cơng thức [4]: pi = p0 sin2 εi Trong đó: εi góc cao vệ tinh i, pi trọng số trị đo vệ tinh thứ i, p0 giá trị trọng số đơn vị Dùng (6) ta lập cơng thức tính trọng số hệ thống GPS GALILEO/BEIDOU sau: (7) (8) Để khảo sát tìm trọng số đơn vị p0 hệ thống định vị, cần có toạ độ xác máy thu, trị đo hệ thống, toạ độ vệ tinh sai số đồng hồ vệ tinh Việc khảo sát trọng số thực theo cácbước sau: Bước 1: Cố định tọa độ máy thu vào giá trị xác Bước 2: Bước 3: Tính phần dư trị đo hiệu giá trị trị đo với giá trị mơ hình (9a) (5) Như vậy, phương trình (5) giảm loại bỏ nguồn sai số ảnh hưởng tầng điện ly, sai số đồng hồ máy thu sai số ISB Trong phương trình giả cự ly lại hiệu sai số đồng hồ vệ tinh hiệu độ trễ đối lưu.Sai số đồng hồ vệ tinh tính từ thơng báo hàng hải hệ thống định vị, độ trễ đối lưu tính theo mơ hình Saastamoinen hàm ánh xạ Niell 2.3 Xác định trọng số trị đo cho hệ thống (6) (9b) Trong đó: phần dư trị đo hệ thống GPS GALILEO/BEIDOU trị đo giả cự ly kết hợp P3 GPS GALILEO/BEIDOU giá trị mơ hình tính từ cơng thức PMH = ρ0i+ Ti + c.(dt – dTi) (10) tạp chí khoa học đo đạc đồ số 38-12/2018 13 Nghiên cứu ρ0i khoảng cách hình học từ vệ tinh i đến máy thu, tính theo toạ độ xác máy chúng tơi lấy trung bình giá trị trọng số trạm khảo sát thu Ti độ trễ đối lưu vệ tinh i tính theo mơ hình Sasstamoinen hàm ánh xạ Neill dTi sai số đồng hồ vệ tinh i tính từ lịch phát tín Bước 4: Tính sai số trung phương trọng số đơn vị a Hệ thống GPS: (11) Trong đó: n1 số lượng trị đo GPS, k số lượng ẩn số b Hệ thống GLL/BDS: (12) Trong đó: n2 số lượng trị đo GALILEO/BEIDOU Bước 5: Tính hệ số (13) Ta có trọng số GALILEO: (14) Bước 6: Lặp lại từ bước K =1 dừng lại Kết khảo sát trọng số thực trạm đo gồm HCMC, ARUC, HKWS, IISC JFNG Thông tin trạm giới thiệu chi tiết mục Kết tính trọng số GALILEO BEIDOU trình bày bảng Nhằm tăng “tính khách quan” cho trọng số Các giá trị trọng số trọng số đại diện cho trị đo GPS, GALILEO BEIDOU Qua kết khảo sát trọng số độ xác hệ thống GPS hệ thống GALILEO cao hệ thống BEIDOU Dữ liệu thực nghiệm Dữ liệu GNSS dùng cho nghiên cứu bao gồm toạ độ xác trạm đo, file lịch phát tín, file trị đo hệ thống định dạng RINEX Hiện có 200 trạm GNSS thường trực phân bố khắp giới Tuy nhiên,phần lớn trạm số liệu hệ thống BEIDOU, số lượng vệ tinh GALILEO/BEIDOU thu q (