Nghiên cứu thiết kế trạm tham chiếu theo phương pháp định vị chính xác rtk

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ THANH HẢI Lê Thanh Hải CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CƯU THIẾT KẾ TRẠM THAM CHIẾU THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC RTK KHỐ 2012-2014 Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thanh Hải NGHIÊN CƯU THIẾT KẾ TRẠM THAM CHIẾU THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC RTK Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT … NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội – Năm 2014 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại khoa học, kỹ thuật công nghệ phát triển vũ bão, hàng loạt công nghệ nghiên cứu, phát triển triển khai, đem lại giá trị vô to lớn Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) từ đời hỗ trợ người việc xác định vị trí, hướng đi, xây dựng loại đồ phục vụ nhiều mục đích khác Cùng với đó, yêu cầu ngày cao người sử dụng việc nâng cao tính xác dịch vụ thúc đẩy nhiều công nghệ đời: định vị xác sử dụng hệ thống GNSS lưỡng tần số; định vị xác sử dụng thu GPS mems IMU; định vị xác RTK Trong luận văn này, em xin tìm hiểu đề tài “Nghiên cứu thiết kế trạm tham chiếu theo phương pháp định vị xác RTK (Real Time Kinematic)” Theo đó, em xin trình bày vấn đề định vị RTK, phương thức, thuật tốn q trình định vị mơ trạm tham chiếu theo phương pháp Trong trình thực luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô giáo, bạn để luận văn em hồn thiện mang tính thực tế Qua đây, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trung PGS.TS Nguyễn Thúy Anh gia đình bạn hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, viện Điện tử Viễn thông hỗ trợ, tạo điều kiện cho em thời gian học tập Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên TÓM TẮT Trong khuôn khổ nội dung luận văn, em tập trung nghiên cứu phương pháp định vị xác RTK thiết kế trạm tham chiếu theo phương pháp Định vị xác RTK nhằm mục đích nâng cao tính xác, độ ổn định tin cậy định vị GPS Theo đó, luận văn em xin trình bày nội dung sau: Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống GPS Giới thiệu nét khái quát hệ thống định vị GPS Chƣơng 2: Các nguyên tắc định vị GPS Trình bày đặc điểm, cấu tạo tín hiệu GPS; nguồn sai số; phép đo GPS giải tham số Ambiguity pha sóng mang Chƣơng 3: GPS vi sai (DGPS) Trình bày khái niệm tảng DPGS Chƣơng 4: Mạng RTK Giới thiệu tổng quan mạng RTK trình xử lý mạng RTK Chƣơng 5: Thiết kế, mô trạm tham chiếu RTK Thiết kế mô trạm tham chiếu, lọc Kalman, so sánh, nhận xét kết Cùng với đó, phần kết luận đưa đánh giá hiệu phương pháp vài phương hướng phát triển, nghiên cứu ABSTRACT My project focuses on studying about: “Precision RTK positioning method” Precision RTK positioning aims to improve the accuracy, integrity of GPS positioning Accordingly, the project would like to present the contents as follows: Chapter 1: Overview GPS system Introduces the most general definitions of the Global Positioning System Chapter 2: GPS positioning principles Presents the characteristics and construct of GPS signal; Error sources; GPS measurements; Carrier phase ambiguity resolution Chapter 3: Differential GPS (DGPS) Chapter presents the DGPS concepts and background Chapter 4: Network RTK Introduces overview of network RTK and the processing of network RTK Chapter 5: Design and simulation of reference station RTK Design and simulation of reference stations, Kalman filter, compare, comment the results And the conclusion will evaluate and make a few suggestions towards further researches MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ABSTRACT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 1.1 Phân hệ không gian 1.1.1 Chòm vệ tinh 1.1.2 Vệ tinh GPS 1.2 Phân hệ điều khiển 1.3 Phân hệ sử dụng CHƢƠNG 2: CÁC NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ GPS 2.1 Giới thiệu 2.2 Tín hiệu GPS 2.2.1 Pha sóng mang GPS 2.2.2 Các mã GPS 2.2.3 Dịch tần Doppler 2.3 Các nguồn sai số 2.3.1 Sai số quỹ đạo 2.3.2 Sai số đồng hồ vệ tinh máy thu .10 2.3.3 Sai số khí .11 2.3.3.1 Hiệu ứng tầng điện ly 11 2.3.3.2 Trễ tầng đối lưu 12 2.3.4 Độ lệch biến đổi tâm pha angten 12 2.3.5 Hiệu ứng đa tuyến 13 2.3.6 Nhiễu đo lường .14 2.4 Các phép đo GPS 15 2.4.1 Các kết hợp tuyến tính mơ hình quan sát đồng thời tần số .15 2.4.1.1 Wide land 17 2.4.1.2 Narrow Lane 17 2.4.1.3 Sự kết hợp tuyến tính tầng điện li tự 18 2.4.1.4 Sự kết hợp tuyến tính hình học tự 18 2.4.2 Kết hợp tuyến tính máy thu vệ tinh 19 2.4.2.1 Mơ hình quan sát vi phân bậc 19 2.4.2.2 Mơ hình quan sát vi phân bậc hai 20 2.4.2.3 Mơ hình quan sát vi phân bậc ba 21 2.4.3 Mơ hình ngẫu nhiên mơ hình quan sát GPS 22 2.5 Giải tham số ambiguity pha sóng mang 24 2.5.1 Ý nghĩa vật lý tham số ambiguity 24 2.5.2 Phương pháp LAMBDA 25 CHƢƠNG 3: TRẠM THAM CHIẾU DGPS 27 3.1 Giới thiệu chung DGPS 27 3.1.1 LADGPS 27 3.1.2 WADGPS 28 3.2 Nền tảng DGPS 28 3.2.1 Mơ hình quan sát 28 3.2.2 Các hiệu chỉnh vi sai 30 3.2.3 Bù trừ độ lệch đồng hồ .32 3.2.4 Các thuật toán có 34 CHƢƠNG 4: MẠNG RTK 37 4.1 Giới thiệu chung mạng RTK 37 4.2 Khái niệm định vị mạng GPS 37 4.2.1 GPS vi sai (DGPS) 38 4.2.2 Định vị pha RTK 38 4.2.3 Các cụm mạng lưới (Network Clusters) 38 4.2.4 Mạng RTK .39 4.3 Thiết lập hiệu chỉnh 40 4.3.1 Khởi tạo mạng 41 4.3.2 Kĩ thuật giải tham số ambiguity cho nhiều trạm tham chiếu 41 4.3.3 Duy trì mức độ tham số ambiguity chung 43 4.3.4 Các kĩ thuật giải tức thời tham số ambiguity 44 4.3.5 Tính tốn biểu diễn sai số dư .47 4.4 Hiệu chỉnh nội suy 49 4.4.1 Nội suy tuyến tính 50 4.4.2 Mô hình kết hợp tuyến tính 51 4.4.3 Mơ hình bề mặt bậc thấp 53 4.4.4 Sự xếp bình phương tối thiểu 55 4.4.5 Mạng lưới dựa Parameterisation .56 4.4.6 So sánh đánh giá kĩ thuật nội suy 57 4.5 Truyền tải hiệu chỉnh 57 4.5.1 Các giao thức truyền tải RTCM SC-104 58 4.5.2 Các tham số hiệu chỉnh diện tích .61 4.5.3 Trạm tham chiếu ảo 65 4.5.4 Khái niệm Master Auxiliary 69 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG TRẠM THAM CHIẾU RTK 76 5.1 Đặt vấn đề 76 5.1.1 Giới thiệu 76 5.1.2 Bài toán 76 5.2 Thiết kế mô 77 5.2.1 Mơ hình lọc Kalman 77 5.2.2 Mơ hình động học 78 5.2.2 Mơ hình 79 5.3 Kết mô 81 5.3.1 Mô chức lọc Kalman 87 5.4 Kết luận 89 KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Chịm vệ tinh Hình 1.2: Vệ tinh NAVSTAR Hình 1.3: Phân hệ điều khiển Hình 2.1 Các lớp khí 11 Hình 2.2: Độ lệch biến đổi tâm pha angten (Wubenna et al, 2000) 13 Hình 2.3: Ý nghĩa vật lý số nguyên đa trị 25 Hình 2.4 Phƣơng pháp LAMBDA: Quy trình phép giải số nguyên đa trị 26 Hình 3.1 Trạm tham chiếu với hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ 34 Hình 3.2 Thiết kế trạm tham chiếu kết hợp với lọc hiệu chỉnh 36 Hình 4.1 Pp đƣờng sở 39 Hình 4.2 Phƣơng pháp mạng 39 Hình 4.3 Q trình xử lí mạng RTK 40 Hình 4.4: Minh họa trạm tham chiếu mặt phẳng hiệu chỉnh tƣơng ứng 62 Hình 4.5: Mạng lƣới trạm tham chiếu A,B,C 72 Hình 5.1 Mơ hình thực nghiệm 77 Hình 5.2 Ví dụ lọc Kalman 78 Hình 5.3 Mơ hình Kinematic 79 Hình 5.4 Mơ hình Coordinate 79 Hình 5.5 Các bƣớc mơ 81 hiệu dịch vụ người dùng Nhưng GPS hệ thống cao cấp tin cậy giới Mặc dù có nhiều nghiên cứu robot tự hành, khơng có nhiều nghiên cứu thực với robot tự hành dựa RTK-GPS thu giá thành thấp Để thiết kế hệ robot tự hành có nhiều việc cần phải làm trước thực thử nghiệm cho vận hành Thách thức mặt lựa chọn linh kiện, thiết kế PCB Khi sử dụng mơ hình mới, cần lựa chọn tham số tốt tuân theo nguyên tắc vật lý Tuy nhiên có tín hiệu phát trạm tham chiếu robot tự hành cần xử lý tín hiệu để tránh nhiễu không mong muốn 5.2 Thiết kế mô Hình 5.1 Mơ hình thực nghiệm 5.2.1 Mơ hình lọc Kalman Kể từ có nhiều loại sensor cho máy móc sensor lại có vài điểm không đảm bảo đo đạc, lọc Kalman cần thiết để lọc liệu ước lượng tốt cho trạng thái máy móc Thêm vào loại nhiễu thường can nhiễu (nhiễu Gauss) Mơ hình biễu diễn theo phương trình (5.1) Trong mơ hình chuyển đổi trạng thái, cung cấp trạng thái trước [Trang 77] mơ hình điều khiển đầu vào cung cấp vector điều khiển nhiễu trình cộng vào để biểu diễn nhiễu đa biến mean zero với hiệp phương sai ( ( ) Sau liệu đo đạc sử dụng để rút tràn thái ước lượng thực theo phương trình (5.2) Trong đó: mơ hình khảo sát nhiễu khảo sát, cộng với nhiễu trắng Gauss với hiệp phương sai ( ( ) Hình 5.2 Ví dụ lọc Kalman 5.2.2 Mơ hình động học [Trang 78] Hình 5.3 Mơ hình Kinematic Hình 5.4 Mơ hình Coordinate 5.2.2 Mơ hình Đầu tiên rút khai triển vận tốc từ ma trận biến đổi (5.3) [Trang 79] Từ mơ hình coordinate ENU có (5.4) Từ mơ hình kinematic rời rạc có (5.5) Kết hợp (5.4) (5.5) thu (5.6) Giá trị đo đạc định vị GPS với hiệp phương sai (5.7) Và ma trận biến đổi (5.8) [Trang 80] Trong X,Y,Z liệu vị trí từ GPS Giá trị đo đạc vận tốc với hiệp phương sai (5.9) Và ma trận biến đổi (5.10) Giá trị đo đạc vận góc, hiệp phương sai ma trận biến đổi (5.12) 5.3 Kết mơ Hình 5.5 Các bước mơ Tình thứ nhất: Vl = 0.3 m/s, Vr = 0.2 m/s [Trang 81] Hình 5.6: Vị trí lý tưởng, trước cộng nhiễu Hình 5.7: Kết cộng thêm nhiễu [Trang 82] Hình 5.8: Kết sau lọc Kalman Hình 5.9: Ước lượng sau số cách so sánh vị trí ước lượng với vị trí lý tưởng Tình thứ 2, giả thiết vận tốc xấp xỉ =0, thực tế Vr = 0.3 m/s, Vl = 0.2 m/s Nhưng thiết lập biến vận tốc cao [Trang 83] Hình 5.10: Vị trí ước lượng sau lọc Kalman Hình 5.11: Ước lượng sai số cho tình thứ Tình thứ 3, sử dụng biến tốc độ trên, cho biến tỉ lệ lỗi lớn [Trang 84] Hình 5.12: Ước lượng vị trí sau lọc Kalman Hình 5.13: Ước lượng sai số cho tình thứ [Trang 85] Hình 5.14: Đánh giá sai số trục X Hình 5.15: Đánh sai số trục Y [Trang 86] Hình 5.16: Đánh giá sai số trục Z Bảng 5.1 Kết thực nghiệm Tình Biến vận tốc Biến tỉ lệ lỗi Lỗi đỉnh Lỗi trung bình 0.1 0.01 3.9 cm 1.3 cm 0.01 4.1 cm 1.5 m 0.1 6.0 cm 1.7 cm 5.3.1 Mô chức lọc Kalman [Trang 87] Hình 5.17 Mơ trạng thái với mơ hình Kalman [Trang 88] Hình 5.18 Mơ trạng thái với mơ hình Kalman LTI 5.4 Kết luận Chương phân tích mơ độ xác sai số hệ thống RTK-GPS,về chức lọc Kalman, ứng dụng RTK-GPS [Trang 89] KẾT LUẬN Hệ thống định vị toàn cầu GPS mang lại giá trị to lớn cho người GPS cung cấp dịch vụ định vị dẫn đường, phục vụ cho ứng dụng dân sinh quân Định vị xác RTK cung cấp chất lượng dịch vụ xác hơn, quan tâm đặc biệt Chính thế, mô thử nghiệm thực Đồ án em đưa nghiên cứu mặt lý thuyết, thuật toán sử dụng định vị xác RTK mơ trạm tham chiếu sử dụng phương pháp Trên sở hướng nghiên cứu đề tài nghiên cứu sâu phương thức định vị xác RTK-GPS, thiết kế sơ đồ khối chế tạo phần cứng thu GPS, nghiên cứu giải pháp tích hợp để tăng cường tính hiệu thu Trong trình làm đồ án, dù cố gắng em tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp q báu thầy bạn Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trung PGS.TS Nguyễn Thúy Anh, thầy cô giúp đỡ tận tình tạo điều kiện để em hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! [Trang 90] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://tekmon.gr/research-development/gps-network-rtk-tutorial/ [2] http://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals [3] Jay Farrell, Senior Member, IEEE and Tony Givargis - Differential GPS Reference Station ,Algorithm-Design and Analysis [4] Hui Hu1, and Lian Fang2 - School of Information Engineering, East China JiaoTong University, Nanchang, Jiangxi, China 330013 - Signal Search and Acquisition Algorithms for Software GPS Receiver [Trang 91] ... văn, em tập trung nghiên cứu phương pháp định vị xác RTK thiết kế trạm tham chiếu theo phương pháp Định vị xác RTK nhằm mục đích nâng cao tính xác, độ ổn định tin cậy định vị GPS Theo đó, luận văn... ? ?Nghiên cứu thiết kế trạm tham chiếu theo phương pháp định vị xác RTK (Real Time Kinematic)” Theo đó, em xin trình bày vấn đề định vị RTK, phương thức, thuật tốn q trình định vị mô trạm tham chiếu theo. .. 4: Mạng RTK Giới thiệu tổng quan mạng RTK trình xử lý mạng RTK Chƣơng 5: Thiết kế, mô trạm tham chiếu RTK Thiết kế mô trạm tham chiếu, lọc Kalman, so sánh, nhận xét kết Cùng với đó, phần kết luận