ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài khảo sát kết quả xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá và lịch vệ tinh chính xác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài : Khảo sát kết xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Bình Mã số sinh viên : Lớp : Khoa : Giáo viên hướng dẫn: Hà Nội, 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Báo cáo tốt nghiệp chuyên ngành trắc địa với đề tài “Khảo sát kết xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác” kết q trình cố gắng không ngừng thân giúp đỡ, động viên khích lệ thầy, bạn bè đồng nghiệp người thân Qua trang viết em xin gửi lời cảm ơn tới người giúp đỡ thời gian học tập - nghiên cứu đề tài vừa qua Em xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc thầy giáo trực tiếp tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin báo cáo cần thiết cho báo cao tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, khoa Bộ môn tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu báo cáo tốt nghiệp Người thực Phạm Thành Bình TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu báo cáo tốt nghiệp “Khảo sát kết xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác” trung thực khơng có chép hay sử dụng để bảo vệ, báo cáo học vị Tất giúp đỡ cho việc xây dựng sở lý luận cho đề tài tốt nghiệp trích dẫn đầy đủ ghi rõ nguồn gốc rõ ràng phép công bố.Em xin chịu trách nhiệm toàn báo cáo tốt nghiệp Sinh viên Phạm Thành Bình TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Ngày xu tồn cầu hóa kinh tế thể giới, khoa học công nghệ phát triển cách nhanh chóng, cơng nghệ cao cơng nghệ thơng tin, công nghệ sinh học, công nghệ nano, công nghệ hàng không vũ trụ trở thành mùi nhọn cho phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đột biển nhiều quốc gia Công tác trắc địa thực chất xác định vị tri tất cá điểm tức xác định giá trị (x.y) (h), việc xác định xác điểm địi hỏi phải áp dụng thành tựu khoa học cơng nghệ, số cơng nghệ vệ tinh dẫn đường tồn cầu GNSS Hệ thống tinh dẫn đường toàn cầu GNSS đời giúp việc xác định vị trí điểm mặt đất cách dễ dàng., để nâng cao độ xác định vị GNSS cỏ nhiều phương ản chẳng hạn hạn chể ảnh hưởng tầng điện ly, tầng quyển, xây dựng mô hinh trọng trường trái đất với độ xác cao khu vực xác định, Việc sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tình chinh xác đóng vai trị quan trọng công tác xử lý số liệu để đạt đo xác cao việc xác định vị trí điểm Vi vảy em xin phép chon để tài : “Khảo sát kết xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác” làm đề tài tốt nghiệp TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chương QUY TRÌNH XỬ LÝ SÔ LIÊU LƯỚI GNSS 1.1 Quy trinh xư ly sô liêu lươi GNSS 1.1.1 Sơ đồ quy trình đo đạc thành lập lưới cơng nghệ GNSS Thiết kế lưới, chọn điểm, chôn mốc Lập lịch đo Thiết kế ca đo Đo đạc thực địa Định tâm cân máy Bật máy thu Đo cao ăngten Ghi sổ đo Ngày đo Người đo Số máy Tên điểm Cao máy Thời gian bật máy Thời gian tắt máy Đợi máy thu tín hiệu khoảng thời gian xác định Di chuyển máy thu Chuyển ca đo Cố định vài máy trạm gốc Hình 1.1 Sơ đồ quy trình đo đạc ngồi thực địa công nghệ GNSS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 1.1.2 Quy trình sử lý lưới cơng nghệ GNSS Cài đặt phần mềm sử lý số liệu GNSS Trút số liệu đo đạc thực địa vào máy tính Nhập liệu thơ vào phần mến sử lý số liệu GNSS Lựa chọn phép chiếu hệ tọa độ cho phù hợp với vực sử lý Sử lý cạnh Phân tích liệu Đạt Tiến hành bình sai lưới Kiểm tra kết tính tốn bình sai Đạt Lập báo cáo kỹ thuật Xuất liệu sang dạng định dạng khác Hình 1.2 Sơ đồ quy trình sử lý số liệu lưới GNSS TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 1.1.2.1 Cài đặt phần mềm sử lý số liệu GNSS Tùy theo nhu cầu người sử lý số liệu mà ta lựa chọn phần mềm xử lý cho phù hợp với mục đích sản phẩm đáp ứng nhu cầu công việc Hiện thị trường có nhiều phần mềm sử lý số liệu đo GNSS phải kể đến phần mềm thông dụng hãng Trimble (Mỹ) - Trimble Business Center - Trimble Total Control - Trimble Geomatic Office 1.1.2.2 Trút số liệu đo Các máy thu GPS loại đại chứa số liệu quan trắc vào nhớ trong, máy thu cũ lại ghi số liệu vào đĩa mềm từ Bước công tác xử lý số liệu đo cơng tác trút số liệu từ máy thu vào ổ đĩa cứng máy tính Việc trút số liệu thực nhờ phần mềm hãng chế tạo máy thu cung cấp ví dụ modul độc lập dùng trút số liệu GPload hãng Trimble Trimbl Geomatic Office, sử dụng modul trút số liệu Data Transfer cho máy thu R-3 Đối với máy thu hãng TOPCON sử dụng modul TOPCON LINK để trút số liệu Cần lưu ý tới cổng trút số liệu cáp trút số liệu Các máy thu GNSS hệ có cổng giao tiếp với máy tính qua cổng USB (hình 1.3) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 47 0.05 m 0.05 m 0.05 m 0.05 m Trước năm 1992, chất lượng lịch vệ tinh coi nguồn sai số hạn chế độ xác đo GPS trắc địa địa động học Từ tổ chức IGS đời vào hoạt động, sai số đo GPS gây chất lượng lịch vệ tinh khơng cịn đáng kể Với sản phẩm IGS cho phép xác định vectơ cạnh mạng lưới địa động học với độ xác mức vài mm khoảng cách lớn Một sản phẩm quan trọng lịch vệ tinh thông tin đồng hồ vệ tinh với độ xác cao Với nhiều phân tích tích việc sử dụng lịch vệ tinh xác xử lý liệu GPS độ xác cao cần thiết quan trọng, mạng lưới GPS địa động học có vectơ cạnh lớn để đạt kết tốt 2.1.4 Lịch vệ tinh dự báo Mục đích lịch vệ tinh dự báo cung cấp tài liệu với độ xác khơng cao giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm vệ tinh máy thu đặt nhiệm vụ tính tốn đồ minh bạch Tài liệu niên giám cập nhật ngày quảng bá phần thông tin vệ tinh Thông tin niên giám chủ yếu chứa tham số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, quỹ đạo tất vệ tinh thể bảng 2.5 Tham số l biểu thị chênh lệch kinh độ nút thời điểm t0 kinh độ nút thời gian thiên văn Greenwich t 0, thời điểm bắt đầu tuần GPS hành Tham số ID WEEK TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 48 t0 Thời điểm √ e a Độ lệch tâm M0 Ω Khoảng cá Sự lên trôi dạt nút lên giây δi l0 ω Căn bậc h Argument điểm cận a0 a1 Lịch vệ tinh dự báo đưa lên website trung tâm thông tin không gian chuẩn (http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsAlmanacs) website cục phòng vệ bờ biển Mỹ (http://www.navcen.uscg.gov/ftp/GPS/almanac/yuma) dạng YUMA Dưới đoạn tệp YUMA tuần 749 vệ tinh 01 ******** Week 749 almanac for PRN-01 ******** ID: Health: Eccentricity: Time of Applicability(s): Orbital Inclination(rad): Rate of Right Ascen(r/s): SQRT(A) (m 1/2): Right Ascen at Week(rad): 0.9331366920E+000 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 49 Argument of Perigee(rad): 0.420017871 MeanAnom(rad): 0.3864538025E-002 Af0(s): 0.9822845459E-004 Af1(s/s): 0.3637978807E-011 week: 749 Trong ID: Số hiệu vệ tinh Health (tình trạng vệ tinh): 000 = dùng Eccentricity (độ lệch tâm): Lượng lệch quỹ đạo khỏi vịng trịn (quỹ đạo) Nó khoảng cách tiêu điểm chia cho chiều dài bán trục lớn Time of Applicability (thời gian áp dụng): Số giây quỹ đạo niên giám phát Orbital Incliantion (độ nghiêng quỹ đạo): Góc quỹ đạo vệ tinh mặt phẳng xích đạo (xấp xỉ 550 vệ tinh) Rate of Right Ascension (tốc độ lên nút): Tốc độ thay đổi độ đo góc lên SQRT(A) Square Root of Semi – Major Axis (căn bậc hai bán trục lớn): Khoảng cách tính từ tâm quỹ đạo tới điểm xa điểm gần Argument of Perigee: Độ đo góc dọc theo quỹ đạo đo từ nút lên tới điểm gần nhất, đo theo hướng chuyển động vệ tinh Mean Anomaly (độ lệch trung bình): Góc vượt qua kinh tuyến nút lên (giá trị – 180 độ - âm 180 độ) Nếu giá trị vượt 180 độ, lấy giá tị trừ đo 360 độ để tìm khoảng cách góc trung bình Khi vệ tinh qua điểm gần đầu hướng tới điểm xa nhất, khoảng cách góc trung bình dương Sau qua điểm xa nhất, khoảng cách góc trung bình âm điểm gần Af (0): Độ lệch đồng hồ vệ tinh tính giây Af (1): Độ trơi đồng hồ vệ tinh tính giây giây Việc rút tham số Kepler thời điểm quan sát t thu công thức: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 50 M=M 0+n(t−t0) i=54 +δi l=l0+Ω(t−t0 )−ΩE(t−t0 ) Trong ΩE=7292115 ,1467 10 Ba tham số Kepler khác a, e, ω −11 không thay đổi Chú ý công thức (2.14) số hạng thứ hai vế phải chứa tuế sai nút số hạng thứ ba biểu diễn thay đổi đồng thời gian thiên văn từ thời kỳ đồng hồ vệ tinh cho bởi: t Một đánh giá độ lệch s δ =a0 +a1 (t−t0 ) 2.1.5 Lịch vệ tinh quảng bá Lịch quảng bá, gọi lịch phát tín (broadcast ephemeris) hay lịch thiên văn quảng bá Cùng với thông tin đạo hàng, vệ tinh GPS theo chu kỳ phát lịch vệ tinh quảng bá vệ tinh Các tài liệu theo dõi quỹ đạo bổ sung đưa vào lọc Kalman quỹ đạo hoàn thiện dùng để ngoại suy Trạm điều khiển chịu trách nhiệm tính toán lịch thiên văn gửi lên vệ tinh Lịch vệ tinh quảng bá phần thông tin vệ tinh Về bản, lịch vệ tinh quảng bá chứa thông tin chung, thông tin quỹ đạo, thông tin đồng hồ vệ tinh Các tham số khối thông tin quỹ đạo thời điểm chuẩn, sáu tham số miêu tả Ellip Kepler thời điểm chuẩn, ba số hạng hiệu chỉnh kỷ sáu số hạng hiệu chỉnh tính chu kỳ Các số hạng hiệu chỉnh tính tới ảnh hưởng nhiễu loạn gây tính khơng dạng cầu Trái đất, ảnh hưởng triều trực tiếp áp suất xạ Mặt trời Lịch vệ tinh quảng bá dùng khoảng thời gian miêu tả xấp xỉ tiếng đồng hồ (bảng 2.6) thể thông tin lịch Tham số ID TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com √ C uc C rc C ic a C C C TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 52 a2 Độ trôi tần số đồng hồ vệ tinh Hiện tượng chuyển động nhiễu hình dạng Trái đất khơng hồn tồn trịn xoay, thủy triều xạ Mặt trời Để tính lịch vệ tinh thời điểm quan sát t, cần đại lượng sau tham số a e M M = [√ 0+ l=l0+Ω(t−t0 )−ΩE(t−t0 ) ω=ω0+Cuc cos(2 u )+Cuc sin(2 u ) r=r0+Crc cos(2 u)+Crc sin(2u ) i=i0+Cic cos(2 u )+Cic sin(2 u) Trong u=ω +v argument vĩ độ Khoảng cách địa tâm r tính r phương trình: quan sát Chú ý giá khối thông tin tham số đồng hồ vệ tinh cho phép tính tốn sai số đồng hồ vệ tinh thời điểm quan sát t theo cơng thức: Trong cơng trình nghiên cứu Remondi Hofmann Wellenhof (1989), cho thấy số quỹ đạo có độ xác cỡ m nhờ cập nhật ngày ba lần Máy thu nhận lịch vệ tinh quảng bá thông tin đạo hàng, nhờ xác định tức thời vị trí vệ tinh quỹ đạo (tọa độ X,Y,Z vệ tinh) tốc độ vệ tinh hệ tọa độ WGS-84 Lịch vệ tinh quảng bá sử dụng rộng rãi công tác định vị dẫn đường, công tác đo đạc thông thường * Dạng số liệu RINEX TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 53 RINEX tệp số liệu đo GPS chuẩn hóa dạng ASCII, khơng phụ thuộc vào chủng loại máy thu Các phần mềm xử lý số liệu hãng chế tạo máy thu GPS khác có chức chuyển đổi số liệu sang dạng RINEX Theo quy chuẩn kỹ thuật xây dựng lưới toạ độ quốc gia (QCVN 04 - 2009 BTNMT) cho thấy tệp liệu chuẩn RINEX có file liệu thể dạng xxxx-ddd-s, đó: - xxxx chữ số cuối số hiệu điểm - ddd số thứ tự ngày năm (day of year) - s thứ tự ca đo ngày (session number) Chẳng hạn đo điểm tọa độ hạng III có số hiệu điểm 651442 vào ngày 031 tháng 02 tương ứng với ngày thứ 32 năm ca đo thứ hai ngày tên file 14420322.??? ??? phần mở rộng tên file phụ vào thiết bị đo Từ phiên 2.10 số liệu đo dạng RINEX có dạng xxxxddds.yyo, xxxxddds.yyn đó: - xxxxddds quy định - yy hai số cuối năm (ví dụ năm 2009 yy có giá trị 09) - ký hiệu file đo (observation) - n ký hiệu file lịch vệ tinh (navigation) Chú ý trình chuyển đổi số liệu đo gốc sang số liệu đo dạng RINEX phải đồng thời tiến hành cải độ cao ăngten đo thực địa độ cao thẳng đứng Sau đoạn tệp RINEX máy thu Trimble - R3 sau: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 54 Các tệp số liệu giải thích sau: Các tham số đối đầu tệp đạo hàng: a0[giây] b0[giây] A0[giây] DtLS[giây] Các tham số vệ tinh: prn yy mm dd hh mm sec af0[giây] IODE[giây] Cuc[rad] toe[giây] i0[rad] ˙ idot ( i )[rad/ giây] SV accuracy[m] Thời điểm phát(s) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 55 2.2 Lịch vệ tinh xác 2.2.1 Q trình hình thành phát triển lịch vệ tinh xác Do tầm quan trọng lịch vệ tinh xác, từ năm 1980 tổ chức chuyên môn quốc tế quan tâm, hợp tác xúc tiến việc thiết lập lịch vệ tinh xác Khơng sản phẩm bàn bạc, thống tiêu chuẩn hố, từ đầu lịch vệ tinh xác ký hiệu sp (Standard Product - sản phẩm tiêu chuẩn) Cũng nhiều sản phẩm số liệu GPS khác (tệp Rinex, ), việc tiêu chuẩn hoá mang lại nhiều lợi ích cho cộng đồng người khai thác sử dụng Năm 1982 tổ chức thoả thuận triển khai thiết lập lịch vệ tinh xác Năm 1985, hệ thứ lịch vệ tinh xác công bố gồm sp1 ECF1, sp2 ECF2 Lịch sp1 dạng ASCII, bao gồm thành phần toạ độ thành phần vận tốc vệ tinh thời điểm định Không phải tất ứng dụng GPS địi hỏi độ xác cao, bên cạnh sp1, lịch sp2 đưa vào sử dụng Lịch sp2 dạng ASCII, song bao gồm toạ độ vệ tinh Cấu trúc chi tiết lịch vệ tinh sp1, sp2 tham khảo Benjamin W R (1985, 1989, 1991) ECF1, ECF2 dạng nhị phân tương ứng với sp1 sp2, EF13 dạng nén ECF2 Năm 1989, công bố hệ thứ lịch vệ tinh xác Ngồi thông số hệ 1, tệp lịch vệ tinh xác hệ cịn bổ xung hiệu chỉnh đồng hồ nhằm nâng cao độ xác ứng dụng định vị (positioning) Quá trình hình thành, phát triển đặc điểm dạng lịch vệ tinh xác tổng hợp bảng 2.7 Quỹ đạo tiêu chuẩn hoá mang lại nhiều thuận lợi chuyển đổi lịch Cả hai dạng ASCII nhị phân đáp ứng chức này, song với dạng nhị phân đơn giản dạng độc lập với hệ điều hành máy tính Bảng 2.7 Q trình phát triển lịch vệ tinh xác Thời điểm 19 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 198 198 198 199 200 - Từ cột 62-69: Sai số (standard deviation) vị trí - Hệ số tương quan (correlation) vị trí đồng hồ Việc cơng bố lịch vệ tinh xác IGS điều hành Số liệu quan trắc từ điểm IGS chuyển tới trung tâm sau để xử lý - Jet Propulsion Laboratory (JPL) - Scripps Institution of Oceanography TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 57 - National Geodetic Survey (NGS) - GeoForschungsZentrum (Berlin) - Center for Orbit Determination in Europe (University of Berne, Switzerland) - European Space Agency - Canada (EMR) Lịch vệ tinh xác cuối lời giải tổng hợp lời giải nhận từ trung tâm Lịch vệ tinh xác xác định sở: - Mơ hình xác cho tính chuyển hệ quy chiếu - Mơ hình xác biểu diễn ảnh hưởng dị thường tới vệ tinh điểm đo - Toạ độ xác ITRF điểm quan trắc vệ tinh - Phần mềm xử lý - Mơ hình sai số độ trễ khí hiệu - Mơ hình áp lực bão Mặt trời - Hệ thống điểm quan trắc liên tục với quy mơ tồn cầu, thu thập số liệu với chất lượng cao Bên cạnh cần cở sở tính tốn xử lý số liệu (mang tính thời gian thực) đủ mạnh Nhiệm vụ trung tâm quốc tế đề cập đảm đương Đối với chúng ta, nhiệm vụ khả thi thiết lập trạm đo liên tục, đáp ứng chuẩn quốc tế tham gia vào hệ thống lưới xử lý số liệu IGS 2.2.2 Cấu trúc lịch vệ tinh xác Mỗi phần mềm xử lý số liệu sử dụng dạng lịch vệ tinh định Khi xử lý số liệu GPS có sử dụng lịch vệ tinh xác cần nắm vững cấu trúc, đại lượng ý nghĩa chúng Về tổng quát, cấu trúc loại lịch vệ tinh xác chia làm hai phần: phần đầu tệp (header) phần thân tệp Phần đầu tệp gồm thông báo tổng quát loại lịch, quan phát hành, thời gian, loại vệ tinh, Phần thân tệp đại lượng liên quan trực tiếp tới lịch vệ tinh Tuỳ loại lịch mà TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 58 đại lượng đặc trưng ý nghĩa chúng có khác Về nguyên tắc, quan phát hành lịch vệ tinh có thơng báo giải thích chi tiết cấu trúc lịch Từ ngày 29/1/2006, IGS bắt đầu phát hành lịch sp3c (http://www.airspace.us/sci.geo.satellite-nav/16 /), trình bày cách chi tiết cấu trúc tệp lịch (Hilla, S 2002b); loại lịch khác tìm hiểu cách tương tự Ở bang thể đoạn thông tin lịch vệ tinh xác dạng ( *.sp3) Bảng 2.8 Một phần tệp lịch *.sp3 Hàng Phiên lịch (c), loại lịch (P: vị trí hay V: vận tốc), thời gian, số record (192), mô tả số liệu sử dung (ORBIT: hỗn hợp số liệu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com nhiều sau đ 3-7 Số hiệu v Độ 8-12 số 2, giá sau: ví dụ Ký hiệu c 13 M vệ ti Hệ thời g 15 Số hiệu vệ tinh (G01); toạ độ X, Y, X (km); sai số đồng hồ 24 (thân tệp) (microsec); x-sdev,y-sdev, z-sdev(b**n mm: giá trị b thông báo hàng 15 1,25, n = 18 lệch chuẩn 1,2518~ 56mm); đồng hồ-sdev (tương tự tính b**n psec: 1.025**219 = 223,1138~223 picoseconds) Trên đặc điểm quan trọng để nhận biết đại lượng, thông số ý nghĩa chúng tệp lịch Đối với ứng dụng cụ thể cần phải tìm hiểu cách chi tiết hiểu sâu sắc từ tài liệu kèm quan phát hành lịch TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Cơ số để ... loại lịch vệ tinh: Lịch vệ tinh dự báo, lịch vệ tinh quảng bá , lịch vệ tinh xác Các lịch vệ tinh khác độ xác thời gian có lịch vệ tinh Bảng 2.1 thể độ xác số liệu Bảng 2.1 Khái quát lịch vệ tinh. .. skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Báo cáo tốt nghiệp chuyên ngành trắc địa với đề tài ? ?Khảo sát kết xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác? ?? kết q trình cố gắng không ngừng... định vị trí điểm Vi vảy em xin phép chon để tài : ? ?Khảo sát kết xử lý số liệu GNSS sử dụng lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác? ?? làm đề tài tốt nghiệp TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com