Untitled SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4 2016 Trang 36 Khả năng cải thiện độ chính xác định vị điểm khi kết hợp GPS và SBAS Đỗ Công Hữu 1 Nguyễn Ngọc Lâu 2 1 Trường Đại học Tài ngu[.]
SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 Khả cải thiện độ xác định vị điểm kết hợp GPS SBAS Đỗ Công Hữu Nguyễn Ngọc Lâu Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Tp HCM Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM (Bản thảo nhận ngày 28 tháng 06 năm 2016, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 06 tháng 08 năm 2016) TÓM TẮT Các vệ tinh địa tĩnh thuộc hệ thống tăng cho hệ thống GPS Bài báo trình bày khảo cường SBAS khơng truyền số cải sát nhằm đánh giá khả cải thiện độ mà cung cấp mã C/A lịch vệ tinh xác định vị điểm xử lý kết hợp trị đo địa tĩnh tần số L1 Lúc này, vệ tinh địa tĩnh vệ tinh địa tĩnh thuộc hệ thống SBAS SBAS giống vệ tinh GPS cung cấp trị đo giả vệ tinh GPS Việc khảo sát thực nội cự ly đến người dùng Đặc điểm trị đo dung đánh giá đóng góp vệ tinh địa ln thường trực vệ tinh địa tĩnh tĩnh vào cấu hình định vị Kết cho thấy không di chuyển Hiện nay, số lượng vệ tinh địa số PDOP cải thiện từ 1.2 đến 1.7 lần tĩnh hệ thống SBAS gia tăng đáng kể xử lý kết hợp Đây nguồn bổ sung trị đo giả cự ly Từ khóa: GPS, SBAS, định vị kết hợp, cải thiện độ xác GIỚI THIỆU SBAS (Satellite Based Augmentation System) hệ thống định vị tăng cường dựa sở vệ tinh Nói cách khác, hệ thống định vị GPS vi phân diện rộng phát triển đưa vào sử dụng từ khoảng năm 2003 Hệ thống SBAS bao gồm mạng lưới trạm tham chiếu hệ thống phát tín hiệu cải diện rộng thông qua vệ tinh viễn thông địa tĩnh Các vệ tinh địa tĩnh hệ thống SBAS khơng phát tín hiệu cải mà cung cấp trị đo giả cự ly tương tự vệ tinh GPS Nếu khảo sát đánh giá độ tin cậy trị đo Đây tiền đề tạo nên sở lý thuyết cho việc định vị kết hợp Trang 36 trị đo vệ tinh GPS trị đo vệ tinh địa tĩnh SBAS Điều góp phần quan trọng việc cải thiện độ xác định vị số lượng trị đo bổ sung đáng kể Trong báo này, tập trung vào việc chứng minh khả cải thiện độ xác kết hợp GPS SBAS dựa vào số DOP giả sử chất lượng trị đo SBAS GPS Việc khảo sát độ xác trị đo SBAS trình bày báo khác CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tín hiệu L1 vệ tinh SBAS TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 Các vệ tinh địa tĩnh SBAS khơng phát tín hiệu cải mà cịn phát lịch vệ tinh địa tĩnh C/A-code tần số L1(của GPS) Vì tần số phát giống tần số vệ tinh GPS máy thu GPS người sử dụng thu giải mã, cung cấp trị đo giả cự ly từ vệ tinh SBAS đến máy thu [1], [3] Lúc vệ tinh địa tĩnh trở thành vệ tinh định vị tương tự vệ tinh GPS cung cấp bổ sung nguồn trị đo khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh địa tĩnh Các vệ tinh địa tĩnh không di chuyển vệ tinh GPS nên trị đo thường trực khu vực đo Với đồ hình phân bố hệ thống SBAS nay, số lượng vệ tinh địa tĩnh hoạt động quỹ đạo xích đạo lên tới khoảng 13 vệ tinh (số lượng tăng hệ thống khác hoàn thiện) phân bố bao phủ tồn cầu (Hình 1) Tại điểm thu nhận từ 2-3 trị đo vệ tinh địa tĩnh Điều làm gia tăng đáng kể số lượng trị đo thu trạm thu 2.2 Trị đo vệ tinh SBAS Giống vệ tinh GPS, vệ tinh địa tĩnh hệ thống SBAS gán mã giả ngẫu nhiên theo thứ tự (Pseudo Random Noise – PRN) Vì thế, số hiệu vệ tinh ký hiệu kèm PRN (ví dụ: PRN127, PRN139…) Việc thu giải mã tín hiệu dùng kỹ thuật tương tự tín hiệu GPS Đối với máy thu GNSS có khả thu tín hiệu SBAS file trị đo có từ q trình thu bao gồm file trị đo (observation) chứa trị đo vệ tinh GPS SBAS (Hình 2), file lịch vệ tinh GPS (navigation) chứa thông số quỹ đạo vệ tinh GPS, file lịch vệ tinh SBAS (SBAS Navigation) chứa thông số tọa độ vệ tinh địa tĩnh SBAS (Hình 3) Hình Đồ hình phân bố vệ tinh địa tĩnh SBAS 2015 08 G01 S27 22973424.062 39894329.029 04 00 01 30.0000000 120726159.06707 209646105.30705 32 G03 G31 23670440.304 24935174.980 S37 37533496.127 2601.349 -5.168 124389000.67605 131035235.34306 2341.878 2456.501 197239856.52107 3.049 … Hình Cấu trúc file Observation_Rinex_v3.01 chứa trị đo SBAS Trang 37 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 … S37 2015 08 04 00 01 04 6.891787052155E-08-1.818989403546E-12 1.728400000000E+05 -3.451267336000E+04-5.418750000000E-04-1.000000000000E-07 3.100000000000E+01 2.419934632000E+04-1.921875000000E-03-5.000000000000E-08 1.600000000000E+01 -1.114800000000E+00-1.024000000000E-03 0.000000000000E+00 1.500000000000E+02 … Hình Cấu trúc Navigation_SBAS_Rinex_v3.01chứa tham số tọa độ vệ tinh SBAS 2.3 Tọa độ vệ tinh Tọa độ vệ tinh GPS tính từ tập tham số quỹ đạo vệ tinh cho lịch phát tín Các cơng thức, thuật tốn tính tốn vấn đề sai số tham khảo đầy đủ theo tài liệu [4], [5] Khác với hệ thống định vị GPS, lịch vệ tinh địa tĩnh hệ thống SBAS lại cung cấp vector trạng thái gồm tọa độ, vận tốc gia tốc vệ tinh thời điểm lịch (giống GLONASS) Trên sở cần phải tính tọa độ vệ tinh thời điểm quan sát (t) [6] Để tính tọa độ vệ tinh thời điểm quan sát (t), người ta sử dụng phương pháp Runge – Kutta Bài báo sử dụng công thức Runge – Kutta bậc để đảm bảo độ xác xác định tọa độ vệ tinh SBAS Công thức Runge – Kutta bậc có dạng: Các thời điểm tham khảo cho lịch vệ tinh địa tĩnh thường cách phút Việc lựa chọn bước tích phân h theo công thức (1) cần phải xem xét cho phù hợp để đảm bảo độ xác tọa độ vệ tinh địa tĩnh theo thời gian tham khảo (t) tương tự thực tài liệu [7] 2.4 Thuật toán định vị Thuật toán định vị tuyệt đối thực dựa phương trình giả cự ly nêu tài liệu định vị vệ tinh GPS [4] Hệ phương trình xác định tọa độ máy thu hệ phương trình phi tuyến giải phương pháp gần Do vậy, độ xác tọa độ máy thu phụ thuộc vào phân bố hình học vệ tinh nên cần đánh giá chất lượng hình học lời giải tốn định vị thông qua số DOP 2.5 Chỉ số DOP (1) Trong ký hiệu đạo hàm bậc nhất: (2) Và (3) (4) DOP (Dilution Of Precision) - độ suy giảm độ xác hay độ phân tản độ xác thuật ngữ sử dụng kỹ thuật định vị GPS nhằm xác định ảnh hưởng cấu hình hình học vệ tinh đến độ xác định vị trị đo Giá trị DOP số không đơn vị (bài báo khảo sát đến số PDOP) Cơng thức tính PDOP theo tài liệu [2] : (7) (5) (6) Trang 38 Với Q ma trận nghịch đảo ma trận hệ số phương trình chuẩn: TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 (8) (9) Trong định vị, thường sử dụng số PDOP GDOP để đánh giá Khi vệ tinh nhiều phân bố bầu trời theo phương vị góc cao PDOP nhỏ, chất lượng hình học lời giải tốt Do yếu tố ảnh hưởng đến số DOP số lượng vệ tinh vị trí vệ tinh bầu trời nên việc khảo sát đánh giá đóng góp vệ tinh SBAS vào cấu hình định vị cần thiết 2.6 Quy trình xử lý liệu khảo sát Việc khảo sát, đánh giá chất lượng trị đo SBAS đạt hiệu tối ưu nghiên cứu tính tốn hiệu chỉnh đầy đủ nguồn sai số ảnh hưởng đến trị đo Riêng báo này, phạm vi khảo sát thực nội dung tính tốn giá trị DOP để đánh giá mực độ tác động cấu hình vệ tinh SBAS đến lời giải tốn định vị * Quy trình xử lý liệu thực theo bước sau: Thu thập liệu đo từ tram thu IGS có trang bị antenna thu tín hiệu SBAS Trong phạm vi báo sử dụng trị đo giả cự ly C1 Thực toán định vị điểm đơn tính tốn số DOP theo liệu: GPS, GPS+SBAS So sánh kết để kết luận đánh giá DỮ LIỆU VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT 3.1 Nguồn liệu Để có kết khảo sát tốt cần phải có liệu thu ổn định liên tục Vì kết khảo sát, báo sử dụng nguồn liệu thu từ trạm IGS có trang bị antenna có khả thu đầy đủ liệu đo vệ tinh SBAS Dữ liệu phục vụ khảo sát lấy từ trạm IGS NNOR đặt thị trấn New Norcia – Australia Trạm thu sử dụng anten ASHTECH Z-XII3 có khả thu tín hiệu vệ tinh SBAS [8], [9] Vị trị địa lý trạm NNOR chọn tương đồng với Việt Nam, khu vực nằm vùng phủ vệ tinh PRN127, PRN128, PRN129, PRN137 thuộc hệ thống MSAS Nhật GAGAN Ấn độ Nếu thu đầy đủ số lượng trị đo từ vệ tinh địa tĩnh 3.2 Phương pháp khảo sát Việc tính tốn khảo sát báo thực theo nội dung: Khảo sát độ lệch kết PDOP từ trị đo hỗn hợp GPS+SBAS kết tính PDOP từ trị đo GPS đơn thời điểm khảo sát định theo số lượng vệ tinh khác khảo sát độ lệch số PDOP liên tục 24 Dữ liệu khảo sát theo trường hợp sau: - Trường hợp 1: Khảo sát số PDOP theo số lượng vệ tinh Số lượng vệ tinh GPS+3 vệ tinh SBAS Số lượng vệ tinh GPS+3 vệ tinh SBAS - Trường hợp 2: So sánh số PDOP liệu suốt 24 liên tục * Các vấn đề trình xử lý: Tọa độ vệ tinh GPS tính từ tham số quỹ đạo cho lịch phát tín (chưa hiệu chỉnh đầy đủ sai số) Tọa độ vệ tinh SBAS tính dựa vào cơng thức Range – Kutta bậc đề nội suy từ thời điểm tham khảo gần cho lịch vệ tinh địa tĩnh Thời gian chuẩn hóa theo GPS cung cấp file trị đo (Thời gian dùng Trang 39 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No K4-2016 khảo sát từ h đến 24 h, số PDOP tính theo giản cách 15 phút) Trong thuật tốn tính tốn, để khảo sát riêng lẻ ảnh hưởng cấu hình vệ tinh SBAS đến cấu hình chung, báo xem trọng số trị đo SBAS GPS Trong thực tế, độ xác trị đo SBAS khác với trị đo GPS mà cho thấy ổn định số DOP ln trì mức thấp Điều lý giải vị trí vệ tinh SBAS thay đổi không đáng kể Tuy kết cịn phụ thuộc vào vị trí trạm thu vệ tinh SBAS nhìn chung cấu hình vệ tinh SBAS bổ sung đáng kể cho toán định vị 3.3 Kết khảo sát Việc tính tốn khảo sát thực phép tính đơn giản với nguồn liệu tối thiểu, tính tốn khảo sát mức độ ảnh hưởng cấu hình vệ tinh SBAS đến tốn định thơng qua số DOP Vấn đề ảnh hưởng trị đo, cần có nghiên cứu tính tốn hiệu chỉnh sai số đánh giá đầy đủ khả kết hợp định vị với trị đo GPS Kết từ Bảng cho thấy, đóng góp cấu hình vệ tinh SBAS làm giảm đáng kể số PDOP - giảm 20 % trường hợp số lượng vệ tinh GPS nhiều (8) giảm đến 40 % trường hợp số lượng vệ tinh GPS (4) Kết khảo sát từ biều đồ so sánh liên tục 24 (Hình 5) cho thấy, cấu hình vệ tinh SBAS khơng làm giảm số PDOP trung bình khoảng 30% so với liệu GPS đơn Bảng Kết khảo sát số DOP theo số lượng vệ tinh Kết GPS (8) GPS (8) + SBAS (3) Mức độ cải thiện PDOP 1.5 1.2 1.2 Kết GPS (4) GPS (4) + SBAS (3) PDOP 3.1 1.8 1.7 Hình Đồ thị so sánh số PDOP cho trường hợp 24 Trang 40 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K4-2016 KẾT LUẬN Từ kết khảo sát nhận thấy rằng, tham gia cấu hình vệ tinh địa tĩnh SBAS góp phần cải thiện đáng kể số DOP Đây vấn đề quan trọng việc cải thiện độ xác định vị Riêng việc đánh giá chất lượng trị đo, cần quan tâm đến vấn đề sai số đồng hồ vệ tinh địa tĩnh sai số tầng điện ly đối lưu Đây vấn đề quan trọng độ cao vệ tinh địa tĩnh cao nhiều so với vệ tinh GPS nên yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường truyền sóng lớn Ngồi ra, lịch vệ tinh địa tĩnh cho dạng vector trạng thái tọa độ vệ tinh.nên việc nội suy cần sử dụng phương pháp tính tốn tin cậy Nếu kết đánh giá chất lượng trị đo từ vệ tinh SBAS khả quan, kết hợp với ổn định cấu hình SBAS độ xác định vị cải thiện đáng kể The capability of accuracy improvement in point positioning using the combination of GPS and SBAS satellites Do Cong Huu Nguyen Ngoc Lau Ho Chi Minh city University Of Natural Resources And Environment, Vietnam Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM, Vietnam ABSTRACT geostationary satellites in orbit around the The geostationary satellite of SBAS equator has risen to 12 (the number will transmits not only corrections but also provides increase in the future) and be distributed to give the code C/A on the L1 frequency On which SBAS geostationary satellites like GPS satellites global coverage The objective of this study is to provide pseudo-ranges measurement C1 The present several surveys to evaluate accuracy features of this measurement is that it is always improvement capability in point positioning permanent because geostationary satellites when processing mixed measurements from the not move This will be an additional source of geostationary satellites in the SBAS and GPS pseudo-range measurement for the GPS system The results show that PDOP can be improved With the current constellation of all SBAS from 1.2 to 1.7 times when mixed processing systems, the number of operational Keywords: GPS, SBAS, combination, accuracy Improvement Trang 41 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K4- 2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lambert Wanninger, The Future is Now GPS+SBAS+GLONASS=GNSS, GPS World, July 2008, pp 42-48 [2] Richard B.Langley, Dilution of Precision, GPS World, May 1999, pp 5259 [3] Van Dierendonck, A J., Hegarty, Chris, Niles, Rick, Morrissey, Tom, Reddan, Pat, Next Generation Satellite Based Augmentation System (SBAS) Signal Specification, Proceedings of the 2005 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, CA, January 2005, pp 371-384 [4] Nguyễn Ngọc Lâu, Bài giảng công nghệ GPS (cao học trắc địa), Bộ môn Địa Tin Học Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh [5] Nguyễn Ngọc Lâu, “Cải thiện phương pháp tính tọa độ vệ tinh GPS từ lịch Trang 42 [6] [7] [8] [9] phát tín”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ – Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2002, pp 3744 Hà Minh Hịa, “Nghiên cứu phương pháp xử lý đồng thời liệu đo GPS/GLONASS để đồng dị thường độ cao vệ tinh – thủy chuẩn dị thường độ cao trọng lực toán xác đinh mặt Geoid”, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học – Hà Nội 10-2008 Nguyễn Ngọc Lâu Dương Minh Âu, “Khảo sát bước bậc phương pháp Runge-Kutta việc tính toán tọa độ vệ tinh GLONASS”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 12 – Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2011, pp 329 Website http://igscb.jpl.nasa.gov/ Website ftp://igs.bkg.bund.de ... positioning using the combination of GPS and SBAS satellites Do Cong Huu Nguyen Ngoc Lau Ho Chi Minh city University Of Natural Resources And Environment, Vietnam Ho Chi Minh city University of. .. tốn tin cậy Nếu kết đánh giá chất lượng trị đo từ vệ tinh SBAS khả quan, kết hợp với ổn định cấu hình SBAS độ xác định vị cải thiện đáng kể The capability of accuracy improvement in point positioning. .. additional source of geostationary satellites in the SBAS and GPS pseudo-range measurement for the GPS system The results show that PDOP can be improved With the current constellation of all SBAS from