Các bài tập được phát triển với các phép đo GPS thực tế, và được xử lý bằng bộ công cụ ESA/UPC GNSS-Lab Tool gLAB, đây là gói phần mềm tương tác để xử lý và phân tích dữ liệu GNSS.Bài th
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH Đánh giá nhiễu phép đo C1, P1, P2 kết hợp mã PC Giảng viên hướng dẫn: ThS Phương Xuân Quang Mã lớp: 142120 Nhóm: 03 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Sơn - 20182756 Nguyễn Xuân Đức - 20192784 Hà Nội, 6-2023 LỜI NÓI ĐẦU GPS (Global Positioning System) công nghệ quan trọng phổ biến định vị tồn cầu, có ảnh hưởng lớn đến sống hàng ngày Trong báo cáo này, nhóm trực tiếp tìm hiểu lỗi vĩ trí gây quỹ đạo vệ tinh, tham số PDOP số lượng vệ tinh GPS sử dụng tầm quan sát Việc tìm hiểu tham số thơng qua công cụ gLAB Tool gLAB phần mềm phát triển nhóm nghiên cứu gAGE - Research group of Astronomy & Geomatics Technical University Catalonia (UPC), phòng nghiên cứu trường đại học kỹ thuật bậc Catalonia – Tây Ban Nha Việc tiếp cận công cụ gLab nhằm mục đích thực hành tập dùng để phân tích đánh giá vấn đề khác liên quan đến Standard and Precise Positioning với liệu GPS, quy trình xử lý liệu GNSS Các tập phát triển với phép đo GPS thực tế, xử lý công cụ ESA/UPC GNSS-Lab Tool (gLAB), gói phần mềm tương tác để xử lý phân tích liệu GNSS Bài thực hành nhóm em hồn thiện cịn gặp nhiều thiếu sót hạn chế mặt kiến thức chuyên sâu việc tiếp cận với vài thuật ngữ chuyên ngành lạ Tuy nhiên nhóm tiếp cận nhiều kiến thức hữu ích lẫn đánh giá thực hành qua cơng cụ hỗ trợ Qua đó, nhóm em xin cảm ơn thầy ThS Phương Xuân Quang tận tâm giảng dạy hỗ trợ chúng em nhiệt tình hết mức để nhóm hồn thành báo cáo đề tài MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Yếu tố hình học vệ tinh tham số DOP GPS Tổng quan phần mềm gLab vệ tinh GRACE-A 2.1 Phần mềm gLab 2.2 Sơ lược vệ tinh GRACE-A 2.2.1 Năng lực nhiệm vụ 2.2.2 Thông số kỹ thuật 2.2.3 Phần không gian phần cứng 2.2.4 Tần số băng tần S hai hệ thống vệ tinh PHẦN II, XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined Xử lý liệu vệ tinh GRACE-A phần mềm gLAB Error! Bookmark not defined Phân tích tiến trình lỗi đồ thị kết Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH ẢNH PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Yếu tố hình học vệ tinh tham số DOP GPS Các tham số DOP (Dilution of Precision) định nghĩa yếu tố hình học liên quan đến tham số vị trí người dùng sai lệch thời gian với tham số sai số giả khoảng cách Các quan hệ DOP GPS tuyến tính hóa phương trình giả khoảng cách liên quan đến ma trận Jacobian vị trí người dùng độ lệch thời gian thay đổi giá trị giả khoảng cách Mối quan hệ sử dụng thuật toán nghịch đảo liên kết hiệp phương sai vị trí người dùng độ lệch thời gian với hiệp phương sai lỗi giả khoảng cách Phần bù x vị trí thời gian người dùng so với phần bù giá trị giả khoảng cách error-free quan hệ theo phương trình tuyến tính sau: HΔx = Δp o o Véc-tơ Δx gồm thành phần: thành phần bù vị trí người sử dụng với điểm tuyến tính thành phần bù lệch thời gian với điểm lệch thời gian giả định Véc-tơ Δp phần bù giá trị giả khoảng cách không lỗi tương ứng với vị trí thật người sử dụng với điểm tuyến tính Ma trận H có kích thước nx4 H= [𝑎𝑥1 𝑎𝑦1 𝑎𝑧1 1] = (axi, ayi, azi), Véc-tơ đơn vị hướng từ điểm tuyến tính hóa tới vệ tinh thứ i Giả thiết với vệ tinh n = 4, điểm tuyến tính gần vị trí người sử dụng, giải hệ phương trình: Δx = H-1Δp Nếu coi phép đo giả khoảng cách phép đo vị trí thời gian khơng lỗi ta có phương trình sau: Δp = pT - pL + dp Δx = xT – xL + dx ▫ Trong đó: pT véc-tơ giả khoảng cách không lỗi pL véc-tơ giả khoảng cách tính điểm tuyến tính hóa dp lỗi giả khoảng cách xT véc-tơ vị trí thời gian khơng lỗi xL véc-tơ vị trí thời gian tính điểm tuyến tính hóa dx lỗi vị trí thời gian Thực biến đổi phương trình với ma trận phương sai: HΔx = Δp ; Δx = H-1Δp Phương trình (*) Là mối quan hệ lỗi giả khoảng cách lỗi tính tốn vị trí lệch thời gian Ma trận , gọi ma trận nghiệm bình phương nhỏ nhất, ma trận × n phụ thuộc vào dạng hình học tương đối người dùng vệ tinh tham gia tính tốn nghiệm bình phương nhỏ Áp dụng lý thuyết trình ngẫu nhiên, coi biến ngẫu nhiên có quan hệ hàm với Véc-tơ dr có thành phần tổng hợp theo phân bố Gaussian trung bình Vậy nên: Thay vào phương trình (*), ta được: (**) Giả thiết có phân bố xác định phương sai (Variance) bình phương UERE vệ tinh, viết dạng tích vơ hướng: Thay vào phương trình (**), ta thu được: Thành phần ma trận (HTH)-1lượng hóa lỗi giả khoảng cách thành thành phần hiệp phương sai Covariance Các tham số suy giảm độ xác DOP định nghĩa tỷ số kết hợp cov(dx) sUERE Ma trận thu dạng thành phần sau: Khi đó, tham số suy giảm độ xác tổng quát GDOP (General Dilution of Precision) định nghĩa sau: Từ đó, ta có tham số suy giảm độ xác vị trí PDOP: Tham số PDOP tham số nhóm chúng em lựa chọn để đánh giá đồ thị “3D Error Formal” với giả định Đánh giá chi tiết nhóm trình bày phần II báo cáo Tổng quan phần mềm gLab vệ tinh GRACE-A 2.1 Phần mềm gLab Được phát triển nhóm nghiên cứu gAGE - Research group of Astronomy & Geomatics Technical University Catalonia (UPC), phòng nghiên cứu trường đại học kỹ thuật bậc Catalonia – Tây Ban Nha, biết đến với tên “Barcelona Tech” Việc tiếp cận cơng cụ gLab nhóm nhằm mục đích thực hành tập dùng để phân tích đánh giá vấn đề khác liên quan đến Standard and Precise Positioning với liệu GPS, quy trình xử lý liệu GNSS Các tập phát triển với phép đo GPS thực tế, xử lý công cụ ESA/UPC GNSS-Lab Tool (gLAB), gói phần mềm tương tác để xử lý phân tích liệu GNSS Một số ưu điểm phần mềm gLab Tool để đánh giá liệu GNSS: - Khả định vị xác cao Cấu hình đầy đủ Dễ sử dụng Truy cập vào tính tốn nội Hoạt động tron mơi trường Window Linux Một số chức đặc biệt gLab Tool: - Khả đọc files: RINEX observation: Giữ liệu máy thu chứa giả khoảng cách clock RINEX navigation message: Dữ liệu định vị giải mã txt SP3 precise satellite clocks and orbits files: chứa thông số thay đổi đồng hồ quỹ đạo vệ tinh… - ANTEX Antenna information files Tiền xử lý Module: - Carrier-phase prealignment: Căn chỉnh đo sóng mang - Carrier-phase / pseudorange consistency check: Kiểm tra tính quán pha sóng mang / giả khoảng cách - Cycle-slip detection (customizable parameters) :Phát mặt bám, chu kỳ trượt… Mơ hình hố Module: Fully configurable model, Satellite positions, Satellite clock error correction, Earth rotation during signal flight time,… Khả khảo sát từ đánh giá sơ thành phần mơ hình khác liên quan Standard and Precise Positioning, đến định vị động học vệ tinh LEO (Low Earth Orbit), phân tích chuyên sâu phép đo GPS nguồn lỗi liên quan Ở phần báo cáo này, nhóm cụ thể khảo sát mơ hình Stardard Point Positioning (SPP) đánh giá lỗi vị trí máy thu số lượng vệ tinh dùng GPS dựa tệp liệu thu từ vệ tinh GRACE-A 2.2 Sơ lược vệ tinh GRACE-A Loại nhiệm vụ EO Hãng sản xuất DLR, ESA, GFZ, NASA Tình trạng nhiệm vụ Đã hủy, Nhiệm vụ hồn thành Ngày phóng 17 tháng 03 năm 2002 Phạm vi đo lường Trọng lực, từ trường, đại dương đất đai Hạng mục đo lường Địa hình, dịng chảy đại dương, trọng lực, phép đo từ tính động đất, độ ẩm đất Chi tiết đo lường Trường trọng lực, từ trường (vô hướng), từ trường (vectơ), độ ẩm bề mặt đất, địa hình động lực đại dương 2.2.1 Năng lực nhiệm vụ GRACE mang theo hệ thống thiết bị khoa học (SIS) thiết bị K/KaBand Rangeing (KBR) SIS bao gồm tất yếu tố hệ thống định vị vệ tinh, máy thu Hệ thống Định vị Tồn cầu (GPS) cần thiết cho thí nghiệm xác định che khuất quỹ đạo xác cảm biến liên quan Star Camera Assembly (SCA) Nó phối hợp hoạt động tích hợp tất cảm biến, đảm bảo khả tương thích chúng với với vệ tinh KBR phát thay đổi tức thời, cực nhỏ khoảng cách hai vệ tinh sử dụng thông tin để thực phép đo lực hấp dẫn với mức độ xác chưa có trước 2.2.2 Thông số kỹ thuật GRACE-1 dẫn đầu GRACE-2, với hệ thống đẩy khí lạnh tàu sử dụng để tách hai vệ tinh khoảng cách từ 170 km đến 270 km Độ xác hệ thống GRACE đủ để xác định thay đổi khối lượng tương đương với lượng nước có độ sâu 0,01 m bán kính khoảng 400 km GRACE có chu kỳ lặp lại 30 ngày để xác định trường trọng lực tháng Hai vệ tinh, GRACE-1 GRACE-2, ban đầu nằm quỹ đạo đồng phẳng cực tròn độ cao 500 km, cuối phân rã thành 300 km độ nghiêng 89° 2.2.3 Phần khơng gian phần cứng GRACE kích hoạt cấu trúc FLEXBUS Astrium thiết kế Nó bao gồm Nhựa Gia cố Sợi Carbon (CFRP), vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt thấp, mang lại ổn định kích thước cần thiết cho phép đo thay đổi phạm vi xác hai vệ tinh GRACE Hệ thống kiểm soát quỹ đạo độ cao ổn định ba trục (AOCS) bao gồm cảm biến khác Cảm biến Mặt trời Trái đất Thô (CESS), từ kế Forster gắn cần, Tổ hợp Camera Ngơi cảm biến có độ xác cao BlackJack Đơn vị Đo lường Quán tính (IU) quay hồi chuyển quang học cung cấp thông tin ba trục chế độ sinh tồn Các truyền động bao gồm hệ thống khí lạnh với 12 đẩy điều khiển độ nghiêng hai đẩy điều khiển quỹ đạo, có công suất 40 mN ba từ trường 2.2.4 Tần số băng tần S hai hệ thống vệ tinh Tuyến xuống: 2211,0 MHz cho vệ tinh 2260,8 MHz cho vệ tinh Điều chế: BPSK/NRZ điều chế sóng mang phụ Tốc độ liệu 32 kbit/s liệu thời gian thực Mbit/s liệu kết xuất Tuyến lên: 2051,0 MHz cho vệ tinh 2073,5 MHz cho vệ tinh Điều chế: BPSK/NRZ XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 2.1 Xử lý liệu vệ tinh GRACE-A phần mềm gLAB Bài tập xử lý liệu mà nhóm giao từ tệp phép đo đạc vệ tinh GRACE – A qua việc xử lý phần mềm gLAB cho kết đồ thị, từ đánh giá độ trễ tầng điện ly Ngồi cịn thêm nhiệm vụ so sánh với mơ hình hiệu chỉnh Klobuchar Tập liệu bao gồm tệp là: tệp phép đo đạc (measurements file): graa0800.07o; tệp quỹ đạo đồng hồ GPS (orbits and clocks): tệp phát tin (broadcast): brdc0800.07n, tệp xác (precise): cod14193.sp3, cod14193.clk, igs05_1402.atx; tệp quỹ đạo tham chiếu xác vệ tinh GRACE-A: GRAA_07_080.sp3 Để xử lý tín hiệu nhóm tiến hành thực theo bước sau: Đầu tiên ta bắt đầu khối chức INPUT chế độ Positioning Tại đây, ta thực thao tác đây: - Trên cơng cụ chọn Tempaltes sau chọn SPP (hoặc nhấn phím F1) Tại “A Priori Receiver Position From” chọn “Calculate” Chọn tệp đầu vào: + Observation file: graa0800.07o - chứa liệu đo đạc + Broadcast file: brdc0800.07n – chứa liệu việc phát tin Sau chuyển sang khối chức PREPROCESS, ta thiết lập giá trị Data Decimation thành 30 giây thay cho giá trị mặc định ban đầu 300 giây Mục đích việc thực thao tác để làm tăng số lượng mẫu đầu nhiều Tiếp theo, khối chức MODELLING, ta bỏ chọn hiệu chỉnh tầng điện ly (Ionospheric correction) hiệu chỉnh tầng đối lưu (Tropospheric correction) vệ tinh GRACE-A nằm độ cao 450 km so với bề mặt Trái Đất nên lỗi tầng đối lưu không ảnh hưởng tới phép đo đạc, lỗi tầng điện ly ảnh hưởng so với mặt đất 10 Cuối khối chức OUPUT, Output Messages, ta cần chọn in tin sau: Print INFO, Print INPUT, Print MODEL, Print OUTPUT Xong rồi, ta nhấn Run gLAB để chạy cho phần mềm xử lý liệu Chạy xong, ta xem tin in cách nhấn vào Show Output Để vẽ kết đồ thị, ta chuyển sang chế độ Analysis cách chọn Mode cơng cụ , sau chọn Analysis (hoặc nhấn tổ hợp phím Ctrl+A) Chọn measurements noise 11 12 13 2.2 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ NHẬN XÉT 14 Nhận xét - Các mẫu nhiễu lớn xuất cuối cung liệu Điều gây nhiễu nói chuyện chéo với khác thành phần Hình phía cho thấy đồ đa đường cho GRACE-A - Mã P2 ồn P1 C1 - Tổ hợp mã PC tổ hợp ồn nhất, mong đợi 15 [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO Elliott D Kaplan, "Unstanding GPS Principles and Applications, Second Edittion", 2006 [2] gAGE Lab, “GNSS Data Processing Lab Exercises”, gLAB version 2.2.0 [3] J Sanz Subirana, J.M Juan Zornoza, M Hernández-Pajares, "GNSS Data Processing," 2012 [4] Understanding-GPS-Principles-and-Applications-2nd_Kaplan2006 [5] Day-5-T3.-Kinematic-orbit-estimation-of-a-LEO-satellite [6] GNSS_Data_Processing_Lab_Exercises 16