Nghiên ứu á phương pháp định vị hính xá và một số giải pháp thử nghiệm

Trang 1 HIỆP CHUN NGÀNH KỸ THUẬT MÁYTÍNHVÀ TRUYỀN THƠNG KHOÁ 2010B--- Đào Vũ HiệpNGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP THỬ NGHIỆMLUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ thuật máy tính và Truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪ KHOA HỌCN

TS Tạ Hải Tùng

Hà Nội – Năm 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chương 3 30T K 30T ỹ thu t đ nh v chính xác đ ng th i gian thực ậ ị ị ộ ờ 30T 43

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS Tạ Hải Tùng giảng viên bộ mô Truyn ền thông và Mạng máy tình, Vi n Công ngh thông tin và Truyệ ệ ền thông đã hết sức quan tâm, tận tình giúp đỡ cũng như chỉ ả b o, định hướng và t o mạ ọi điều ki n thuệ ận

lợi nhất giúp tôi hoàn thành luận văn của mình

Tôi cũng xin cảm ơn tập th các gi ng viên và sinh viên t i Vi n Công nghể ả ạ ệ ệ thông tin và Truyền thông và Trung tâm Navis, trường Đại h c Bách Khoa Hà Nọ ội đã định hướng giúp đỡ, cung c p thông tin cho tôi trong su t quá trình hấ ố ọc tập cũng như thực hi n luệ ận văn của mình

Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình và người thân đã hết lòng ủng hộ, khích lệ tinh thần và luôn động viên tôi vào những lúc khó khăn nh t ấ

để tôi có thêm động l c hoàn thành luự ận văn này

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và ch bỉ ảo tận tình của TS Tạ ải Tùng, cuốn luận văn này là H

sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả ề đề tài trong v

luận văn Mọi số ệu quan điểm, quan ni m, phân tích, k li ệ ết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định Vì v y, tác giậ ả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu c a riêng mình ủ

Hà N i, ngày 22 tháng 1ộ 1 năm 2011

Tác giả

Đào Vũ Hiệp

Danh mục thuậ t ng vi t tắ ữ ế 19T19Tt

Hình 4 Quan hệ ữa đô đo khoả gi ng cách và thời gian lan truy nề U 20

Hình 8 So sánh giữa sai số phép xử lý sai phân khoở ảng cách 44 km và sai số phép

x ử lý kết hợp loại bỏ ầng điện ly t t ừ ữ ệ d li u hai t n sầ ốU 51

Phần mở đầu

Lý do chọ n đ tài ề

Ngày nay trên thế giới, công nghệ dựa trên các hệ ống đị th nh vị ẫn đườ d ng toàn cầu

s dử ụng vệ tinh(GNSS –Global Navigation Satelite System) đã và đang phát triển

rất mạnh với các hệ ống được biết đến như GPS (củ th a M ), GLONASS (c a Nga), ỹ ủCOMPASS (c a Trung Quủ ốc) và châu âu cũng đang triển khai m t hộ ệ thống của riêng mình có tên là GALILEO Trong việc chế ạ t o b thu cho các hộ ệ ố th ng GNSS,

độ chính xác định v ph bi n vào kho ng 10 m Tuy nhiên, có m t sị ổ ế ả ộ ố ứng dụng

dựa trên phép định vị đòi hỏi độ chính xác rất cao như các bài toán khảo sát, bài toàn xây d ng bự ản đồ hay các bài toán điều khiển chính xác, v.v…Đố ới các ứng i v

dụng này, người ta sử ụng phép định vị chính xác ( d Precise Positioning), có độchính xác đến cm Trong đó, thay vì sử ụ d ng mã gi khoả ảng cách, người ta s d ng ử ụpha sóng mang (Carrier Phases) để tính khoảng cách là do độ đo khoảng cách với pha sóng mang có sai số nh ỏ hơn nhiều so với độ đo mã giả khoảng cách Tuy nhiên, khi sử ụng độ đo pha sóng mang lạ d i xu t hi n m t tham s khác g i là các ấ ệ ộ ố ọ

s nhố ập nhằng của sóng mang (Carrier Phase Ambiguities) làm cho phép định vịchính xác ph i thu nhi u mả ề ẫu, mất nhiều thời gian xđể ử lý, không thể đị nh vị ậ v t di chuyển trong thời gian thực đư c Nguyên nhân làm cho phép phân gi i sợ ả ố nguyên

nhập nhằng mất nhiều thời gian là nằm ở ệ vi c các đ đo (pha sóng mang và mã giảộkhoảng cách) khi lan truyền từ ệ tinh tới bộ thu bị ảnh hưở g bởi khá nhiều nguồn v ngây sai số Trong đó, sai số gây b i tầng điệở n ly là nghiêm tr ng nh t Chính vì vọ ấ ậy, các phương pháp định v ị chính xác đều hướng t i việc sử ụớ d ng một hệ ố th ng hỗ ợ tr , cung cấp các thông tin để kh c phục các sai số ắ và phần nào làm gia tăng tốc độ phân

giải các số nhập nhằng nói trên

Nhận thức được những ứng dụng thực tế ủa phép định vị chính xác sử ụng vệ c d tinh

tại Việt Nam trong thời điểm hiện tại cũng như tương lai, tác giả đã lựa chọn thực

hiện luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên ứu các phương pháp định vị chính xác và c

một số ải pháp thử gi nghi m” ệ

Trên thực tế, có ba hướng để ự th c hi n k thuệ ỹ ật định v chính xác s d ng v tinh: ị ử ụ ệ

1 S dử ụng hai ho c nhi ặ ều hơn các thiế ịt b thu Ý tưởng chính của phương pháp này chính là sử ụng phương pháp GPS d sai phân (DGPS-Differential GPS) đểtính vị trí tương đối giữa bộ thu và tr m tham chiạ ếu đã biết trước vị trí thay vì xác định v trí tuyị ệt đối Trong trường h p này, thành ph n sai s ợ ầ ố thường được coi là ít thay đổi gi a các thi t b thu, có th đư c lo i b khi s d ng phép sai ữ ế ị ể ợ ạ ỏ ử ụphân trong điều ki n phù h p ệ ợ

2. Lặp lại phép đo ột chuỗi các tham số quan sát được đưa vào phép lọM c đ ểtính toán sẽ cho phương sai nhỏ hơn đáng kể và ta sẽ đưa ra được vị trí chính xác nh t N u b thu di chuy n, bấ ế ộ ể ộ ọ l c Kalman có th tính toán sể ự thay đổi

trạng thái và cung cấp kết quả quan sát mới

3. Đánh giá sai số và cung cấp thông tin v sai s ề ố cho b ộ thu sẽ làm giả m đ ộ

k thuỹ ật trên chỉ áp dụng được khi khoảng cách giữa bộ thu và trạm tham chiếu là

nh ỏ (dưới 10 km) Điều này x y ra vì các sai sả ố, trong đó lớn nh t là sai s t ng ấ ố ầđiện ly có s sai khác l n gi a hai vùng có khoự ớ ữ ảng cách xa nhau Hướng x lý hi n ử ệtượng này thường là xây d ng m t h th ng các tr m tham chi u, g i là m ng RTK ự ộ ệ ố ạ ế ọ ạ(Network RTK) Trong [6], nhóm nghiên cứu đã đề xu t một phương pháp sử d ng ấ ụ

tối thiểu số lượng trạm tham chiếu nhờ vào việc xây dựng một mô hình tầng điện ly

và cung c p sai ấ số cho từng bộ thu Phương pháp này gọi là WARTK (Wide Area RTK) Trong đó cần ph i xây d ng m t h th ng chả ự ộ ệ ố ức năng trung tâm (CPF – Central Processing Facility) để xây d ng mô hình tự ầng điện ly trung tâm

Ở ột hướ m ng nghiên c u khác, trong cách ti p c n th ứ ế ậ ứ hai, đạt được đ chính ộxác cao (vài cm) ch có thỉ ể đạt được sau vài gi tính toán khi k t quờ ế ả ộ h i tụ đến một giá trị chính xác cho phép Trước đây, hệ ố th ng sẽ phải hoạt động theo mô hình hậu

x ử lý Tuy nhiên, ngày nay có một hướng nghiên cứu việc cung ấp đấy đủ các ctham số ch a lỗữ i thông qua d ch v IGS (International GPS Services) s làm giị ụ ẽ ảm đáng kể thời gian ước lư ng s nguyên nh p nh ng mà ch c n x d ng b ợ ố ậ ằ ỉ ầ ử ụ ộ thu đa

tần số thay vì nhi u thiề ết bị thu Hướng x lý này được gọi là địử nh v điểm chính ịxác (PPP – Precise Point Positioning)

Mục đích của luận văn bao gồm việc nghiên cứu và tìm hi u v quá trình xể ề ử lý dữ

liệu định vị để khắc phục sai số và các phương pháp để phân gi i s nguyên nh p ả ố ậ

nhằng Từ đó, đóng góp lớn nh t c a tác gi trong luấ ủ ả ận văn chính là xây dựng b ộcông cụ ử th nghiệm các kỹ thuật trên với dữ liệ ừ ệ ốu t h th ng IGS và d li u t thu ữ ệ ự

thập tại Việt Nam

Tóm t t luắ ận văn

Luận văn được xây dựng gồm 5 chương như sau:

− Chương 1 có các mô tả sơ lư c vềợ các h thệ ống GNSS phổ biến như GPS,

cơ bản của phương pháp định v s d ng v ị ử ụ ệ tinh Qua đó, cũng giới thi u v ệ ềphép định v chính xác và các ng d ng c a nó ị ứ ụ ủ

− Chương 2, tác giả trình bày các khái niệm định vị chính xác trong đó tập trung vào vi c phân tích các ngu n gây sai sệ ồ ố, các phương pháp khắc ph c bao gụ ồm

c ả các phương pháp xử lý dữ ệu như phương pháp kế ợp và phương pháp li t h sai

phân Cuối cùng, chương này đưa ra các phương hướng chính để phát tri n kỹ ểthuật định vị chính xác.

− Chương 3 trình bày về phương pháp định vị chính xác thời gian thực trong đó

phải sử ụng các trạm tham chiếu biết trước vị trí và cung cấp dữ ệu thô Dữ d li

liệu này sẽ được k t h p v i dữ liệu của bộ thu theo phương pháp ế ợ ớ sai phân đôi sau đó sẽ được đưa vào xử lý với phương pháp LAMBDA để phân gi i s ả ốnguyên nh p nh ng trong th i gian thậ ằ ờ ực

− Chương 4 trình bày về phương pháp định v ị tĩnh, trong đó bộ thu phải được gi ữtĩnh, tuy nhiên lại không c n d li u thô t các tr m tham chi u mà chỉ ầầ ữ ệ ừ ạ ế c n các thông tin về các nguồn sai số được cung cấp bở ịi d ch vụ IGS

− Cuối cùng là chương 5 là những mô tả ủa tác gi c ả ề v các th nghiử ệm x lý dử ữ

liệu để phục vụ định vị chính xác trong môi trường Vi t Nam ệ

Phương pháp nghiên cứu

Trước tiên, luận văn bao gồm vi c nghiên c u và tìm hi u m t cách sâu s c v quá ệ ứ ể ộ ắ ềtrình x lý dử ữ ệu đị li nh vị để tính ra vị trí của bộ thu để ừ đó đưa ra đượ t c nh ng ữnguyên nhân đóng góp vào sai số đị nh v T ị ừ đó làm cơ sở để tác giả đi vào nghiên

cứu hai hướng phát triển của kỹ thuậ ịt đ nh vị chính xác đó là: (1)K thuỹ ậ ịt đ nh vịchính xác động th i gian thờ ực, trong đó sử ụ d ng m t h th ng các tr m tham chi u ộ ệ ố ạ ế

đã biết trước v trí và cung c p d liệị ấ ữ u thô cho b thu; (2) K thuộ ỹ ật định v chính ịxác tĩnh, trong đó bộ thu phải được gi v trí trong m t th i gian dài thì m i cho vữ ị ộ ờ ớ ị trí chính xác, nhưng ta lại không c n có các trạầ m tham chi u cung c p dữ ệế ấ li u thô

mà chỉ ầ c n cung c p mộ ốấ t s thông tin về ịch thiên văn vệ l tinh, sai số đồng hồ

Cuối cùng, từ những hi u biể ết về các phép xử lý d liữ ệu phục vụ định vị chính xác

đã được nghiên c u các phứ ở ần trước, tác gi ả đã xây dựng được m t s th nghi m ộ ố ử ệ

x ử lý dữ ệu thu thập được tại đơn vị li

Chương 1 Tổng quan về định vị sử dụng vệ tinh

1.1 Giới thiệu chung

Định v là khoa h c nghiên c u vi c xác đ nh v trí v t lý cho mị ọ ứ ệ ị ị ậ ột người ho c ặ

một phương tiện Các phương pháp định vị thô sơ thường được chúng ta s d ng ử ụtrong cuộc sống hàng ngày ví dụ như thông qua các dấu mốc trên mặt đất Tuy nhiên, trong một s ố trường hợp yêu cầu đ chính xác, con người phải sử dụng các ộ

biện pháp kĩ thuật nhằm nâng cao độ chính xác, trong đó có biện pháp sử ụng tín d

hi u sóng ệ điện từ Hệ thống được sử ụng các tín hiệ d u sóng điện từ t ử để định vị

dẫn đường này còn được gọi là ệh thống định v dị ẫn đường vô tuy n ế(Radionavigation aids)

Các hệ ống đị th nh v dị ẫn đường vô tuy n s dế ử ụng các thiết bị phát sóng vô tuyến được đ t t i các vị trí biặ ạ ết trước trên mặt đất, trong không gian ho c trên chính các ặphương tiện Máy thu đặt trên phương tiện s nh n tín hi u sóng vô tuy n t i các ẽ ậ ệ ế ạmáy phát từ đó tính toán đưa ra các tham số định vị Ưu điểm của phương pháp này

là cho k t quế ả ớ ộ v i đ chính xác cao, c ly hoự ạ ột đ ng l n và ít phớ ụ thuộc và điều kiện

thời tiết bên ngoài

Các hệ ống đị th nh v vô tuyị ến được phân làm 2 lo i - mạ ặt đất và không gian Các hệ ố th ng nh v d n đư ng vô tuy n th h đị ị ẫ ờ ế ế ệ cũ thuộc cả hai loại này đều có

nh ng hữ ạn chế ề độ chính xác và kh v ả năng đáp ng Chính vì vậy, Mỹ đã nghiên ứ

cứu và đưa vào sử ụng hệ d thống định vị ệ v tinh toàn cầu mang tên Global Positioning System hay còn g i là GPS nh m kh c ph c nh ng h n chọ ằ ắ ụ ữ ạ ế trên

1.2 Các hệ thống định vị vệ tinh tiêu biểu

1.2.1 Hệ thống GPS Mỹ–

H thệ ống GPS hiện nay được coi là hệ thống định vị toàn cầu được sử ụ d ng

rộng rãi nhấ , với các tiêu chí hoạt t động được hình thành từ những năm 1960 Hệ

th ng ố cho phép người sử ụng trên toàn thế ớ xác định được vị trí và vận tốc của d gi i mình thông qua vi c thu tín hi u và gi i mã các thông tin vệ ệ ả ề ệ tinh đượ v c đi u ch ề ếtrong tín hiệu đó H thệ ống gồm một chùm 24 vệ tinh được sắp x p trên 6 mế ặt

phẳng quỹ đạo với 4 vệ tinh thuộc mỗi mặt phẳng Để điều khiển hoạt động của chùm vệ tinh này, người ta sử ụ d ng một mạng lưới các trạm giám sát và điều khi n ể

đặt trên mặt đấ ồt g m 1 tr m trung tâm (Master Control Station) và 4 tr m theo dõi ạ ạ(Monitor Station) Các tr m này có nhi m vạ ệ ụ giám sát và điều ch nh quỉ ỹ đạo hoạt

động c a các v ủ ệ tinh cũng như hiệu ch nh các thông s c a đ ng h trên v tinh ỉ ố ủ ồ ồ ệ

H thệ ống sử ụng khái niệm đo khoảng cách bằng thời gian lan truyền tín hiệu để dxác định kho ng cách t v tinh t i b ả ừ ệ ớ ộ thu (TOA ranging – time of arrival ranging)[1] Trong v tinh có mệ ộ ồt đ ng h nguyên tồ ử chính xác, được đ ng bộ hóa ồ

với đồng hồ ủa hệ c thống GPS Mã giả nhiễu ng u nhiên ( PseudoRandom Noise) ẫđược sinh d a trên nh p c a đ ng h này s ự ị ủ ồ ồ ẽ được lan truy n t i b ề ớ ộthu để làm nhiệm

v ụ xác định khoảng cách giữa vệ tinh và b thu Các v tinh phát tín hi u có mã ộ ệ ệPRN riêng bi t, nhệ ờ đó ta phân biệt được tín hi u cệ ủa từ v tinh ệ

Mã giả ngẫu nhiên và dữ ệ li u dẫn đường (Navigation Data) được điều chế vào các tín hi u thu c hai t n s L1 (1575,42 MHz) và L2(1227,6 MHz) b ng kệ ộ ầ ố ằ ỹ thu t đa ậtruy c p phân theo mã (CDMA ậ – Code Division Multiple Access).D liữ ệu dẫn đường bao g m [1]: ồ

− Thời gian phát của vệ tinh

− V ị trí của vệ tinh

− Trạng thái hoạt động của vệ tinh

− Thông tin để ệ hi u chỉnh đồng h v tinh ồ ệ

− Ảnh hưởng c a tr s tr do truy n sóng ủ ị ố ễ ề

− Chuyển đổi thời gian GPS, UTC

− Trạng thái chòm vệ tinh

H thệ ống GPS cung cấp 2 loại dịch vụ, dành cho cả dân sự và quân sự 2 dịch

v ụ này còn được gọi là Standard Positioning Service (SPS) và Precise Positioning Service (PPS) trong đó SPS Điểm khác nhau cơ bản gi a 2 d ch v này là chúng ữ ị ụcung cấp độ chính xác khác nhau trong việc định vị m t đ i tư ng Dộ ố ợ ịch vụ SPS được thi t k cho mế ế ục đích dân dụng và có độ chính xác thấp hơn so vớ ịi d ch v ụ

PPS vốn được thi t kếế cho các ho t đ ng quân s Trong khi PPS bạ ộ ự ị mã hóa thì người dùng bình thường ch có th truy c p t i d ch v ỉ ể ậ ớ ị ụSPS.

1.2.2 Hệ thống GALILEO – EU

H thệ ống định vị GALILEO là hệ ố g vệ tinh định vị toàn cầ th n u đư c xây dựợ ng

bởi Liên minh châu Âu EU GALILEO khác với GPS ở chỗ nó là hệ thống được xây d ng và qu n lý bự ả ởi các tổ ch c dân dụứ ng, phi quân s ự

V mề ặt cấu trúc, hệ ống bao gồm 30 v tinh ho th ệ ạt động tở ầm trung (MEO – Medium Earth Orbit) với 27 vệ tinh hoạ ộng thườt đ ng trực và 3 vệ tinh dự phòng

nhằm tăng độ tin cậy Bên cạnh đó là một mạng lưới các trạm điều khiển trên mặt đất

V mề ặt chức năng, hệ ống GALILEO cung c th ấp các dịch vụ cơ bản, đó là :

− Dịch vụ ở (open service) : l m à dịch vụ miễn phí với mọi đối tư ng, vớ ộợ i đ chính xác tương đương vớ ệ ối h th ng GPS

− Dịch vụ ả phí (commercial service) : là dịch vụ dành cho đối tượng yêu cầu độ tr chính xác cao D ch vị ụ này được cung c p trên t n s riêng và yêu cấ ầ ố ầu cước phí

s d ng ử ụ

− D cị h vụ ứu hộ (safety of life) : là d ch v dành riêng cho công tác c u h c ị ụ ứ ộ ứ c u

nạn, với độ chính xác và ch ng nhi u cao.ố ễ

− Dịch vụ công cộng (public regulated service) : là dịch vụ đặc biệt dành cho chính phủ các nước thu c Liên minh châu Âu vộ ới đặc điểm là độ chính xác cao

và độ ả b o m t l n ậ ớ

1.2.3 Hệ thống GLONASS – Nga

GLONASS là hệ ố th ng vệ tinh định v toàn cị ầu của Liên Xô cũ và Nga hiệ ạn t i

H thệ ống bao gồm 24 vệ tinh với mục tiêu chủ ếu là cung cấp dịch vụ định vị và y

dẫn đường trên lãnh thổ Nga

H thệ ống GLONASS từ khi được đưa vào sử ụng đến nay đã trả d i qua ba thế

th ệ là GLONASS, GLONASS M và GLONASS K M i th- - ỗ ế ệ h m i lạớ i c i tiả ến

thêm nhiều đặc điểm như tăng thời gian sử ụ d ng (từ 7-10 năm), cải ti n v m t t n ế ề ặ ầ

s ố

1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống định vị sử dụng vệ tinh

Các hệ ống đị th nh v s d ng v tinh tuy có cị ử ụ ệ ấu trúc khác nhau nhưng đều bao g m ồ

3 thành phần cơ bản chính, đó là :

− Phần không gian: các v tinh trong không gian ệ

− Phần điều khiển: điều khi n và hi u ch nh h th ng ể ệ ỉ ệ ố

− Phần ngườ ử ụi s d ng: b thu và x lý tín hi u vệ tinh ộ ử ệ

Phần không gian c a hệủ th ng GPS bao gố ồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó có

21 vệ tinh trở ạng thái hoạt động, 3 v tinh còn lệ ại được sử ụng để ự d d phòng cho

được t các trừ ạm giám sát được gửi đến tr m trung tâm và tạ ại đây dữ ệu đượ li c chỉnh s a cho phù h p r i phát lên v tinh ử ợ ồ ệ

Các tr m trong phạ ần điều khi n có nhi m vể ệ ụ :

− Giám sát và hiệu ch nh qu ỉ ỹ đạo cũng như đồng h v tinh ồ ệ

− Tính toán và gửi các b n tin hi u chả ệ ỉnh đến cho các vệ tinh

− Tại trạm điều khiển trung tâm có các đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, cung c p th i gian chuấ ờ ẩn đ hiể ệu chỉnh đồng h nguyên tồ ử ủ c a các vệ tinh

1.3.3 Phần người sử dụng

Bao g m các thiồ ết bị thu tín hiệu GPS sử ụ d ng cho nhi u mề ục đích khác nhau

Kiểu loại thiết bị thu nhận hết sức đa d ng, từ ạ các thiết bị xách tay như trên điện thoại di động đến các hệ ống phức tạp phục vụ các công tác yêu cầu độ chính xác thcao như các trung tâm điều hành bay Thi t b máy thu tín hiế ị ệu GPS chủ ế y u gồm anten thu, bộ phận giải mã, bộ phận tính toán vị trí

Các thi t bế ị này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định v ị trí người sử ụ d ng Các bộ thu ph bi n trên th ổ ế ị trường hiện nay đều ch hoỉ ạt động trên m t t n s và s ộ ầ ố ử

dụng mã giả khoảng cách làm độ đo khoảng cách Đối với những ng dứ ụng đòi hỏi

độ chính xác cao, thi t b có th phế ị ể ải thu được hai t n s tín hi u và cho phép sử ầ ố ệ

Hình 1 Vị trí c a ngư i sử ụ ủ ờ d ng sẽ ằ n m trên mặt cầu tâm là vệ tinh

Nếu biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ hai là pR 2 Rthì vị trí b ộ thu được xác đị h trên đườn ng tròn O là giao c a hai mặt cầu Sủ R 1 R và SR 2 R

Hình 2 Vị trí của ngườ ử ụ i s d ng n m trên đư ng tròn là giao c a hai m t c u ằ ờ ủ ặ ầ

Khi biết được khoảng cách pR 3 Rđến vệ tinh th ba thì ứ ta có thể xác định được vị trí b thu mộ ở ột trong hai giao điểm của đường tròn trên với mặ ầt c u thứ ba

Như vậy, bằng các phép đo kho ng cách từ b thu ả ộ đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định được 2 v trí có thị ể có c a vậủ t thể đó trong không gian Chỉ ộ m t trong 2 v trí ịnày là v trí chính xác c a máy thu.ị ủ

Phép đo kho ng cách ả ở trên cho ta 3 phương trình độ ậc l p v i nhau c n thiớ ầ ết đểxác định 3 n s 3 n sẩ ố ẩ ố này là t a đ (x,y,z) của vật th trong không gian 3 chiọ ộ ể ều Khi kể đến sai số đồng hồ ủa máy thu, tất cả các phép đo cự c ly đã thực hi n trên ệ ở

s ẽ đồng thời bị ảnh hưởng bởi sai s ố này Do đó, để xác định chính xác được v trí ị

của vật thể, chúng ta c n phầ ải xác định đầy đ ủ được 4 n s (3 n s v trí, 1 ẩn số ẩ ố ẩ ố ịđiều ch nh sai sỉ ố), nghĩa là cần 4 phương trình để đị nh v ị

Điều này đồng nghĩa với vi c c n thi t ph i s d ng v tinh th 4 trong vi c xác ệ ầ ế ả ử ụ ệ ứ ệ

định v trí B ng cách thị ằ ực hiện các phép đo khoảng cách đến 4 vệ tinh, ta có thể xác định v trí chính xác và duy nh t c a v t th ị ấ ủ ậ ể

Hình 3 Vị trí của vệ tinh

V ị trí của người sử ụng đặc trưng bởi 3 thông số x d R z R,yR z R,zR z R Nhằm xác định v trí ị

của người sử ụng trên mặ ấ d t đ t, ta cần xác định vector u Vector s là vector đại diện cho v trí cị ủa vệ tinh v i h quy chiớ ệ ếu trái đất Vector s này có th xác để ịnh được

nh qu ờ ỹ đạo và vị trí của v ệ tinh là biết trước Vì vậy, để xác định được vector u thì

ta c n phầ ải xác định vector r

Theo hình vẽ, vector r được xác đ nh như sau : r = s – u ị

Mô đun của vector r là :||r|| = |s- u|

Xác định được mô đun r, ta có thể xác định được vector r t ừ đó tính toán ra v ịtrí ngườ ửi s dụng Việc xác định mô đun của vector r lại tương đương với việc xác

định th i gian truy n tín hi u t v ờ ề ệ ừ ệ tinh đến b thu n m t i v ộ ằ ạ ị trí ngườ ử ụi s d ng, bởi

vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ ận tốc ánh sáng đã biế v t

Vì v y, bài toán xáậ c định vị trí ngườ ử ụng đồng nghĩa với s d i vi c xác địệ nh th i ờgian truy n phát tín hi u tề ệ ừ ệ tinh đế v n máy thu do v n t c lan truy n tín hi u trong ậ ố ề ệcác môi trường coi như không đổi Đ th c hiể ự ện điều này người ta th c hi n b ng ự ệ ằcách đặt trên m i v tinh mỗ ệ ột đồng h Đ ng h này thi t l p d li u th i gian và ồ ồ ồ ế ậ ữ ệ ờtruyền về ặt đất qua tín hiệu vệ tinh Các máy thu trên mặt đất thu tín hiệu và so msánh với đồng hồ đặt trong máy thu từ đó tính toán đưa ra khoảng cách giữa vệ tinh

và các máy thu

1.4.2 Xác định khoảng cách sử dụng mã PRN

Tín hi u tệ ừ các v ệtinh GPS sử ụ d ng kỹ thuật tr i phả ổ chuỗi tr c tiự ếp (DSSS – Direct Sequence Spreed Spectrum) DSSS cung cấp các cấu trúc cho vi c truyệ ền tải các tín hi u nhệ ằm thực phép đo khoảng cách và truyền đạt thông số ệ v tinh Các tín hiệu đó được gọi là PRN code (Pseudorandom Noise)

Mã PRN là mã đặc trưng cho từng v ệ tinh, được điều ch vào các sóng mang L1 ế

và L2 b ng kằ ỹ thu t ậ đa truy cập phân theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access) Mã PRN gồm 2 loại mã đó là mã đó là mã chính xác Protected (P) và mã thô Coarse/Acquisition (C/A) Trong đó, mã C/A được điều ch vào L1 còn mã P ếđược điều ch ếvào L2

Để ự th c hiện được điều này, người ta thi t k sao cho c v tinh và b ế ế ả ệ ộ thu đều phát ra các mã PRN được đ ng bộ hóa.ồ Mã PRN (g m mã C/A và mã P(Y) ) này là ồđặc trưng củ ừa t ng v tinh nh m giúp b thu phân biệt đang nhận tín hi u tệ ằ ộ ệ ừ các v ệtinh nào Sau đó, khi tín hiệu c a v ủ ệ tinh đến được v i b thu, trên máy thu s thu ớ ộ ẽđược hai phiên b n mã gi ng nhau, m t phiên b n mã do chính b thu sinh ra, phiên ả ố ộ ả ộ

bản còn lại do vệ tinh truyền đ n sẽ ễ hơn một khoảng thời gian do phế tr ải trải qua một quãng đường lớn từ máy thu đến vệ tinh Từ ời gian trễ đó ta có thể th xác định được quãng đường tín hiệu đã được truy n t c là kho ng cách gi a v tinh và máy ề ứ ả ữ ệ

thu Nếu đồng hồ ệ tinh và máy thu là đồ v ng b thì kho ng cách này là chính xác ộ ả

nhưng điều đó là không khả thi vì luôn tồn tại sai số nên khoảng cách nhận đư c là ợ

( Thời gian tương đương khoảng cách hình học )

( Thời gian tương đương giả khoảng cách )

Hình 4 Quan hệ giữ a đô đo kho ng cách và thời gian lan truyề ả n

Giả ử ệ s v tín hiệu được vệ tinh phát đi tại thời điểm TR s R và truyền đến b thu ộ

vào thời điểm TR u R Th i gian truy n tín hi u lý thuy t là t Tuy nhiên, do sai sờ ề ệ ế ố t

của đ ng hồ ệ tinh và sai số tồ v R u R của đ ng hồ b ồ ộ thu, vì vậy ộ thu nhậb n đư c thông ợ

tin r ng tín hiằ ệu đã truyền đi vào thời điểm TR s R + t và nhận được tín hiệu vào thời

điểm TR u R t+ R u R Vì v y th i gian truy n tín hi u nhậ ờ ề ệ ận được đã sai lệch đi so với thời

Từ (1.1) và (1.2), ta được :

- c.(tR u R - R t R ) = ||s – u|| (1.3)

Do sai số t của đồng hồ ệ tinh là không đáng kể ế v n u so v i sai sớ ố ủ c a đồng hồ

b ộ thu cũng như các sai số trong quá trình truy n nh n, vì v y trong mô hình toán ề ậ ậ

học đơn giản của đ nh vị ằng GPS người ta lược bỏ sai số đồng hồ ệ tinh và quy ị b v

tất cả các sai số đáng kể vào sai số đồng hồ ộ b thu Mô hình toán học đó có thể

được bi u diể ễn như sau :

• x R i R,y i R R,z R i R : tọa độ v ị trí của vệ tinh thứ i Các tọa đ này được trích ộ

xuất từ thông tin do vệ tinh gửi đi

• xR u R,yu R R,zR u R: là các tọa đ c a máy thu ộ ủ

• c.tR u R : là giá trị ệu chỉnh giả hi khoảng cách từ ố ệu hiệu chỉnh đồ s li ng

h ồ máy thu

D thễ ấy hệ phương trình có dạng phi tuyến, vì vậy nhằm tính toán ra vị trí chính

xác của ngườ ử ụi s d ng, ta ph i th c hi n tuy n tính hóa h ả ự ệ ế ệ phương trình và tìm

phương pháp giả ệ phương trình đã tuyến tính đó mội h t cách tối ưu nhất

Giả ử ta ước lượng đượ s c tọa đ gộ ần đúng của ngườ ử ụi s d ng và th i gian ờ

truyền tín hiệu gần đúng, ta có thể thi t l p đư c hàm f đặc trưng cho các thông số ế ậ ợ

gần đúng thế như sau:

R

(1.8)

Vậy, thông số ị trí người sử ụng cũng như thông số ệu chỉnh thời gian có v d hi

th ể được xác đ nh thông qua các giá trị ướị c lư ng và thành phần hiệu chỉnh như ợ

sau:

T ừ đó ta có thể ết hàm f dưới dạng : vi

Kết hợp với (1.8) và (1.9) thay vào (1.10), ta có

Trong đó các biến a bi u th ể ịcác cosin chỉ phương của vector từ ị trí ước lượng v

của người sử ụng đến vị trí của một vệ d tinh Sau khi đặ ẩn phương trình trởt thành

(1.12)

Vậy, hệ 4 phương trình nhằm xác định tọa độ của ngườ ử ụi s d ng tr thành ở

Đưa về ạ d ng ma tr n ậ

H ệ phương trình tuyến tính trên có thể ải bằng phương pháp bình phương tối thiểu gi

s ẽ được trình bày ở phần sau

1.4.3.3 Giải hệ phương trình tuyến tính xác định vị trí

Sau khi đã thành lập được h ệ phương trình tuyến tính, ta c n giầ ải nó để xác đ nh ị

ra v trí chính xác cị ủa ngườ ử ụng Phương pháp giả ệ phương trình tuyếi s d i h n tính được s d ng ử ụ ở đây là phương pháp bình phương tối thiểu (Least Squares) Đây là

phương pháp tìm nghiệm gần đúng cho một h ệ phương trình tuyến tính không có nghiệm chính xác[1] Phương pháp này là rất thích hợp để ử ụng với định vị ệ s d v tinh khi máy thu trên mặt đất trong nhiều trường h p có thợ ể nhận tín hiệ ừu t nhi u ềhơn 4 vệ tinh, vì v y yêu cậ ầu phải có một cách thức hợp lý đ ể tính toán vị trí người

từ ma trận đã có, người ta chứng minh được

1.5 Định vị chính xác và các ứng dụng

Dưới nhu cầu ngày càng tăng của các d ch v sử dụng GPS, không những chất ị ụlượng c a d ch v mà c chính xác tr nên r t quan tr ng V i h th ng thông ủ ị ụ ả độ ở ấ ọ ớ ệ ốthường s d ng m t t n s SPS GPS đ chính xác có th ử ụ ộ ầ ố ộ ểđặt cỡ 10m Tuy nhiên, cũng có rất nhi u ng dề ứ ụng có đò ỏi h i cao về độ chính xác, th m chí tậ ới cỡ cm Đ ểđáp ứng được đ ộ chính xác cao như vậy, ta ph i s dả ử ụng độ đo pha sóng mang thay

vì độ đo mã gi kho ng cách vì t n sả ả ầ ố ủa pha sóng mang cao hơn tố c c đ chip của ộ

mã giả khoảng cách Giả ử độ s , chính xác của phép đo là 1% của bước sóng Bước sóng c a mã giủ ả khoảng cách là 300m, như vậy độ chính xác là 0.01 x 300 = 3m Trong khi đó, chu kỳ sóng mang c a t n s L1 là 1/L1=643.8 x 10ủ ầ ố P

-14

P

, bước sóng là c/L1=0.19m, như vậy sai s vào cố ỡ 0.01x0.19=1.9(mm) Tuy nhiên, khi sử ụ d ng đ ộ

đo pha sóng mang ta chỉ ết đượ bi c giá tr ph n phân (n m trong kho ng 0,2 ), trong ị ầ ằ ảkhi không thể xác định được đã có bao nhiêu bước sóng từ vệ tinh tới bộ thu Ta gọi

đó là số nguyên nhập nhằng (integer ambiguity) Chính vị vậy, nhiệm vụ trọng tâm của định vị chính xác sử dụng pha sóng mang chính là phần giải số nguyên nhập

nhằng

Ứng dụng của định vị chính xác trong đo đạc khảo sát

Một trong những địa chỉ ứng dụng đầu tiên của đ nh vị chính xác sử ụng vệ tinh đó ị dchính là trong khảo sát đo đạc địa hình cả trên đất li n lề ẫn dưới nước Sử ụng đị d nh

v ịchính xác dựa trên GPS để khảo sát đo đạc đem lại những ưu điểm rõ ràng như:

− Giảm độ ph c t p trong triứ ạ ển khai đo đạ ừ đó giảc t m chi phí kh o sát ả

− Cho phép theo dõi kết qu t i hiả ạ ện trường mà không cần đưa về trung tâm h u x ậ ử

lý

− Tăng tính linh động c a thi t b ủ ế ị đo do có thể đo động th i gian th c khi sử ụờ ự d ng công ngh RTK v i m t trệ ớ ộ ạm cố định và một bộ thu di động trong vùng.

Các ứng d ng ch y u c a địụ ủ ế ủ nh v chính xác sử dị ụng vệ tinh:

− Khảo sát thiết kế xây dựng: khảo sát địa điểm xây x ng, kh o sát chu n bự ả ẩ ị m t ặ

b ng ằ

− Khảo sát biển: chuẩn bị ạo vét lòng sông, hồ, biển, kh o sát m t bi n ả ặ ển

− Khảo sát địa ch nh: xây d ng bí ự ản đồ, xác định ranh gi i, xây dớ ựng cơ sở ữ ệ d li u

địa chính s ố

− Các ứng dụng đặc bi t khác: thu th p d liệ ậ ữ ệu GIS, đo độcao

Khó khăn chủ ế y u khi s d ng GPS vử ụ ào đo đạc kh o sát là: ả

− Yêu cầu thi t b có giá thành cao ế ị

− Yêu cầu ph n m m phân gi i s ầ ề ả ốnguyên nhập nhằng

− Yêu cầu khu v c kh o sát ph i d ự ả ả ễdàng nhận đư c tín hiệu từ ệợ v tinh

− Hiện nay, khoảng cách giữa bộ thu và tr m tham chi u vạ ế ẫn bị gi i hạớ n (khoảng

10 km)

− Hiện tại, chưa có chuẩn công nghiệp để có thể dùng lẫn cũng như nâng cấp từng

phần hệ ống thiết bị th

Ứng dụng của định vị chính xác điều khiển thiết bị

Đố ới v i các công ngh nh v ệ đị ị chính xác được s dử ụng trong điều khi n thi t b , có ể ế ịthêm nh ng yêu u so vữ cầ ới những ứng dụng khác như: yêu cầu độ ề b n, đ ộ ổn đinh cao và th i gian c p nh t v trí nhanh (trên 10Hz) ờ ậ ậ ị Các ứng d ng bao g m: ụ ồ

− Điều khi n máy xây d ng: máy i, máy san nền ể ự ủ

− Điều khi n máy trong khai khoáng: máy xúc, xe tải ể

− Điều khi n máy nông nghi p chính xác: máy gieo h t, máy cày, máy gể ệ ạ ặt

− Điều khi n Robot t xa ể ừ

Khó khăn chủ ế y u khi s dử ụng định vị chính xác dựa trên GPS trong điều khi n ểthiết bị là:

− Cần kỹ thuật phân giải số nguyên nhập nhằng nhanh vì yêu cầu thời gian c p ậ

nhật rất cao

− Cần đường truyền thông tót

− Cần loại bỏ được nhiễu đa đường trong khu vực điều khiển

− Cần các thành phần điều khiển cơ điện tử tương ứng

Ứng dụng của định vị chính xác trong giám sát biến dạng

Đị nh v chính xác cao cũng có thể đượ ứ ị c ng d ng trong các công việc giám sát các biến ụ dạng ở nơi không thuận lợ ố ớ i đ i v i con ngư i như: ờ

− Giám sát bi n d ng c u trúc xây d ng: cế ạ ấ ự ầu, đường, công trình biển

− Giám sát núi lửa

− Giám sát các ngu n lồ ợi tài nguyên: nước, dầu, khoáng sản

Chương 2 Các khái niệm cơ bản về định vị chính xác 2.1 Tổng quan về định vị chính xác

Như chúng ta đã biêt, để có th nh v ể đị ị chính xác, điều c t y u là ta ph i có gi i ố ế ả ảpháp để phân gi i s nguyên nh p nhả ố ậ ằng Thông thường, s nguyên nh p nh ng s ố ậ ằ ẽđược xác đ nh d a vào m t mô hình toán h c th ng kê v i d li u t nhi u b thu ị ự ộ ọ ố ớ ữ ệ ừ ề ộtrong cùng m t epoch, hoộ ặc là với một bộ thu trong nhi u epoch ề

Trong đó, tốc đ phân gi i s nguyên nh p nh ng có th trong th i gian thực, điều ộ ả ố ậ ằ ể ờ

kiện bộ thu di động được hay không là do các phép xử lý dữ ệu có đảm bảo loại bỏ liđược h t các thành ph n gây nhi u ế ầ ễ

Trong chương này, luận văn sẽ ắt đầ b u b ng vi c gi i thi u các ngu n sai s chính ằ ệ ớ ệ ồ ốảnh hưởng tới độ đo trong phép định v s dị ử ụng vệ tinh và các mô hình kh c phắ ục

nó Sau đó, luận văn sẽ đi tới các phương pháp xử lý d li u nh m kh c ph c sai s ữ ệ ằ ắ ụ ốnhư phương pháp kế ợp hay phương pháp t h sai phân Cu i cùng, luố ận văn sẽ trình bày m t sộ ố xu hướng của kỹ thu t đậ ịnh chính xác Trong m i mỗ ột kỹ thu t sẽ ửậ s

dụng một số phương pháp xử lý dữ ệu rồ sau đó sẽ đưa vào một phép lọc phù hợp li i

để đạt được hi u qu nh v ệ ả đị ị

2.2 Nguồn sai số và các phương pháp khắc phục

Độ chính xác c a thiết bị thường được đánh giá thông quá vịủ trí, v n t c ho c m c ậ ố ặ ứ

đồng b c a chúng v i th i gian GPS, ph thu c vào s ộ ủ ớ ờ ụ ộ ự tương tác của r t nhi u ấ ề

những thành phần Nói chung, độ chính xác của phép đo trong GPS dựa trên k t qu ế ả

độ chính xác độ đo mã giả khoảng cách và độ đo pha sóng mang cũng như thông tin

d liữ ệu được quáng bá Ở phần này, luận văn sẽ trình bày những sai số cơ b n, nh ả ảhưởng tới độ chính xác c a đ đo mã gi khoủ ộ ả ảng cách và độ đo pha sóng mang 2.2.1 Sai số do lịch thiên văn

Các trạm điều khi n v tinh sể ệ ẽ xác định v trí theo lị ịch thiên văn cho tấ ảt c các v ệtinh được tính toán và gửi lên các vệ tinh cùng với các d li u dữ ệ ẫn đườ Thường ng

để xác định tương quan tín hi u, trệ ạm điều khi n s d ể ẽ ự đoán đường cong x p x g n ấ ỉ ầ

nhất cho vị trí của mỗi một vệ tinh Mức đ sai số dư thừa của phép dự đoán này ộthường t 1 – 6m ừ Ảnh hưởng của chúng trong phép đo giả mã và pha sóng mang có

th ể được xác đ nh nh s d ng vector LOS gi a v tinh và thi t b nh n Nị ờ ử ụ ữ ệ ế ị ậ ếu đánh giá sai số ệ tinh theo hướ v ng radial (từ ệ v tinh về trung tâm trái đất), giá trị ủ c a chúng sẽ nh nh t Với trườỏ ấ ng h p along – track ợ (hướng di chuyển tức thời của vệtinh hi n t i) và cross ệ ạ –track (hướng trực giao v i along ớ – track và radial), mức độsai số ẽ cao hơn Tạ s i trạm điều khiển để quan sát hai thành ph n along ầ – track và

cross track khó khăn hơn ệHi n nay, ta có th s d ng các s n ph m c a h th ng ể ử ụ ả ẩ ủ ệ ốIGS để có đượ ịch thiên văn chính xác tớc l i m c 3-5 ứ cm [9].

Hình 5 Sai số ị v trí c a v tinh nh hư ng t i đ đo ủ ệ ả ở ớ ộ

2.2.2 Sai số đồng hồ

Mỗi vệ tinh đều có mang một đồng hồ nguyên tử độ chính xác ấ cao r t Mặc dù độ

ổn định c a đ ng h này r t lủ ồ ồ ấ ớn, tuy nhiên độ sai l ch c a tín nhệ ủ ắn được phát đi từ

v ệ tinh và hệ thống thời gian GPS vẫn thường lớn hơn 1ms tương đương với 300km

Các trạm điều khi n v tinh sể ệ ẽ xác định và truy n các tham sề ố ử s a lỗi sai số đồng hồ

tới vệ tinh, và v tinh s phát qu ng bá các tham s này trong dệ ẽ ả ố ữ ệ li u dẫn đư ng ờCác tham s này bao gố ồm af0, af1, af2, ∆ Sai số đồtr ng h s biểu diễn theo công ồ ẽ

Mặc dù các thành phần tham gia vào sai số ủ c a đ ng hồ được tính toán và dự đoán ồtheo phương pháp xấp x ỉ đường cong g n nh t v i sai s th c tế ủầ ấ ớ ố ự c a v tinh, vẫn ệcòn l i mạ ột phần sai số Sai số còn l i c a đ ng hạ ủ ồ ồ thường thay đổi trong khoảng 0.3 đến 4m, ph thu c và lo i v tinh và th i gian dụ ộ ạ ệ ờ ữ ệu đượ li c quảng bá

2.2.3 Sai số tầng điện ly

Tầng điện ly là môi trường tán xạ ằ n m chủ ế y u trong vùng khí quy n v i khoể ớ ảng cách so v i bớ ề mặt trái đấ ừ 70 đết t n 1000km Trong vùng này, các tia c c tím tự ừ ion phát x ra cạ ủa mặt trời c a các khí sủ ẽ giải phóng ra các electron mang năng lượng c c l n Chính nh ng electron này s ự ớ ữ ẽ ảnh hưởng đến sóng điệ ừn t trong quá trình lan truyề , trong đó có cả tín hiệu từ ệ tinh GPS n v

Hình 6 Sai số ầ t ng đi n ly [1] ệ

Tín hi u tệ ừ ệ tinh GPS khi đi qua tầng điệ v n ly có chứa các electron tự do sẽ ị b khúc

x ạ làm cho quãng đường lan truyền trên thực tế ẽ ị kéo dài hơn so vớ s b i kho ng ảcách hình h c giọ ữa vệ tinh và bộ thu (xem hình 6) Vì v y, ta có thậ ể mô tả sai số

tầng điện ly theo công thức sau [1]

Trong đó, các tham số AR 2 R, AR 3 R, A4 R R độc lập với tần số, nhưng lại phụ thuộc vào tổng

s ố electron tự do trên quãng đường lan truy n tề ừ ệ v tinh tới bộ thu Thông thường, sai số ầng điệ t n ly trung bình trên toàn cầu là khoảng 7m Đây cũng chính là nguồn sai số có ảnh hưởng l n nh t tớ ấ ới độ chính xác của phép định v s d ng v tinh ị ử ụ ệ2.2.4 Sai số tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng n m thằ ấp hơn trong bầu khí quy n khi so sánh vể ới tầng điện ly,

tầng này không tán xạ ới các tần số trong khoảng 15GHz Trong môi trường này, vpha và góc c a sóng mang tín hiủ ệu GPS trên c hai d i tả ả ầ L1 và L2 đều có độ ễn tr

giống như truyền trên môi trường lan truy n t do Độ tr ề ự ễ trên tầng này là tổng hợp các ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ ạ t i v ị trí đó, áp suất, và độ ẩ m liên quan Độ ễ tr lan truyền do tầng đối lưu gây ra sẽ còn khoảng 0.2 m

2.3 Dịch vụ GPS quốc tế cung cấp một số tham số chữa lỗi

IGS – International GPS Service (d ch vị ụ GPS quốc tế) là dịch v cung cụ ấp lịch thiên văn chính xác cho các vệ tinh và m t sộ ố thông tin khác như các thông số đị nh hướng trái đất (EOP) hay thông s hi u chố ệ ỉnh đồng h v ồ ệ tinh IGS được xây d ng ự

dựa trên ột mạng lưới các trạm theo dõi trên toàn cầu, cung cấp thông tin và dữ m

liệu từ trung tâm tính toán (computatioanl center) tới tất cả người sử ụng thông qua dcác trung tâm lưu trữ và trao đổ ữ ệi d li u (data archive and exchange center)

Cấu trúc và hoạt động của IGS

H thệ ống IGS gồm các thành phần sau đây :

− Mạng lưới các trạm theo dõi

− Trung tâm dữ ệ li u theo khu v c và toàn c u ự ầ

− Trung tâm phân tích

− B phộ ối hợp các trung tâm phân tích

− Văn phòng trung tâm

− Hội đồng quản trị quốc tế

D liữ ệu được quan trắc bởi các trạm quan trắc, sau đó được đưa v theo dõi tại các ềTrung tâm dữ ệ li u khu vực khác nhau Các quỹ đạo riêng lẻ được xác định bởi

Trung tâm phân tích đặ ại t t Trung tâm dữ liệu toàn cầ , sau đó quỹ đạu o IGS đư c ợ

tổng hợp tạ Văn phòng trung tâmi và Trung tâm d liữ ệu toàn cầu

Cấu trúc của IGS được th hi n bể ệ ở ảng dưới đây tuân theo các tiêu chuẩn v ch t ề ấlượng d li u, s chính xác c a qu o, th i gian ch , đ nh d ng … ữ ệ ự ủ ỹ đạ ờ ờ ị ạ

Operation Centers/ IGS Station Network:

Global Data Centers:

IGN - Institut Geographique National, France

SIO - Scripps Institute of Oceanography, Univ of Cal., USA

Regional Data Centers:

AUSLIG - Australian Land Information Group, Australia

BKG - Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Germany

JPL - Jet Propulsion Laboratory, Caltech, USA

NRCan - Geodetic Survey, NRCan, Canada

Analysis Centers:

CODE - Center For Orbit Determination in Europe, Univ Bern, Switz

NRCan - Geodetic Survey, NRCan, Canada

ESA - European Space Operation Center, ESA, Germany

JPL - Jet Propulsion Laboratory, Caltech, USA

SIO - Scripps Institute of Oceanography, Univ of Cal., USA

Associated Analysis Centers (AAC):

USNO - AAC for Rapid Service, U.S Naval Observatory, USA

MIT - GNAAC, Massachusetts Institute of Technology, USA

NCL - GNAAC, University of New castle upon Tyne, UK

RNAACs – 15 Regional Network AACs in Europe, N.A., Asia and Australia

Analysis Center Coordinator: (T Springer/CODE)

Central Bureau (CB): hosted by JPL, includes IGS CB Information System

(Director: R Neilan)

International Governing Board: 15 members

Bảng Các đơn vị1 liên quan t i hệ ố ớ th ng IGS

K t ể ừ khi được đưa vào thử nghiệm (tháng 6/1992), các quỹ đạ o với độ chính xác cao và các thông số định hướng trái đất được c p nh p liên t c hàng ngày tại các ậ ậ ụtrung tâm dữ ệ li u trên toàn cầu Trung tâm phân tích IGS được đưa vào hoạt động t ừtháng 11/1992 thường xuyên đưa ra các so sánh đánh giá các quỹ đạ o thu nhận được

t ừ các trung tâm dữ ệu và nhờ đó độ chính xác của các kết quả do IGS đượ li c c i ảthiện đáng kể ừ 1m đố t i với quỹ đạo và 1 mas (mas = mili-arc-second) đối với thông số định hướng trái đất năm 1994 giảm xuống còn 5cm đố ới v i quỹ đạo và 0.1 đến 0,2 mas đối với thông s định hướng trái đất năm 1997 Những thông số được ốcải thiện này chứng tỏ qu ỹ đạo do IGS cung cấp ngày càng tr nên chính xác, ở ổn định và đáng tin cậy hơn Bảng dưới đây cung cấp thông tin gần đúng về độ chính xác và sẵn sàng c a qu ủ ỹđạo do IGS cung cấp:

V ệ tinh GPS Lịch thiên văn

Pole Rates

UTI-UTC

Length of Day

liệu toàn cầu Tại đây dữ ệu được phân tích, xử lí tạo ra các sả li n phẩm theo yêu cầu

rồi được cung cấp trực tuyến

Với hệ ống các trạm quan trắc và xử lý dữ ệu như trên, IGS thu thập, lưu trữ th li

và phân phối các dữ ệ li u quan trắc GPS với độ chính xác đủ để đáp ứng các mục tiêu của của một nhóm các ng d ng và thí nghiứ ụ ệ đa dạm ng Từ d liữ ệu theo dõi nói trên sẽ thu được các thông s quan trố ọng như:

− Qu ỹ đạo với đ chính xác cao cho tộ ất cả các v ệ tinh GPS (với độ chính xác chừng 5cm)

− Các thông số ề v qu o quay cỹ đạ ủa trái đất

− Các thông số nhằm xác định v trí và v n t c ị ậ ố

− Thông s v ố ề các tầng của khí quyển

− Các thông tin hỗ ợ tr hoạt động khác như khảo sát địa lý

Để xây dựng được quỹ đạo cuối cùng cần có được lịch thiên văn tổng hợp Lịch thiên văn tổng h p này có th ợ ể được xây d ng t nhi u cách khác nhau IGS xây ự ừ ềdựng lịch thiên văn tổng hợp này từ các lịch thiên văn của các trung tâm phân tích riêng l Hàng tuẻ ần, B phộ ận ph i h p các trung tâm phân tíchố ợ sẽ đưa ra quỹ đạ o chính xác và thông số đồng h và m t b n tóm t t v quá trình t ng h p nói trên ồ ộ ả ắ ề ổ ợKhi được xây d ng d a trên vi c so sánh và t ng h p các qu o c a IGS, độ ự ự ệ ổ ợ ỹ đạ ủchính xác lịch thiên văn cuối cùng của vệ tinh sẽ tăng lên khoảng 5cm (b ng mằ ột sigma) đố ới v i m i t a đ Pỗ ọ ộ hương án nhanh sẽ tính toán d li u t ữ ệ ừ15 tới 20 ạ tr m phân tán cu i t i cu i mố ạ ố ỗi ngày Phương án nhanh này thường được cho là h p l ợ ệtrong vào 21h sau khi quan sát với độ chính xác ước tính tốt hơn 50cm (một sigma) cho m i tỗ ọa độ Thông thường, vi c giệ ảm độ chính xác so v i k t quớ ế ả cuối cùng này chỉ có ảnh hưởng r t nh tấ ỏ ới độ chính xác c a vi c địủ ệ nh v i v i h u hị đố ớ ầ ết ngườ ửi s

dụng GPS[9]

H thệ ống GPS hiện nay đang sử ụng quỹ đạ d o đư c cung cấp bởi IGS và đượợ c định nghĩa chuẩn hóa bởi NGS, còn được gọi là định d ng SP3 SP3 là mạ ột định d ng ạthuộc chuẩn ASCII ch a thông tin bao gứ ồm vị trí các vệ tinh cũng như thông sốchỉnh s a đồử ng h ECF3 và EF18 là các b sung nh phân c a SP3, đư c coi là th ồ ổ ị ủ ợ ế

h thệ ứ 2 của đ nh dạng quỹ đạo này Tị ất cả các định dạng trên khi được đưa vào sử

dụng đã được thiết kế ẩn thận thỏa mãn nhiề c u y u t Nế ố ếu như thế ệ h 1 ch x lý ỉ ửđược 35 v tinh thì th h ệ ế ệ 2 đã có thể ử lý đượ x c 85 v tinh Ngoài ra, ph n header ệ ầ

của các đ nh dạng thế ệ 2 được phát triển để cho phép thay đổi và chèn thêm các ị h thông tin bổ sung, ví dụ như độchính xcas thông tin cho m i vỗ ệ tinh

Độ chính xác c a SP3 ủ

SP3 cung c p dấ ữ ệ li u về ị v trí, tọa đ v i đ ộ ớ ộchính xác kho ng 0,004mm/s Ngoài ả

ra, dữ ệ li u về ậ v n tốc có thể được cung c p trong b n tin SP3 NGS cung c p cho ấ ả ấngườ ử ụi s d ng các chương trình để thu nh n thông tin tốậ c đ ộ cũng như chuyển đổi thông tin giữa các định d ng v i nhau ạ ớ

Thông tin đồng h v tinh có thồ ệ ể được cung cấp bởi SP3 với đơn vị là microseconds Khi SP3 cung c p v trí thì thông tin vấ ị ề đồng hồ cũng được cung cấp trong cùng giai đoạn đó

2.4 Mô hình toán học và các phương pháp xử lý dữ liệu để khắc phục lỗi

Như vậy, v i s ớ ự đóng góp nếu có th s d ng d li u c a d ch v IGS thì l i t l ch ể ử ụ ữ ệ ủ ị ụ ỗ ừ ịthiên văn và sai số đồ ng h c a v tinh có th ồ ủ ệ ể được lo i b ạ ỏ Để có th phân tích nh ể ảhưởng c a các sai số khác ủ lên độ đo, ta đưa tất các các lỗi thành thành phần của phương trình giữa đ ộ đo và khoảng cách hình học:

Trong đó:

• P là độ đo mã giả khoảng cách của tín hiệu L1, L2

• Φ là độ đo pha sóng mang của tín hi u L1, L2.ệ

• ε εP, φlà các sai số độ đo còn lạ i bao g m nhiồ ễu đa đường

Ký hiệu ρđể ch kho ng cách hình h c gi a v tinh (Xs,Ys,Zs) và b thu (x,y,z): ỉ ả ọ ữ ệ ộ

2.4.1 Nhóm các phương pháp kết hợp

Nhóm các phương pháp kết hợp là các phương pháp sử ụng các phép đo dữ ệ d li u GPS trên các thi t bế ị nh n t i mộậ ở ạ t vị trí Thông thường, các phép đo thường sử

dụng là mã gi khoả ảng cách, pha sóng mang trên các tần số C/A, P1, and P2 và dải

mã L1, L2 Trong tương lai, mộ ốt s các dải t n sầ ố và mã như P5, L5 và D5 cũng có

th ể áp dụng phương pháp này Thực hiện quan sát tín hi u thu nhệ ận được, ngoài việc tính toán đánh giá tham số, còn giúp hi u bi t cể ế ụ ể và đưa ra phương pháp th

giải phù hợp cho các vấn đề ủa bài toán GPS c

T ừ phương pháp chung nói trên, công thức áp dụng cho sóng mang và giả mã nhằm

loại bỏ thành phầ ảnh hưởng tầng điện ly là[2]n :

Và

(2.7) Khi đó hai biểu th c thu nh n tín hiệ tương ứứ ậ u ng ở trên sẽ được chuyển thành:

Cải tiến của phương pháp trên là thành phần sai số do tầng điện ly đã biến mất trong

biểu thức tính toán của cả mã giả khoảng cách và pha sóng mang Tuy nhiên những thành ph n sai s khác v n còn, bên cầ ố ẫ ạnh đó, số nguyên nh p nh ng s không còn là ậ ằ ẽ