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

ĐÀO VŨ HIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THƠNG Đào Vũ Hiệp NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP THỬ NGHIỆM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật máy tính Truyền thơng KHỐ 2010B NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Tạ Hải Tùng Hà Nội – Năm 2011 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131367341000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đào Vũ Hiệp NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP THỬ NGHIỆM Chuyên ngành : Kỹ thuật máy tính truyền thơng LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Kỹ thuật máy tính Truyền thơng NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2011 Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm Mục lục LỜI CẢM ƠN T 03 T 03 LỜI CAM ĐOAN T 03 T 03 Danh mục thuật ngữ viết tắt T 03 T 03 Danh mục hình vẽ T 03 T 03 Danh mục bảng biểu T 03 T 03 Phần mở đầu T 03 T 03 Chương T 03 T 03 1.1 T 03 T 03 1.2 T 03 T 03 T 03 Các hệ thống định vị vệ tinh tiêu biểu 12 T 03 T 03 1.2.1 Hệ thống GPS – Mỹ 12 T 03 T 03 1.2.2 T 03 T 03 1.2.3 T 03 T 03 Các thành phần hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 15 T 03 1.3.1 Phần không gian 15 T 03 T 03 1.3.2 T 03 T 03 1.3.3 T 03 T 03 Phương pháp định vị sử dụng hệ thống GPS 16 T 03 1.4.1 Nguyên tắc định vị 16 T 03 T 03 1.4.2 T 03 T 03 1.4.3 T 03 T 03 Xử lý liệu – tính tốn vị trí 21 T 03 T 03 T 03 Xác định khoảng cách sử dụng mã PRN 19 T 03 1.5 T 03 T 03 T 03 T 03 T 03 Phần người sử dụng 16 T 03 T 03 T 03 Phần điều khiển 15 T 03 1.4 T 03 T 03 T 03 T 03 T 03 Hệ thống GLONASS – Nga 14 T 03 T 03 T 03 Hệ thống GALILEO – EU 14 T 03 1.3 T 03 Giới thiệu chung 12 T 03 T 03 T 03 Tổng quan định vị sử dụng vệ tinh 12 T 03 T 03 T 03 Định vị xác ứng dụng 25 T 03 T 03 Ứng dụng định vị xác khảo sát 25 T 03 T 03 Ứng dụng định vị xác giám sát thay đổi dựa GPS Error! Bookmark not defined T 03 T 03 Chương T 03 T 03 2.1 T 03 T 03 2.2 T 03 T 03 Tổng quan định vị xác 28 T 03 Nguồn sai số phương pháp khắc phục 28 T 03 T 03 T 03 2.2.2 T 03 T 03 T 03 2.2.1 T 03 Các khái niệm định vị xác 28 T 03 T 03 Sai số lịch thiên văn 28 T 03 T 03 Sai số đồng hồ 29 T 03 T 03 Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm 2.2.3 T 03 Sai số tầng điện ly 30 T 03 T 03 2.2.4 T 03 T 03 T 03 2.4 T 03 Mơ hình tốn học phương pháp xử lý liệu để khắc phục lỗi 36 T 03 T 03 T 03 2.4.1 T 03 Nhóm phương pháp kết hợp 37 T 03 T 03 2.4.2 T 03 T 03 T 03 T 03 Chương T 03 T 03 3.1 T 03 3.3 T 03 Xác định số nguyên nhập nhằng 46 T 03 T 03 3.4 T 03 Network RTK 50 T 03 T 03 3.5 T 03 T 03 Kỹ thuật xử lý sai phân đơi độ đo pha sóng mang 44 T 03 T 03 T 03 Wide Area RTK 52 T 03 T 03 T 03 Chương T 03 T 03 4.1 T 03 T 03 Tiền xử lý liệu 55 T 03 T 03 T 03 4.2.1 T 03 Phát trượt pha 56 T 03 T 03 4.2.2 T 03 T 03 4.2.3 T 03 4.2.4 T 03 T 03 4.4 T 03 Thử nghiệm kết 64 T 03 T 03 T 03 Chương T 03 T 03 5.1 T 03 T 03 T 03 5.1.1 T 03 5.1.2 T 03 T 03 5.1.3 T 03 T 03 5.1.4 T 03 T 03 5.2 Mô tả chung GPSTk 67 T 03 T 03 Cấu trúc GPSTk 68 T 03 T 03 Chức ban đầu GPSTk 69 T 03 T 03 Giải thích cấu trúc liệu GNSS 71 T 03 T 03 Kịch thử nghiệm kết 72 T 03 T 03 Kết luận T 03 Thử nghiệm xử lý liệu GPS phục vụ định vị xác Việt Nam 67 T 03 Giới thiệu GPStk 67 T 03 T 03 T 03 T 03 Phép lọc 62 T 03 T 03 T 03 Kết hợp giải phóng lỗi tầng điện ly 60 T 03 4.3 T 03 Khắc phục ảnh hưởng từ thay đổi vị trí 60 T 03 T 03 T 03 Khắc phục ảnh hưởng từ vệ tinh 58 T 03 T 03 T 03 T 03 T 03 4.2 T 03 Kỹ thuật định vị xác tĩnh 54 T 03 Giới thiệu chung 54 T 03 T 03 T 03 T 03 3.2 T 03 Kỹ thuật định vị xác động thời gian thực 43 T 03 Giới thiệu chung 43 T 03 T 03 T 03 Các kĩ thuật định vị có độ xác cao 41 T 03 T 03 T 03 Nhóm phương pháp sai phân 39 T 03 2.5 T 03 T 03 Dịch vụ GPS quốc tế cung cấp số tham số chữa lỗi 31 T 03 T 03 Sai số tầng đối lưu 31 T 03 2.3 T 03 T 03 T 03 T 03 77 Tài liệu tham khảo 79 T 03 T 03 Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn TS Tạ Hải Tùng giảng viên môn Truyền thông Mạng máy tình, Viện Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng quan tâm, tận tình giúp đỡ bảo, định hướng tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn tập thể giảng viên sinh viên Viện Công nghệ thông tin Truyền thông Trung tâm Navis, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội định hướng giúp đỡ, cung cấp thơng tin cho tơi suốt q trình học tập thực luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình người thân hết lịng ủng hộ, khích lệ tinh thần ln động viên tơi vào lúc khó khăn để tơi có thêm động lực hoàn thành luận văn Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm LỜI CAM ĐOAN Ngoài giúp đỡ bảo tận tình TS Tạ Hải Tùng, luận văn sản phẩm trình tìm tịi, nghiên cứu trình bày tác giả đề tài luận văn Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận tài liệu nhà nghiên cứu khác trích dẫn theo qui định Vì vậy, tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2011 Tác giả Đào Vũ Hiệp Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm Danh mục thuật ngữ viết tắt T 91 T 91T 91 ANTEX Antenna Exchange Format DGPS Differential GPS DOP Dilution of Precision ECEF Earth-Centered, Earth-Fixed GNSS Data Structures GDS GNSS Global Navigation Satellite System GPStk GPS Toolkit IGS International GPS Services LMS Least Mean Squares NEU North-East-Up PPP Precise Point Positioning Receiver Independent EXchange format RINEX RMS Root Mean Square RTK Real Time Kinematics SP3 Standard Product #3 TEC Total Electron Content WMS Weighted Least Mean Squares Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm Danh mục hình vẽ Hình Vị trí người sử dụng nằm mặt cầu tâm vệ tinh 17 Hình Vị trí người sử dụng nằm đường tròn giao hai mặt cầu 17 Hình Vị trí vệ tinh 18 Hình Quan hệ đo khoảng cách thời gian lan truyền 20 Hình Sai số vị trí vệ tinh ảnh hưởng tới độ đo 29 Hình Sai số tầng điện ly [1] 30 Hình Kết phân giải số nguyên nhập nhằng [4] 50 Hình So sánh sai số phép xử lý sai phân khoảng cách 44 km sai số phép xử lý kết hợp loại bỏ tầng điện ly từ liệu hai tần số 51 Hình Sơ đồ ngun lý mơ hình tầng điện ly sai phân Network RTK 52 Hình 10 Mơ hình tầng điện ly WARTK[6] 53 Hình 11 Cách xây dựng mơ hình tầng điện ly 53 Hình 12 Hiện tượng trượt pha sóng mang 56 Hình 13 Sai số theo thời gian 65 Hình 14 Độ suy giảm xác phép lọc theo thời gian 65 Hình 15 Sai số tầng điện ly 66 Hình 16 Số nhập nhằng pha sóng mang (đã kết hợp giải phóng lỗi tầng điện ly) 66 Hình 17 Trạm thu đặt thư viện Tạ Quang Bửu 67 Hình 18 Skyplot vệ tinh 72 Hình 19 Kết xử lý liệu với độ đo mã giả khoảng cách 73 Hình 20 Kết xử lý với độ đo pha sóng mang 74 Hình 21 Suy giảm độ xác 75 Hình 22 Số nhập nhằng pha sóng mang 75 Hình 23 Sai số tầng đối lưu 76 T 03U U T 03 T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U U T 03 T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm Danh mục bảng biểu Bảng Các đơn vị liên quan tới hệ thống IGS 33 Bảng Các sản phẩm IGS 34 Bảng Dữ liệu epoch thu 67 Bảng Các chức ban đầu GPStk 71 T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U T 03U Nghiên cứu phương pháp định vị xác số giải pháp thử nghiệm Phần mở đầu Lý chọn đề tài Ngày giới, công nghệ dựa hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu sử dụng vệ tinh(GNSS –Global Navigation Satelite System) phát triển mạnh với hệ thống biết đến GPS (của Mỹ), GLONASS (của Nga), COMPASS (của Trung Quốc) châu âu triển khai hệ thống riêng có tên GALILEO Trong việc chế tạo thu cho hệ thống GNSS, độ xác định vị phổ biến vào khoảng 10 m Tuy nhiên, có số ứng dụng dựa phép định vị địi hỏi độ xác cao tốn khảo sát, tồn xây dựng đồ hay tốn điều khiển xác, v.v…Đối với ứng dụng này, người ta sử dụng phép định vị xác (Precise Positioning), có độ xác đến cm Trong đó, thay sử dụng mã giả khoảng cách, người ta sử dụng pha sóng mang (Carrier Phases) để tính khoảng cách độ đo khoảng cách với pha sóng mang có sai số nhỏ nhiều so với độ đo mã giả khoảng cách Tuy nhiên, sử dụng độ đo pha sóng mang lại xuất tham số khác gọi số nhập nhằng sóng mang (Carrier Phase Ambiguities) làm cho phép định vị xác phải thu nhiều mẫu, nhiều thời gian để xử lý, định vị vật di chuyển thời gian thực Nguyên nhân làm cho phép phân giải số nguyên nhập nhằng nhiều thời gian nằm việc độ đo (pha sóng mang mã giả khoảng cách) lan truyền từ vệ tinh tới thu bị ảnh hưởng nhiều nguồn gây sai số Trong đó, sai số gây tầng điện ly nghiêm trọng Chính vậy, phương pháp định vị xác hướng tới việc sử dụng hệ thống hỗ trợ, cung cấp thông tin để khắc phục sai số phần làm gia tăng tốc độ phân giải số nhập nhằng nói Nhận thức ứng dụng thực tế phép định vị xác sử dụng vệ tinh Việt Nam thời điểm tương lai, tác giả lựa chọn thực