NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan về phương pháp định vị điểm đơn chính xác dùng GPS; - Tìm hiểu định dạng, các phương thức giao tiếp để nhận được số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Với xu thế phát triển không ngừng trong lĩnh vực định vị vệ tinh, nên đòi hỏi về độ chính xác định vị cũng ngày càng cao Định vị vệ tinh gồm có 2 phương pháp định vị: định vị tương đối và định vị tuyệt đối Phương pháp định vị tương đối với nguyên tắc lấy hiệu đôi nên đã khử đi hầu hết các nguồn sai số trong trị đo, do đó độ chính xác định vị cao và đáp ứng cho các công tác trắc địa như thành lập lưới khống chế, khảo sát địa hình (trên bờ, dưới nước)…, nhưng đối với kỹ thuật này cần phải có ít nhất 2 máy thu GNSS đo đồng thời và bị giới hạn chiều dài đường đáy từ vài km đến vài chục km Trong khi đó, phương pháp định vị tuyệt đối sử dụng duy nhất một máy thu để xác định một cách trực tiếp tọa độ của điểm đặt máy, tuy nhiên độ chính xác của định vị tuyệt đối vẫn chưa đáp ứng cho các ứng dụng yêu cầu về độ chính xác cao, phần lớn là do tọa độ và sai số đồng hồ vệ tinh được tính toán từ bản lịch truyền thông có độ chính xác thấp nên đã ảnh hưởng nhiều đến kết quả định vị
Ngày nay, tổ chức IGS cũng đã cung cấp dịch vụ thời gian thực RTS, trong đó có số hiệu chỉnh quỹ đạo và hồ vệ tinh nhằm hiệu chỉnh vào quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh tính từ bản lịch truyền thông Do đó sẽ góp phần nâng cao độ chính xác định tuyệt đối thời gian thực một cách đáng kể
Hướng tiếp cận của đề tài là khai thác các số hiệu chỉnh về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh có thể nhận được từ dịch vụ IGS ở thời gian thực theo đường truyền Internet, từ đó tìm hiểu và hiệu chỉnh vào quỹ đạo và sai số đồng hồ vệ tinh tính toán từ bản lịch truyền thông để nhận được giá trị chính xác Sau đó xây dựng chương trình định vị điểm đơn trên cơ sở tọa độ và đồng hồ vệ tinh đã hiệu chỉnh, góp phần nâng cao độ chính xác của định vị tuyệt đối nhưng vẫn giữ tính thời gian thực của nó qua đó mở rộng khả năng ứng dụng của nó Kỹ thuật này gọi là định vị điểm đơn chính xác thời gian thực (RTPPP) Đặc biệt RTPPP có thể giải quyết mối quan tâm cấp thiết của Việt Nam hiện nay trong công tác đo vẽ địa hình đáy biển ở những vùng biển xa bờ và các quần đảo khoảng 100 đến 200km, vì nó không cần đến trạm tham khảo nên không phụ thuộc vào khoảng cách từ trạm tham khảo đến máy thu như các kỹ thuật định vị tương đối
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Từ khi các sản phẩm từ dịch vụ RTS được công bố, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã nhìn nhận khác hẳn về khả năng cũng như độ chính xác của định vị tuyệt đối
Vì vậy, xu hướng chính của các nhà nghiên cứu về GNSS tập trung vào giải quyết các bài toán định vị điểm đơn chính xác thời gian thực
Với trọng tâm là các vấn đề trên nên một số nghiên cứu trên thế giới đã tập trung vào khai thác các sản phẩm từ RTS để nâng cao độ chính xác của định vị điểm đơn theo thời gian thực
Trong phạm vi tham khảo được, học viên đã tiếp cận những nghiên cứu có nội dung liên quan sau:
Tomoji Takasu, Tokyo University of Marine Science and Technology,
“Real-time PPP with RTKLIB and IGS real-time satellite orbit and clock,” IGS Workshop (2013) [1]
Tác giả đã phát triển thêm chức năng xử lý RTPPP cho phần mềm mã nguồn mở RTKLIB đã được xây dựng trước đó từ năm 2007 Phiên bản cập nhật thêm chức năng xử lý Real time PPP là RTKLIB Version 2.4.2 vào tháng 4/2013 Chức năng xử lý RTPPP nằm trong mô-đun RTKNAV của gói phần mềm RTKLIB ( Hình 1.1 )
Hình 1.1 – Mô-đun RTKNAV của phần mềm RTKLIB
Kết quả đánh giá độ chính xác khi sử dụng mô-đun xử lý RTPPP của RTKLIB cải thiện một cách đáng kể được thể hiện theo Hình 1.2 như sau:
Hình 1.2 – Đồ thị về độ chính xác của RTPPP dùng RTKLIB
Thomas Grinter, Craig Roberts, “Real Time Precise Point Positioning: Are We There Yet,” International Global Navigation Satellite Systems Society, IGNSS Symposium, Outrigger Gold Coast, Qld, Australia, July 2013 [2]
Bài báo này cung cấp cái nhìn ngắn gọn về lịch sử sự phát triển của định vị điểm đơn thời gian thực và đánh giá những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật PPP với sự nhấn mạnh vào việc phát triển giải pháp PPP thời gian thực hoặc gần thời gian thực
Các tác giả cũng dự báo rằng trong tương lai gần, khi những kỹ thuật về PPP dần càng cải thiện hơn, các phương pháp định vị PPP và các kỹ thuật định vị khác nhau của GNSS sẽ tạo ra một giải pháp định vị chính xác toàn cầu và đồng nhất
Brian Bramanto, Irwan Gumilar and Wedyanto Kuntjoro, Geodesy Research Group, Institut Teknologi Bandung, “RT-PPP: Concept and Performance in Indonesia Region,” November 2015 [3].
- 5 - Bài báo cung cấp khái niệm về cơ bản về kỹ thuật RTPPP cũng như so sánh nó với các phương pháp khác, chẳng hạn như: đo tĩnh, đo RTK-Radio, đo RTK-CORS Ở Bảng 1.1 , so sánh độ lệch về tọa độ giữa các kỹ thuật đo GPS tại 4 điểm đo của nhóm tác giả, khi xem tọa độ khi xử lý bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh làm cơ sở
Bảng 1.1 – So sánh theo kết quả RTPPP với các kỹ thuật tương đối khác
Từ những kết quả khảo sát, tác giả đã đi đến kết luận rằng kỹ thuật RTPPP có thể cung cấp kết quả có độ chính xác ở cấp độ từ cm đến dm
Min-Wook Kang, Jihye Won, Mi-So Kim, Kwan-Dong Park, “Accuracy
Evaluation of IGS-RTS Corrections to Stand-Alone Positioning Based on GPS Code- Pseudorange Measurements,” Journal of Positioning Navigation, and Timing, 12-
Trọng tâm nghiên cứu của nhóm tác giả là nhằm đánh giá độ chính xác của số hiệu chỉnh RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS Qua đó thực hiện định vị điểm đơn và đánh giá độ chính xác của định vị điểm đơn dùng trị đo giả cự ly và có sử
- 6 - dụng số hiệu chỉnh IGS-RTS Kết luận của nhóm tác giả về độ chính xác so với định vị thông thường dùng trị đo giả cự ly và bản lịch truyền thông cải thiện khoảng 8.5% Đồ thị Hình 1.2 thể hiện sai số 3 chiều theo thời gian tại các trạm thử nghiệm
Hình 1.3 – Đồ thị về sai số vị trí 3D tại các trạm thực nghiệm
Tuy nhiên nghiên cứu của nhóm tác giả chưa loại trừ ảnh hưởng của các sai số trong định vị như: điện ly, đối lưu, … và chỉ dùng trị đo giả cự ly C1 Vì vậy kết quả vẫn còn sai số lớn
Hầu hết các nghiên cứu trong nước liên quan đến PPP rất ít, đặc biệt chủ đề về RTPPP đối với Việt Nam còn khá mới mẻ Vì vậy các nghiên cứu trong nước mà học viên tham khảo được chủ yếu là nghiên cứu về PPP hậu xử lý Một trong các nghiên cứu về PPP hậu xử lý cần kể đến là:
Nguyễn Ngọc Lâu, Bộ môn Địa tin học - Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Định vị điểm đơn bằng GPS hiện nay có thể đạt độ chính xác bao nhiêu ?, Tạp chí phát triển KH&CN, tập 12, số 08 – 2009 [5]
- 7 - Bài báo trình bày nghiên cứu về khảo sát định vị điểm đơn bằng công nghệ GPS khi khai thác các sản phẩm chỉnh xác của dịch vụ IGS Qua đó, tác giả đã thực hiện khảo sát trên các trạm đo của mạng lưới IGS, cho thấy độ chính xác của định vị điểm đơn có thể đạt 5mm ở mặt bằng và 10mm ở độ cao khi xử lý dữ liệu đo tĩnh 24 giờ, và khoảng 1dm khi xử lý dữ liệu đo động 24 giờ
Các kết quả đánh giá tổng hợp của tác giả tại 9 trạm IGS toàn cầu được liệt kê trong ( Bảng 1.2 và Bảng 1.3 ):
Bảng 1.2 – Sai số trung phương tọa độ khi xử lý tĩnh 24 giờ
Bảng 1.3 – Sai số trung phương tọa độ khi xử lý động 24 giờ
Với độ chính xác đạt được như vậy khiến chúng ta phải nhìn nhận lại khả năng của định vị điểm đơn, cũng như khả năng có thể sử dụng nó trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Tuy nhiên, nghiên cứu trên thực hiện trên nguồn dữ liệu tại các trạm đo IGS, coi như các kết quả trên đạt được là trong điều kiện khá lý tưởng Vì vậy, cần có những nghiên cứu mở rộng trên cơ sở nghiên cứu này khi áp dụng cho điều kiện thực tế tại Việt Nam
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Như đã trình bày ở các nội dung trên, hầu hết các nghiên cứu về định vị điểm đơn chính xác đều là các nghiên cứu nước ngoài Ở Việt Nam nghiên cứu về PPP còn tương đối ít, chủ yếu là PPP hậu xử lý Trong khi đó mạng lưới Internet đã phủ trùm hầu hết các khu vực và tốc độ ngày càng cải thiện Vấn đề cần thiết đáng quan tâm ở đây là quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi đã hiệu chỉnh RTS đạt độ chính xác ở mức độ nào Trên cơ sở đó nhằm nâng cao độ chính xác định vị điểm đơn thời gian thực, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của nó
Mục đích cụ thể của đề tài là tìm hiểu về định dạng, cách thức nhận các số hiệu chỉnh về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh theo thời gian thực sau đó tính toán hiệu chỉnh vào quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh nhận được từ bản lịch truyền thông, thông qua đó là cơ sở chính để xây dựng thuật toán và viết chương trình định vị điểm đơn chính xác thời gian thực Đồng thời đánh giá độ chính xác của kết quả định vị điểm đơn thời gian thực dùng GPS Để giải quyết các mục tiêu trên đề tài cần thực hiện các nội dung sau:
- Tìm hiểu tổng quan về phương pháp định vị điểm đơn chính xác dùng GPS;
- Tìm hiểu các phương thức giao tiếp để nhận được số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS;
- Nghiên cứu định dạng số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh và cách hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS;
- Nghiên cứu định dạng của trị đo pha và giả cự ly xuất ra từ máy thu GPS;
- Viết chương trình đánh giá độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh so với bản lịch chính xác;
- Viết chương trình và xây dựng phần mềm định vị điểm đơn chính xác cao thời gian thực thông qua việc khai thác số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS ở thời gian thực;
- Thu thập và xử lý dữ liệu thực tế, qua đó đánh giá mức độ cải thiện độ chính xác của định vị điểm đơn thời gian thực khi có thêm các số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh
- 9 - Với cách đặt vấn đề như trên, quá trình nghiên cứu của học viên đặt ra hai nhiệm vụ chính Một là, khảo sát độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi đươc hiệu chỉnh bởi số hiệu chỉnh IGS-RTS nhận được thông qua Internet so với bản lịch chính xác Hai là, xây dựng chương trình định vị điểm đơn trên cơ sở tọa độ gộp với đồng hồ vệ tinh đã được hiệu chỉnh Việc tiến hành các bài toán khảo sát để đánh giá độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi đươc hiệu chỉnh sẽ thực hiện trên nguồn dữ liệu từ dịch vụ IGS Còn việc tiến hành xây dựng chương trình định vị điểm đơn theo thời gian thực sẽ thực hiện trực tiếp số liệu quan sát theo từng thời điểm của máy thu GPS hai tần số đặt ở Việt Nam, trị đo sử dụng trong bài toán định vị là trị đo pha L3 và trị đo mã P3 được kết hợp trên hai tần số sóng tải.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Như chúng ta đã biết, định vị tuyệt đối nếu sử dụng bản lịch truyền thông thì thông thường sẽ đạt độ chính xác thấp từ 5-10m Gần đây, với sự nổ lực của nhiều phía, tổ chức phi lợi nhuận IGS đã công bố các sản phẩm theo thời gian thực (cụ thể là các số hiệu chỉnh về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh) Qua đó, mở ra các vấn đề cần để chúng ta quan tâm và nghiên cứu là liệu định vị tuyệt đối trên cơ sở khai thác các số hiệu chỉnh về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh theo thời gian thực có thể đạt được độ chính xác bao nhiêu, có đáp ứng các cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác ở mức trung bình hay không
Mặc dù hiện nay, các kỹ thuật định vị tương đối động như DGPS hay RTK đang được khai thác và sử dụng rộng rãi và đáp ứng cho hầu hết các công tác yêu cầu độ chính xác cao và trung bình Tuy nhiên chúng ta cũng cần thiết phải nhìn nhận lại độ chính xác của định vị tuyệt đối khi có các sản phẩm chính xác từ dịch vụ IGS
Nếu kết quả nghiên cứu của đề tài cho chúng ta độ chính xác cũng như độ tin cậy cao thì đây sẽ là dấu hiệu lạc quan trong việc nâng cao độ chính xác định vị tuyệt đối ở thời gian thực, góp phần nâng cao độ chính xác cho công tác định vị và dẫn đường, đồng thời qua đây dẫn đến xu hướng tương lai nó sẽ thay thế cho các kỹ thuật
- 10 - định vị tương đối ở các ứng dụng và khía cạnh nào đó trên lãnh thổ Việt Nam với sự tiện lợi, chi phí thấp hơn
Các trung tâm xử lý IGS cung cấp đến cộng đồng người dùng GPS các số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS thông qua đường truyền Internet ngay ở tại thời điểm tham khảo gần với thời điểm thu tín hiệu vệ tinh Đây là nguồn cải chỉnh quan trọng nhất giúp nâng cao độ chính xác định vị điểm đơn lên một cách đáng kể mà vẫn giữ nguyên tính tức thời
Qua đây, kỹ thuật định vị tuyệt đối với sự hỗ trợ của các sản phẩm thời gian thực của dịch vụ IGS sẽ làm gia tăng thêm độ chính xác về vị trí điểm, từ đó mở rộng thêm khả năng ứng dụng thực tế của nó
Từ những nghiên cứu trong và ngoài nước nêu trên ta nhận thấy, các nhà nghiên cứu về GNSS trên thế giới hiện nay đã tập trung nghiên cứu về PPP, đặc biệt các nghiên cứu mới gần đây đã tập trung nhiều hơn vào nghiên cứu về RTPPP Trong khi đó, các nghiên cứu trong nước về định vị điểm đơn chính xác là tương đối ít, một số nghiên cứu về PPP nhưng ở chế độ hậu xử lý, chưa có nghiên cứu nào trong nước về RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS được công bố Đồng thời với ý nghĩa nhằm nâng cao độ chính xác định vị tuyệt đối thời gian thực, góp phần mở rộng ứng dụng của kỹ thuật định vị này và giải quyết vấn đề định vị ở các vùng biển xa đất liền và hải đảo
Từ những lý do và mục đích đã nêu ra, học viên quyết định thực hiện đề tài này nhằm xây dựng một chương trình định vị RTPPP và đánh giá độ chính xác của nó trong điều kiện tại Việt Nam Nội dung thực hiện của đề tài được trình bày trong các chương tiếp theo của luận văn
TỔNG QUAN VỀ GNSS, PPP VÀ RTPPP
TỔNG QUAN VỀ GNSS, PPP VÀ RTPPP
2.1.1 Khái niệm chung về GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (Global Navigation Satellites System – GNSS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên các vệ tinh nhân tạo Hệ thống này luôn sẵn sàng và hoạt động trong mọi thời gian và dưới mọi điều kiện thời tiết [6] Các quốc gia hàng đầu đã xây dựng cho họ một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu riêng, phải kể đến đó là: GPS của Hoa Kỳ, GLONASS của Nga, BEIDOU của Trung Quốc, và GALILEO của Liên Bang Châu Âu (EU), …
Ngày nay GNSS mang lại cho người dùng dân sự những hữu ích vượt trội trong hầu hết các dụng ở nhiều lĩnh vực, nhiều ngành nghề và nhiều mục đích khác nhau
- Giao thông: dẫn đường trong giao thông đường bộ, hàng không, hàng hải
- Môi trường: giám sát và quản lý môi trường
- Các ứng dụng trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ,
Các thành phần của một hệ thống vệ tinh định vị bao gồm: mảng không gian, mảng điều khiển, mảng người dùng ( Hình 2.1 )
Hình 2.1 – Mối quan hệ giữa các thành phần của một hệ thống GNSS
Mảng không gian chính là hệ thống các vệ tinh trên bầu trời Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:
- Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển
- Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên các vệ tinh
- Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số
Mảng điều khiển đảm nhiệm việc vận hành và điều khiển hệ thống, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh Nó bao gồm: trạm điều khiển chính (Master Control Station – MCS), trạm đồng bộ thời gian (Time Synchronization/Upload Stations – TS/US) và trạm giám sát (Monitor Stations – MS)
Nhiệm vụ của trạm điều khiển chính là thu thập dữ liệu quan sát liên quan đến quỹ đạo và sai số đồng hồ vệ tinh từ các trạm đồng bộ thời gian và trạm quan sát để xử lý dữ liệu tạo ra thông báo hàng hải Thực hiện nhiệm vụ lên kế hoạch và lịch trình, để thực hiện việc vận hành hệ thống, quản lý và điều khiển hệ thống Quan sát và tính toán các tham số đồng hồ vệ tinh và đưa nó vào thông báo hàng hải Đồng thời quan sát các tải trọng vệ tinh và phân tích các dị thường, …
Nhiệm vụ chính của trạm đồng bộ là đo các tham số đồng hồ vệ tinh và cung cấp cho trạm điều khiển chính
Còn nhiệm vụ chính của trạm quan sát là quan sát một cách liên tục các tham số quỹ đạo vệ tinh và cung cấp dữ liệu thời gian thực đến trạm điều khiển chính
Mảng người dùng bao gồm tất cả các loại hình thiết bị kể cả phần cứng lẫn phần mềm Trong khi phần cứng có chức năng thu tín hiệu vệ tinh, thì phần mềm sẽ đảm nhiệm chức năng xử lý tín hiệu vệ tinh và tính toán ra tọa độ tại vị trí đặt máy thu GNSS Phần mềm liên tục cập nhật thêm nhiều chức năng, kỹ thuật định vị mới giúp cho người dùng có nhiều chọn lựa sao cho phù hợp nhất với mục đích của ứng dụng
2.1.2 Tín hiệu và trị đo GPS Đề tài của học viên chủ yếu nghiên cứu về RTPPP dùng GPS nên trong phần tín hiệu và trị đo chỉ tập trung trình bày về hệ thống GPS
Mỗi vệ tinh GPS truyền một tín hiệu hàng hải thống nhất trên hai tần số sóng điện từ L1 ở 1575.42MHz và L2 ở 1227.60MHz Trên các tần số sóng cực ngắn này tín hiệu truyền tập trung cao trên đường truyền, có thể xuyên qua mây, sương mù và mưa nhưng lại dễ phản xạ bởi vật rắn [6] Các tín hiệu vệ tinh GPS bao gồm:
- Hai tần số sóng tải - Các mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải - Thông báo hàng hải
❖ Trị đo giả cự ly:
Trị đo giả cự ly P i k bằng với hiệu giữa thời gian máy thu t i vào lúc thu tín hiệu và thời gian vệ tinh t k vào lúc phát tín hiệu, nhân với tốc độ ánh sáng trong chân không c Giả cự ly được đo thông qua mã P (Y) trên các tần số f 1 và f 2 và/hoặc thông qua mã C/A trên tần số f 1
Trong đó i k là thời gian lan truyền tín hiệu từ máy phát tín hiệu ở vệ tinh đến bộ tương quan tín hiệu trong máy thu GPS; e i k là sai số trị đo giả cự ly
Dạng đầy đủ của phương trình trị đo giả cự ly GPS trên 2 tần số từ máy thu i đến vệ tinh k ở thời điểm t có thể biểu diễn bằng các phương trình sau [7]
P t i là trị đo mã trên tần số f L 1 và f L 2 giữa máy thu i và vệ tinh k
• i k ( ) t là khoảng cách hình học giữa máy thu i và vệ tinh k
I i t là độ trễ tín hiệu do ảnh hưởng tầng điện ly
• T t i k ( ) là độ trễ tín hiệu do ảnh hưởng tầng đối lưu
• dt t i ( ) và dT k ( ) t là sai số đồng hồ máy thu i và sai số đồng hồ vệ tinh k
− bao gồm độ nhiễu máy thu, sai số đa đường, và các sai số khác
• c là tốc độ sóng điện từ trong chân không
Trong thực tế do sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu và sai số do môi trường lan truyền, khoảng cách đo được sai lớn so với khoảng cách hình học vì vậy mà người ta còn gọi trị đo này là trị đo giả cự ly (pseudo – range)
❖ Trị đo pha sóng tải:
Pha sóng tải i k là hiệu giữa pha i của máy thu sinh ra tín hiệu pha thời điểm thu tín hiệu và pha k của vệ tinh sinh ra tín hiệu sóng tải ở thời điểm phát Chỉ có phần lẻ của pha sóng tải có thể được đo khi một tín hiệu vệ tinh thu được, còn lại N chu kỳ nguyên chưa biết N được gọi là tham số đa trị pha sóng tải
= − − + + (2.3a) Để chuyển trị đo pha sang đơn vị khoảng cách, ta nhân nó với bước sóng hình thức của tín hiệu sóng tải c
Dạng đầy đủ của phương trình trị đo pha GPS trên 2 tần số từ máy thu i đến vệ tinh k ở thời điểm t có thể biểu diễn bằng các phương trình sau [7]
• L k i ,1 và L k i ,2 là trị đo pha trên tần số f L 1 và f L 2 giữa máy thu i và vệ tinh k
• i k ( ) t là khoảng cách hình học giữa máy thu i và vệ tinh k
I i t là độ trễ tín hiệu do ảnh hưởng tầng điện ly
• T t i k ( ) là độ trễ tín hiệu do ảnh hưởng tầng đối lưu
• N i k ,1 và N i k ,2 là tham số đa trị trên tần số
là pha ban đầu của máy thu i đến vệ tinh k
• dt t i ( ) và dT k ( ) t là sai số đồng hồ máy thu i và sai số đồng hồ vệ tinh k
bao gồm độ nhiễu máy thu, sai số đa đường, và các sai số khác
• 1 k , 2 k là bước sóng tương ứng với tần số
• c là tốc độ sóng điện từ trong chân không
❖ Tổ hợp trị đo không bị ảnh hưởng điện ly: Để khử ảnh hưởng của tầng điện ly có mặt trong phương trình trị đo, người ta sử dụng trị đo mã và pha kết hợp trên 2 tần số Phương trình trị đo mã và trị đo pha không bị ảnh hưởng điện ly giữa máy thu i và vệ tinh k ở thời điểm t có dạng [6, 7]:
L i t là trị đo pha không bị ảnh hưởng điện ly giữa máy thu i và vệ tinh k
P t i là trị đo mã không bị ảnh hưởng điện ly giữa máy thu i và vệ tinh k
• i k ( ) t là khoảng cách hình học giữa máy thu i và vệ tinh k
• T t i k ( ) là độ trễ tín hiệu do ảnh hưởng tầng đối lưu
• dt t i ( ) và dT k ( ) t là sai số đồng hồ máy thu i và sai số đồng hồ vệ tinh k
là bao gồm độ nhiễu máy thu, sai số đa đường, và các sai số khác
• b i k , 3 là tham số đa trị (số thực)
• c là tốc độ sóng điện từ trong chân không
GIỚI THIỆU VỀ DỊCH VỤ IGS VÀ CÁC SẢN PHẨM CỦA IGS
Dịch vụ GNSS quốc tế (International GNSS Service), viết tắt là IGS thành lập từ năm 1992 IGS được hợp thành bởi sự đóng góp của hơn 200 tổ chức đang hoạt động, trên 80 quốc gia và vùng lãnh thổ và ngày càng mở rộng Đây là dịch vụ truy
- 20 - cập mở cho mọi người dùng, cung cấp các sản phẩm dữ liệu GNSS chất lượng cao kể từ năm 1994 Các sản phẩm này được cung cấp trong các khung tham chiếu mặt đất quốc tế chung cho các ứng dụng khoa học, giáo dục, và thương mại Vì vậy, đây là lợi ích to lớn cho cộng đồng người dùng dân sự, và hỗ trợ chính cho các nghiên cứu khoa học
Sứ mệnh mà IGS mang lại cho người dùng là phục vụ trong các nghiên cứu và quan sát Trái Đất, định vị, dẫn đường, xác định thời gian, vận tốc, và các ứng dụng khác có lợi cho khoa học và xã hội [15]
Các thành phần quan trọng đã cấu thành tổ chức IGS phải kể đến:
- Các trung tâm phân tích dữ liệu, các trung tâm này luôn đảm bảo có sẵn các sản phẩm chất lượng cao;
- Đội ngũ quản lý điều hành, đảm nhiệm việc chủ trì và quản lý tổ chức IGS;
- Hội đồng quản trị và các thành viên liên kết, những người hành động và nổ lực để duy trì tổ chức;
- Các dự án thí điểm và các nhóm làm việc, liên tục thúc đẩy tổ chức IGS ngày càng phát triển để mang đến cho người dùng các sản phẩm ngày càng chất lượng và đa dạng
Hình 2.3 – Mạng lưới hoạt động của tổ chức IGS
- 21 - Nền tảng của IGS là mạng lưới toàn cầu với hơn 400 trạm quan sát các tín hiệu vệ tinh GPS, GLONASS, GALILEO, BEUDOU, QZSS và SBAS hoạt động thường trực một cách liên tục Các dữ liệu tại các trạm đo sẽ được lưu trữ tại 4 trung tâm dữ liệu toàn cầu: CDDIS, SIO, IGN, KASI và các trung tâm dữ liệu khu vực: CODE, NRCan, ESOC, SIO, GFZ, Các trung tâm phân tích sẽ thường siêng xử lý dữ liệu và đóng góp các sản phẩm để từ đó tổng hợp lại và cho ra các sản phẩm IGS kết hợp với nhau trên cơ sở trung bình trọng số để tạo ra sản phẩm chính thức tốt nhất cung cấp đến người dùng, xem Hình 2.3
2.2.2 Các sản phẩm của dịch vụ IGS
Các sản phẩm IGS bao gồm:
- Bản lịch vệ tinh GNSS - Các tham số xoay của Trái Đất - Cập nhật tọa độ và vận tốc của các trạm IGS toàn cầu - Cung cấp thông tin về đồng hồ của các trạm IGS và các vệ tinh GNSS - Số hiệu chỉnh đối lưu thiên đỉnh
- Mô hình hiệu chỉnh tầng điện ly toàn cầu
Thông thường, các số liệu và các sản phẩm của IGS được có sẵn cho người dùng với một độ trễ nhất định về thời gian, mục tiêu ban đầu là sử dụng các số liệu và các sản phẩm này để phục vụ cho mục đích hậu xử lý Chẳng hạn, bản lịch chính xác
“Final” có độ chính xác cao nhất thường được gửi đến người sử dụng với độ trễ về thời gian nằm trong khoảng từ 12 đến 18 ngày
Bộ sản phẩm cốt lõi của IGS – quỹ đạo vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ, thông số xoay của Trái Đất và vị trí trạm đo đã được tăng cường bởi các sản phẩm mới được sinh ra từ các nhóm làm việc (Working Group – WG) và các dự án thí điểm (Pilot Project – PP) Dự án thí điểm nhằm mục đích phát triển một sản phẩm mới sử dụng dữ liệu từ mạng lưới IGS và nhóm làm việc sẽ làm việc trên một chủ đề cụ thể liên quan đến các thành phần của IGS
- 22 - Hai dự án thí điểm quan trọng nhất của tổ chức IGS phải kể đến: dự án thử nghiệm đa hệ thống định vị GNSS (Multi-GNSS Experiment – MGEX) và dự án cung cấp dịch vụ GNSS thời gian thực quốc tế (Real Time Service – RTS) [15]
Dự án thử nghiệm đa hệ thống định vị GNSS – MGEX đã được thiết lập bởi tổ chức IGS để theo dõi, đối chiếu và phân tích tất cả các tín hiệu GNSS có sẵn hiện nay, bao gồm các tín hiệu từ hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU và QZSS, cũng như từ các vệ tinh GPS và GLONASS thế hệ mới và các hệ thống tăng cường vùng rộng (SBAS) Các trung tâm phân tích sẽ cố gắng ước lượng các hệ số hiệu chỉnh giữa các hệ thống ISB (Inter – System Biases), so sánh hiệu suất thiết bị và phát triển hơn nữa phần mềm xử lý có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều hệ thống GNSS
Dự án cung cấp dịch vụ GNSS thời gian thực quốc tế – RTS là một dịch vụ cung cấp số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GNSS thời gian thực cho phép định vị chính xác điểm (PPP) ở quy mô toàn cầu Các sản phẩm RTS cho phép thực hiện các ứng dụng như kiểm tra khoa học, giám sát địa vật lý, phát hiện và cảnh báo nguy cơ, dự báo thời tiết, đồng bộ hóa thời gian, giám sát nhóm các vệ tinh GNSS, kiểm soát hình ảnh và nhiều ứng dụng yêu cầu thời gian thực Hiện tại RTS đã cung cấp chính thức các sản phẩm cho GPS, còn GLONASS cung cấp ở hình thức thử nghiệm và phát triển Các sản phẩm cho các hệ thống GNSS khác sẽ được thêm vào khi chúng có sẵn
Luận văn của học viên khai thác các sản phẩm thời gian thực về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS từ RTS để thực hiện bài toán định vị điểm đơn chính xác thời gian thực RTPPP
2.2.3 Các sản phẩm IGS thời gian thực
Việc phát triển của dịch vụ RTS của giống như việc phát triển một dịch vụ mới của IGS Bước thứ nhất, IGS thành lập nhóm làm việc độc lập và cùng nhau xác định những mục tiêu chiến lược cần đạt được Bước thứ hai, dự án thử nghiệm được triển
- 23 - khai và hoạt động Khi dự án thử nghiệm thành công sẽ chuyển sang bước cuối cùng, theo đó đi đến công bố chính thức dịch vụ mới
Nhóm làm việc về dịch vụ thời gian thực của IGS (IGS Real Time Working Group – IGS RTWG) được thành lập vào năm 2001 với mục tiêu được xác định là thiết kế và triển khai hạ tầng hệ thống dịch vụ thời gian thực và xử lý để cung cấp số liệu thời gian thực cho các trung tâm phân tích, và phân phối sản phẩm số liệu thời gian thực đến với người sử dụng Định hướng hoạt động của IGS RTWG là hướng tới dịch vụ thời gian thực RTS, định hướng mục tiêu này được xác định trong hội thảo do IGS tổ chức vào đầu năm 2002 tại Ottawa, Canada
Tháng 06-2007, IGS ra thông báo mời tham gia vào dự án thử nghiệm dịch vụ thời gian thực Đến tháng 08-2011, nhóm làm việc đã thông báo dự án thử nghiệm đã hoàn tất, đây là tiền đề cho đội ngũ quản lý điều hành của IGS chính thức công bố triển khai cung cấp dịch vụ thời gian thực trên phạm vi toàn cầu nhằm tăng cường độ chính xác của định vị điểm đơn ( Hình 2.4 )
Hình 2.4 – Dịch vụ IGS thời gian thực
GIAO THỨC VÀ ĐỊNH DẠNG TRUYỀN SỐ LIỆU THỜI GIAN THỰC
Các nhà sản xuất máy thu GNSS đều phát triển và duy trì các định dạng dữ liệu riêng của họ Tuy nhiên, việc khác nhau về định dạng dữ liệu sẽ gây khó khăn cho việc kết hợp các dữ liệu GNSS với nhau Do đó, cần có định dạng dữ liệu chung để có thể khai thác các dữ liệu kết hợp lẫn nhau một cách dễ dàng [16] Định dạng RINEX sử dụng để trao đổi dữ liệu dưới dạng tệp chuẩn, nhưng nó không thể áp dụng để truyền và nhận dữ liệu thời gian thực Vì vậy, việc đưa ra định
- 25 - dạng chuẩn dữ liệu quốc tế cho việc truyền và nhận dữ liệu GNSS thời gian thực là điều rất cần thiết Để cung cấp thông tin GNSS theo thời gian thực qua mạng Internet, phải có ba thành phần cần thiết là: giao thức truyền dữ liệu, định dạng dữ liệu và liên kết truyền dữ liệu Giao thức truyền dữ liệu quản lý việc phân phối dữ liệu qua mạng Internet bằng cách cung cấp các cơ chế kiểm soát lưu lượng đáng tin cậy Định dạng dữ liệu là một cấu trúc chuẩn đã được định sẵn để dịch các chuỗi bit được truyền thành thông tin có ý nghĩa Liên kết truyền dữ liệu là phương tiện vận chuyển thông tin từ bên này sang bên khác Hiện nay mạng Internet là phương tiện ưu thích để truyền số hiệu chỉnh GNSS thời gian thực Định dạng RTCM đã được định nghĩa và được công nhận là định dạng chuẩn quốc tế cho việc truyền và nhận dữ liệu GNSS thời gian thực Vào năm 1994, phiên bản RTCM đã cập nhật thông điệp cho trị đo pha và trị đo mã thô chưa được hiệu chỉnh là RTCM 2.1 Trong đó MT18 là thông điệp của trị đo pha và MT19 là thông điệp của trị đo mã trên 2 tần số sóng tải L1, L2 [17] Theo thời gian phát triển, các phiên bản RTCM sau này đã khắc phục các hạn chế của phiên bản cũ đồng thời bổ sung thêm các thông điệp mới Đặc biệt các phiên bản RTCM 3.x đã bổ sung các thông điệp của số hiệu chỉnh quỹ đạo (MT1057) và đồng hồ vệ tinh (MT1058), nhằm phục vụ cho bài toán định vị điểm đơn chính xác thời gian thực RTPPP
Vì vậy, chúng ta cần tìm hiểu về định dạng RTCM của các dữ liệu sẽ tham gia vào bài toán RTPPP bao gồm: bản lịch truyền thông GPS, số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS, trị đo pha và mã xuất ra từ máy thu GPS
2.3.1 Định dạng bản lịch truyền thông GPS
Bản lịch truyền thông (Broadcast Ephemeride) là nội dung quan trọng nhất của thông báo hàng hải (Navigation Message), nhằm cung cấp cho người sử dụng các thông tin cần thiết để xác định toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh ở thời điểm đo Định dạng của bản lịch truyền thông GPS dùng để truyền đi thông qua mạng Internet ở chế độ thời gian thực cũng theo định dạng tiêu chuẩn RTCM loại MT1019
- 26 - Bản lịch truyền thông ngoài việc chứa 6 tham số Kepler ( Hình 2.6 ) để xác định vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì còn cung cấp những tham số nhiễu loạn quan trọng khác giúp mô tả một cách chính xác quỹ đạo của vệ tinh Các phần tử Kepler được giải thích tại Bảng 2.1
Hình 2.6 – Mô tả các phần tử Kepler
Bảng 2.1 – Giải thích các phần tử Kepler
Ký hiệu Phần tử Kepler Định nghĩa / Ý nghĩa i Góc nghiêng Góc hợp bởi mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo Ω Hoàng kinh của điểm thăng Góc được đo từ điểm xuân phân đến điểm thăng (Ascending Node) a Bán trục lớn Là một nữa khoảng cách từ cận điểm
(Perigee) đến viễn điểm (Apogee) 𝑒 Tâm sai Thể hiện hình dạng của ellipse quỹ đạo 𝜔 Góc cận điểm Góc được đo từ điểm thăng đến cận điểm ν Độ dời thực Góc được đo từ cận điểm đến vị trí của vệ tinh tại một thời điểm cụ thể
- 27 - Theo các định luật của Kepler, vệ tinh chuyển động quanh Trái Đất theo quỹ đạo hình ellipse với trọng tâm của Trái Đất đặt tại một trong hai tiêu điểm của ellipse quỹ đạo Như vậy, khi có được các tham số Kepler ta có thể xác định vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo Tuy nhiên, trong thực tế ngoài lực hút từ Trái Đất các vệ tinh còn chịu ảnh hưởng của Mặt Trời và Mặt Trăng, đồng thời nó cũng chịu tác động của lực cản không khí, áp lực bức xạ Mặt Trời, dẫn tới quỹ đạo vệ tinh không hoàn toàn tuân thủ đúng định luật Kepler (nghĩa là chuyển động không còn theo hình ellipse)
Do đó, các tham số nhiễu đã được cung cấp nhằm để mô tả đúng quỹ đạo thực của vệ tinh
Hình 2.7 – Định dạng sau khi chuyển về RINEX của bản lịch phát tín Định dạng sau khi chuyển về RINEX của bản lịch truyền thông ( Hình 2.7 ) gồm hai phần Phần đầu là phần header chứa các thông tin chung, các hệ số (𝛼 𝑛 , 𝛽 𝑛 , n = 0~3) để có thể tính độ trể điện ly (nếu cần) và số giây nhuận (leap seconds), kết thúc phần header sẽ có dòng báo hiệu kết thúc là END OF HEADER Phần sau chứa các thông tin về quỹ đạo cũng như đồng hồ vệ tinh và các thông tin khác liên quan đến vệ tinh để chúng ta có thể xác định được tọa độ và sai số đồng hồ vệ tinh Các thông tin trong bản lịch được cập nhật với tần suất cứ hai giờ một lần đối với vệ tinh GPS
- 28 - Các tham số trong bản lịch truyền thông GPS [24], được giải thích như sau :
▪ Các tham số thời gian:
𝑡 𝑜𝑒 thời gian tham khảo của bản lịch 𝑡 𝑜𝑐 thời gian tham khảo của đồng hồ vệ tinh 𝑎 0 , 𝑎 1 , 𝑎 2 các hệ số đa thức để tính số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh
√a căn bậc hai bán trục lớn của quỹ đạo vệ tinh 𝑒 tâm sai của quỹ đạo
𝑖 0 góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo ở thời điểm tham khảo Ω 0 điểm thăng ở thời điểm tham khảo
𝜔 đối số của cận điểm
𝑀 0 dị thường trung bình ở thời điểm tham khảo
▪ Các tham số nhiễu loạn 𝛥𝑛 hiệu chuyển động trung bình với giá trị đã tính Ω̇ tốc độ thay đổi của điểm thăng
𝐼𝐷𝑂𝑇 tốc độ thay đổi của góc nghiêng
𝐶 𝑢𝑠 biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa sin vào đối số vĩ độ 𝐶 𝑢𝑐 biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa cosin vào đối số vĩ độ 𝐶 𝑖𝑠 biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa sin vào góc nghiêng 𝐶 𝑖𝑐 biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa cosin vào góc nghiêng 𝐶 𝑟𝑠 biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa sin vào bán kính quỹ đạo 𝐶 𝑟𝑐 biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa cosin vào bán kính quỹ đạo
2.3.2 Định dạng số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
Bất kỳ nguồn dữ liệu nào để có thể truyền tải thông tin đi được thông qua giao thức mạng Internet đều phải được mã hóa sang chuẩn dữ liệu là những con số nhị phân Các số hiệu chỉnh RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS được định dạng theo chuẩn RTCM-SSR với kiểu thông điệp tương ứng là MT1057 và MT1058 [17]
Vì vậy, để có thể thực hiện tính toán trên số liệu nhận được từ RTS cần giải mã từ các con số nhị phân sang dạng chữ, số nguyên, số thực, …
- 29 - Cấu trúc số hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh GPS ở dạng ASCII, xem Hình 2.7
Hình 2.8 – Cấu trúc của một khối thông điệp RTCM-SSR MT1057
▪ Cột PRN : tên các vệ tinh GPS
▪ Cột IOD : chỉ số tham khảo đến bản lịch truyền thông
▪ Cột O r : thành phần hướng tâm của số hiệu chỉnh quỹ đạo
▪ Cột O a : thành phần hướng dọc của số hiệu chỉnh quỹ đạo
▪ Cột O c : thành phần hướng ngang của số hiệu chỉnh quỹ đạo
▪ Cột O r : vận tốc của thành phần hướng tâm của số hiệu chỉnh quỹ đạo
▪ Cột O a : vận tốc của thành phần hướng dọc của số hiệu chỉnh quỹ đạo
▪ Cột O c : vận tốc của thành phần hướng ngang của số hiệu chỉnh quỹ đạo Cấu trúc số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS ở dạng ASCII, xem Hình 2.8
Hình 2.9 – Cấu trúc của một khối thông điệp RTCM-SSR MT1058
▪ Cột PRN : tên các vệ tinh GPS
▪ Cột IOD : chỉ số tham khảo đến bản lịch truyền thông
▪ Cột C 0 : hệ số bậc 0 của số hiệu chỉnh đồng hồ
▪ Cột C 1 : hệ số bậc 1 của số hiệu chỉnh đồng hồ
▪ Cột C 2 : hệ số bậc 2 của số hiệu chỉnh đồng hồ
2.3.3 Định dạng trị đo xuất ra từ máy thu GPS
Trong định dạng RTCM 2.x, mỗi loại thông điệp có: 2 từ (words) chứa thông tin tiêu đề, 1 từ chứa thời gian đo GPS, và dùng 2 từ để lưu thông tin trị đo trên 1 tần số sóng tải của mỗi vệ tinh Với chiều dài của 1 từ là 30 bits, giả sử có 10 vệ tinh thì tổng số bits truyền đi cho mỗi thông điệp MT18, MT19 của phiên bản RTCM 2.x được tính như sau [16]:
• MT18 cho trị đo pha L1
2 words (header) + 1 word (measurement time) + 2 words × 10 = 690 bits
• MT19 cho trị đo mã P1
2 words (header) + 1 word (measurement time) + 2 words × 10 = 690 bits
• MT18 cho trị đo pha L2
2 words (header) + 1 word (measurement time) + 2 words × 10 = 690 bits
• MT19 cho trị đo mã P2
2 words (header) + 1 word (measurement time) + 2 words × 10 = 690 bits - Tổng = 2760 bits = 345 bytes
Nội dung chương 2, đã giới thiệu một cách tổng quan về GNSS, các kỹ thuật định vị điểm đơn chính xác PPP và RTPPP Đồng thời nêu lên tầm quan trọng của tổ chức IGS quốc tế, và các sản phẩm mà IGS có thể cung cấp cho người dùng Đặc biệt liên quan đến nguồn dữ liệu mà đề tài nghiên cứu sẽ khai thác cho bài toán RTPPP là các sản phẩm thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh Ngoài ra trong phần này cũng trình bày giao thức và định dạng truyền số liệu GNSS thời gian thực
THUẬT TOÁN XỬ LÝ
THUẬT TOÁN TÍNH TỌA ĐỘ VỆ TINH GPS TỪ BẢN LỊCH TRUYỀN THÔNG
Dựa vào các tham số của bản lịch truyền thông được trình bày ở mục 2.3.1 ta có thể xác định vị trí của vệ tinh tương ứng trên quỹ đạo tại một thời điểm nhất định
Tính tọa độ vệ tinh là bước quan trọng đầu tiên trong giải quyết bài toán định vị điểm
Các thành phần tọa độ và vận tốc của vệ tinh GPS tại thời điểm t được tính theo các công thức sau [18]:
▪ Hằng số trọng trường Trái Đất :
▪ Vận tốc quay trung bình Trái Đất : Ω̇ 𝑒 = 7.292115147 × 10 −5 (𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑐) (3.2)
▪ Tốc độ lan truyền của sóng điện từ trong chân không :
▪ Thời gian tính từ chu kỳ tham khảo:
Trong đó: 𝑡 là thời điểm phát tín hiệu trong hệ thống thời gian GPST Nó có đơn vị là giây (sec) và được tính bắt đầu từ 00:00:00 ngày chủ nhật của một tuần lễ GPS Nếu 𝑡 𝑘 > 302400 sec, ta phải trừ đi 604800 sec Nếu 𝑡 𝑘 < – 302400, ta phải cộng vào 604800 sec
▪ Chuyển động trung bình đã hiệu chỉnh:
▪ Khoảng cách trung bình từ cận điểm đến 𝑡 𝑘 :
▪ Tính lặp cho dị thường tâm sai 𝐸 𝑘 :
❖ Tính đối số vĩ độ:
❖ Tính các số hiệu chỉnh:
▪ Số hiệu chỉnh đối số vĩ độ:
▪ Số hiệu chỉnh bán kính quỹ đạo:
▪ Số hiệu chỉnh góc nghiêng quỹ đạo:
❖ Đối số vĩ độ đã hiệu chỉnh:
❖ Bán kính quỹ đạo đã hiệu chỉnh:
❖ Góc nghiêng quỹ đạo đã hiệu chỉnh:
❖ Vị trí vệ tinh GPS trên quỹ đạo:
❖ Tọa độ vệ tinh GPS trong WGS84:
▪ Hoàng kinh điểm thăng trong WGS84: Ω 𝑘 = Ω 0 + Ω̇ 𝑘 𝑡 𝑘 − Ω̇ 𝑒 𝑡 𝑜𝑒 (3.19a) Ω̇ 𝑘 = (Ω̇ − Ω̇ 𝑒 ) (3.19b)
▪ Tọa độ, vận tốc của vệ tinh GPS trong WGS84:
THUẬT TOÁN HIỆU CHỈNH QUỸ ĐẠO VÀ ĐỒNG HỒ VỆ TINH GPS 35 3.3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ ĐIỂM ĐƠN CHÍNH XÁC
Như đã trình bày ở mục 2.3.2, số hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh GPS O gồm ba thành phần về vị trí: O r (radial), O a (along-track), O c (cross-track), và thêm ba thành phần vận tốc: O r , O a , O c tương ứng
Tính số hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh GPS cho thời điểm t theo thời điểm tham chiếu t0 [13, 21]:
Tính các vector đơn vị hướng: e r , e a , e c a e r
Trong đó: r là vector vị trí quỹ đạo vệ tinh và r là vector vận tốc vệ tinh tại thời điểm t được tính toán từ bản lịch truyền thông theo các công thức ở mục 3.1
Chuyển đổi sang số hiệu chỉnh quỹ đạo trong hệ tọa độ địa tâm:
Hiệu chỉnh số hiệu chỉnh r t ( ) vào quỹ đạo vệ tinh GPS tính từ bản lịch truyền thông r t ( ) = X b Y b Z b T để được quỹ đạo chính xác r sat ( ) t = X s Y s Z s T
Số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS gồm các hệ số: C 0 , C 1 , C 2 của phương trình đa thức dùng để tính số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh
Tính số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS tại thời điểm t theo thời điểm tham chiếu t0 [13, 21]:
Hiệu chỉnh số hiệu chỉnh đồng hồ C t ( ) vào đồng hồ vệ tinh
Trong đó: s ( ) dT b t là số hiệu chỉnh đồng hồ tính từ bản lịch truyền thông [tham khảo (3.44)] c là tốc độ của sóng điện từ trong chân không [tham khảo (3.4)]
3.3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ ĐIỂM ĐƠN CHÍNH XÁC
3.3.1 Thuật toán định vị điểm đơn
Mỗi trị đo mã kết hợp P3 sẽ lập được một phương trình trị đo dạng (2.5) và mỗi trị đo pha kết hợp L3 sẽ lập được một phương trình trị đo dạng (2.6) Như vậy, tại mỗi thời điểm thu tín hiệu (mỗi epoch) nếu có k vệ tinh quan sát sẽ lập được k phương trình trị đo mã và k phương trình trị đo pha
Khi đã có tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh (tính theo các công thức ở mục 3.1 và 3.2), đồng thời trị đo đã được hiệu chỉnh đối lưu do thành phần không khí khô gây ra (tính theo các công thức ở mục 3.3.2), thì trị đo pha và mã được biểu diễn lại ở dạng hàm số như sau:
( , ) w j L 0 f X L = + cdt + m zwd + b + − L = là hàm số trị đo pha
( , ) w P 0 f X P = + cdt + m zwd + − P = là hàm số của trị đo mã
Khi viết dưới dạng ma trận ta có:
: vector số hiệu chỉnh của các ẩn số
W : vector số hạng tự do
V : vector phần dư của trị đo Đạo hàm riêng phần các hàm số f X L ( , 3 ) và f X P ( , 3 ) theo từng ẩn số ta nhận được ma trận hệ số tổng quát như sau:
- 38 - Với: = ( X r 0 − X s ) ( 2 + Y r 0 − Y r ) ( 2 + Z r 0 − Z r ) 2 là khoảng cách hình học từ vệ tinh đến máy thu
c là tốc độ sóng điện từ trong chân không [tham khảo (3.4)] m w là giá trị của hàm ánh xạ đối lưu ướt nsat là số lượng trị đo pha
X Y Z là tọa độ gần đúng của máy thu
Vector số hạng tự do tổng quát: P
là vector các ẩn số cần xác định
: số hiệu chỉnh các thành phần tọa độ của máy thu dt : ẩn số đồng hồ máy thu zwd : ẩn số độ trễ đối lưu do thành phần hơi nước gây ra
( 1: ) j j nsat b = : các ẩn số đa trị Áp dụng phương pháp số bình bình phương nhỏ nhất, tính số hiệu chỉnh cho vector các giá trị X cần xác định như sau:
P là ma trận trọng số trị gần đúng của ẩn số [5]
P l là ma trận trọng số của trị đo Là ma trận đường chéo với trọng số tính theo góc cao vệ tinh Trong đó giá trị trên đường chéo là
còn 0 là sai số đơn vị trọng số; P và là trọng số đảo của trị đo giả cự ly và trị đo pha theo hàm sin của góc cao vệ tinh [5, 6, 8]
Khi đó, các giá trị của ẩn số sẽ được tính: X = X 0 + (3.34)
Với: X 0 là vector giá trị gần đúng của ẩn số X
Trường hợp nếu chưa biết tọa độ sơ bộ của trạm đo, có thể áp dụng thuật toán Bancroft [19] để tính toán tọa độ sơ bộ của trạm đo dựa vào các trị đo giả cự ly
Giả sử bỏ qua các nguồn sai số: điện ly, đối lưu, đồng hồ vệ tinh, … ta có thể viết lại phương trình trị đo giả cự ly ở (2.5) thành dạng đơn giản như sau: j j
Từ (3.35) và (3.36) ta viết được:
Triển khai phương trình (3.37) ta được:
( X s j 2 + Y s j 2 + Z s j 2 − P j ) ( − 2 X X s j r + Y Y s j r + Z Z s j r − P cdt j ( ) ) ( + X r 2 + Y r 2 + Z r 2 − ( cdt ) 2 ) = 0 (3.38) Đặt: j j j j s s s j v = X Y Z P là vector tọa độ của vệ tinh j và trị đo mã của vệ tinh j
r r r u = X Y Z cdt là vector tọa độ và sai số đồng hồ chưa biết của máy thu
, u v = u v + u v + u v − u v (3.39) Do đó, phương trình (3.38) có thể viết lại:
, 2 , , 0 j j j v v − v u + u u = (3.40) Phương trình (3.40) có thể được biểu diễn lại như sau:
Nếu trường hợp có nhiều hơn bốn vệ tinh quan sát, lúc này ma trận B (còn gọi là ma trận Bancroft) không còn là ma trận vuông Khi đó sử dụng phương pháp số bình phương nhỏ nhất để giải như sau:
3.3.2 Biện pháp khắc phục các nguồn sai số
Có nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị điểm đơn Việc khử hay giảm tối thiểu các nguồn sai số này là cần thiết để nâng cao độ chính xác định vị
Các nguồn sai số được chia làm ba nhóm: nhóm sai số liên quan đến vệ tinh, nhóm sai số liên quan đến sự lan truyền tín hiệu GPS, và nhóm sai số liên quan đến máy thu ( Bảng 3.1 và Hình 3.2 ) [5] Sau đây học viên sẽ trình bày về các nguồn sai số tác động đến độ chính xác định vị điểm đơn và cách khắc phục các nguồn sai số đó
Bảng 3.1 – Các nhóm sai số trong định vị vệ tinh (tham khảo tại [5])
LIÊN QUAN CÁC NGUỒN SAI SỐ
- Đồng hồ vệ tinh - Quỹ đạo vệ tinh - Độ trễ tín hiệu vệ tinh
2 Sự lan truyền tín hiệu
- Tầng đối lưu - Thời gian lan truyền tín hiệu
- Đồng hồ máy thu - Đa đường
- Độ nhiễu của máy thu, …
Hình 3.1 – Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh
❖ Sai số quỹ đạo vệ tinh
Sai số quỹ đạo vệ tinh là độ lệch giữa giá trị quỹ đạo thực và giá trị quỹ đạo tính toán của vệ tinh Lý do phát sinh độ lệch này là do quỹ đạo tính toán từ bản lịch truyền thông trên cơ sở dự đoán có căn cứ từ những thông tin trong quá khứ Vì vậy tọa độ của vệ tinh GPS được tính từ bản lịch truyền thông sẽ khác so với vị trí thực của vệ tinh tại một thời điểm bất kỳ Ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh trong định vị tuyệt đối [5, 6]:
Sai số định vị = PDOP sai số quỹ đạo Trong đó PDOP là hệ số suy giảm độ chính xác vị trí
Nhằm giảm thiểu sai số này, các số cải chỉnh về quỹ đạo nhận từ dịch vụ RTS sẽ được hiệu chỉnh vào quỹ đạo vệ tinh GPS để nâng cao độ chính xác của quỹ đạo vệ tinh GPS Phương pháp hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh đã được trình bày ở mục 3.2
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH RTPPP
LỰA CHỌN NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH
Để giải quyết các vấn đề đặt ra, cần phải có số lượng lớn các tính toán liên quan đến bài toán định vị Có rất nhiều ngôn ngữ lập trình cho các bài toán khoa học và kỹ thuật thông dụng như: C++, VB Net, Java, C#, Pascal, Fortran, C, …Mỗi ngôn ngữ đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Khi xây dựng chương trình thì người lập trình viên phải biết lựa chọn ngôn ngữ lập trình nào phù hợp nhất với công việc của mình
Các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng (VB.Net, Java, C# ) thường có ưu điểm về sự tiện lợi và thân thiện với người sử dụng nhưng cũng có những hạn chế nhất định trong tính toán ma trận và hỗ trợ hàm tính toán hoặc vẽ đồ thị Trong khi đó, các ngôn ngữ lập trình cổ điển như: Pascal, Fortran, C… thì lại có nhược điểm trong việc giao tiếp với người dùng
Nắm bắt được những ưu và nhược điểm của các ngôn ngữ lập trình Học viên chọn ngôn ngữ lập trình Matlab trong xử lý tính toán, đánh giá độ chính xác, và chọn ngôn ngữ C++ để viết và xây dựng phần mềm cho định vị RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh IGS-RTS
Lý do chọn ngôn ngữ Matlab cho các bài toán khảo sát, đánh giá độ chính xác do nó có những ưu điểm sau:
• Có thể giải quyết các bài toán phức tạp về ma trận với số lượng tính toán lớn, hỗ trợ nhiều hàm toán học có sẵn giúp dễ thao tác Matlab hỗ trợ thư viện hàm con rất phong phú nên người lập trình không phải mất thời gian để viết lại mà chỉ cần tìm đến đúng hàm thì có thể sử dụng ngay
• Việc xây dựng và hiển thị các dạng đồ thị nhanh chóng đơn giản Tiện lợi trong các bài toán về khảo sát, đánh giá độ chính xác có lượng dữ liệu lớn
• Phiên bản Matlab sử dụng để tính toán khảo sát trong luận văn này là phiên bản 2014 ( Hình 4.1 ) có ưu điểm trong tốc độ tính toán cũng như hỗ trợ thư viện hàm con phong phú trong quá trình lập trình Đặc biệt phiên bản này còn có hỗ trợ thêm phần kết nối với thiết bị máy thu
Tuy nhiên nhận thấy các tính toán khi lập trình bằng ngôn ngữ Matlab diễn ra một cách tuần tự theo từng bước nên khi chuyển sang tính toán thời gian thực thì chương trình sẽ xử lý với tốc độ chậm lại, trong khi trị đo từ máy thu GPS liên tục truyền về máy tính Để khắc phục vấn đề này, học viên đã lựa chọn ngôn ngữ C++ để xây dựng phần mềm phục vụ cho định vị điểm đơn thời gian thực sử dụng số hiệu chỉnh IGS-RTS Vì C++ có những ưu điểm hơn như sau:
• C++ cho phép viết chương trình có thể thực thi song song một lúc nhiều hàm tính toán phức tạp, do đó sẽ làm tăng tốc độ xử lý
• Truy cập đến các phần tử trong mảng nhanh chóng
• Thuận tiện cho xây dựng giao diện phần mềm và đóng gói sản phẩm để có thể chạy độc lập trên nhiều máy tính PC khác nhau
→ Vì vậy nó rất thích hợp để giải quyết bài toán yêu cầu thời gian thực
SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT
Để thực hiện chương trình định vị RTPPP, dữ liệu đầu vào cần có trị đo giả cự ly (trị đo mã) và trị đo pha được xuất ra từ máy thu ở định dạng RTCM, đồng thời trong lúc này máy tính cần kết nối mạng Internet để nhận bản lịch truyền thông nhằm tính toán tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS cùng với số hiệu chỉnh RTS để cải chính vào tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS Trên cơ sở tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS đã được hiệu chỉnh bởi số hiệu chỉnh RTS cùng với trị đo nhận từ máy thu GPS đã được giải mã tiến hành xử lý và tính toán ra tọa độ tại vị trí ăng-ten của máy thu Một cách tổng quát về chương trình định vị điểm đơn sử dụng số hiệu chỉnh RTS được trình bày trong Hình 4.2
Hình 4.2 – Sơ đồ khối chương trình RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS
- 58 - Dựa vào Hình 4.2 chúng ta có thể thấy để có được kết quả là các thành phần tọa độ của máy thu từ dữ liệu trị đo của máy thu và dữ liệu liên quan đến tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS được cung cấp từ dịch vụ RTS thì các chương trình được viết ra đều phải dựa trên sơ đồ khối này để thực hiện Các khối công việc thực hiện trong sơ đồ khối được giải thích cụ thể trong Bảng 4.1 sau đây:
Bảng 4.1 – Mích đích của các khối công việc trong sơ đồ khối RTPPP
STT Tên khối công việc Mục đích
Dịch các trị đo mã ở mỗi thời điểm đo từ dạng nhị phân sang dạng ASCII
Dịch các trị đo pha ở mỗi thời điểm đo từ dạng nhị phân sang dạng ASCII
3 RTS Nhận và dịch các số hiệu chỉnh RTS sang dạng ASCII
4 BROADCAST Nhận và dịch bản lịch truyền thông sang dạng ASCII
5 THÀNH LẬP P 3 Lập trị đo mã kết hợp không bị ảnh hưởng của điện ly P 3 từ các trị đo mã P 1 , P 2
6 THÀNH LẬP L 3 Lập trị đo pha kết hợp không bị ảnh hưởng của điện ly L 3 từ các trị đo pha L 1 , L 2
7 X b k , Y b k , Z b k , dT b k Tính toán tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS
X Y Z dT từ bản lịch truyền thông
Tính số hiệu chỉnh về tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS: X k , Y k , Z k , dT k từ số hiệu chỉnh của IGS-RTS: O k , C k cùng với tọa độ và đồng hồ vệ tinh tính từ bản lịch truyền thông: X b k , Y b k , Z b k , dT b k
- 59 - 9 X s k , Y s k , Z s k , dT s k Hiệu chỉnh tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS để được giá trị chính xác X s k , Y s k , Z s k , dT s k
10 HIỆU CHỈNH P 3 hc Hiệu chỉnh các nguồn sai số vào trị đo mã kết hợp để được giá trị P 3 hc
11 HIỆU CHỈNH L 3 hc Hiệu chỉnh các nguồn sai số vào trị đo pha kết hợp để được giá trị L hc 3
A P P X W Thành lập các ma trận hệ số, trọng số, và vector các số hạng tự do
13 GIẢI TÌM: X r , Y r , Z r Giải tìm các giá trị ẩn số theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất
14 TÍNH: X r , Y r , Z r Tính tọa độ cuối cùng của máy thu và in ra file kết quả.
MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH CON
Tương ứng với các công việc mô tả trong sơ đồ khối tổng quát Hình 4.2 , chúng tôi đã tiến hành lập ra các chương trình con tương ứng Do số lượng các chương trình con khá nhiều nên học viên chỉ mô tả một số chương trình con quan trọng sau đây:
• Chương trinh con tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh từ bản lịch truyền thông
• Chương trinh con hiệu chỉnh tọa độ và đồng hồ vệ tinh
• Chương trình con định vị điểm đơn
4.3.1 Chương trình con tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh từ bản lịch truyền thông
Chương trình con này thực hiện công việc “dựa vào các tham số của bản lịch truyền thông để tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh” theo sơ đồ khối chương trình Hình 4.3 Việc chọn bộ tham số ở thời điểm tham khảo để tính tọa độ vệ tinh phải gần với thời điểm đo
Hình 4.3 – Sơ đồ khối chương trình tính tọa độ vệ tinh
4.3.2 Chương trình con hiệu chỉnh tọa độ và đồng hồ vệ tinh
Chương trình con này thực hiện công việc “hiệu chỉnh tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS bởi các số hiệu chỉnh IGS-RTS” theo sơ đồ khối chương trình
- 61 - ở Hình 4.4 Với điều kiện chỉ số IOD của các số hiệu chỉnh IGS-RTS phải trùng với chỉ số tham khảo đến bản lịch truyền thông IODE [21]
Hình 4.4 – Sơ đồ khối chương trình hiệu chỉnh tọa độ vệ tinh
4.3.3 Chương trình con định vị điểm đơn
Chương trình con này thực hiện công việc “tính toán tọa độ cuối cùng của máy thu và in ra file kết quả” theo sơ đồ khối chương trình Hình 4.5 Thuật toán định vị điểm đơn đã được chúng tôi trình bày ở mục 3.3 của chương 3
Hình 4.5 – Sơ đồ khối chương trình định vị điểm đơn
CÁC CHƯƠNG TRÌNH KHẢO SÁT
Nhằm phục vụ cho các bài toán khảo sát độ chính xác chúng tôi đã lập ra các chương trình khảo sát, gồm:
• Chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh
• Chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
Chi tiết về các chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác được học viên trình bày dưới đây:
4.4.1 Chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh RTS
Mục đích của chương trình nhằm so sánh và đánh giá độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi được hiệu chỉnh bởi các số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS-RTS với bản lịch chính xác Final
• Bản lịch truyền thông GPS
• Số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
• Bản lịch chính xác Final (*.SP3)
• Tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS trước khi hiệu chỉnh
• Tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh
• Độ chính xác về tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS trước khi hiệu chỉnh
• Độ chính xác về tọa độ và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh
Sơ đồ khối chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh RTS được thể hiện ở Hình 4.6
Hình 4.6 – Sơ đồ khối đánh giá độ chính xác số hiệu chỉnh IGS-RTS
Các khối công việc trên sơ đồ Hình 4.6 được giải thích trong Bảng 4.2
Bảng 4.2 – Giải thích các khối công việc trong sơ đồ khối đánh giá độ chính xác số hiệu chỉnh IGS-RTS
STT Tên khối công việc Mục đích
1 FINAL (*.SP3) Tải bản lịch vệ tinh chính xác “Final” của
2 RTS Đã giải thích ở mục số 3 trong Bảng 4.1
3 BROADCAST Đã giải thích ở mục số 4 trong Bảng 4.1
- 65 - 4 X mc k , Y mc k , Z mc k , dT p k Đọc giá trị tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS từ bản lịch “Final” của IGS
Chuyển các giá trị tọa độ tại trọng tâm ăng- ten vệ tinh X mc k , Y mc k , Z mc k về tâm pha ăng- ten vệ tinh X Y k p , p k , Z k p
6 X b k , Y b k , Z b k , dT b k Đã giải thích ở mục số 7 trong Bảng 4.1 7 X k , Y k , Z k , dT k Đã giải thích ở mục số 8 trong Bảng 4.1 8 X s k , Y s k , Z s k , dT s k Đã giải thích ở mục số 9 trong Bảng 4.1
9 X k , Y k , Z k , dT k Tính hiệu tương ứng giữa các giá trị
Tính sai số trung phương các thành phần tọa độ và đồng hồ của từng vệ tinh theo các công thức sẽ được đề cập ở mục 5.2.1
Tính sai số trung phương các thành phần tọa độ và đồng hồ của tất cả vệ tinh theo các công thức sẽ được đề cập ở mục 5.2.1
4.4.2 Chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
Chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS nhằm so sánh và đánh giá độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
• Bản lịch truyền thông GPS
• Số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
• Bản lịch chính xác Final (*.SP3)
• Trị đo pha và trị đo giả cự ly trên 2 tần số sóng tải
• Tọa độ của ăng-ten máy thu tại mỗi thời điểm
• Độ chính xác về tọa độ của ăng-ten máy thu
Sơ đồ khối chương trình khảo sát và đánh giá độ chính xác định vị RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS được thể hiện ở Hình 4.7
Hình 4.7 – Sơ đồ khối đánh giá độ chính xác RTPPP sử dụng RTS
- 67 - Các khối công việc trên sơ đồ Hình 4.7 được giải thích trong Bảng 4.3 như sau:
Bảng 4.3 – Giải thích các khối công việc trong sơ đồ khối đánh giá độ chính xác RTPPP sử dụng RTS
STT Tên khối công việc Mục đích
Thực hiện công tác thu dữ liệu liên tục hơn 2 giờ, sau đó chuyển định dạng trị đo thô về định dạng chuẩn RINEX
2 STATIC PPP Gửi số liệu file trị đo ở dạng RINEX đến dịch vụ xử lý PPP online CSRS-PPP
Nhận về kết quả tọa độ chính xác X r , Y , r Z r của máy thu xử lý bằng dịch vụ xử lý PPP online CSRS-PPP
4 N E U r , r , r Chuyển tọa độ không gian X r , Y , r Z r sang tọa độ địa diện N E U r , r , r
Cài đặt cho máy thu GPS về định dạng dữ liệu truyền, cỗng, tốc độ xuất dữ liệu từ máy thu GPS vào máy tính Laptop
6 RTS Đã giải thích ở mục số 3 trong Bảng 4.1
7 BROADCAST Đã giải thích ở mục số 4 trong Bảng 4.1
8 RTPPP SOFTWARE Đưa đồng thời trị đo, bản lịch truyền thông, và số hiệu chỉnh RTS vào trong phần mềm xử lý RTPPP
9 X Y Z i , , i i Trả về kết quả tọa độ của máy thu xử lý bằng phần mềm RTPPP theo từng thời điểm
10 N E U i , i , i Chuyển tọa độ không gian X Y Z i , , i i sang tọa độ địa diện N E U i , i , i
Tính độ lệch theo từng thời điểm về các thành phần tọa độ máy thu N E U i , i , i so với giá trị chính xác tương ứng N E U r , r , r
Tính sai số trung phương tổng hợp các thành phần tọa độ của máy thu các công thức sẽ được đề cập ở mục 5.3.1
Các chương trình khảo sát và phần mềm “RTPPP Using RTS Corrections” được ghi trong đĩa DVD đi kèm với luận văn này.
PHẦN MỀM RTPPP SỬ DỤNG SỐ HIỆU CHỈNH RTS
Để thuận tiện cho việc thu thập số liệu đo động, đồng thời phù hợp với tính chất thời gian thực của kỷ thuật RTPPP, học viên đã xây dựng và thiết kế riêng một phần mềm định vị điểm đơn thời gian thực sử dụng số hiệu chỉnh từ IGS-RTS
Tên phần mềm: “RTPPP Using RTS Corrections” sử dụng thuật toán định vị điểm đơn chính xác để tính ra tọa độ tại vị trí đặt máy thu Trình tự thực hiện của phần mềm có thể tham khảo đến sơ đồ khối ở Hình 4.2
“RTPPP Using RTS Corrections” là phần mềm có khả năng xử lý dữ liệu đo động thời gian thực Yêu cầu dữ liệu trị đo xuất ra từ máy thu GPS phải ở định dạng chuẩn RTCM Giao diện của phần mềm như Hình 4.8
Hình 4.8 – Giao diện phần mềm “RTPPP Using RTS Corrections”
- 69 - Phần mềm hoạt động trong môi trường hệ điều hành windows XP/7/8/10 trên các máy tính Laptop hoặc máy tính để bàn Giao diện của phần mềm được thiết kế gồm năm phần ( Hình 4.8 ):
Phần trên cùng: Có nút File nhằm mục đích lưu cài đặt (Save) và thoát khỏi chương trình (Exit)
Phần cửa sổ cài đặt: phần này được thiết kế gồm ba Tab
• Tab I/O: để nhập và xuất dữ liệu
• Tab Station: khai báo thông tin trạm đo (nếu có), chẳng hạn như tên trạm đo
• Tab Setup: chọn các thông tin cài đặt như: trị đo, góc cao vệ tinh, trọng số đảo đơn vị của trị đo pha và trị đo mã
Phần cửa sổ lấy số liệu thời gian thực bao gồm:
• Dữ liệu từ máy thu GPS
• Dữ liệu từ IGS: số hiệu chỉnh RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh, bản lịch truyền thông
Phần cửa sổ hiển thị kết quả: phần này gồm ba Tab
• Tab Logging: Hiển thị tọa độ tại vị trí của ăng-ten máy thu GPS theo thời gian
• Tab Delay: Hiển thị độ trễ của kết quả tính so với thời gian đo, độ trễ này chủ yếu là độ trễ của số hiệu chỉnh RTS truyền về máy tính so với thời điểm máy tính nhận được trị đo GPS
• Tab Figure: vẽ đồ thị khi muốn so sánh kết quả với trạm đo đã biết trước tọa độ chính xác
Phần dưới cùng: có nút để chạy (Run) và dừng (Stop) chương trình
Chi tiết về phần hướng dẫn sử dụng phần mềm “RTPPP Using RTS Corrections” xem tại phụ lục B
Nội dung của chương này, học viên đã tiến hành xây dựng các chương trình tính toán khảo sát theo các mục tiêu đã đặt ra ban đầu của luận văn Đồng thời, song song với quá trình trên, học viên đã xây dựng phần mềm RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực IGS-RTS
Trong quá trình viết chương trình, vì số lượng tham số khá nhiều, đồng thời phải giải quyết nhiều nguồn sai số nên các thuật toán áp dụng là tương đối nhiều Do đó, việc kiểm tra lỗi cú pháp cũng như lỗi thực thi cũng diễn ra khó khăn Các chương trình con cần được kiểm tra độc lập trước khi kết hợp lại chung trong một chương trình chính
Phần mềm được thiết kế đáp ứng với các yêu cầu đặt ra Để kiểm tra hoạt động của phần mềm “RTPPP Using RTS Correction” chúng tôi còn phải thử nghiệm trên dữ liệu thực tế tại Việt Nam để có thể đánh giá và kiểm định độ chính xác của nó
Nguồn dữ liệu để thực thi các chương trình, và những kết quả cùng với các phân tích, đánh giá sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.
THU THẬP, XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
TẬP DỮ LIỆU CƠ SỞ ĐỂ ĐÁNH GIÁ
Để đánh giá độ chính xác của chương trình RTPPP một cách tin cậy nhất, chúng tôi cần biết trước tọa độ chính xác của các mốc dùng làm cơ sở để so sánh các kết quả khảo sát Tọa độ của hai mốc DNE01 và DNE02 dùng làm cơ sở để so sánh và đánh giá độ chính xác mà chúng tôi có đã được xử lý bằng phương pháp PPP tĩnh (Static PPP) khi gửi số liệu đo liên tục (hơn 2 giờ/ngày) đến dịch vụ xử lý GPS online
CSRS-PPP ( Hình 5.1 ) Với độ chính xác đạt được chỉ ở mức mm-cm [5, 7], đủ để làm cơ sở cho việc so sánh với kết quả RTPPP
Hình 5.1 – Giao diện trang web CSRS-PPP
- 73 - Quy trình thu thập và xử lý số liệu bằng các dịch vụ PPP online ( Hình 5.2 )
Hình 5.2 – Minh họa về quy trình xử lý PPP bằng dịch vụ online
Tọa độ của mốc DNE01 và DNE02 được cho trong Bảng 5.1 như sau:
Bảng 5.1 – Bảng tọa độ của mốc DNE01 và DNE02 trong ITRF2014
KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA QUỸ ĐẠO VÀ ĐỒNG HỒ VỆ TINH
Để nhận được các số hiệu chỉnh về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS từ dịch vụ RTS, người dùng cần đăng ký một tài khoản trên website https://register.rtcm- ntrip.org Sau khi đăng ký xong người dùng sẽ nhận được một User-Name cùng với Password tương ứng để có thể lấy các số hiệu chỉnh thời gian thực từ dịch vụ RTS
Dữ liệu sử dụng để thực hiện khảo sát độ chính xác của quỹ đạo và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS sau khi đã hiệu chỉnh bởi các số hiệu chỉnh IGS-RTS là bản lịch truyền thông GPS và số hiệu chỉnh về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS nhận được từ dịch vụ RTS vào các ngày 160, 183, 188 của năm 2017 Bản lịch chính xác dùng làm cơ sở để thực hiện các so sánh là bản lịch IGS Final của cùng ngày Theo [3, 7] độ chính xác của bản lịch IGS Final chỉ ở mức 2.5cm về quỹ đạo và 0.075ns về đồng hồ
Hình 5.3 – Đăng ký để sử dụng dịch vụ RTS
5.2.1 Khảo sát độ chính xác số hiệu chỉnh IGS-RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS Độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh là yếu tố quan trọng nhất trong việc nâng cao độ chính xác của định vị điểm đơn thời gian thực Việc khảo sát sẽ cung cấp con số dự đoán sơ bộ cho độ chỉnh xác của định vị RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh IGS-RTS
Quỹ đạo vệ tinh GPS tính toán từ bản lịch truyền thông tham khảo đến tâm pha ăng-ten vệ tinh, trong khi đó quỹ đạo nhận được từ bản lịch chính xác lại tham khảo đến trọng tâm của vệ tinh [7] Cho nên để thực hiện sự so sánh chúng ta cần chuyển một trong hai về cùng vị trí tham khảo Vì trị đo khoảng cách là giá trị tính từ tâm pha ăng-ten vệ tinh đến tâm pha ăng-ten máy thu, cho nên để thuận tiện cho quá trình so sánh các kết quả định vị điểm đơn sau này chúng tôi đã thực hiện việc chuyển đổi bản lịch chính xác về tâm pha ăng-ten vệ tinh GPS trước khi thực hiện sự so sánh
Các số hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS được truyền từ IGS-RTS
Các số hiệu chỉnh này cập nhật cứ 5 giây một lần Trong khi đó, bản lịch IGS Final lại cho tọa độ và sai số đồng hồ vệ tinh cứ 15 phút một lần Nhằm tránh sai số do nội
- 75 - suy từ bản lịch chính xác cho những thời điểm không được cho trong bản lịch chính xác, vì vậy chúng tôi chỉ so sánh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS với bản lịch chính xác ở những thời điểm 15 phút chẵn trong ngày để kết quả đánh giá mang tính khách quan nhất Để đánh giá độ chính xác chúng ta tiến hành tính sai số trung phương các thành phần tọa độ vệ tinh mX, mY, mZ, sai số trung phương vị trí vệ tinh tổng hợp m3D, và sai số trung phương của số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh mdT theo các công thức sau:
• Sai số trung phương các thành phần tọa độ X, Y, Z của vệ tinh j
Trong đó: 𝛥X, 𝛥Y, 𝛥Z là hiệu tương ứng giữa các thành phần tọa độ vệ tinh đã được hiệu chỉnh và các thành phần tọa độ vệ tinh của bản lịch chính xác, còn n là số thời điểm khảo sát
• Sai số trung phương tổng hợp 3 thành phần tọa độ của vệ tinh j
• Sai số trung phương vị trí điểm chung cho tất cả các vệ tinh
Với: k là số lượng vệ tinh khảo sát
• Sai số trung phương số hiệu chỉnh đồng hồ của vệ tinh j
Trong đó: 𝛥dT là hiệu giữa bản lịch truyền thông đã được hiệu chỉnh và bản lịch chính xác theo sai số đồng hồ vệ tinh
• Sai số trung phương số hiệu chỉnh đồng hồ chung cho tất cả các vệ tinh
5.2.2 Kết quả khảo sát độ chính xác số hiệu chỉnh RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
Trong vấn đề này, học viên đã thực hiện việc khảo sát và đánh giá kết quả về độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS sau khi đã hiệu chỉnh bởi các số hiệu chỉnh IGS-RTS Chi tiết về kết quả khảo sát cho từng vệ tinh GPS xem tại phụ lục A Đồng thời các kết quả khảo sát đã được đề cập trong bài báo: “Khảo sát độ chính xác số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS”, đăng trong Hội nghị Khoa học & Công nghệ lần thứ 15, ĐHBK-HCM, 20-10-2017
Các kết quả khảo sát được thể hiện tóm tắt qua các biểu đồ ( Hình 5.4 và 5.5 ) và bảng kết quả đánh giá tổng hợp ( Bảng 5.2 )
Hình 5.4 – Độ chính xác của quỹ đạo vệ tinh GPS trước và sau hiệu chỉnh RTS
- 77 - Trong biểu đồ Hình 5.4 biểu thị về độ chính xác của quỹ đạo vệ tinh GPS trước (cột màu đỏ) và sau khi hiệu chỉnh RTS (cột màu xanh) Còn biểu đồ Hình 5.5 biểu thị về độ chính xác của số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS trước (cột màu đỏ) và sau khi hiệu chỉnh RTS (cột màu xanh)
Hình 5.5 – Độ chính xác của đồng hồ vệ tinh GPS trước và sau hiệu chỉnh RTS
Trong Bảng 5.2 thể hiện kết quả đánh giá tổng hợp về độ chính xác của quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS trước và sau khi hiệu chỉnh RTS
Bảng 5.2 – Tổng hợp kết quả đánh giá độ chính xác quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh
GPS đã hiệu chỉnh (DOY: ngày của năm)
DOY Chưa hiệu chỉnh RTS Đã hiệu chỉnh RTS Mức độ cải thiện m 3D (m) m dT (ns) m 3D (m) m dT (ns) Quỹ đạo Đồng hồ
5.2.3 Đánh giá độ chính xác số hiệu chỉnh IGS-RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS
Dựa vào kết quả khảo sát từ Bảng 5.2 cho thấy, độ chính xác về quỹ đạo vệ tinh GPS sau khi hiệu chỉnh trung bình khoảng 0.3m, còn độ chính xác về đồng hồ vệ tinh GPS trung bình khoảng 1.2ns Theo kết quả khảo sát từ biểu đồ Hình 5.4 cho thấy, sai số về quỹ đạo của các vệ tinh GPS không đồng đều Các vệ tinh PRN (02, 05, 07,
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 28, 29, 31) có sai số quỹ đạo nhỏ hơn 0.05m trùng với công bố của dịch vụ IGS-RTS (http://rts.igs.org) [15] Trong khi đó, quỹ đạo của các vệ tinh GPS còn lại xuất hiện sai số hệ thống dao động từ 0.3m đến 0.5m Theo cấu hình hiện tại của hệ thống GPS thì các vệ tinh có sai số quỹ đạo tốt tập trung vào các vệ tinh GPS Block IIR và Block IIR-M, còn các vệ tinh có sai số quỹ đạo lớn đều là các vệ tinh GPS Block IIF Độ chính xác về đồng hồ vệ tinh GPS cũng không ổn định và xuất hiện sai số hệ thống ở các ngày khảo sát: 160, 183, và 188 của năm 2017 Dựa vào Bảng 5.2 và biểu đồ ở Hình 5.5 , sai số về đồng hồ vệ tinh xuất hiện các bước nhảy đột ngột, mức độ khác biệt dao động đến 0.7ns (~0.21m)
Như vậy, nhờ sự bổ sung của số hiệu chỉnh IGS-RTS vào quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh tính toán từ bản lịch truyền thông Do đó, độ chính xác đã cải thiện lên đến 79% về quỹ đạo và 63% về đồng hồ vệ tinh GPS Qua đây, sẽ giúp cải thiện một cách đáng kể về độ chính xác cho bài toán định vị điểm đơn.
ĐỊNH VỊ RTPPP KHI MÁY THU ĐỨNG YÊN
Để khảo sát kết quả định vị RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực IGS- RTS khi máy thu ở trạng thái đứng yên, học viên sử dụng máy thu hai tần số Topcon Legacy-E đặt tại mốc DNE01 thu thập dữ liệu liên tục trong một ngày Máy thu được kết nối với máy tính laptop để nhận số liệu thời gian thực gồm: trị đo giả cự ly và trị đo pha của vệ tinh GPS theo định dạng RTCM2 với kiểu thông điệp MT (18, 19) xuất ra từ máy thu Đồng thời, trong lúc này máy tính cũng phải được kết nối mạng Internet để có thể nhận số hiệu chỉnh RTS và bản lịch truyền thông từ dịch vụ IGS Trình tự các bước thực hiện được mô tả tóm tắt ở ( Hình 5.6 )
Hình 5.6 – Cài đặt ăng-ten tại mốc DNE01 và kết nối máy thu Topcon
Legacy-E với máy tính laptop
Dữ liệu trị đo được thu vào ngày 08-11-2017 cùng với bản lịch truyền thông và số hiệu chỉnh RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS của IGS Dữ liệu này được thực hiện bằng chương trình xử lý và đánh giá độ chính xác RTPPP do chúng tôi viết
5.3.1 Khảo sát độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS khi máy thu đứng yên Để phục vụ cho việc đánh giá độ chính xác của chương trình RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS khi trạng thái máy thu đứng yên cần xác định tọa độ chính xác của trạm đo Tọa độ chính xác của điểm DNE01 đã được cho trong Bảng 5.1 :
Dữ liệu của trạm đo được xử lý theo 4 phương án:
• Phương án 1: dùng bản lịch truyền thông
• Phương án 2: dùng bản lịch truyền thông kết hợp với số hiệu chỉnh RTS
• Phương án 3: dùng bản lịch chính xác IGS Final và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh 15 phút (có tần suất cập nhật 15 phút/lần)
• Phương án 4: dùng bản lịch chính xác IGS Final và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh 30 giây (có tần suất cập nhật 30 giây/lần)
Tọa độ trạm đo nhận được từ xử lý được so sánh với giá trị chính xác của nó theo 3 thành phần: hướng Bắc, hướng Đông và Độ cao theo công thức sau:
( N E U i , i , i ) là tọa độ mặt bằng và độ cao của điểm DNE01 tính ở thời điểm thứ i ( , , ) N E U là tọa độ và độ cao chính xác của điểm DNE01 n là số thời điểm khảo sát
5.3.2 Kết quả khảo sát độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS
Các kết quả khảo sát được thể hiện tóm tắt qua đồ thị ( Hình 5.7 ) và bảng kết quả đánh giá tổng hợp ( Bảng 5.3 ) Trong đó, đồ thị Hình 5.7 thể hiện sai số vị trí mặt bằng của định vị điểm đơn chỉ dùng bản lịch truyền thông (ký hiệu tam giác màu đỏ) và định vị điểm đơn dùng bản lịch truyền thông có hiệu chỉnh RTS (ký hiệu dấu cộng màu xanh dương) Còn Bảng 5.3 thể kết quả đánh giá độ chính xác tổng hợp theo các thành phần hướng Bắc, hướng Đông và Độ cao của 4 trường hợp khảo sát
Hình 5.7 – Đồ thị thể hiện độ lệch các thành phần tọa độ N-E-U khi định vị có sử dụng số hiệu chỉnh RTS
Bảng 5.3 – So sánh kết quả xử lý từng thời điểm theo 4 trường hợp khảo sát
STT Phương án xử lý East (m) North(m) Up(m)
1 Dùng bản lịch truyền thông 0.872 1.005 2.137 2 Dùng bản lịch truyền thông + RTS 0.213 0.260 0.398
3 Dùng bản lịch IGS Final và số hiệu chỉnh đồng hồ 15 phút 0.126 0.146 0.252
4 Dùng bản lịch IGS Final và số hiệu chỉnh đồng hồ 30 giây 0.103 0.111 0.213
ĐỊNH VỊ RTPPP KHI MÁY THU DI CHUYỂN
Để khảo sát kết quả định vị RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực IGS-
RTS khi máy thu ở trạng thái chuyển động, chúng tôi sử dụng hai ăng-ten kết nối với gá đã gắn cố định chắc chắn trên trần xe ô tô ở một độ cao nhất định để tránh ảnh hưởng của đa đường Một là ăng-ten Legacy-E kết nối với hộp máy thu hai tần số Topcon Legacy-E thu thập dữ liệu để đưa vào trong máy tính, trong lúc này máy tính cũng đang kết nối mạng Internet thông qua 3G hoặc 4G để có thể nhận số hiệu chỉnh
- 82 - RTS và bản lịch truyền thông từ dịch vụ IGS để có thể thực hiện chương trình định vị RTPPP tính ra tọa độ của ăng-ten Legacy-E Ăng-ten thứ hai là Comnav T300 được kết nối với controller thông qua bluetooth để nhận số hiệu chỉnh từ trạm base đặt tại mốc DNE02 phát đi nhằm tính ra tọa độ của ăng-ten rover dùng kỹ thuật RTK
Theo [3], độ chính xác của RTK khi đạt nghiệm fix chỉ ở mức vài cm nên đủ để làm cơ sở so sánh với kết quả RTPPP động
Sau khi quá trình thu thập kết thúc, để có thể so sánh kết quả RTPPP với RTK ta tiến hành quy đổi vị trí của hai ăng-ten về chung một điểm tham khảo tại thời điểm thu, thông qua khoảng cách và chênh cao đo được bằng thước thép giữa hai ăng-ten, và hướng di chuyển của xe Các bước tiến hành thu thập số liệu đo động bao gồm:
Bước 1: Lựa chọn địa điểm, thiết kế tuyến đường khảo sát, chuẩn bị máy móc, thiết bị, và phương tiện di chuyển Địa điểm chúng tôi lựa chọn cho việc khảo sát tại khu dân cư Vạn Phúc, Hiệp Bình Phước, quận Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh vào ngày 29-05-2018 Tuyến khảo sát được thiết kế (màu xanh lá cây) trên Google Earth ( Hình 5.8 )
Hình 5.8 – Tuyến đường khảo sát được thiết kế trên Google Earth
- 83 - Các thiết bị sử dụng trong khảo sát được liệt kê theo Bảng 5.4 dưới đây:
Bảng 5.4 – Danh mục các thiết bị chính dùng trong khảo sát RTPPP động
STT Tên thiết bị Số lượng Chức năng
1 Bộ máy thu Topcon Legacy-E 01 Thu tín hiệu vệ tinh để truyền về máy tính
2 Điện thoại Smartphone 01 Phát 3G/4G cho máy tính Laptop
3 Máy tính Laptop có cài phần mềm
RTPPP 01 Nhận số liệu và thực hiện RTPPP 4 Máy thu Comnav T300 02 Thu thập số liệu RTK
5 Xe ô tô đã lắp đặt gá để gắn ăng-ten máy thu 01 Di chuyển để thu thập số liệu đo động
Bước 2: Cài đặt trạm tham khảo (trạm base) cho kỹ thuật RTK ( Hình 5.9 )
Sử dụng một máy thu Comnav T300 để làm trạm base Trạm base được đặt tại mốc DNE02 đã biết trước tọa độ chính xác ( Bảng 5.1 ) thông qua việc xử lý PPP tĩnh bằng cách gửi dữ liệu đến dịch vụ xử lý GPS online CSRS-PPP
Hình 5.9 – Cài đặt trạm base RTK tại mốc DNE02
Bước 3: Gắn ăng-ten Comnav T300 và ăng-ten Legacy-E trên xe ô tô
Các ăng-ten được gắn trên gá đã được thiết kế và lắp đặt đồng trục với hướng di chuyển của xe ô tô ( Hình 5.10 ) Khoảng cách và chênh cao giữa hai ăng-ten được đo lặp nhiều lần bằng thước thép
Hình 5.10 – Ăng-ten rover RTK và ăng-ten Legacy E được gắn trên xe ô tô
Bước 4: Kết nối ăng-ten rover của T300 với controller để nhận số liệu RTK
( Hình 5.12 ), với các thông số cài đặt như sau ( Hình 5.11 ):
Hình 5.11 – Các thông số cài đặt trong controller T300
Hình 5.12 – Kết nối rover RTK với Controller để nhận số liệu RTK
Bước 5: Kết nối máy thu Topcon Legacy-E với máy tính có sử dụng phần mềm
RTPPP để nhận số liệu RTPPP ( Hình 5.13 )
Hình 5.13 – Kết nối máy thu Topcon Legacy E với máy tính để nhận trị đo
- 86 - Các thông số cơ bản được cài đặt trong phần mềm “RTPPP Using RTS Corrections” như sau: góc cao vệ tinh giới hạn là 10 0 , tốc độ thu dữ liệu là 1 giây, trị đo sử dụng là P3 và L3 của vệ tinh GPS
Bước 6: Di chuyển xe theo tuyến đường đã thiết kế để thu thập đồng thời số liệu RTPPP và RTK theo thời gian thực ( Hình 5.14 )
Hình 5.14 – Quá trình xe ô tô đang di chuyển khi thực hiện khảo sát
Các thông tin được ghi nhận lại trong quá trình khảo sát:
• Tổng chiều dài tuyến đường khảo sát: xấp xỉ khoảng 3 km
• Thời gian di chuyển: khoảng 60 phút
• Số lượng điểm khảo sát: ~1400 điểm
• Tốc độ thu tín hiệu: 1 giây
• Góc cao vệ tinh được cài đặt trong 2 phương pháp: 10 0
• Mức độ sẵn có của số hiệu chỉnh IGS-RTS: > 95%
• Nghiệm RTK đạt được: 100% nghiệm fix Vì vậy nó đủ cơ sở để đánh giá độ chính xác của kết quả RTPPP
5.4.1 Khảo sát độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS khi máy thu di động Để thực hiện việc so sánh và đánh giá kết quả định vị RTPPP so với RTK cần:
▪ Chuyển đổi tọa độ của máy thu từ tọa độ vuông góc không gian về tọa độ địa diện
▪ Quy đổi vị trí của hai ăng-ten máy thu về chung một vị trí tham khảo Để chuyển đổi tọa độ vuông góc không gian về tọa độ địa diện, với gốc tọa độ địa diện tại [ X , Y , Z ] 0 0 0 T ta sử dụng các công thức sau [25]:
0 0 sin cos sin cos cos sin sin cos cos sin cos 0 sin
N E U là các thành phần tọa độ địa diện của máy thu
X, Y, Z là các thành phần tọa độ vuông góc không gian của máy thu
là các thành phần tọa độ trắc địa, có thể tính từ X , Y , Z 0 0 0 bằng phương pháp lặp đơn giản theo các bước như sau:
Bước 1: tính toán các tham số của ellipsoid GRS80 ( a = 6378137m , 1 / 298.257223563 f = )
Bước 4: kiểm tra (k 1) + − ( ) k 10 − 12 ( rad ) , nếu thỏa mãn thì tiếp tục chuyển sang bước 5, nếu không thỏa mãn quay lại bước 3
Sau khi thực hiện việc chuyển đổi tọa độ xong, ta tiến hành quy đổi vị trí của hai ăng-ten về chung một điểm tham khảo tại thời điểm thu ( Hình 5.15 ), thông qua khoảng cách và chênh cao đo được bằng thước thép giữa hai ăng-ten, và hướng di chuyển của xe
Hình 5.15 – Minh họa việc quy đổi vị trí về cùng điểm tham khảo
Tính phương vị của hướng xe đang di chuyển:
- 89 - Góc phương vị được tính từ tọa độ RTK ở 2 thời điểm liên tiếp xung quanh thời điểm đo
Quy đổi vị trí của ăng-ten đo bằng kỹ thuật RTPPP về cùng với vị trí ăng-ten rover của kỹ thuật RTK để có thể so sánh độ lệch về tọa độ và độ cao
Trong đó: E 2 = S 12 sin ; N 2 = S 12 cos ; U 2 = h 2 − h 1 Với: h 1 là chiều cao ăng-ten rover Comnav T300 (dùng kỹ thuật RTK) h 2 là chiều cao ăng-ten Topcon Legacy-E (dùng kỹ thuật RTPPP)
S 12 là khoảng cách giữa 2 ăng-ten
So sánh độ lệch về tọa độ và độ cao của kỹ thuật RTPPP và kỹ thuật RTK
2 1 t t dU = U + hc − U + Đánh giá độ chính xác của kỹ thuật RTPPP so với kỹ thuật đo động tương đối thời gian thực RTK
Sai số trung phương hướng Đông:
- 90 - Sai số trung phương hướng Bắc:
Sai số trung phương Độ cao:
Trong đó: n là số lượng điểm đo ngoài thực địa
5.4.2 Kết quả thu thập thực nghiệm bằng phần mềm RTPPP
Sau khi cài đặt và di chuyển xe ô tô để thu thập số liệu thời gian thực bằng RTPPP và RTK Các kết quả khảo sát được thể hiện tóm tắt qua tập điểm khảo sát ( Hình 5.16 ) và bảng kết quả so sánh tổng hợp ( Bảng 5.5 ):
Hình 5.16 – Vị trí của các điểm khảo sát trên Google Earth
Bảng 5.5 – So sánh kết quả RTPPP với RTK
STT Trường hợp khảo sát M E (m) M N (m) M U (m) M 3D (m)
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ RTPPP
5.5.1 Độ chính xác RTPPP khi máy thu đứng yên:
Theo Bảng 5.3 , độ chính xác RTPPP sử dụng số hiệu chỉnh RTS trong trường hợp ăng-ten máy thu đứng yên đạt được là 0.21, 0.26 và 0.40 (m) theo hướng Đông,
Bắc và Độ cao So với kết quả định vị chỉ dùng bản lịch truyền thông, độ chính xác được cải thiện ở các thành phần: hướng Đông (0.21/0.87 ~ 76%), hướng Bắc (0.26/1.01 ~ 74%) và Độ cao (0.40/2.14 ~ 81%)
Trong Bảng 5.3 cũng cho thấy kết quả khi xử lý từng thời điểm (epoch-by- epoch) sử dụng số hiệu chỉnh RTS cho độ chính xác tương đương với kết quả dùng bản lịch chính xác SP3 về thành phần mặt bằng Điều này cho thấy độ chính xác và tính ổn định của số hiệu chỉnh RTS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS là tương đối cao Theo Hình 5.7 , sai số về vị trí mặt bằng khi định vị điểm đơn dùng số hiệu chỉnh RTS ổn định và tập trung hơn so với định vị điểm đơn thông thường dùng bản lịch truyền thông Đồng thời theo Bảng 5.3 , chúng ta thấy rằng độ chính xác của phương án 4 (có sử dụng số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh 30 giây) ở các thành phần hướng Đông, Bắc và Độ cao là (0.10, 0.11, 0.21) m tốt hơn phương án 3 (sử dụng số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh 15 phút) là (0.13, 0.15, 0.25) m Điều này có thể giải thích rằng có sự sai lệch về kết quả nội suy số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh GPS cho những thời điểm cách xa các thời điểm 15 phút chẵn
5.5.2 Độ chính xác RTPPP khi máy thu di động:
Theo Bảng 5.5 , độ chính xác của RTPPP so với kỹ thuật RTK trong trường hợp máy thu di chuyển là 0.17, 0.28 và 0.24 (m) theo hướng Đông, Bắc và Độ cao
- 92 - Đồng thời trong Bảng 5.5 cũng cho thấy, sai số tại các vị trí khảo sát rơi vào các đoạn đường cong thường lớn hơn không đáng kể so với ở những đoạn đường thẳng Điều này có thể giải thích là do khi xe di chuyển sang đoạn cong, góc định hướng tính được dựa trên tọa độ của 2 thời điểm liên tiếp sẽ sai lệch so với khi xe di chuyển thẳng dẫn đến độ chính xác ở những nơi này cũng sẽ kém hơn
Theo Hình 5.16 , hình dạng đường được tạo bởi các điểm khảo sát bằng RTPPP (màu đỏ) giống với hình dạng đường được vạch ra bởi các điểm khảo sát bằng RTK (màu xanh dương) Đồng thời khoảng cách giữa các điểm đo bằng RTPPP và RTK tại cùng một thời điểm xấp xỉ bằng khoảng cách giữa 2 ăng-ten gắn trên xe ô tô
Chi tiết về các kết quả so sánh xem tại phụ lục A của luận văn
Trong tổng thể các kết quả khảo sát thực tế cho thấy độ chính xác của định vị điểm đơn sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS đã cải thiện một cách đáng kể so với định vị điểm đơn thông thường (chỉ dùng bản lịch truyền thông) Độ chính xác khi xử lý RTPPP cho trường hợp ăng-ten máy thu di động gần như tương đương với khi đứng yên về vị trí mặt bằng (0.17, 0.28/0.21, 0.26) và tốt hơn ở thành phần độ cao (0.24/0.40) Điều này có thể được lý giải là do độ chính xác về tọa độ của các mốc (DNE01, DNE02) dùng làm cơ sở để so sánh cho hai trường hợp khảo sát là khác nhau, đồng thời vị trí khảo sát của hai trường hợp cũng là yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả định vị, đặc biệt là thành phần độ cao
Từ các kết quả khảo sát thực tế đã chứng minh độ chính xác của định vị điểm đơn sử dụng số hiệu chỉnh thời gian thực của IGS về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS đã cải thiện một cách đáng kể so với định vị điểm đơn thông thường (chỉ dùng bản lịch truyền thông) Với những kết quả và phân tích trên là cơ sở để học viên có những kết luận và kiến nghị trong chương cuối.
![Hình 2.2 – Mô hình của kỹ thuật RTPPP [15] - Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật trắc địa - bản đồ: Nghiên cứu định vị điểm đơn chính xác thời gian thực (RTPPP)](https://media.store123doc.com/figures/005/213/hinh-mo-hinh-ky-thuat-rtppp-5213862.webp)
