Tại Mỹ, hệ thống WAAS được phát triển bởi Cục Hàng Không Liên Bang nhằm tăng cường độ chính xác tiếp cận cất, hạ cánh của các chuyến bay ở các sân bay dựa trên hệ thống định vị GPS và cá
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Tăng cường độ chính xác định vị điểm là một trong các mục tiêu chủ chốt trong xu thế phát triển các hệ thống định vị vệ tinh (GNSS) trên thế giới Từ khi ra đời cho đến nay, các hệ thống định vị luôn được đổi mới, cải tiến về công nghệ cũng như các phương pháp xử lý nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng trong nhiều lĩnh vực Đáng chú ý, để tăng cường độ chính xác định vị GPS và GLONASS ứng dụng cho các lĩnh vực quan trọng như điều khiển hàng không và hàng hải, hệ thống SBAS đã ra đời Năm 2003, Dịch vụ dẫn đường sử dụng các vệ tinh địa tĩnh phủ trùm Châu Âu – EGNOS ra đời đã cung cấp khả năng định vị chính xác trên toàn bộ Châu Âu và vùng lân cận Tại Mỹ, hệ thống WAAS được phát triển bởi Cục Hàng Không Liên Bang nhằm tăng cường độ chính xác tiếp cận (cất, hạ cánh của các chuyến bay) ở các sân bay dựa trên hệ thống định vị GPS và các vệ tinh địa tĩnh
Tại Nhật, hệ thống MSAS được xây dựng với tính năng tương tự như hệ thống WAAS và EGNOS Tại Nga và Ấn Độ cũng đã dần hoàn thiện 2 hệ thống SDCM và GAGAN cho khu vực mình với các tính năng tương tự.
Sự kết hợp các hệ thống trên tạo thành hệ thống tăng cường dựa trên các vệ tinh (SBAS), cung cấp khả năng định vị tức thời chính xác cao trên phạm vi toàn cầu Vai trò quan trọng trong các hệ thống này chính là các vệ tinh viễn thông địa tĩnh Các vệ tinh này ngoài nhiệm vụ phát các số cải chính còn có khả năng phát các trị đo tương tự như các vệ tinh GNSS
Hệ thống SBAS đã hoạt động và đang hoàn thiện, số lượng vệ tinh địa tĩnh ứng dụng trong lĩnh vực truyền tải thông điệp GNSS ngày càng tăng lên đáng kể (hiện nay số lượng vệ tinh địa tĩnh của SBAS là 13) Xét trên một khía cạnh, đây có thể là nguồn trị đo bổ sung nhằm tăng cường độ chính xác định vị điểm ngoài các trị đo của các vệ tinh GNSS truyền thống.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Trên các hệ thống SBAS, các vệ tinh viễn thông địa tĩnh có 2 nhiệm vụ vừa truyền tải tín hiệu cải chính vừa cung cấp trị đo mã C/A-Code trên tần số L1 Phần lớn các nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào vấn đề truyền tải thông tin cải chính
Trong khi đó, các máy thu thế hệ mới hiện nay đều có khả năng thu và giải mã các trị đo của vệ tinh địa tĩnh trong hệ thống SBAS Đây là một vấn đề đáng quan tâm khi số lượng trị đo cũng là yếu tố quan trọng liên quan đến độ chính xác định vị
Mục tiêu của đề tài chính là đánh giá độ tin cậy của các trị đo vệ tinh địa tĩnh thông qua qua việc khảo sát các kết quả định vị từ trị đo GPS đơn thuần và kết quả định vị từ trị đo GPS kết hợp trị đo từ các vệ tinh địa tĩnh của SBAS Để giải quyết mục tiêu trên đề tài thực hiện các nội dung sau:
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống SBAS (hiện trạng của SBAS, các thành phần cơ bản của hệ thống, cấu trúc tín hiệu của các vệ tinh địa tĩnh)
- Nghiên cứu định dạng thông báo hàng hải (các thông số được cung cấp từ bản lịch vệ tinh) và thuật toán xác định tọa độ vệ tinh địa tĩnh SBAS
- Nghiên cứu mô hình sai số trị đo giả cự ly C1 SBAS tương ứng với GPS
- Viết chương trình định vị điểm dùng trị đo giả cự ly C1 của GPS và SBAS
- Xử lý dữ liệu thu thực tế, đánh giá mức độ cải thiện độ chính xác khi chỉ có GPS và khi kết hợp với SBAS.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học
Như chúng ta đã biết, số lượng tín hiệu vệ tinh thu được tại trạm thu (số lượng trị đo) ảnh hưởng rất lớn đến độ chính xác định vị điểm Khi số lượng vệ tinh càng lớn sẽ cho độ chính xác cao hơn và ngược lại Trong một số trường hợp, việc thu đủ số lượng vệ tinh tối thiểu để giải nghiệm cũng là một vấn đề đáng quan tâm
Mặc dù hiện nay, số lượng vệ tinh GPS đã ổn định, đảm bảo khả cung cấp từ 7 – 8 trị đo vệ tinh ở bất kỳ điểm nào trên mặt đất, cộng với số lượng vệ tinh
GLONASS và trong tương lai là các vệ tinh của hệ thống GALILEO, COMPASS… thì vấn đề về số lượng vệ tinh không còn quá quan trọng Nhưng đối với các khu vực có độ che phủ cao, tầm quan sát các vệ tinh bị hạn chế thì vấn đề này cũng rất cần được quan tâm
Nếu kết quả khảo sát của đề tài cho chúng ta độ tin cậy cao thì đây sẽ là tín hiệu lạc quan trong việc nâng cao độ chính xác định vị điểm vì các trị đo vệ tinh địa tĩnh luôn thường trực trong vùng phủ sóng.
Ý nghĩa thực tiễn
Với đồ hình phân bố của các hệ thống SBAS hiện nay, số lượng vệ tinh địa tĩnh hoạt động trên quỹ đạo xích đạo đã lên tới khoảng 13 vệ tinh và được phân bố phủ trùm toàn cầu (hình 1.1) Số lượng này sẽ tăng khi các hệ thống khác được hoàn thiện Tại một điểm bất kỳ sẽ thu nhận được ít nhất từ 2 đến 3 trị đo của vệ tinh địa tĩnh Điều này làm gia tăng đáng kể số lượng trị đo thu được tại trạm thu
Hình1.1 : Số lượng các vệ tinh địa tĩnh của SBAS hiện nay
Nếu xét riêng trong điều kiện Việt Nam thì chúng ta luôn có thêm khoảng 5 trị đo thường trực từ các vệ tinh địa tĩnh của MSAS, GAGAN và SDCM Lúc này, độ chính xác định vị sẽ được cải thiện đáng kể.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu trong nước
Hiện nay, các thiết bị thu tín GPS thế hệ mới ở Việt Nam cũng có khả năng thu nhận tín hiệu SBAS nhưng khả năng ứng dụng vẫn chưa được phổ biến Các ứng dụng thực sự chủ yếu nằm trong các lĩnh vực quản lý không lưu và hàng hải, Chưa có các tài liệu nghiên cứu hoặc bài báo nào liên quan đến hệ thống SBAS và đặc biệt là trị đo từ vệ tinh địa tĩnh Đây cũng là một vấn đề khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài
* Các nghiên cứu liên quan đến SBAS:
1 Phạm Kỳ Quang – Các hệ thống vi phân hàng hải dùng trong thế kỷ 21 -
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số13 - 4/2008 [1]
Bài báo giới thiệu khái quát các hệ thống vi phân hàng hải thế hệ mới được phát triển trong thế kỷ 21 Các hệ thống vi phân này gồm: WAAS của Mỹ, EGNOS của châu Âu và MSAS của Nhật bản, gọi chung là hệ thống vi phân hàng hải khu vực rộng, ký hiệu SBAS Hệ thống SBAS đã nâng cao độ chính xác xác định vị trí mục tiêu tăng từ 4-7 lần so với hệ thống DGPS ở cùng trạng thái Đặc biệt ở trạng thái tĩnh độ chính xác của hệ thống SBAS tính đến centimet Hệ thống SBAS sẽ từng bước thay thế hệ thống DGPS trong thời gian tới và ứng dụng rộng rãi trong các ngành kỹ thuật chính xác, kinh tế quốc dân, hướng dẫn an toàn hàng hải, an toàn hàng không khi hành trình trong các khu vực khó khăn, khu vực cảng quan trọng
2 Phạm Kỳ Quang, Vũ Đăng Thải, Nguyễn Bá Khảo – Tính toán hiệu quả sử dụng các hệ thống vi sai hàng hải khu vực rộng SBAS theo chỉ tiêu sai số bình phương trung bình -Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 27 – 8/2011[2]
Bài báo đưa ra kết quả tính toán và so sánh hiệu quả sử dụng của các hệ thống vi sai khu vực rộng SBAS theo chỉ tiêu sai số bình phương trung bình và so sánh với các tiêu chuẩn của Tổ chức Hàng hải thế giới IMO Kết quả nhận được cho thấy: Khi tàu hành trình trong khu vực khó khăn, nguy hiểm, khu vực gần bờ, khu vực hạn chế khả năng điều động, hay khu vực nội thủy, hiệu quả sử dụng của hệ thống SBAS được thể hiện đáng kể.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS VÀ SBAS
HỆ THỐNG GPS
Hệ thống Định vị Toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Hệ thống này luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và trong mọi điều kiện thời tiết
Ban đầu, hệ thống GPS được xây dựng với mục đích chính là phục vụ cho các hoạt động hải quân Tên đầy đủ của hệ thống GPS là NAVSTARGPS (Navigation Satellite with Time and Ranging Global Positioning System), hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác (hình 2.1)
Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào
Hệ thống GPS hoạt động theo nguyên tắt, các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Với nhiều khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh, máy thu có thể tính được vị trí của người dùng
Sự ra đời của công nghệ GPS và những hữu ích vượt trội đã làm thay đổi mạnh mẽ các phương pháp dẫn đường hàng hải và phương pháp định vị truyền thống Đáp ứng khả năng ứng dụng rộng rải cho nhiều lĩnh vực, nhiều ngành và nhiều mục đích khác nhau như:
Giám sát phương tiện giao thông đường bộ Định vị, dẫn đường hàng hải, hàng không
Giám sát quản lý môi trường
Các ứng dụng trong lĩnh vực Trắc địa, Bản đồ…
Quá trình phát triển của hệ thống định vị GPS bao gồm các mốc thời gian chính sau [8]:
Năm 1973, hệ thống GPS được thiết kế (là sự kết hợp của Chương trình TIMENTION và Đề án 621B) nhằm thay thế hệ thống TRANSIT
Năm 1974, vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng vào quỹ đạo (Vệ tinh dẫn đường số 1)
Năm 1978, vệ tinh Block I đầu tiên được phóng Giai đoạn 1978-1985 có 11 vệ được phóng lên quỹ đạo mang tính chất thực nghiệm Đến năm 1990, 9 vệ tinh thuộc khối Block II được đưa lên quỹ đạo
Cả vệ tinh khối Block I và II đều phát tín hiệu có nhiễu cố ý SA và có kỹ thuật bảo mật AS
Từ năm 1990-1994, hệ thống có thêm 15 vệ tinh thế hệ II-A có khả năng liên lạc vơi nhau
Từ năm 1996, các vệ tinh thế hệ II-R được bổ sung Các vệ tinh này có khả năng đo khoảng cách giữa các vệ tinh lân cận
Tháng 9 năm 2005, các vệ tinh II-RM phát thêm tín hiệu L2C cho phép sử dụng rộng rãi trong dân sự
Năm 2008, các vệ tinh thế hệ II-F sẽ phát thêm sóng tải L5
Từ năm 2009, số lượng vệ tinh GPS hoạt động trên quỹ đạo đã đạt được 30 vệ tinh
Với những bước phát triển công nghệ tiên tiến này, hệ thống GPS ngày càng cung cấp các dịch vụ dẫn đường và độ chính xác cao hơn
2.1.3 Các bước cải tiến quan trọng
Trong quá trình phát triển, hệ thống GPS cũng từng bước được cải tiến nhằm nâng cao độ chính xác định vị Có thể kể đến các nội dung cơ bản sau [9]: Đồng thời với sự thay đổi trong công nghệ chế tạo vệ tinh và tín hiệu phát sóng, các kỹ thuật định vị, phương pháp xử lý cũng như các hệ thống hỗ trợ tăng cường đều được phát triển và cải tiến đáng kể làm cho các ứng dụng của dịch vụ dẫn đường ngày càng thuận tiện và độ chính xác ngày càng cao hơn
Năm 1992, người ta áp dụng kỹ thuật giao thoa cạnh đáy dài VLBI, kỹ thuật đo khoảng cách Laser đến Mặt trăng và các vệ tinh để xác định tọa độ các trạm theo dõi vệ tinh GPS (thuộc mảng điều khiển) với sai số tương đối khoảng 10 -9 Số lượng trạm quan sát thường trực ở các châu lục trong hệ thống trạm IGS không ngừng tăng lên Khung tham chiếu WGS-84 cũng định kỳ được nâng cấp
Trong lĩnh vực chế tạo máy thu tín hiệu vệ tinh cũng có nhiều cải tiến Từ máy thu ban đầu hoạt dộng hoàn toàn theo nguyên tắt các bộ phận tách rời: Nguồn phát – lịch vệ tinh – máy thu, hiện nay nhờ sự phát triển của kỹ thuật mã (code) nên các máy thu chỉ còn 2 thành phần là nguồn phát có lịch và máy thu tín hiệu Ngoài ra, còn có các máy thu hoạt động theo cơ chế thu song song cùng lúc nhiều kênh, chúng nhanh chóng khóa vào các vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng
Hiện nay, sự ra đời các máy thu có khả năng thu được tín hiệu của các hệ thống tăng cường từ các vệ tinh địa tĩnh làm cho độ chính xác định vị tăng lên đáng kể
Về kỹ thuật định vị và độ chính xác định vị cũng liên tục có sự phát triển
Năm 1983, GPS được áp dụng vào xây dựng lưới khống chế nhà nước hạng I đạt độ chính xác chiều dài cạnh với sai số trung phương tương đối cỡ 10 -6 Năm 1985 ra đời kỹ thuật đo GPS động đạt độ chính xác cm Năm 1989 ra đời cách giải số nguyên đa trị trên đường đo OTF, cũng trong thời gian này ra đời kỹ thuật đo GPS vi phân (DGPS) làm tăng đáng kể độ chính xác nhờ loại bỏ nhiễu cố ý SA Năm 1993, người ta đề xuất phương pháp đo dộng tức thời (RTK) Đáng chú ý là sự ra đời của các hệ thống tăng cường dựa trên các vệ tinh địa tĩnh từ cuối năm 2003, nhằm nâng cao độ chính xác định vị trong các dịch vụ dẫn đường Châu Âu có hệ thống EGNOS, Mỹ có hệ thống WAAS và Nhật Bản có hệ thống tương tự là MSAS Ngoài ra còn có các hệ thống khác có tính năng tương tự đang hoàn thiện của Nga (SDCM), Ấn Độ (GAGAN) … Các hệ thống này kết hợp tạo nên một hệ thống tăng cường độ chính xác dựa trên các vệ tinh (SBAS) cung cấp khả năng định vi tức thời trên toàn cầu với sai số không lớn hơn 3m Đây là một bước phát triển rất quan trọng đáp ứng được nhu cầu của các dịch vụ dẫn đường chính xác cao trong hàng không và hàng hải
2.1.4 Trị đo GPS và Thông báo hàng hải
2.1.4.1 Sóng tải Định vị vệ tinh được thực hiện dựa trên cơ sở số liệu lan truyền theo sóng điện từ từ vệ tinh đến máy thu Hệ thống GPS nói riêng và các hệ thống GNSS nói chung đều sử dụng tần số siêu cao tần (UHF) để truyền tải tín hiệu từ vệ tinh đến các máy thu dưới mặt đất Trong giải tầng này cũng chia thành nhiều băng tần khác nhau theo tần số Sóng tải của các vệ tinh GPS thuộc L-Band có chiều dài bước sóng trung bình cỡ 20 cm
Tất cả vệ tinh GPS thuộc khối I, II, II-A, II-R, II-RM đều sử dụng 2 tần số sóng tải là L1, L2
Sóng tải L1 : Tần số , Sóng tải L2 : Tần số
Với = 10.23 MHz là tần số cơ bản do đồng hồ nguyên tử vệ tinh tao ra (hình 2.2)
Hình 2.2: Tần số phát trên vệ tinh GPS
2.1.4.2 Mã đo khoảng cách (Code PRN)
Mã đo khoảng cách là một dãy duy nhất các giá trị nhị phân (chuỗi liên tiếp các các xung nhị phân “0” và “1”) được tạo ra cho mỗi vệ tinh, sao cho tất cả vệ tinh dùng chung một tần số truyền tín hiệu nhưng không bị nhiễu Việc này cho phép máy thu nhận biết tín hiệu của các vệ tinh khác nhau Kỹ thuật này được gọi là đa truy nhập theo mã (CDMA) Các loại mã này đều có đặc tính ngẫu nhiên (random noise), nhưng thực chất chúng được sinh ra bằng các thuật toán toán học nên còn được gọi là “nhiễu giả ngẫu nhiên” (PRN) Mỗi một vệ tinh đều được gán đoạn code tựa ngẫu nhiên theo thứ tự, vì thế số hiệu vệ tinh được ký hiệu kèm PRN (ví dụ: PRN-12, …) [8]
Các mã đo khoảng cách của vệ tinh GPS bao gồm: C/A-code, P-code, Y- code, M-code, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau
C/A-code (Coarse/Acquisition code): là loại mã thô cho phép dùng rộng rãi
Tín hiệu mang code này có tần số thấp 1.023 MHz tương ứng với bước sóng 293 m
C/A-code được điều biến trên sóng tải L1 Từ năm 2005, C/A-code đã được điều biến trên sóng tải L2 và gọi là tín hiệu L2C
P-code (Precision code): là code chính xác, được điều biến trên cả L1 và L2, có độ dài khoảng 1.014 bite (37 tuần) Tín hiệu P-code có tần số đùng bằng tần số chuẩn f o (10.23 MHz) P-code được dùng cho mục đích quân sự (Bộ quốc phòng Mỹ) và chỉ dùng cho mục đích khác khi phía Mỹ cho phép
Y-code; là code được hình thành dựa trên P-code, được phủ bởi W-code là code bí mật để thực hiện kỹ thuật chống bắt chước hay đánh lừa AS (Anti – Spoofing) Chỉ những máy thu đặc biệt (quân sự) mới biết được cấu trúc của mã Y và thu được trị đo giả cự ly trên mã Y Các máy thu thông thường chỉ thu được trị đo giả cự ly mã C/A Y-code chỉ sử dụng trên các vệ tinh thuộc khối II (sau năm
CÁC THUẬT TOÁN XỬ LÝ
THÔNG SỐ BẢN LỊCH VÀ THUẬT TOÁN TÍNH TỌA ĐỘ VỆ TINH GPS
3.1.1 Các thông số bản lịch
Theo các định luật Kepler, vệ tinh chuyển động xung quanh trái đất theo quỹ đạo hình ellipse, với trọng tâm trái đất nằm tại một trong hai tiêu điểm của ellipse đó Vị trí vệ tinh sẽ được xác định nếu biết trước 6 tham số độc lập gọi là các phần tử Kepler [8]
Hình 3.1: Các tham số quỹ đạo Kepler
* Các phần tử Kepler cho trong hình 3.1 bao gồm:
i : Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh so với mặt phẳng xích đạo
: Hoàng kinh của điểm thăng
e : Tâm sai của ellip quỹ đạo
t 0 : Thời điểm vệ tinh đi qua cận điểm
Trong quá trình quay xung quanh trái đất, quỹ đạo của vệ tinh bị thay đổi không còn đúng với hình dạng ellipse trong định luật Kepler Quỹ đạo này được gọi là “quỹ đạo nhiễu loạn” Nguyên nhân chính là do trọng lực của trái đất không đều (vật chất phân bố không đều) Ngoài ra còn có các nguyên nhân khác như: sự thay đổi hoạt tính của mặt trời và các hành tinh khác tác động lên vệ tinh làm cho quỹ đạo vệ tinh bị nhiễu Vì vậy, để xác định chính xác tọa độ vệ tinh cần phải bổ sung thêm các tham số đầy đủ cho quỹ đạo nhiễu loạn này
Các thành phần của bản lịch phát tín GPS và giải thích ý nghĩa các thông số được cho trong bảng 3.1
Bảng 3.1: Các thành phần của bản lịch GPS
2.10 NAVIGATION DATA RINEX VERSION / TYPE CS10 V4.01 H 2013 11 03 13:54 PGM / RUN BY / DATE 2.5146D-08 -7.4506D-09 -1.1921D-07 1.1921D-07 ION ALPHA (hệ số alpha)
( ) ( ) ( ) ( ) 1.3312D+05 -4.9152D+04 -1.3107D+05 -1.3107D+05 ION BETA (hệ số beta)
( ) ( ) ( ) ( ) 1.862645149231D-09 5.329070518201D-15 233472 1765 DELTA-UTC: A0,A1,T,W ( ) ( ) Tot( ) (Tuần lễ GPS) (hệ số đa thức) 16 ( ) LEAP SECONDS END OF HEADER 4 13 11 03 08 00.0 2.729706466198D-06 4.547473508865D-13 0.000000000000D+00
( ) Code on L2 Tuần GPS L2P Data Flag 2.800000000000D+00 0.000000000000D+00 -6.519258022308D-09 1.030000000000D+02 SV Accuracy (m) SV Heath ( ) IODC (s) 2.154000000000D+04 8.000000000000D+00
Thời điểm phát (s) Fit Interval (Hour)
Giải thích các thành phần trong bản lịch [8]
+ Các tham số thời gian:
: Thời gian tham khảo của bản lịch
: Thời gian tham khảo của đồng hồ vệ tinh
a 0 , a 1 , a 2 : Các hệ số đa thức để tính toán số hiệu chỉnh đồng hồ
√ : căn bậc hai bán trục chính của quỹ đạo
: Tâm sai của ellip quỹ đạo
: Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh ở thời điểm tham khảo
: Đối số của cận điểm
: Điểm thăng ở thời điểm tham khảo
t 0 : Thời điểm vệ tinh đi qua cận điểm
M 0 : Dị thường trung bình ở thời điểm tham khảo
+ Các tham số nhiễu loạn:
: Hiệu chuyển động trung bình với giá trị đã tính
: Tốc độ thay đổi của điểm thăng
: Tốc độ thay đổi của góc nghiêng
: Biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa cosine vào đối số vĩ độ
: Biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa sine vào đối số vĩ độ
: Biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa sine vào góc nghiêng
: Biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa cosine vào góc nghiêng
: Biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa sine vào bán kính quỹ đạo
: Biên độ của số hiệu chỉnh điều hòa cosine vào bán kính quỹ đạo
3.1.2 Thuật toán tính tọa độ vệ tinh GPS
Tính tọa độ vệ tinh là bước quan trọng đầu tiên trong bài toán định vị Tọa độ vệ tinh tại thời điểm t được tính theo các công thức sau [8]:
Hằng số trọng trường trái đất: ( ) Vận tốc quay trung bình trái đất: ( ) Hằng số Pi:
- Thời gian tính từ chu kỳ tham khảo: (3.1)
(t là thời điểm cần tính vệ tinh, t = 0 vào lúc 0 giờ 0 phút 0 giây ngày chủ nhật của tuần lễ GPS, là số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh
Nếu > 302400 thì : s (3.2) Nếu < 302400 thì : s (3.3) - Chuyển động trung bình đã hiệu chỉnh : √ (3.4) - Khoảng cách trung bình từ cận điểm đến : (3.5)
- Độ dời thực được tính: √
- Số hiệu chỉnh : (3.9) - Đối số vĩ độ đã hiệu chỉnh : (3.10) - Bán kính quỹ đạo đã hiệu chỉnh:
Bán kính : ( ) (3.11) - Vị trí vệ tinh trên mặt phẳng quỹ đạo:
- Góc nghiêng quỹ đạo đã hiệu chỉnh : (3.14) - Điểm thăng đã hiệu chỉnh :
Hoàng kinh của điểm thăng : ( ) (3.15) - Tọa độ vệ tinh trong hệ tọa độ trái đất WGS-84 :
Hệ thống công thức và các bước tính trên cho phép chúng ta tính được tọa độ vệ tinh trên quỹ đạo theo bản lịch phát tín
Trong quá trình tính cần lưu ý đến các số hiệu chỉnh liên quan đến tọa độ vệ tinh đã trình bày trong Chương 2.
THÔNG SỐ BẢN LỊCH VÀ THUẬT TOÁN TÍNH TỌA ĐỘ VỆ TINH SBAS
Như đã trình bày trong mục 2.2.3.3, bản lịch vệ tinh SBAS cung cấp các thành phần vector trạng thái bao gồm tọa độ vệ tinh, vận tốc và gia tốc tại các mốc thời gian nhất định Việc tính tọa độ vệ tinh ở thời điểm bất kỳ sẽ được tính theo phương pháp tích phân số
Các thành phần của bản lịch vệ tinh địa tĩnh SBAS cung cấp được cho trong bảng 3.2:
Bảng 3.2: Các tham số cung cấp trong bản lịch vệ tinh SBAS
PRN Năm Tháng Ngày Giờ aGf0 aGf1 t k
S37 2015 08 04 00 01 046.891787052155E-08 -1.818989403546E-12 1.728400000000E+05 x(km) vx(km/sec) ax(km/sec 2 ) Satelite Health
-3.451267336000E+04 5.418750000000E-04 -1.000000000000E-07 3.100000000000E+01 y(km) vy(km/sec) ay(km/sec 2 ) Accuracy Code
2.419934632000E+04-1.921875000000E-03 -5.000000000000E-08 1.600000000000E+01 z(km) vz(km/sec) az(km/sec 2 )
Phân tích các tham số cung cấp trong bản lịch Các thành phần trong bảng 3.2 được giải thích như sau [21]:
- x, y, z : Tọa độ của vệ tinh trong hệ tọa độ vuông góc không gian
- vx, vy, vz : Các thành phần vận tốc
- ax, ay, az : Các thành phần gia tốc
- aGf0, aGf1 : Các thành phần liên quan đến số hiệu chỉnh đồng hồ
- t k : Thời gian tham khảo của bản lịch
Các tham số trong bản lịch này được cung cấp với giản cách thời gian trung bình khoảng 4 phút 16 giấy Việc tính tọa độ vệ tinh ở thời điểm bất kỳ sẽ căn cứ vào các mốc tham khảo cho trong bản lịch
Từ bảng 3.2 ta thấy rằng, bản lịch vệ tinh SBAS có cấu trúc tương tự như bản lịch vệ tinh GLONASS Công thức đặc trưng cho chuyển động của quỹ đạo này là công thức đạo hàm cấp 1 và 2 của vector vị trí , dưới dạng hàm của biến thời gian, vị trí, vận tốc [17]
Trong đó: là các thành phần vector đặc trưng cho vị trí, vận tốc và gia tốc tương ứng Tích phân quỹ đạo ước lượng các vector vị trí và vận tốc của vệ tinh như là một hàm theo thời gian
Các công thức được cho như sau [17]:
√ ⁄ là hằng số hấp dẫn trái đất là bán kính trái đất x x là tốc độ xoay của trái đất
3.2.2 Thuật toán tính tọa độ vệ tinh SBAS Để tính toán vị trí vệ tinh địa tĩnh SBAS tại thời điểm từ vector trạng thái vệ tinh tại thời điểm tham khảo đã biết, cần dùng phương pháp tích phân số
(thuộc về lý thuyết xấp xỉ) Trên cơ sở các hệ đa thức được cho bởi các công thức (3.20) đến (3.25) ta tiến hành ước tính xấp xỉ chuỗi hữu hạn các điểm liên tiếp dựa trên điểm mốc cho trước [18]
Theo các tài liệu khuyến cáo về việc tính tọa độ cho vệ tinh GLONASS, luận văn này sử dụng phương pháp tích phân số Runge Kutta dạng bậc 4 cho việc tính toán tọa độ vệ tinh địa tĩnh SBAS Đây là một trong những phương pháp phổ biến và chính xác nhất hiện nay
3.2.2.1 Phương pháp Runge Kutta bậc 4
Một trong những bài toán tìm nghiệm gần đúng của phương trình vi phân ứng dụng phổ biến trong thực tế là bài toán Cauchy hay còn gọi là bài toán với điều kiện đầu Nội dung như sau [18]:
Với ( ) là hàm cần tìm, khả vi trên đoạn , là giá trị cho trước của hàm tại điểm x=a
Theo phương pháp Runge Kutta bậc 4, công thức xấp xỉ giải phương trình vi phân với bước nhảy như sau:
* Hệ phương trình vi phân
Bài toán Cauchy cho hệ phương trình vi phân bậc nhất và phương trình vi phân bậc cao Đối với phương trình vi phân bậc cao ta giới hạn việc tìm nghiệm gần đúng bằng cách chuyển về hệ phương trình vi phân bậc nhất Hệ m phương trình vi phân bậc nhất có dạng:
Và thỏa các điều kiện ban đầu: ( ) ( ) ( )
Theo phương pháp Runge Kutta bậc 4, công thức xấp xỉ giải hệ phương trình vi phân với bước nhảy như sau:
Chú ý rằng trong khi tính, các giá trị phải được tính trước các giá trị
3.2.2.2 Áp dụng Phương pháp Runge Kutta bậc 4 vào tính tọa độ vệ tinh Áp dụng các công thức cho hệ phương trình vi phân từ (3.34) đến (3.43) ta được các công thức khai triển sau [18]:
Vị trí vệ tinh (t 0 + 256 giây)
Quỹ đạo bản lịch Quỹ đạo nội suy ( ) (3.61) ( ) (3.62) ( ) (3.63) ( ) (3.64) ( ) (3.65)
Khi tính toán các thành phần vector vận tốc và vị trí tại thời điểm , chúng ta sử dụng thành phần của vector trạng thái vệ tinh tại thời điểm , ta có công thức:
(3.67) Trong đó, h là bước nhảy tích phân
Theo tài liệu [19], việc chọn lựa bước nhảy hết sức quan trọng Nếu h đủ bé thì quá trình xấp xỉ sẽ cho độ chính xác cao nhưng khối lượng tính toán và thời gian tính sẽ lớn Và nếu khoảng cách càng xa điểm mốc thì sai số tích lũy càng nhiều (hình 3.2)
Hình 3.2: Sơ đồ ảnh hưởng bước nhảy tích phân
* Các vấn đề cần lưu ý khi tính tọa độ vệ tinh SBAS:
Thời gian tham khảo để tính tọa độ vệ tinh cũng cần phải hiệu chỉnh độ trễ do lan truyền tín hiệu trong khí quyển như đã trình bày trong công thức (2.21) Vì độ cao của các vệ tinh địa tĩnh cao hơn nhiều so với độ cao của vệ tinh GPS nên độ trễ sẽ là một giá trị đáng kể
Các tham số hỗ trợ, các hằng số trong quá trình tính tọa độ các vệ tinh địa tĩnh SBAS được lấy theo khung tham khảo WGS84 Để kết quả tính tọa độ vệ tinh SBAS cho giá trị tin cậy nhất, ta nên dùng bộ tham số gần nhất với mốc thời gian tham khảo để tiến hành tích phân xấp xỉ
Với thời gian cập nhật bản lịch của các vệ tinh địa tĩnh SBAS là 4 phút 16 giây thì thời gian tích phân nên dài nhất là 2 phút 8 giây Có nghĩa là trong 2 phút 8 giây đầu tiên nên dùng bộ dữ liệu khởi đầu để tích phân tới và trong 2 phút 8 giây cuối nên dùng bộ dữ liệu cuối tích phân lùi lại để cho sai số nội suy là nhỏ nhất Cơ sở cho vấn đề này cũng giống như trong trường hợp tính tọa độ cho các vệ tinh GPS đã được trình bày Sơ đồ tính tọa độ vệ tinh SBAS được thể hiện trong hình 3.3
Hình 3.3: Sơ đồ tính tọa độ vệ tinh SBAS
ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI THEO KHOẢNG CÁCH GIẢ
Theo tài liệu [8], nguyên tắc của định vị tuyệt đối là dựa vào khoảng cách tính được từ máy thu đến các vệ tinh tại thời điểm quan sát để tính tọa độ máy thu theo bài toán giao hội không gian
Trị đo trong phương pháp này chính là các khoảng cách giả theo tín hiệu code, khoảng cách giả theo pha hoặc trị đo Dopler (hiệu khoảng cách) Trong nội dung của luận văn chỉ đề cập đến trị đo khoảng cách giả theo tín hiệu code
Phương trình trị đo khoảng cách giả từ vệ tinh j đến máy thu i tại thời điểm t như sau:
( ): Khoảng cách giả từ vệ tinh j đến máy thu i
( ) : Khoảng cách hình học từ vệ tinh j đến máy thu i c : Vận tốc ánh sáng
( ) : Sai số đồng hồ máy thu
( ) : Sai số đồng hồ vệ tinh
Trong trường hợp này, sai số đồng hồ vệ tinh được xác định nhờ các hệ số đa thức cho trong bản lịch
Phương trình khoảng cách giả sau khi hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh sẽ là:
( ) ( ) ( ) ( ) (3.69) Khoảng cách hình học từ vệ tinh j đến máy thu i thời điểm t được viết:
( ) ( ) ( ) : Các thành phần vector vị trí địa tâm của vệ tinh j tại thời điểm tham khảo t
: Tọa độ điểm cần quan sát
Như vậy, phương trình trị đo khoảng cách giả theo code được viết lại là: ̅ ( ) √ ( ) ( ) ( ) ( ) (3.71)
Trong đó : ̅ ( ) ( ) ( ) : Khoảng cách giả đã hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh
Nếu xét tại một thời điểm đinh vị (t), trong phương trình sẽ có 4 ẩn số Đó là tọa độ trong hệ WGS-84 của điểm quan sát i và sai số đồng hồ máy thu
( ) tại thời điểm (t) Về nguyên tắc, bốn ẩn số này có thể giải thành công khi đồng thời quan sát ít nhất từ 4 vệ tinh Đây chính là khả năng định vị tức thời của hệ thống GPS Để giải bài toán định vị này, ta xét trường hợp cơ bản nhất, trong đó tạm thời bỏ qua các sai số ảnh hưởng do tầng điện ly, tầng đối lưu và các ảnh hưởng khác
Nếu quan sát đồng thời 4 vệ tinh, ta sẽ viết được 4 phương trình và giải tìm ra 4 ẩn số là và ( )
Trong thực tế, số lượng vệ tinh quan sát được thường nhiều hơn 4 vệ tinh (n>4) Khi đó, 4 ẩn số sẽ được giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất Ứng với mỗi vệ tinh quan sát được ta có phương trình: ̅ ( ) √ ( ) ( ) ( ) ( ) (3.72)
Nếu có trị gần đúng của vị trí điểm quan trắc là sẽ khai triển tuyến tính vế phải của phương trình, trong đó thay các ẩn số như sau:
Khai triển Taylor và giữ lại số hạng bậc nhất của ta được phương trình số hiệu chỉnh
Trong phương trình (3.83) , ký hiệu ( ) = và xem là ẩn số Ta viết lại
( ) (3.79) Viết lại dưới dạng ma trận ta có:
Các hệ số trong ma trận A được tính:
Dùng phương pháp số bình phương nhỏ nhất để giải tìm 4 ẩn số
Trong đó P là ma trận trọng số đo với các yếu tố trên đường chéo là góc cao các vệ tinh
Trong trường hợp ta chỉ quan tâm đến tọa độ máy thu, thì số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu có thể bị khử khỏi phương trình tham số bằng cách lấy hiệu giữa các phương trình tương ứng với các vệ tinh khác nhau Trong trường hợp này, phương trình số hiệu chỉnh có thể viết lại :
( 3.88) Trong đó : với j, k là trị đo thứ j và k
3.3.2 Hiệu chỉnh các sai số ảnh hưởng đến trị đo
Trong thuật toán định vị điểm đơn dùng trị đo giả cự ly có 2 vấn đề cần quan tâm, đó là hiệu chỉnh các sai số vào trị đo và lựa chọn phương pháp tính thích hợp
Về việc hiệu chỉnh các sai số: Cần phải hiệu chỉnh tính toán các sai số liên quan đến độ trễ điện ly, độ trễ đối lưu và sai số đồng hồ vệ tinh vào trị đo Bản chất các sai số đã được trình bày trong Chương 2
Về lựa chọn phương pháp tính: Để khử thành phần sai số đồng hồ máy thu tác động đến trị đo ta sử dụng phương pháp hiệu để tính toán Lúc này thành phần ẩn số là sai số đồng hồ không còn, chỉ còn 3 ẩn số là thành phần tọa độ máy thu
3.3.3 Tính góc cao và phương vị Để chuyển đổi giữa tọa độ vuông góc không gian địa tâm và tọa độ vuông góc không gian địa diện ta sử dụng công thức sau [9] :
Trong đó : - N,E,U là các thành phần tọa độ vệ tinh trong hệ tọa độ địa diện máy thu
- X 0 , Y 0 , Z 0 là tọa độ vuông góc không gian địa tâm máy thu
- B 0 , L 0 , H 0 là tọa độ trắc địa của máy thu
- X, Y, Z là tọa độ vuông góc không gian địa tâm của vệ tinh
DỮ LIỆU VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
DỮ LIỆU KHẢO SÁT
Để kết quả khảo sát đạt độ tin cậy cao nhất cần phải có bộ dữ liệu thu đầy đủ, liên tục và ổn định các tín hiệu của cả vệ tinh GPS, SBAS cùng với thông tin chính xác về hệ tọa độ tham khảo của trạm thu Đây là cơ sở để tính toán các so sánh và đánh giá một cách đầy đủ hơn về chất lượng trị đo của các vệ tinh
Hiện nay, các thiết bị thu GPS thế hệ mới ở Việt Nam cũng có khả năng thu tín hiệu SBAS Nhưng việc thu và xử lý một cách đầy đủ các trị đo (bao gồm file trị đo có chứa trị đo của vệ tinh SBAS và cả file bản lịch của vệ tinh SBAS) thì vẫn chưa được phổ biến Đây cũng là lý do nguồn dữ liệu dùng khảo sát trong luận văn này chưa được thực hiện tại Việt Nam
Theo đó, dữ liệu khảo sát nên được chọn tại các trạm thu của tổ chức IGS Vì tại các trạm thu này có thể đáp ứng được các vấn đề quan trọng như:
- Dữ liệu thu được thực hiện liên tục 24 giờ trong một ngày và thực hiện trong nhiều ngày Điều này rất thuận lợi trong các khảo sát có tính biến động theo thời gian chẳng hạn như các chỉ số DOP khi cấu hình của các vệ tinh GPS liên tục thay đổi
- Các thiết bị (ăng ten và máy thu) sử dụng tại các trạm IGS có độ ổn định cao Điều này giúp cho việc đánh giá các sai số từ trị đo của các vệ tinh sẽ cho độ tin cậy cao hơn khi các sai số từ máy thu được giảm thiểu
- Vì các trạm được thành lập để khảo sát nghiên cứu phục vụ cho các ứng dụng chính xác cao nên tọa độ tham chiếu của trạm được cung cấp sẽ rất tin cậy, ta có thể sử dụng như chuẩn để so sánh các kết quả khảo sát
- Dữ liệu cung cấp từ các trạm IGS sẽ đầy đủ để đảm bảo điều kiện thực hiện khảo sát tốt nhất Có nghĩa là đối với các trạm có khả năng thu tín hiệu SBAS thì ngoài việc cung cấp file trị đo hỗn hợp còn cung cấp cả các file bản lịch tọa độ vệ tinh SBAS Đây là điều kiện cần để thực hiện khảo sát
- Ngoài các trị đo dùng để khảo sát chính như đã nêu, các trạm IGS còn tính toán cung cấp các thông tin khác rất hữu ích cho bài toán khảo sát như: sai số đồng hồ máy thu,…
Một vấn đề cần được quan tâm nữa là dữ liệu phải được xử lý và cung cấp từ những tổ chức uy tín
Với các vấn đề trên cùng với việc định hướng mở rộng của nghiên cứu này có thể được áp dụng ở Việt Nam nên dữ liệu được chọn sẽ cần đáp ứng được 3 vấn đề chính sau đây:
1 Dữ liệu đảm bảo điều kiện cần để phục vụ khảo sát bao gồm: có đầy đủ các file số liệu phục vụ cho quá trình xử lý (file đo hỗn hợp chứa cả trị đo GPS và SBAS) và các thông tin tin cậy về trạm thu mặt đất (tọa độ chính xác, các số hiệu chỉnh bổ sung)
2 Để tăng cường chất lượng khảo sát, trạm thu cần được chọn ở nơi có thể thu được từ ít nhất 4 vệ tinh thuộc các hệ thống của SBAS (Đây cũng là vấn đề cần quan tâm Vì hiện nay mật độ phủ của các vệ tinh thuộc hệ thống SBAS vẫn còn hạn chế, một số vị trí thu chỉ có thể quan sát được 2 hặc 3 tín hiệu phát từ các vệ tinh địa tĩnh.)
3 Vị trí địa lý của trạm phải nằm trong khu vực có khả năng quan sát các vệ tinh SBAS giống như các máy thu ở Việt Nam Nội dung này chỉ xét trên tiêu chí là quan sát cùng loại các vệ tinh địa tĩnh SBAS Vì khi các trạm thu ở các vị trí địa lý khác nhau thì ảnh hưởng của cấu hình các vệ tinh SBAS đễn độ chính xác định vị cũng sẽ khác nhau Vấn đề này sẽ được trình bày trong Chương 5 của luận văn
Hiện nay, các trạm thu của tổ chức IGS khu vực phía đông châu Á (xung quanh Việt Nam) cũng chỉ có vài trạm có trang bị ăng ten thu được các tín hiệu của vệ tinh SBAS Ví dụ như: trạm PTGG ở thành phố Taguig City thuộc Philipines, trạm JFNG ở Jiufang thuộc Trung Quốc, trạm NNOR ở thành phố New Norcia thuộc Australian Vị trí các trạm được mô tả theo hình 4.1
Hình 4.1 Vị trí các tram IGS thu được tín hiệu SBAS
Trong các trạm nói trên, hiện chỉ có trạm NNOR ở thành phố New Norica – Australian cung cấp đầy đủ các dữ liệu trị đo đảm bảo thực hiện bài toán khảo sát (bao gồm file trị đo hỗn hợp Observation chứa trị đo GPS và SBAS, file GPS Navigation chứa thông tin bản lịch vệ tinh GPS, file SBAS Navigation chứa thông tin bản lịch các vệ tinh địa tĩnh SBAS) Các trạm còn lại không được cung cấp dữ liệu từ tổ chức IGS hoặc không cung cấp đầy đủ dữ liệu theo yêu cầu luận văn đặt ra theo nội dung được trình bày trong mục 4.1.1
Với những lý do trên, dữ liệu chọn để thực hiện khảo sát trong luận văn này là dữ liệu lấy từ trạm NNOR được cung cấp từ trang web của tổ chức IGS Thời gian của dữ liệu cũng được chọn sao cho số lượng thu tín hiệu từ các vệ tinh SBAS tối thiểu là 4 vệ tinh
Dữ liệu được chọn là dữ liệu thu của 3 ngày khác nhau trong tháng 8 và tháng 11 năm 2015
* Các thông tin về trạm NNOR
Trạm NNOR được xây dựng ở thành phố New Norcia thuộc Australian Mốc của trạm được xây dựng trên nền bê tông vững chắc, có tính ổn định cao (hình 4.2)
Trạm được trang bị máy thu (Receiver) SEPT POLARX4 (hình 4.3) và ăng ten
KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
XỬ LÝ DỮ LIỆU
Yêu cầu của luận văn là khảo sát độ tin cậy của các trị đo từ vệ tinh địa tĩnh SBAS từ đó đánh giá khả năng kết hợp định vị điểm giữa vệ tinh GPS và SBAS
Vấn đề khảo sát trên sẽ thực hiện trên 2 nội dung chính sau:
1 Khảo sát khả năng cải thiện độ chính xác khi các vệ tinh SBAS tham gia vào cấu hình định vị chung Kết quả đánh giá sẽ dựa trên việc tính toán và so sánh các chỉ số DOP
2 Khảo sát chất lượng trị đo từ vệ tinh SBAS thông qua các mô hình sai số dựa vào kết quả định vị điểm thực hiện trên mã đo khoảng cách Đối với nội dung thứ nhất, kết quả khảo sát đã được thực hiện và trình bày trong bài báo: “Khả năng cải thiện độ chính xác định vị điểm khi kết hợp GPS và
SBAS “ Kết quả sẽ được nói rõ hơn trong phần đánh giá Đối với nội dung thứ hai, việc khảo sát sẽ dựa trên bài toán định vị điểm đơn dùng trị đo giả cự ly Kết quả tính được từ các trị đo sẽ được so sánh với tọa độ chính xác của trạm và tính toán các sai số tương ứng Từ đó, kết luận đánh giá độ chính xác của trị đo giả cự ly của từng hệ thống và độ chính xác khi thực hiện định vị kết hợp có sử dụng trọng số cho từng loại trị đo Các bước tính toán trong nội dung này được thể hiện cơ bản qua sơ đồ khối chương trình chính (hình 4.7) Để kết quả khảo sát cho kết quả tốt nhất có thể, trong quá trình thực hiện các bước tính cần thực hiện hiệu chỉnh tất cả các sai số có thể
Việc đánh giá độ chính xác trị đo chủ yếu thực hiện trên kết quả định vị mặt bằng nên tọa độ trạm sau khi tính sẽ chuyển về hệ tọa độ địa phương Kết quả tính bao gồm các thành phần sau: Độ lệch các thành phần tọa độ so với độ chính xác của trạm IGS (theo các hướng), sai số trung trương vị trí điểm theo mặt bằng, sai số trung phương độ cao.
KẾT QUẢ KHẢO SÁT
5.2.1 Kết quả khảo sát chỉ số DOP
Do các yếu tố chính ảnh hưởng đến chỉ số DOP là số lượng vệ tinh và vị trí của các vệ tinh trên bầu trời nên việc khảo sát đánh giá sự đóng góp của các vệ tinh SBAS vào cấu hình định vị là cần thiết
Trong vấn đề này, học viên đã thực hiện khảo sát đánh giá và kết quả chi tiết đã được đề cập trong bài báo “Khả năng cải thiện độ chính xác định vị điểm khi kết hợp GPS và SBAS” đăng trong Hội nghị Khoa học lần Thứ 14 của Trường đại học
Các số liệu khảo sát được thể hiện cơ bản qua biểu đồ và bảng số liệu sau:
Hình 5.1 Biểu đồ so sánh chỉ số DOP Bảng 5.1 Mức độ cải thiện theo chỉ số DOP
Kết quả 1 GPS (8) GPS (8) + SBAS
Kết quả 2 GPS (4) GPS (4) + SBAS
5.2.2 Kết quả khảo sát độ chính xác của trị đo GPS và SBAS
Việc khảo sát trong phần này được thực hiện theo 2 nhiệm vụ:
- Khảo sát giá trị trọng số cho từng loại trị đo GPS và SBAS
- Khảo sát độ chính xác kết quả định vị kết hợp
+ Đối với nhiệm vụ thứ nhất:
Việc tìm trọng số tương ứng cho các loại trị đo GPS và SBAS là rất quan trọng Vì nếu xem các trị đo này là như nhau thì kết quả định vị kết hợp sẽ bị ảnh hưởng của trị đo có chất lượng xấu hơn Điều này có nghĩa là nếu chất lượng trị đo GPS xấu hơn sẽ làm ảnh hưởng luôn đến trị đo SBAS trong kết quả định vị chung
Ngược lại, chất lượng trị đo SBAS xấu hơn sẽ ảnh hưởng luôn đến trị đo GPS trong kết quả định vị kết hợp Điều này sẽ gây khó khăn trọng việc so sánh đánh giá cuối cùng Vì vậy cần phải tính đến các giá trị trọng số trong bài toán định vị kết hợp
+ Đối với nhiệm vụ thứ hai: Để việc đánh giá có cơ sở đầy đủ, việc khảo sát sẽ thực hiện trên 3 phương án sau đây:
1 Độ chính xác định vị của riêng trị đo GPS
2 Độ chính xác định vị kết hợp trị đo GPS và trị đo SBAS khi xem trọng số của các trị đo là giống nhau
3 Độ chính xác định vị kết hợp trị đo GPS và trị đo SBAS khi xem trọng số của 2 loại trị đo trên là khác nhau (có sự tham gia của và )
* Việc lựa chọn dữ liệu
Trong file dữ liệu thu thập, có nhiều thời điểm trong ngày đo trạm thu chỉ thu được 3 tín hiệu vệ tinh SBAS (vì vệ tinh PRN 127 của GAGAN cách xa trạm NNOR nên tín hiệu không ổn định) Nhằm tăng cường độ tin cậy cho kết quả khảo sát, dữ liệu khảo sát được chọn phải quan sát đầy đủ 4 vệ tinh SBAS theo yêu cầu đã đặt ra của luận văn Trong luận văn, học viên chọn dữ liệu khảo sát là các cụm dữ liệu quan sát liên tục từ 4 vệ tinh SBAS với tín hiệu ổn định
Kết quả khảo sát thực hiện trên 3 cụm dữ liệu của 3 ngày đo khác nhau Mỗi cụm dữ liệu lấy 100 epoch để khảo sát
5.2.2.1 Kết quả tính trọng số
Bảng 5.2 Kết quả tính trọng số trên cụm dữ liệu 1:
Trong bảng 5.2 , tỷ số thể hiện sự chêch lệch giá trị sai số đơn vị trọng số giữa SBAS và GPS Kết quả khảo sát cho thấy, sai số đơn vị trọng số SBAS lớn hơn từ 4 đến 7 lần sai số đơn vị trọng số GPS
Hình 5.2 Biểu đồ so sánh trọng số SBAS và GPS dữ liệu 1
Kết quả thể hiện từ hình 5.2 cho thấy, gía trị chênh lệch sai số trọng số đơn vị của trị đo SBAS và GPS là khá lớn nhưng luôn duy trì trong phạm vi nhất định
Bảng 5.3 Kết quả tính trọng số trên cụm dữ liệu 2:
Hình 5.3 Biểu đồ so sánh trọng số SBAS và GPS dữ liệu 2
Kết quả thể hiện từ bảng 5.3 và hình 5.3 cho thấy tỷ số giữa sai số đơn vị trọng số SBAS và GPS trong trường hợp lớn nhất là 11 lần Độ lệch giữa 2 giá trị thay đổi không đáng kể
Bảng 5.4 Kết quả tính trọng số trên cụm dữ liệu 3:
Hình 5.4 Biểu đồ so sánh trọng số SBAS và GPS dữ liệu 3
Kết quả từ bảng 5.4 và hình 5.4 cũng gần tương đồng với kết quả khảo sát trên cụm dữ liệu 1 và 2 Trong kết quả này, giá trị sai số đơn vị trọng số SBAS lớn hơn gần 4 lần sai số đơn vị trọng số GPS Độ lệch của chúng vẫn duy trì ổn định
* Giá trị trung bình trên toàn bộ dữ liệu khảo sát
Bảng 5.5 Trị trung bình trọng số
Kết quả từ bảng 5.5 được sử dụng như là trọng số đại diện cho trị đo GPS và SBAS trong bài toán định vị kết hợp Đây là kết quả tổng hợp trên nhiều bộ dữ liệu của các ngày đo khác nhau nhằm tăng tính “khách quan” của bộ trọng số
5.2.2.2 Kết quả so sánh độ chính xác định vị điểm Độ chính xác định vị điểm trong từng cụm dữ liệu được thể hiện trên 3 phương án đã trình bày trong mục 5.2.2
Trong kết quả tính, gọi các giá trị là độ lêch tọa độ tính được và tọa độ chính xác trạm IGS trong hệ tọa độ địa diện Lúc này, sai số trung phương các thành phần sẽ được tính theo công thức sau:
- Sai số trung phương theo hướng Bắc:
- Sai số trung phương theo hướng Đông:
- Sai số trung phương độ cao:
- Sai số trung phương mặt bằng:
√ (5.4) Trong đó: n là số epoch trên cụm dữ liệu
Bảng 5.6 So sánh độ chính xác định vị_dữ liệu 1
Hình 5.5 Biểu đồ so sánh độ chính xác mặt bằng_dữ liệu 1
Trong bảng 5.6, về phương diện mặt bằng, độ chính xác định vị kết hợp có tính đến trọng số tốt hơn 2 trường hợp còn lại nhưng về phương diện độ cao không cho thấy sự cải thiện
Từ hình 5.5 cho thấy, trong một số trường hợp độ chính xác định vị kết hợp có tính trọng số có thể bằng hoặc nhỏ hơn độ chính xác định vị GPS về mặt bằng
Bảng 5.7 So sánh độ chính xác định vị_dữ liệu 2
Hình 5.6 Biểu đồ so sánh độ chính xác mặt bằng_dữ liệu 2
Trong bảng 5.7, độ chính xác định vị kết hợp có tính đến trọng số về mặt bằng được cải thiện đáng kể so với định vị GPS thông thường
