Thiết kế phát triển thuật toán nâng cao độ chính xác của GPS sử dụng mã sửa sai ở trạm gốc

Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ GNSS VÀ GPS 1.1 GNSS 1.2 GPS 1.2.1 Giới thiệu hệ thống GPS 1.2.2 Cấu trúc hệ thống GPS 11 1.2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống GPS 15 1.2.4 Tín hiệu GPS 16 CHƯƠNG CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG GPS 19 2.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh 20 2.2 Sai số đồng hồ vệ tinh 21 2.3 Sai số tầng điện ly 22 2.4 Sai số tầng đối lưu 24 2.5 Sai số hiệu ứng đa đường 26 2.6 Sai số gây máy thu 27 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG GPS 28 3.1 Sử dụng máy thu tần số 28 3.2 Sử dụng mô hình Klobuchar 30 3.3 Sử dụng liệu từ trạm IGS 34 3.4 Sử dụng liệu từ hệ thống tăng cường SBAS 37 CHƯƠNG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS SỬ DỤNG MÃ SỬA SAI Ở TRẠM GỐC 39 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc 4.1 Thiết kế module GPS 39 4.2 Sử dụng mã sửa sai tín hiệu SBAS để giảm sai số GPS 42 4.2.1 Tín hiệu SBAS 42 4.2.2 Mã sửa sai (mã chập) 43 4.2.3 Đánh giá khả sửa sai sử dụng mã chập tín hiệu SBAS 45 4.3 Giải mã thông tin module GPS thu 49 4.3.1 Giới thiệu phần mềm U-Center 49 4.3.2 Thu thập thông tin module GPS 51 4.4 Phần mềm ước lượng trễ tầng điện ly mô hình Klobuchar 52 4.5 Tính toán ước lượng trễ tầng điện ly 54 KẾT LUẬN CHUNG 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CPF: Central Processing Facility DGPS: Differential Global Positioning System DSCS: Defense Satellite Communication System EWAN: EGNOS Wide Area Communication Network GEO: Geostationary GIM: Global Ionosphere Map GNSS: Global Navigation Satellite System GPS: Global Positioning System IAAC: Ionosphere Associate Analysic Center IGS: International GPS Service IRNSS: Indian Regional Navigation Satellite System NLES: Navigation Land Earth Station MCC: Mission Control Center MEDLL: Multipath Estimasting Delay Lock Loop MEO: Medium Earth Orbit MET: Multipath Elimination Technology PRN: Pseudo Random Noise PPP: Precise Point Positioning QZSS: Quasi-Zenith Satellite System RIMS: Ranging and Integrity Monitoring Station RTK: Real Time Kinematic SA: Selective Availability SBAS: Satellite Base Agumentation System STEC: Slant Total Electron Content TEC: Total Electron Content TOA: Time of Arrival Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí hệ thống GNSS Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 11 Hình 1.3 Phân hệ không gian hệ thống GPS 12 Hình 1.4 Phân hệ điều khiển hệ thống GPS 13 Hình 1.5 Quá trình cập nhật, hiệu chỉnh lại tin dẫn đường 14 Hình 1.6 Điều chế tín hiệu GPS 17 Hình 1.7 Cấu trúc tin dẫn đường 18 Hình 2.1 Các yếu tố gây sai số cho hệ thống GPS 20 Hình 2.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh 21 Hình 2.3 Ảnh hưởng tầng điện ly tín hiệu GPS 24 Hình 2.4 Phân loại trễ tầng đối lưu 25 Hình 2.5 Hiện tượng đa đường tín hiệu GPS 26 Hình 3.1 Mô hình Klobuchar 31 Hình 3.2 Mạng lưới trạm IGS 35 Hình 3.3 Quá trình xử lý liệu từ trạm IGS 35 Hình 3.4 Bản đồ mật độ electron toàn cầu 36 Hình 3.5 Mật độ TEC trạm Zelenchukskaya ngày 5/8/2016 36 Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống SBAS 38 Hình 3.7 Các hệ thống SBAS giới 38 Hình 4.1 Module GPS 40 Hình 4.2 Module GPS kết nối với máy tính 41 Hình 4.3 Các đặc điểm Ublox Neo 7P 41 Hình 4.4 Đặc điểm tín hiệu SBAS 42 Hình 4.5 Tham số mã chập sử dụng tín hiệu SBAS 43 Hình 4.6 Bộ mã chập 45 Hình 4.7 Mức tín hiệu vệ tinh GPS mà máy thu thu 46 Hình 4.8 Độ xác module GPS sử dụng mã sửa sai 46 Hình 4.9 Tỷ lệ mức sai số module GPS sử dụng mã sửa sai 47 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.10 Độ xác module GPS không sử dụng mã sửa sai 47 Hình 4.11 Tỷ lệ mức sai số module GPS không sử dụng mã sửa sai 48 Hình 4.12 So sánh độ xác module GPS trường hợp sử dụng mã sửa sai trường hợp không sử dụng mã sửa sai 49 Hình 4.13 Giao diện phần mềm U-Center 50 Hình 4.14 Các tham số Klobuchar 52 Hình 4.15 Thông tin vệ tinh GPS 52 Hình 4.16 Phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly 53 Hình 4.17 Các tham số Klobuchar 55 Hình 4.18 Các thông tin vệ tinh GPS 55 Hình 4.19 Trễ tầng điện ly vệ tinh GPS 56 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc PHẦN MỞ ĐẦU Ngày dịch vụ, ứng dụng liên quan tới định vị vị trí định vị dẫn đường ngày phổ biến lĩnh vực xã hội hàng không, hàng hải, giao thông vận tải, quan sát trắc địa Một hệ thống định vị sử dụng nhiều phổ biến hệ thống định vị dẫn đường GPS quốc phòng Mỹ xây dựng, phát triển quản lý Đối với dịch vụ, ứng dụng phục vụ cho mục đích dân quốc phòng Mỹ có hoạt động nhằm nâng cao độ xác hệ thống GPS tắt hiệu ứng SA, phóng thêm vệ tinh GPS hệ lên quỹ đạo độ xác hệ thống GPS chưa đáp ứng đòi hỏi khắt khe người sử dụng ứng dụng đòi hỏi độ xác cao Hiện nay, hệ thống GPS cung cấp độ xác 3-5m điều kiện vật cản chừng chưa đủ để đáp ứng yêu cầu người sử dụng Một số ứng dụng đòi hỏi độ xác cỡ cm, dm lĩnh vực quan sát, trắc địa Do vậy, cần đưa phương pháp sửa sai để làm giảm sai số, nâng cao độ xác hệ thống GPS để đáp ứng yêu cầu người sử dụng Luận văn vào tìm hiểu trạng hệ thống định vị vệ tinh GNSS, phân tích yếu tố gây sai số cho hệ thống GPS - hệ thống sử dụng phổ biến nay, đưa số phương pháp sửa sai để cải thiện nâng cao độ xác hệ thống GPS cuối sử dụng mô hình thực nghiệm Klobuchar để tính toán ước lượng trễ tầng điện ly để giảm ảnh hưởng sai số tầng điện ly Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Trần Quang Vinh – Viện Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người tạo điều kiện giúp đỡ tác giả nhiều để tác giả hoàn thành luận văn Bạn Nguyễn Trung Thành – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người giúp đỡ tác giả phần thiết kế module GPS Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ GNSS VÀ GPS 1.1 GNSS GNSS hay Global Navigation Satellite System thuật ngữ hệ thống định vị sử dụng vệ tinh Nó hệ thống bao gồm vệ tinh di chuyển xung quanh trái đất quĩ đạo định hay gọi với tên khác chòm vệ tinh, trạm điều khiển đặt dải rác bề mặt trái đất thiết bị người dùng thu tín hiệu vệ tinh phục vụ cho ứng dụng liên quan tới vị trí, dẫn đường Để xác định vị trí thiết bị người dùng hệ thống định vị vệ tinh, tối thiểu cần phải biết khoảng cách từ thiết bị người dùng tới vệ tinh mô tả hình 1.1 Các hệ thống định vị vệ tinh hoạt động điều kiện thời tiết, liên tục 24h bao phủ toàn hay phần rộng lớn bề mặt trái đất Vì mà ứng dụng GNSS phổ biến ngày này, dễ dàng bắt gặp ứng dụng GNSS sống thường ngày Trong lĩnh vực hàng không, 100% máy bay dân sử dụng hệ thống dẫn đường tự động GNSS Trong lĩnh vực giao thông, hệ thống giám sát hành trình, tìm đường, hướng, điều khiển giao thông sử dụng GNSS trở thành phần thiếu sống đại ngày Trong lĩnh vực hàng hải, GNSS công cụ dẫn đường biển lý tưởng Nó giúp tàu bè biết vị trí xác định phương hướng đặc biệt hiệu trường hợp tìm kiếm cứu nạn biển Hiện nay, giới có nhiều hệ thống GNSS đưa vào hoạt động GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (EU), Compass (Trung Quốc), IRNSS (Ấn Độ), QZSS (Nhật Bản) Trong đó:  GPS hệ thống định vị vệ tinh đời giới Nó triển khai vào năm 1970 quốc phòng Mỹ Mục đích ban đầu hệ thống GPS phục vụ cho hoạt động quân quân đội Mỹ Nhưng sau mở rộng cung cấp dịch vụ cho hoạt động quân dân GPS có vùng phủ bao trùm toàn bề mặt trái đất Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc  GLONASS hệ thống định vị phát triển bới phủ Nga GLONASS bao gồm 24 vệ tinh Cũng giống GPS, GLONASS có vùng bao trùm toàn bề mặt trái đất  Galileo hệ thống định vị quản lý bới liên minh châu âu EU Năm 2006 hệ thống tiến hành triển khai đưa vệ tinh lên quĩ đạo vệ tinh Tính tới thời điểm 8/2016, hệ thống thời gian hoàn thiện đưa vào hoạt động vài năm tới Khác với hệ thống GPS GLONASS, hệ thống Galileo phục vụ cho hoạt động dân  Compass hệ thống định vị Trung Quốc Nó gồm có 35 vệ tinh Hiện hệ thống bao phủ khu vực Trung Quốc vùng lân cận Dự kiến hệ thống bao phủ toàn bề mặt trái đất vào năm 2025-2030 [1]  IRNSS hệ thống định vị mà Ấn Độ phát triển Nó gồm có vệ tinh, vùng bao phủ khu vực Ấn Độ khu vực lân cận [1]  QZSS hệ thống định vị Nhật Bản phát triển quản lý Hiện hệ thống có vệ tinh đưa lên quĩ đạo Dự kiến tới cuối năm 2017, có thêm vệ tinh đưa lên quĩ đạo Khi hoàn thành hệ thống có vệ tinh Vùng phủ hệ thống khu vực Đông Á khu vực thái bình dương Trong hệ thống GNSS nay, hệ thống GPS hệ thống sử dụng phổ biến rộng rãi mặt đời sống Vì vậy, tác giả sâu vào nghiên cứu tìm hiểu đặc điểm hệ thống phần luận văn Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí hệ thống GNSS (http://what-when-how.com/a-software-defined-gps-and-galileo-receiver/gnssreceiver-operation-overview-gps-and-galileo-receiver/) 1.2 GPS 1.2.1 Giới thiệu hệ thống GPS GPS hay Global Positioning System hệ thống định vị xác định vị trí dựa vào vị trí vệ tinh nhân tạo, quốc phòng Mỹ thiết kế, phát triển vận hành Hệ thống GPS biết đến vào năm đầu thập niên 70 kỷ 20, ban đầu hệ thống GPS phục vụ cho mục đích quân quân đội Mỹ Đến năm 1980, quốc phòng Mỹ cho phép ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sử dụng hệ thống GPS Nhưng để đảm bảo ứng dụng phục vụ cho mục đích dân không sử dụng cho mục đích quân sự, quốc phòng Mỹ kích hoạt chế độ SA với ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sử dụng GPS, nhằm làm giảm độ xác hệ thống GPS với ứng dụng phục vụ cho mục đích dân Năm 1993, quốc phòng Mỹ hoàn thành việc đưa 24 vệ tinh nhân tạo lên quỹ đạo, dấu mốc đánh dấu hoàn thiện hệ thống GPS, từ thời điểm hệ thống GPS cung cấp dịch vụ tới nơi bề mặt trái đất Năm 2000, quốc phòng Mỹ định tắt chế độ SA với ứng dụng Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc phục vụ cho mục đích dân sự, điều giúp cho ứng dụng xác định vị trí sử dụng GPS phát triển mạnh mẽ có mặt nhiều lĩnh vực sống Những năm gần đây, độ xác hệ thống GPS liên tục cải thiện, hệ thống GPS đạt độ xác phạm vi 3-5m Ngoài ra, hệ thống GPS kết hợp với hệ thống hỗ trợ khác để giảm sai số trình truyền tín hiệu, nâng cao độ xác hệ thống Nếu kết hợp với hệ thống hỗ trợ hệ thống GPS hoàn toàn đạt độ xác 1m Theo thiết kế ban đầu, hệ thống GPS bao gồm 27 vệ tinh nhân tạo, 24 vệ tinh dùng để xác định vị trí thiết bị người dùng, vệ tinh dự phòng dùng trường hợp vệ tinh dùng để xác định vị trí gặp trục trặc hay trường hợp bảo trì, bảo dưỡng hệ thống 24 vệ tinh GPS di chuyển mặt phẳng quỹ đạo, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55 so với mặt phẳng xích đạo, vệ tinh di chuyển mặt phẳng quỹ đạo Với việc bố trí đảm bảo nơi bề mặt trái đất máy thu GPS nhìn thấy tối thiểu vệ tinh GPS Do vậy, xác định vị trí dù vị trí bề mặt trái đất hệ thống GPS Để cải thiện độ xác hệ thống GPS, quốc phòng Mỹ tiến hành phóng thêm vệ tinh GPS lên quỹ đạo để đo đạc, tính toán sai số hệ thống Tính đến thời điểm 2/2016, hệ thống GPS có tổng cộng 32 vệ tinh, 31 vệ tinh sử dụng Các vệ tinh GPS hoạt động quỹ đạo có độ cao 20200 Km so với bề mặt trái đất Thời gian để vệ tinh GPS bay hết vòng quỹ đạo 11h58 phút Các tín hiệu GPS phát quảng bá băng tần L1=1575.42 MHz, L5=1176.45MHz băng tần L2=1227.6 MHz Trong đó, băng tần L1, L5 dùng cho ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự, băng tần L2 dùng cho ứng dụng phục vụ cho mục đích quân Ở phần tiếp theo, vào cụ thể xem hệ thống GPS có cấu trúc nào, nguyên lý hoạt động sao, tín hiệu truyền 10 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.6 Bộ mã chập 4.2.3 Đánh giá độ xác định vị sử dụng mã sửa sai tín hiệu SBAS Để đánh giá khả sửa sai mã sửa sai, tác giả tiến hành đánh giá độ xác module GPS trường hợp có sử dụng mã sửa sai trường hợp không sử dụng mã sửa sai Từ đó, tác giả đưa đánh giá, nhận xét hiệu mã sửa sai Để giảm thiểu tối đa ảnh hưởng hiệu ứng đa đường, tác giả đánh giá độ xác module GPS điều kiện máy thu đặt vị trí thuận lợi cho việc thu tín hiệu GPS, không bị che khuất tòa nhà cao tầng hay vật cản xung quanh Do tác giả lựa chọn sân vận động Mỹ Đình nơi thực đánh giá độ xác module GPS, nơi mà thường xuyên nhìn thấy từ 6-10 vệ tinh GPS có từ 6-8 vệ tinh có tỷ số C/NO từ 27~35dBm Hình 4.7 thể số vệ tinh GPS mà module GPS nhìn thấy số vệ tinh GPS mà module GPS dùng để định vị với tỷ số C/NO cho vệ tinh GPS khu vực sân vận động Mỹ Đình thời điểm thực đánh giá Module GPS nhìn thấy vệ tinh GPS SV 18, 20, 21, 15, 13, 29, 24, sử dụng vệ tinh để xác định vị trí Trong vệ tinh SV 29 có tỷ số C/NO nhỏ 26 dBm, vệ tinh SV 15 SV 21 có tỷ số C/NO lớn 34 dBm 45 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.7 Mức tín hiệu vệ tinh GPS mà máy thu thu Với trường hợp sử dụng mã sửa sai, tác giả thấy sai số module GPS nhỏ 2m mô tả hình 4.8 Trong tỷ lệ phần trăm điểm cho sai số nhỏ 0.5m 41.43%, từ 0.5-1m 39.27%, từ 1-1.5m 10.48%, từ 1.52m 5.32%, lớn 2m 3.5% thể hình 4.9 Hình 4.8 Độ xác module GPS sử dụng mã sửa sai 46 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Tỷ Lệ Các Mức Sai Số Của Module GPS Khi Sử Dụng Mã Sửa Sai 5,32% 3,50% 10,48% Accuracy nho hon 0.5m 41,43% Accuracy 0.5 – 1m Accuracy – 1.5m Accuracy 1.5 – 2m 39,27% Accuracy lon hon 2m Hình 4.9 Tỷ lệ mức sai số module GPS sử dụng mã sửa sai Với trường hợp không sử dụng mã sửa sai, tác giả thấy sai số module GPS từ 1-5m mô tả hình 4.10 Trong tỷ lệ phần trăm điểm cho sai số nhỏ 0.5m 0%, từ 0.5-1m 4.82%, từ 1-1.5m 16.31%, từ 1.5-2m 9.15%, từ 2-2.5m 15.81%, từ 2.5-3.5m 36.44%, từ 3.5-4.5m 11.98 % lớn 4.5m 5.49% thể hình 4.11 Hình 4.10 Độ xác module GPS không sử dụng mã sửa sai 47 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Tỷ Lệ Các Mức Sai Số Của Module GPS Khi Không Sử Dụng Mã Sửa Sai 5,49% 0,00% 4,82% Accuracy nho hon 0.5m 11,98% 16,31% Accuracy 0.5 – 1m Accuracy – 1.5m Accuracy 1.5 – 2m 9,15% 36,44% Accuracy – 2.5m Accuracy 2.5 – 3.5m 15,81% Accuracy 3.5 – 4.5m Accuracy lon hon 4.5m Hình 4.11 Tỷ lệ mức sai số module GPS không sử dụng mã sửa sai Trong trường hợp sử dụng mã sửa sai, module GPS đạt độ xác cao Tỷ lệ số lần module GPS đưa độ xác 1m 80.7%, độ xác từ 12m 15.8% 3.5% đưa độ xác 2m Còn với trường hợp không sử dụng mã sửa sai, module GPS đạt độ xác dao động từ 1-5m Trong tỷ lệ số lần module GPS đạt độ xác từ 2-5m khoảng 70% không lần module GPS đạt độ xác 0.5m So sánh trường hợp sử dụng mã sửa sai trường hợp không sử dụng mã sửa sai tác giả thấy với trường hợp sử dụng mã sủa sai module GPS cho độ xác tốt hẳn với xác suất đạt độ xác 1m 80% xác suất đạt độ xác 2.5m 100% thể hình 4.12 48 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.12 So sánh độ xác module GPS trường hợp sử dụng mã sửa sai trường hợp không sử dụng mã sửa sai 4.3 Giải mã thông tin module GPS thu Sau module GPS thu xử lý tín hiệu GPS, thông tin truyền tới máy tính thông qua kết nối USB Tác giả sử dụng phầm mềm UCenter để đọc thông tin mà module GPS gửi tới máy tính, từ lấy tham số cần thiết cho việc tính toán ước lượng trễ tầng điện ly số Klobuchar, vị trí module GPS, thời gian thu tín hiệu GPS, ngóc ngẩng góc phương vị máy thu vệ tinh GPS 4.3.1 Giới thiệu phần mềm U-Center U-Center phần mềm hữu ích cho việc đánh giá, kiểm thử, cấu hình cho máy thu GNSS mà Ublox phát triển Nó cho phép người dùng truy nhập lấy thông tin mà GNSS chipset thu Ngoài ra, U-Center cung cấp chức phân tích, đánh giá hiệu sản phẩm GNSS chipset Ublox phát triển Các đặc điểm U-Center:  U-Center giao tiếp với máy thu GPS thông qua giao thức UBX NMEA 49 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc  U-Center hiển thị, tổng hợp toàn thông tin mà máy thu GPS thu trình hoạt động vị trí, vận tốc, thời gian, số vệ tinh theo dõi… U-Center cung cấp chức phân tích thông tin để phục vụ cho mục đích đánh giá hiệu module GPS  U-Center hỗ trợ việc lưu trữ liệu để mở lại cần thiết  U-Center hỗ trợ việc xuất files theo định dạng Google Earth hay Google Map  U-Center hỗ trợ việc theo dõi theo thời gian thực thông tin liên qua tới vệ tinh  U-Center cung cấp chức cập nhật firmware cho GNSS chipset  U-Center hỗ trợ multiple GNSS Hình 4.13 Giao diện phần mềm U-Center (Ublox 2016) 50 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc 4.3.2 Thu thập thông tin module GPS Để tính toán ước lượng trễ tầng điện ly, cần phải biết vị trí máy thu, số Klobuchar thời điểm thu tín hiệu GPS, thời điểm thu tín hiệu GPS, góc ngẩng góc phương vị máy thu vệ tinh GPS Tác giả sử dụng phần mềm U-Center để đọc thông tin từ module GPS Để lấy thông tin số Klobuchar mà module GPS thu thời điểm thu tín hiệu GPS, tác giả truy nhập vào tin AID-HUI giao thức UBX phần mềm U-Center Đây tin chứa thông tin tình trạng vệ tinh GPS, thông tin tầng điện ly – tham số Klobuchar – thông tin thời gian Hình 4.14 mô tả thông tin liên quan tới tầng điện ly, trạng thái vệ tinh GPS mà module GPS thu sau phần mềm U-Center tổng hợp, giải mã lưu trữ tin AID-HUI Để lấy thông tin góc ngẩng, góc phương vị máy thu vệ tinh GPS thời điểm thu tín hiệu GPS, tác giả truy nhập tới tin NAV-SVINFO giao thức UBX phần mềm U-Center Đây tin chứa thông tin liên quan tới vệ tinh GPS ID vệ tinh, cường độ tín hiệu vệ tinh, số hiệu kênh phát tín hiệu vệ tinh, trạng thái vệ tinh, góc ngẩng góc phương vị vệ tinh Hình 4.15 mô tả thông tin vệ tinh mà module GPS theo dõi sau phần mềm U-Center tổng hợp, giải mã lưu lại tin NAV-SVINFO Để biết xác vị trí máy thu thời điểm thu tín hiệu GPS, tác giả đọc từ bảng data bảng watch giao diện phần mềm U-Center Sau kết nối với module GPS, phần mềm U-Center cập nhật theo thời gian thực vị trí máy thu thời gian lên bảng data bảng watch Để hiển thị bảng data bảng watch lên giao diện phần mềm U-Center, tác giả thực cấu hình phần mềm thông qua đường dẫn View >> Docking Windown >> Data View >> Docking Windown >> Watch 51 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.14 Các tham số Klobuchar Hình 4.15 Thông tin vệ tinh GPS 4.4 Phần mềm ước lượng trễ tầng điện ly mô hình Klobuchar Từ thông tin module GPS mà phần mềm U-Center tổng hợp giải mã, tác giả tiến hành phát triển phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly Tác giả sử dụng mô hình thực nghiệm Klobuchar – nêu chương – để tính toán ước lượng trễ tầng điện ly Ưu điểm phương pháp đơn giản dễ áp dụng, nhược điểm phương pháp cho độ xác chưa cao khoảng 70-80% Để tính toán trễ tầng điện ly, cần phải biết vị trí máy thu, số 52 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Klobuchar, góc ngẩng góc phương vị máy thu Tác giả sử dụng phần mềm U-Center để giải mã lấy thông tin từ module GPS – nêu phần 4.2 Hình 4.16 mô tả giao diện phần mềm tính toán trễ tầng điện ly tác giả phát triển Trong đó, latitude longitude kinh độ vĩ độ máy thu E, A góc ngẩng góc phương vị máy thu vệ tinh GPS SVID ID vệ tinh Alpha0,1,2,3, Beta0,1,2,3 tham số Klobuchar T-GPS điểm tính toán trễ tầng điện ly, T-GPS lấy theo UTC Các tham số lấy từ module GPS thông qua phần mềm U-Center Từ tham số đầu vào trên, phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly hiển thị textbox Ionosphere delay Hình 4.16 Phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly Trong tương lai, tác giả dự định phát triển phần mềm thêm chức tự động tổng hợp giải mã thông tin gửi từ module GPS để từ tính toán, cập nhật tham số vị trí máy thu, tham số Klobuchar, góc ngẩng, góc phương vị, thời điểm tính toán cách tự động thay việc cập nhật tay Từ tác giả tính toán trễ tầng điện ly vệ tinh theo thời gian thực 53 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc 4.5 Tính toán ước lượng trễ tầng điện ly Từ thông tin vệ tinh GPS góc ngẩng, góc phương vị thông tin tham số Klobuchar mà module GPS gửi tới máy tính thông qua cổng com sau phần mềm U-Center tổng hợp giải mã Tác giả sử dụng phần mềm thiết kế để tính toán trễ tầng điện ly máy thu vệ tinh GPS mà máy thu nhìn thấy Các kết tính toán từ kết đo lúc 19h45 phút ngày 27/8/2016 sân vận động Mỹ Đình module GPS Khi module GPS sử dụng vệ tinh cho trình định vị SV 5, 13, 15, 18, 20, 21, 24, 29, 32 Tác giả sử dụng phần mềm U-Center để phân tích tổng hợp thông tin mà module GPS gửi qua cổng com để lấy thông tin số Klobuchar thể hình 4.17, thông tin góc ngẩng góc phương vị máy thu vệ tinh thể hình 4.18, vị trí máy thu có kinh độ vĩ độ 21.0198°N 105.7659°E Từ tham số đầu vào đó, tác giả dùng phần mềm để tính toán trễ tầng điện ly vệ tinh GPS thể hình 4.19 Từ trễ tầng điện ly vệ tinh tham số khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh GPS ta tính toán lại khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh GPS cách xác nhờ giảm sai số tầng điện ly trình truyền sóng Từ nâng cao độ xác phương pháp định vị Tuy phương pháp chưa loại bỏ hoàn toàn sai số tầng điện ly ta sử dụng phương pháp trường hợp mà module GPS không thu tín hiệu tăng cường SBAS để nâng cao độ xác module GPS Ở thời điểm tại, tác giả chưa hoàn toàn làm chủ việc xử lý liệu thô mà module GPS cung cấp nên chưa thể kiểm nghiệm đánh giá hiệu phương pháp Trong phạm vi luận văn này, tác giả dừng lại việc ước lượng tính toán trễ tầng điện ly máy thu với vệ tinh GPS Trong tương lai tác giả cố gắng hoàn thiện phần xử lý liệu thô mà module GPS thu được, hoàn thiện thuật toán, đánh giá hiệu phương pháp nâng cao độ xác định vị cách bù sai tầng điện ly 54 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.17 Các tham số Klobuchar Hình 4.18 Các thông tin vệ tinh GPS 55 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.19 Trễ tầng điện ly vệ tinh GPS 56 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc KẾT LUẬN CHUNG Trong phạm vi luận văn này, tác giả trình bày giới thiệu tổng quan hệ thống định vị vệ tinh GNSS mà trọng tâm hệ thống định vị toàn cầu GPS – hệ thống ứng dụng phổ biến sống Ngoài ra, tác giả trình bày tìm hiểu yếu tố ảnh hưởng tới độ xác hệ thống GPS Từ đó, tác giả đưa phương pháp sửa sai để nâng cao độ xác hệ thống GPS nhằm đáp ứng yêu cầu, ứng dụng đòi hỏi độ xác cao Trong yếu tố gây sai số ảnh hưởng tới độ xác hệ thống GPS sai số gây tầng điện ly ảnh hưởng lớn tới độ xác hệ thống GPS Để nâng cao độ xác hệ thống GPS tác giả sử dụng tín hiệu SBAS có tích hợp mã chập để sửa sai sai số trình truyền sóng Ngoài ra, tác giả đề xuất sử dụng mô hình thực nghiệm Klobuchar để tính toán trễ tầng điện ly từ áp dụng phương pháp bù sai để giảm sai số gây tầng điện ly Trong giai đoạn đầu dự án, tác giả thiết kế module GPS để thu thập thông tin tín hiệu GPS tham số Klobuchar, thông tin vệ tinh GPS, thông tin vị trí máy thu Sau tác giả sử dụng phần mềm U-Center để tổng hợp giải mã thông tin mà module GPS thu Từ thông tin mà phần mềm U-Center cung cấp, tác giả phát triển phần mềm sử dụng mô hình Klobuchar để tính toán ước lượng trễ tầng điện ly Trong tương lai, tác giả dự định tự thiết kế phần mềm để tổng hợp giải mã thông tin mà module GPS thu gửi Khi tác giả tiến hành cập nhật tham số đầu vào cho phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly cách tự động theo thời gian thực, từ tác giả tính toán trễ tầng điện ly theo thời gian thực sử dụng để sửa sai sai số tầng điện ly Trong giai đoạn tại, tham số đầu vào phần mềm tính toán trễ tầng điện ly phải cập nhật tay thông qua phần mềm U-Center trễ tầng điện ly chưa thể theo dõi theo thời gian thực 57 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc TÀI LIỆU THAM KHẢO Charles Jeffrey (2010), An Introdution to GNSS GPS, GLONASS, Galileo and other Global Navigation Satellite Systems, NovAtel Inc Chang-Moon Lee, Kwan-Dong Park, Jihyun Ha, Sanguk Lee (2010), Journal of Astronomy and Space Scienses, Generation of Klobuchar Coefficients for Ionospheric Error Simulation, pp 117-122 David L.M Warren (2002), Broadcast vs Pricise Ephemerides: A Historical Perspective, Air Force Institue of Technology Geoffrey Blewitt (1997), Basic of the GPS Technique: Observation Equation, Swedish Land Survey G Sasi Bhushana Rao, G Sateesh Kumar, Rajkumar Goswami, International Journal of Engineering Research and Applications, GPS Navigation Data error correction : A Comparison of existing (15,11) Hamming with a new design using 1/3 state Convolutional Code, Vol 1, No 4, pp 1912-1916 John A Kloburchar (1975), A First-Order, Worldwide, Ionospheric, Time Delay Algorithm, Air Force Cambrige Research Laboratories Lihua Ma, Meng Wang (2013), Artifical Satellites, Influence of GPS Ephemeris Error on GPS Single Point Positioning Accuracy, Vol 48, No 3, pp 126-139 Macus G Ferguson (2000), Global Positioning System (GPS) Error Source Prediction, Air Force Institue of Technology Manuel Hernández-Pajares (2003), IGS Ionosphere WG Status Report: Performance of IGS Ionosphere TEC Maps, Technical University of Catalonia (gAGE/UPC) Barcelona, Spain 10 Michael C Olynik (2002), Temporal Characteristics of GPS Error Sources and Their Impact on Relative Positioning, Department of Geomatics Engineering 11 Navipedia, SBAS Fundamentals, http://www.navipedia.net/index.php/SBAS_Fundamentals 58 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc 12 Navstar Global Positioning System Program Office Navstar Seminars (1996), Navstar GPS User Equipment Introduction, Navtech Seminars & Navtech Book and Software Store 13 Priceton University, Global Navigation Satellite System (GNSS), https://www.princeton.edu/~alaink/Orf467F07/GNSS.pdf 14 Sébastien Positioning CARCANAGUE Algorithm in (2013), Low-cost Constrained GPS/GLONASS Environment, Institut Precise National Polytechnique de Toulouse 15 Srilatha Indira Dutt, Shaik Gowsuddin (2013), International Journal of Advanced Research in Electronics and Communication Engineering (IJARECE), Ionospheric Delay Estimation Using Klobuchar Algorithm forSingle Frequency GPS Receivers, Vol 2, No 2, pp 202-207 16 Sudhir Man Shrestha (2003), Investigations into the Estimation of Tropospheric Delay and Wet Refractivity Using GPS Measurements, Department of Geomatics Engineering 17 Sneha Bawane, V.V Gohokar (2014), International Journal of Research in Engineer and Technology, Simulation of Convolution Encode, Vol 3, No 3, pp 557-561 18 Ublox (2007), GPS Essential of Satellite Navigation, Zürcherstrasse 68 8800 Thalwil Switzerland 19 Ublox (2014), Neo 7P Ublox Precise Point Positioning GNSS module, Zürcherstrasse 68 8800 Thalwil Switzerland 20 Ublox (2016), U-Center GNSS evaluation software for windowns, Zürcherstrasse 68 8800 Thalwil Switzerland 59 ... mức sai số module GPS sử dụng mã sửa sai 47 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 4.10 Độ xác module GPS không sử dụng mã sửa sai. . .Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc 4.1 Thiết kế module GPS 39 4.2 Sử dụng mã sửa sai tín hiệu SBAS để giảm sai số GPS ... làm giảm sai số quỹ đạo vệ tinh xuống khoảng 3m Ngoài để nâng cao độ xác hệ thống GPS, sử dụng 20 Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc liệu