Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHUƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHA SÓNG MANG TRONG PHÉP ĐỊNH VỊ VÀ HIỆN TƢỢNG NHẢY CHU KỲ (CYCLE SLIP) 11 1.1 Các phƣơng pháp sử dụng pha sóng mang định vị 11 1.1.1 Phƣơng trình tọa độ định vị sử dụng vệ tinh .11 1.1.2 Các phƣơng pháp kết hợp trị đo pha để giải tọa độ 13 1.1.3 Lƣu ý sử dụng phƣơng pháp kết hợp trị đo pha 16 1.1.4 Phƣơng pháp sử dụng trị đo pha để giảm nhiễu thu 18 1.2 Hiện tƣợng nhảy chu kỳ (cycle slip) 19 1.2.1 Hiện tƣợng nhảy chu kỳ trị pha 19 1.2.2 Dò tìm gián đoạn pha sử dụng tổ hợp điện ly 20 1.2.3 Dò tìm gián đoạn pha sử dụng tổ hợp MW 21 1.2.4 Kết khảo sát phƣơng pháp định vị sử dụng pha sóng mang .21 CHUƠNG PHÁT TRIỂN MODULE TIẾP NHẬN THÔNG TIN CẢI CHÍNH TỪ CÁC TRẠM TOÀN CẦU 26 2.1 Giới thiệu chung 26 2.2 Quỹ đạo thời gian vệ tinh cung cấp IGS 29 2.3 Định dạng liệu IGS 32 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang 2.4 Kết nối, đọc giải mã liệu RTCM thời gian thực từ IGS 34 CHUƠNG XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC GPS SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU TOÀN CẦU (PPP) 37 3.1 Định vị điểm đơn 37 3.1.1 Phƣơng trình tọa độ điểm .37 3.1.2 Giải phƣơng trình cực tiểu hóa sai số bình phƣơng .39 3.1.3 Lọc Kalman 40 3.2 Định vị điểm xác 42 3.2.1 Sai số định vị 42 3.2.2 Định vị điểm xác (Precise Point Positioning - PPP) 44 3.2.3 Thử nghiệm độ xác PPP với liệu cải từ IGS 46 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung, số liệu, kết luận văn Thạc sĩ “Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang” chuyên ngành Công nghệ thông tin trung thực Các tài liệu tham khảo, nội dung trích dẫn ghi rõ nguồn gốc Ngày 11 tháng năm 2015 Tác giả luận văn Dƣơng Phú Thuần Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tính độ lệch pha mã độ dài dựa hàm tự tƣơng quan 11 Bảng 1.1 Tần số bƣớc sóng hệ thống vệ tinh 16 Hình 1.2 Nhiễu tổ hợp trị đo khác 17 Hình 1.3 Làm mịn nhiễu trị đo mã sử dụng trị đo pha 19 Hình 1.4 Sự gián đoạn trị đo pha việc nhảy số nguyên lần chu kỳ pha 20 Bảng 1.2 Sai số trung phƣơng 22 Hình 1.5 Sai số hƣớng Đông trƣờng hợp 22 Hình 1.6 Sai số hƣớng Bắc trƣờng hợp .23 Hình 1.7 Sai số thẳng đứng trƣờng hợp .23 Hình 1.8 Sai số phƣơng pháp Static PPP 24 Hình 1.9 Sai số phƣơng pháp Kinematic PPP 24 Hình 2.1 Bản đồ trạm cung cấp liệu cho IGS .27 Hình 2.2 Mô hình thu thập liệu, xử lý cung cấp thông tin cải IGS27 Bảng 2.1 Các dịch vụ cung cấp IGS 28 Hình 2.3 Cải quỹ đạo cung cấp đơn vị đóng góp khác (theo thời gian) 29 Bảng 2.2 Các dịch vụ cải thời gian thực 30 Hình 2.4 Định vị điểm xác với thông tin cải từ IGS01 31 Hình 2.5 Định vị điểm xác với thông tin cải từ IGS02 32 Hình 2.6 Định vị điểm xác với thông tin cải từ IGS03 32 Bảng 2.3 Các định dạng liệu IGS 33 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Hình 2.7 Hệ thống NTRIP .33 Bảng 2.4 Các gói tin định dạng RTCM 2.X 34 Bảng 2.5 Các gói tin định dạng RTCM 3.X 34 Hình 2.8 Dữ liệu từ điểm truy cập IGS-01 thực đọc đƣợc .35 Hình 2.9 Minh họa mã nguồn giải mã gói tin 1004, định dạng RTCM3 36 Hình 3.1 Tuyến tính hóa phƣơng trình giả khoảng cách với điểm sở (x0,y0,z0) 38 Hình 3.2 Lọc Kalman .42 Hình 3.3 Khai báo liệu thử nghiệm mã nguồn 46 Hình 3.4 Minh họa phần mã nguồn PPP 47 Hình 3.5 Độ xác định vị PPP (đỏ) SPP (xanh) với trạm PIMO 48 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tần số bƣớc sóng hệ thống vệ tinh 16 Bảng 1.2 Sai số trung phƣơng 22 Bảng 2.1 Các dịch vụ cung cấp IGS 28 Bảng 2.2 Các dịch vụ cải thời gian thực 30 Bảng 2.3 Các định dạng liệu IGS 33 Bảng 2.4 Các gói tin định dạng RTCM 2.X 34 Bảng 2.5 Các gói tin định dạng RTCM 3.X 34 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đề tài “Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang (High accuracy positioning using carrier phase)” vấn đề nghiên cứu đƣợc quan tâm nhiều từ nhà khoa học nƣớc giới Định vị GPS với độ xác cao quan trọng, đƣợc ứng dụng nhiều sống đại nhƣ: trắc địa đồ địa chất - biển - hàng không, giao thông thông tin mặt đất - biển - hàng không, ngành hải dƣơng học, công nghệ giải trí, tìm kiếm cứu nạn; đặc biệt ứng dụng quân đội Hệ thống GPS hệ thống định vị vệ tinh sau hệ thống DOPPLER GPS từ viết tắt GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ năm 70 quân đội Mỹ chủ trì Trong năm đầu thập kỷ 80 quân đội Mỹ thức cho phép dùng dân Từ nhà khoa học nhiều nƣớc phát triển lao vào chạy đua để đạt đƣợc thành cao lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu cho kết hai hƣớng chủ đạo chế tạo máy thu tín hiệu thiết lập phần mềm để chế biến tín hiệu cho mục đích khác Cho tới năm 1988, máy thu GPS 10 hãng giới sản xuất đạt đƣợc trình độ cạnh tranh thị trƣờng Vì lý trên, giá máy giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Có tới mƣời hãng giới sản xuất máy thu GPS, có hãng nhƣ: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dƣ luận thị trƣờng máy thu hãng TRIMBLE NAVIGATION đƣợc đánh giá cao Về phƣơng diện phần mềm hệ thống GPS, thấy tính đa dạng Trị đo thu đƣợc có loại, tín hiệu vệ tinh phát Chế biến Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang tín hiệu phƣơng pháp khác nhau, thuật toán khác có đƣợc tham số hình học vật lý khác trái đất Chúng ta nói khả phần mềm vô tận Với tín hiệu thu đƣợc tính đƣợc tọa độ không gian tuyệt đối (với độ xác 10 m tới m sử dụng lịch vệ tinh xác), số gia tọa độ không gian (độ xác từ cm tới cm), số gia tọa độ địa lý (độ xác từ 0.7 đến cm), số gia độ cao (độ xác từ 0.4 cm đến cm), số gia trọng lực (độ xác 0.2 mgl) Ngoài có tham số khác đƣợc nghiên cứu Toàn phần cứng hệ thống GPS gồm phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) phần sử dụng (User Segment) Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu sở lý thuyết định vị GPS với độ xác cao Tăng cƣờng khả định vị nhanh hơn, xác nhờ thông tin từ trạm thông tin cải toàn cầu IGS Ngoài đề tài tìm hiểu sở lý thuyết phƣơng pháp định vị điểm xác (Precise Point Positioning PPP) Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, khả định vị hệ thống vệ tinh GPS, sai số trình định vị Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trị đo pha, trị đo mã định vị sử dụng pha sóng mang Nghiên cứu liệu từ hệ thống IGS Phƣơng pháp giải tọa độ sử dụng trạm tham chiếu toàn cầu Phƣơng pháp nghiên cứu a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu tài liệu, ngôn ngữ công nghệ liên quan - Tổng hợp tài liệu lý thuyết định vị GPS b Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Sử dụng phần mềm để định vị theo phƣơng pháp định vị điểm xác (PPP) Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang - Thử nghiệm hệ thống đánh giá kết Kết dự kiến - Đạt đƣợc kết xác cao định vị - Đề đƣợc giải pháp định vị với độ xác cao (cm) ứng dụng thực tế sống đại Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Định vị GPS với độ xác cao vấn đề đƣợc quan tâm có vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực Trong trắc địa đồ địa chất, định vị xác cao giúp cho việc: Đo đạc địa chính, lập lƣới khống chế trắc địa, theo dõi độ biến dạng cục bộ, theo dõi độ biến dạng toàn Định vị GPS giúp cho việc xác định hành trình mặt đất phục vụ cho giao thông thông tin mặt đất Nhờ độ xác cao thời gian cần thiết để đo vị trí định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ khơi, công cụ dẫn đƣờng hàng hải biển lý tƣởng Trong ứng dụng đo đạc đo vẽ đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đƣờng bay, xác định tâm ảnh Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết hãng hàng không quốc tế sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đƣờng bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế quy định sử dụng hệ thống GPS dẫn đƣờng cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia thức sử dụng GPS Hệ thống định vị toàn cầu đƣợc thiết kế chủ yếu quân đội định vị điểm theo thời gian thực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hƣớng hàng không, hàng hải Hệ định vị GPS đƣợc coi hệ độc lập phận hệ thống dẫn đƣờng tích hợp Ngoài ra, vệ tinh GPS mang theo thu phát để khám phá hiển thị vụ nổ hạt nhân Ngoài định vị GPS độ xác cao ứng dụng quan trọng công tác tìm kiếm cứu nạn hay nghành giải trí Bố cục luận văn Bố cục luận văn đƣợc chia thành chƣơng nhƣ sau: Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang MỞ ĐẦU Phần nêu Lý chọn đề tài, mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu, kết dự kiến ý nghĩa khoa học, thực tiễn đề tài nghiên cứu CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHA SÓNG MANG TRONG PHÉP ĐỊNH VỊ VÀ HIỆN TƢỢNG NHẢY CHU KỲ (CYCLE SLIP) Chƣơng tìm hiểu sở lý thuyết phƣơng pháp định vị sử dụng pha sóng mang việc phát hiện tƣợng nhảy số nguyên lần chu kỳ (cycle slip) định vị sử dụng trị đo pha - phƣơng pháp giải CHƢƠNG PHÁT TRIỂN MODULE TIẾP NHẬN THÔNG TIN CẢI CHÍNH TỪ CÁC TRẠM TOÀN CẦU Chƣơng trình bày khả tăng cƣờng độ xác kết định vị, nhƣ rút ngắn thời gian hội tụ giải tọa độ xác, tác nhân sai số phƣơng trình tọa độ cần đƣợc loại bỏ đến mức tối đa sử dụng thông tin từ trạm cung cấp thông tin cải toàn cầu (IGS) CHƢƠNG XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC GPS SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU TOÀN CẦU (PPP) Chƣơng tìm hiểu sở lý thuyết phƣơng pháp định vị điểm xác (PPP), phƣơng pháp giải tọa độ (sai số lớn) KẾT LUẬN Phần bàn vấn đề giải đƣợc vấn đề chƣa giải đƣợc phạm vi đề tài 10 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang CHUƠNG XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC GPS SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU TOÀN CẦU (PPP) Mục tiêu chƣơng nhằm tìm hiểu sở lý thuyết phƣơng pháp định vị điểm xác (PPP) Về lý thuyết, để giải đƣợc tọa độ điểm xác, tọa độ ban đầu thu cần đƣợc xác định trƣớc đƣợc dùng nhƣ giá trị khởi tạo cho trình định vị xác diễn sau Do đó, trình bày chƣơng phƣơng pháp giải tọa độ (sai số lớn) phần thiếu toàn hệ thống định vị xác Sau có giá trị khởi tạo, liệu cải cung cấp dịch vụ IGS giúp loại trừ sai số gây quỹ đạo đồng hộ vệ tinh nhờ thời gian hội tụ lọc Kalman đƣợc rút ngắn để đáp ứng đƣợc nhu cầu thực tế Khác với định vị điểm đơn, định vị điểm xác dựa trình định vị, kết bƣớc trƣớc đóng vai trò việc tiên đoán kết bƣớc sau, trị đo thu đƣợc từ vệ tinh giúp hiệu chỉnh giá trị tiên đoán, hai trình đƣợc lặp lặp lại bƣớc lọc Kalman 3.1 Định vị điểm đơn 3.1.1 Phương trình tọa độ điểm Giả sử thu có tọa độ sai số đồng hồ thu , giả khoảng cách thu vệ tinh j, ta có phƣơng trình giả khoảng cách đƣợc xác định nhƣ sau [2, 3]: (3-1) Đặt (3-2) ta có √ (3-3) 37 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Phƣơng trình (3-3) phƣơng trình phi tuyến với ẩn số tọa độ sai số đồng hồ thu Phƣơng trình đƣợc tuyến tính họa dựa chuỗi Taylor với điểm sở (x0,y0,z0), nhƣ minh họa hình dƣới Hình 3.1 Tuyến tính hóa phƣơng trình giả khoảng cách với điểm sở (x0,y0,z0) Sau tuyến tính hóa, phƣơng trình giả khoảng cách trở thành: (3-4) Kết hợp phƣơng trình giả khoảng cách vệ tinh ta đƣợc hệ phƣơng trình tuyến tính: ( [ )[ ] (3-5) ] Số phƣơng trình tối thiểu cần để giải đƣợc tọa độ sai số đồng hồ thu 4, có nhiều phƣơng trình lời giải đƣợc xác định theo tiêu chí cực tiểu hóa sai số bình phƣơng Khi phƣơng trình (3-5) đƣợc giải tọa độ thu đƣợc cập nhập theo công thức: 38 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang [ ] [ ] [ ] (3-6) Quá trình tuyến tính hóa lại tiếp tục đƣợc lặp lại nhƣng với điểm sở đƣợc tính (3-6), việc tuyến tính hóa giải phƣơng trình (3-5), cập nhập điểm sở (3-6) đƣợc thực lặp lặp lại [ ] đủ nhỏ hay tọa độ không đƣợc hiệu chỉnh đáng kể dừng lại 3.1.2 Giải phương trình cực tiểu hóa sai số bình phương Giả sử phƣơng trình tuyến tính cần giải với biến x là: (3-7) với e sai số ngẫu nhiên với trung bình [ [ ], ma trận phƣơng sai ] Do sai số e, (3-7) nghiệm xác tuyệt đối, nghiệm ̂ nghiệm thỏa mãn tiêu chí làm cho bình phƣơng sai số cực tiểu Phƣơng trình dƣới định nghĩa hàm sai số cần đƣợc cực tiểu hóa: || ̂ || [∑ ̂ ] (3-8) Nghiệm (3-8) đƣợc tính công thức sau: ̂ (3-9) Trong toán định vị, vệ tinh vị trí khác tín hiệu từ vệ tinh có độ mạnh yếu khác Do thông thƣờng, hệ phƣơng trình giả khoảng cách, phƣơng trình ứng với vệ tinh góc ngẩng cao, tỉ lệ tín hiệu chia nhiễu cao (SNR), đƣợc gán trọng số cao để giảm thiểu sai số gây vệ tinh góc ngẩng thấp, tín hiệu yếu (SNR – nhỏ) Giả sử ma trận trọng số W phƣơng trình (3-8) có nghiệm là: ̂ (3-10) ma trận phƣơng sai nghiệm đƣợc xác định bằng: (3-11) 39 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Thông thƣờng ma trận trọng số W đƣợc lựa chọn nghịch đảo phƣơng sai nhiễu, , thay vào (3-10) (3-11) ta có: ̂ (3-12) (3-13) 3.1.3 Lọc Kalman Để trình định vị diễn tiến liên tục theo nghĩa kết phép định vị trƣớc trợ giúp cho việc giải phƣơng trình định vị thời điểm sau, thông thƣờng lọc Kalman đƣợc sử dụng làm công cụ toán học để liên kết thời điểm Về lý thuyết lọc Kalman có bƣớc [4]: Dự đoán: bƣớc này, nghiệm đƣợc dự đoán túy dựa kết thời điểm trƣớc Giả sử ̂ nghiệm thời điểm n-1, nghiệm dự đoán thời điểm n đƣợc tính nhƣ sau: ̂ ̂ ̂ Trong (3-14) (3-15) ̂ ma trận chuyển đổi trạng thái, ma trận định ảnh hƣởng kết thời điểm trƣớc tới thời điểm sau Q ma trận nhiễu trình chuyển tiếp Ma trận Q sử dụng để bù lại thiếu sót không mô hình đƣợc tham số (trong trƣờng hợp đặc tính thống kê tham số không xác định Q đƣợc sử dụng để mô hình tham số nhƣ tiến trình nhiễu trắng) Cập nhập: pha cập nhập, nghiệm dự đoán đƣợc tính lại dựa phƣơng trình biến (phƣơng trình giả khoảng cách) nhƣ sau: [ ̂ ] [ [ ̂ ] (3-16) ] (3-17) 40 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Giải phƣơng trình (3-16 & 3-17) ta có: [ ̂ ̂ ̂ ( [ ) ] ̂ ( ̂ ) (3-18) ̂ ] (3-19) Hình dƣới minh họa trình chuyển đổi pha lọc Kalman Dựa chế độ chuyển tiếp lọc Kalman, giải thuật định vị đƣợc chia làm kiểu: Định vị tĩnh: thu đứng yên không di chuyển, trƣờng hợp tọa độ thời điểm n-1 thời điểm n (về lý thuyết), sai số đồng hộ thu mô hình xác định nên đƣợc xem nhƣ nhiễu trắng Ma trận chuyển ma trận phƣơng sai nhiễu trình đƣợc xác định nhƣ sau: [ ], [ ] (3-20) Định vị động: thu chuyển động, vị trí thời điểm n khác vị trí thời điểm n-1 Trong trƣờng hợp đơn giản nhất, không ƣớc lƣợng vận tốc chuyển động vị trí thời điểm n xem nhƣ nhiễu với giá trị trung bình vị trí thời điểm n-1 Khi vận tốc chuyển động lớn ma trận chuyển tiếp phƣơng sai nhiễu trình đƣợc xác định nhƣ sau: [ ], (3-21) [ ] Khi vận tốc chuyển động nhỏ ma trận chuyển tiếp phƣơng sai nhiễu trình đƣợc tính là: 41 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang [ ], (3-22) [ ] Hình 3.2 Lọc Kalman 3.2 Định vị điểm xác 3.2.1 Sai số định vị Sai số định vị cách đo lƣờng tính ngẫu nhiên kết định dựa giả định thống kê tác nhân gây lỗi mô hình tuyến tính vị trí, thông thƣờng sai số định vị đƣợc phản ánh thông qua độ xác dự đoán độ xác tính toán Độ xác dự đoán cho biết độ lệch chuẩn kết định vị so với giá trị thật; độ xác tính toán đƣợc mà không cần 42 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang phƣơng trình giả khoảng cách Độ xác tính toán sai số phép định vị đƣợc xác định từ phƣơng trình giả khoảng cách Độ xác tính toán: Giả sử phần tử đƣờng chéo ma trận phƣơng sai phƣơng trình (3-23), độ lệch chuẩn kết định vị tƣơng ứng với trục tọa độ x, y, z sai số đồng hồ thu đƣợc tính bằng: √ √ √ (3-23) Cần ý giá trị độ lệch chuẩn không phản ánh giá trị lỗi tuyệt đối, mà lƣợng giá mức độ ngẫu nhiên kết định vị Để trực quan, giá trị cần phải đƣợc chuyển đổi từ trục x, y, z hệ tọa độ ECEF (Earth Center Earth Fixed) sang hệ tọa độ ENU (East North Up) Giả sử gọi R ma trận chuyển hệ tọa độ R đƣợc tính bằng: [ ] (3-24) tƣơng ứng vĩ độ kinh độ thu Từ ta tính đƣợc ma trận phƣơng sai hệ tọa độ ENU nhờ công thức Sai số theo hƣớng Đông, Bắc thẳng đứng đƣợc tính là: √ √ √ (3-25) sai số theo phƣơng ngang đƣợc tính là: √ (3-26) Độ xác dự đoán: nhƣ nói trên, độ xác dự đoán đƣợc tính mà không cần đến phƣơng trình giả khoảng cách Giả sử e sai số phép đo 43 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang [ ], phƣơng sai giả khoảng cách có giá trị trung bình [ ] Khi ma trận phƣơng sai đƣợc tính trực tiếp bằng: (3-27) Trên sở cách tiếp cận đơn giản này, giá trị dự đoán độ phân tán kết định vị (dilution of precision – DOP) đƣợc tính bằng: [ ] (3-28) Độ phân tán hình học: √ (3-29) Độ phân tán vị trí: √ (3-30) Độ phân tán thời gian: √ (3-31) 3.2.2 Định vị điểm xác (Precise Point Positioning - PPP) Trong phƣơng pháp định vị điểm xác yêu cầu thu để đạt đƣợc thời gian hội tụ ngắn phải thu đa tần Mục đích việc sử dụng thu đa tần để loại trừ tác nhân trễ nhƣ trễ tầng điện ly sử dụng tổ hợp trị đo (như trình bày mục 1.1.2) Trong phần tập trung vào tổ hợp loại trừ điện ly tổ hợp đƣợc sử dụng nhiều giải pháp định vị điểm xác Phƣơng trình chi tiết tổ hợp loại trừ điện ly đƣợc xác định phƣơng trình (114) (1-15): 44 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Tuy nhiên phải ý tổ hợp loại trừ điện ly giúp loại bỏ độ trễ gây tầng điện ly, nhƣng kết hợp trị đo mã nên nhiễu trị đo tổ hợp tăng lên khoảng lần so với trị đo pha Từ phƣơng trình (3-14), véc-tơ biến phép định vị điểm xác bao gồm giá trị thực số nguyên lần chu kỳ sóng mang BC, đƣợc viết là: [ ] (3-32) Ma trận G đƣợc tính bởi: (3-33) [ ] Phần thặng dƣ phƣơng trình giả khoảng cách là: (3-34) [ ] Trong phƣơng pháp định vị chuẩn, trễ gây tầng đối lƣu thƣờng đƣợc loại trừ mô hình Saasmontein, nhiên để đạt đƣợc độ xác cỡ cm tác nhân trễ phải đƣợc xem nhƣ biến phƣơng trình giả khoảng cách ƣớc lƣợng trình sử dụng lọc Kalman Công thức xác định trễ đối lƣu đƣợc xác định bởi: 45 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang (3-35) đó: (3-36) Nhƣ biết việc sử dụng lọc Kalman, tham số cần đƣợc mô hình theo tiến trình ngẫu nhiên với đặc tính xác định (nhiễu trắng không xác định rõ đặc tính ngẫu nhiên tham số) Do đặc tính thống kê [6] tham số cần giải (3- 32) đƣợc mô tả nhƣ sau: - BC đƣợc xem nhƣ số (phƣơng sai 0, trung bình giá trị trƣớc), nhiễu trắng bắt đầu ƣớc lƣợng xảy nhảy chu kỳ - đƣợc xem nhƣ biến ngẫu nhiên bƣớc (random walk) với phƣơng sai ban đầu 0.25m2 - Sai số đồng hồ đƣợc xem nhƣ nhiễu trắng với độ lệch chuẩn cỡ 1ms 3.2.3 Thử nghiệm độ xác PPP với liệu cải từ IGS Để thực nghiệm với phƣơng pháp định vị điểm xác (PPP) sử dụng liệu cải từ IGS, cài đặt giải thuật PPP sử dụng liệu thu sẵn từ trạm PIMO mạng lƣới IGS Các file liệu đƣợc thu dƣới định dạng rinex là: pimo1280.13o pimo1280.13n Tƣơng ứng thời điểm, liệu cải cung cấp IGS file igs17393.sp3 chứa thông tin cải quỹ đạo vệ tinh, igs17393.clk chứa thông tin cải sai số đồng hồ vệ tinh Hình dƣới minh họa đoạn mã khai báo file liệu mã nguồn: Hình 3.3 Khai báo liệu thử nghiệm mã nguồn 46 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Một phần giải thuật PPP xây dựng môi trƣờng MATLAB đƣợc minh họa nhƣ hình dƣới: Hình 3.4 Minh họa phần mã nguồn PPP Kết thử nghiệm (minh họa hình dƣới đây) cho thấy PPP đạt tới độ xác cỡ cm theo phƣơng ngang sau khoảng thời gian hội tụ cỡ 15 phút 47 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Hình 3.5 Độ xác định vị PPP (đỏ) SPP (xanh) với trạm PIMO Có thể thấy thời điểm đầu sai số giảm nhanh khoảng 15 phút (~200 epoch - epoch lần đo) sai số gần nhƣ không thay đổi Kết cho thấy rõ ràng liệu cải góp phần quan trọng vào việc loại bỏ sai số định vị Tuy nhiên với PPP, để đạt đƣợc kết xác cần phải có thời gian hội tụ dài 48 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang KẾT LUẬN Luận văn trình bày phƣơng pháp sử dụng trị pha phép định vị Mặc dù có nhiều phƣơng pháp định vị sử dụng trị pha nay, nhiên sở phƣơng pháp dựa kết hợp trị đo pha (ở tần số khác nhau) mã để loại bỏ nhiễu phép đo trƣớc áp dụng lọc (Kalman) để làm cho kết định vị hội tụ dần Bên cạnh việc đề cập tới phƣơng pháp sử dụng, vấn đề cần lƣu ý sử dụng trị pha nhƣ: tăng nhiễu tổ hợp, cycle slip đƣợc trình bày Cuối cùng, thực thí nghiệm để đánh giá so sánh độ xác phƣơng pháp định vị có sử dụng trị đo pha Qua kết thấy, việc sử dụng pha cải thiện đáng kể độ xác định vị, sai số định vị đạt tới cm với số phƣơng pháp Do vậy, có sở để triển khai nghiên cứu việc sử dụng trị đo pha để tăng cƣờng độ xác định vị Luận văn đề cập tới vấn đề liên quan đến hệ thống cung cấp liệu cải IGS bao gồm: phân bố trạm IGS, dịch vụ hoạt động, đặc điểm loại Để phục vụ cho việc phát triển mô-đun tiếp nhận, tìm hiểu cấu trúc liệu giao thức mà IGS sử dụng để truyền tải Việc phát triển mô-đun tiếp nhận liệu từ IGS, liệu đọc đƣợc giải mã thông tin đƣợc kết xuất hình để minh họa nhƣ trình bày kết thành công Ngoài ra, Luận văn trình bày kỹ thuật định vị điểm xác; lý thuyết phƣơng pháp định vị điểm xác dựa tổ hợp trị đo pha mã để giảm bớt nhiễu trị đo, đặc biệt trễ gây tầng điện ly (khi dùng tổ hợp loại trừ điện ly) Các lọc Kalman giúp cho độ xác tăng dần, tọa độ điểm cần định vị hội tụ tới giá trị thật Bên cạnh kỹ thuật phía thu, phần quan trọng để giảm thời gian hội tụ phƣơng pháp định vị điểm xác thông tin xác vệ tinh Các thông tin đƣợc cung cấp IGS cho chế độ xử lý hậu kỳ thời gian thực (mới thời gian phát hành thử nghiệm 49 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang IGS) Sau sử dụng dịch vụ cải hậu kỳ IGS để cài đặt giải thuật định vị điểm xác, kết cho thấy độ xác đạt đƣợc đạt tới mức cm Tuy nhiên thời gian hội tụ phƣơng pháp dài, chƣa thể thỏa mãn nhu cầu ứng dụng thời gian thực Đây sở để nghiên cứu tiếp tục phát triển thu độ xác cao hoạt động thời gian thực 50 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dow, J.M., Neilan, R E., and Rizos, C., The International GNSS Service in a changing landscape of Global Navigation Satellite Systems, Journal of Geodesy (2009) 83:191–198, DOI: 10.1007/s00190-008-0300-3 [2] Hofmann-Wellenhof, B., H Lichtenegger, and J Collins, GPS Theory and Practice, Springer-Verlag, 1993 [3] J Sanz Subirana, J M Juan Zornoza and M Hernandez Pajares, GNSS Data Processing, ISBN: 978-92-9221-885-0, ESA Communications, 2013 [4] Kalman, R.E (1960), A new approach to linear filtering and prediction problems, Journal of Basic Engineering 82 (1): pp 35–45 [5] Mervat, L., Ambiguity Resolution Techniques in Geodetic and Geodynamic Applications of the Global Positioning System, PhD Thesis, University of Bern, Switzerland, 1995 [6] Stark, H., and J W Woods, Probability, Random Processes, and Estimation Theory for Engineers, Prentice-Hall, 1986 [7] T.Takasu, Real-time PPP with RTKLIB and IGS real-time satellite orbit and clock, IGS Workshop 2010, Newcastle upon Tyne, England, June 28 - July 2, 2010 51 Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2 ... CB121358 - Lớp 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung, số liệu, kết luận văn Thạc sĩ Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang” chuyên ngành... 12BCNTT2 Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang Các thu độc lập với độ xác cần thiết mức 1, sử dụng phƣơng pháp định vị chuẩn kết hợp với việc cải dùng quỹ đạo đồng hồ cung cấp IGS với độ phân... tài Định vị GPS độ xác cao sử dụng pha sóng mang (High accuracy positioning using carrier phase)” vấn đề nghiên cứu đƣợc quan tâm nhiều từ nhà khoa học nƣớc giới Định vị GPS với độ xác cao quan