NGHIÊN cứu THUẬT TOÁN và xây DỰNG CHƯƠNG TRÌNH xử lý số LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH vị vệ TINH ở VIỆT NAM tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN GIA TRỌNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ Mã số : 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ Hà Nội - 2019 Cơng trình hồn thành tại: Bộ môn Trắc địa cao cấp Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Nam Chinh Phản biện 1: GS.TS Võ Chí Mỹ Phản biện 2: PGS.TS Trần Đình Tơ Phản biện 3: PGS.TSKH Hà Minh Hòa Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi … … ngày … tháng… năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia, Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Được đưa vào Việt Nam từ năm 1990, công nghệ GNSS chứng tỏ ưu vượt trội so với công nghệ khác sử dụng đơn vị sản xuất trắc địa - đồ Về nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ GNSS nghiên cứu thuật tốn xử lý số liệu GNSS, có cơng trình công bố số nhà khoa học PGS.TS Đặng Nam Chinh, PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu … cung cấp kiến thức tổng quát cơng nghệ GNSS Đã có cơng bố nghiên cứu xây dựng phần mềm PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu cơng bố gói phần mềm GUST dùng để xử lý cạnh dài; TS Nguyễn Thị Thanh Hương nhiều người khác công bố kết xây dựng phần mềm GNSSPRO xử lý liệu cạnh ngắn kết hợp tín hiệu GPS/GLONASS; Trung tâm NAVIS (Đại học Bách khoa Hà Nội) xây dựng giải pháp định vị (cả phần cứng phần mềm) độ xác cao dựa trạm tham chiếu Tuy nhiên, thời điểm việc ứng dụng công nghệ GNSS Việt Nam túy dựa máy phần mềm nước Với ứng dụng GNSS rộng rãi nhiều lĩnh vực, nhu cầu xây dựng phần mềm GNSS nhằm chủ động ứng dụng công nghệ Việt Nam nhu cầu cần thiết Tháng năm 2011, mà đa số đơn vị sản xuất lĩnh vực trắc địa đồ Việt Nam quen với việc sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35, TGO hai phần mềm hết thời gian sử dụng Việc đột ngột dừng không hỗ trợ cho phần mềm GPSurvey 2.35, TGO khiến nhiều đơn vị sản xuất chậm bàn giao thành đo xong mà không xử lý số liệu Đây minh chứng rõ nét việc cần chủ động khai thác, sử dụng công nghệ Việt Nam Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, trường Đại học Mỏ - Địa chất sở đào tạo lớn trắc địa - đồ nước thời điểm đơn sử dụng phần mềm nước giảng dạy định vị vệ tinh cho bậc học Để nâng cao chất lượng đào tạo đáp ứng yêu cầu xã hội thiết phải xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh xử lý số liệu GNSS nói chung xây dựng phần mềm xử lý số liệu GNSS nói riêng Xuất phát từ yêu cầu nêu trên, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thuật toán xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dạng RINEX nhằm phát triển ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh Việt Nam” mang ý nghĩa khoa học thực tiễn cao 2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Làm rõ thuật toán giải toán định vị tuyệt đối định vị tương đối; Xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh từ định dạng RINEX Nội dung nghiên cứu: Các trị đo công nghệ GNSS định dạng liệu; Ảnh hưởng nguồn sai số trị đo GNSS biện pháp khắc phục; Phương pháp xác định tọa độ vệ tinh từ lịch vệ tinh quảng bá lịch vệ tinh xác; Thuật tốn tìm kiếm số ngun đa trị; Ứng dụng phép lọc Kalman xử lý số liệu định vị vệ tinh; Quy trình giải toán định vị tuyệt đối định vị tương đối xử lý sau Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Định dạng liệu RINEX; Phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng nguồn sai số trị đo GNSS; Thuật toán giải toán định vị vệ tinh; Phương pháp xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS - Phạm vi nghiên cứu: Thuật toán giải toán định vị vệ tinh từ liệu RINEX; Độ xác định vị GNSS tần số đáp ứng yêu cầu độ xác đa số mục tiêu định vị nguyên lý định vị hệ thống vệ tinh nên tên luận án có đề cập đến xử lý liệu GNSS luận án chủ yếu tập trung nghiên cứu thuật toán xử lý liệu GPS tần số Cơ sở tài liệu xây dựng luận án - Số liệu sử dụng tính tốn thực nghiệm số liệu đo Việt Nam giới chuyển đổi định dạng RINEX, liệu phụ trợ lấy từ internet - Nghiên cứu sinh tham khảo tài liệu từ đề tài mà trực tiếp tham gia báo cáo tổng kết đề tài, nhiều báo, cơng trình ngồi nước liên quan đến nghiên cứu thuật toán xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS Những luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Xử lý số liệu GNSS thực hệ 4D (không gian-thời gian) với trị đo sai số liên tục biến đổi, vấn đề đồng thời gian tính tốn số cải thay đổi theo thời gian mang tính định tới chất lượng lời giải toán định vị Phương pháp đồng hóa thời gian cách tính số cải thay đổi khoảng cách theo thời gian đảm bảo yêu cầu đồng hóa thời gian xử lý số liệu GNSS Luận điểm 2: Phương pháp tính trọng số cách ước lượng phương sai theo tiêu chuẩn Ủy ban vô tuyến cho hàng không (RTCA) cho hiệu cao phương pháp tính trọng số theo hàm góc cao vệ tinh Luận điểm 3: Chương trình xử lý số liệu GNSS xây dựng cho phép xử lý sau toán định vị tuyệt đối có độ xác tương đương định vị vi phân (DGPS) phục vụ định vị biển Điểm luận án - Đề xuất công thức đồng thời gian đạo hàm bậc khoảng cách theo thời gian - Đề xuất công thức tính chuyển chiều dài cạnh từ tâm ăng ten tâm mốc trắc địa - Ứng dụng thành công phương pháp ước lượng phương sai nguồn sai số trị đo theo tiêu chuẩn RTCA phép lọc Kalman xử lý số liệu GNSS - Đề xuất ứng dụng thuật toán giải toán định vị tuyệt đối trường hợp nhảy đồng hồ máy thu Ý nghĩa khoa học Đã xác lập sở khoa học phương pháp luận xây dựng thuật toán xử lý liệu GNSS dạng RINEX phục vụ lập trình giải tốn định vị vệ tinh Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu luận án ứng dụng để xử lý liệu GNSS dạng RINEX nội dung định vị lãnh thổ Việt Nam Bố cục luận án Luận án gồm chương, không kể phần mở đầu kết luận: - Mở đầu - Chương Tổng quan thuật toán phần mềm xử lý số liệu GNSS - Chương Trị đo GNSS vấn đề hiệu chỉnh ảnh hưởng nguồn sai số trị đo - Chương Thuật toán giải toán định vị tuyệt đối định vị tương đối - Chương Xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS tính toán thực nghiệm - Kết luận kiến nghị 10 Nơi thực đề tài Luận án thực Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất 11 Lời cảm ơn Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh, thầy cô giáo Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất tận tình giúp đỡ, góp ý tạo điều kiện tốt để nghiên cứu sinh hồn thành nhiệm vụ Trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, thầy cô giáo Khoa, nhà khoa học trường quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu sinh hoàn thiện tốt luận án Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất thành viên gia đình dành điều kiện tốt tinh thần vật chất để tơi hồn thành tốt khóa học CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THUẬT TỐN VÀ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS 1.1 Các kết nghiên cứu nước 1.1.1 Các kết nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu GNSS Cơng nghệ GPS nói riêng cơng nghệ GNSS nói chung ứng dụng lĩnh vực đời sống xã hội Để có kết vậy, có nhiều nghiên cứu sâu, rộng chế tạo vệ tinh, chế tạo máy thu, thuật toán giải toán xây dựng phần mềm xử lý số liệu GNSS Từ kết nghiên cứu đó, ứng dụng GNSS hình thành quy trình khép kín từ phần cứng đến phần mềm Cũng từ nghiên cứu đó, nhiều cơng trình nghiên cứu thuật tốn xử lý số liệu GNSS cơng bố Trước hết kể đến cơng bố thuật tốn cơng bố sách giáo khoa GNSS Hofmann-Wellenhof [59], Teunissen [61], Alfred Leick [63], Montenbruck [76] … Các cơng trình nêu tổng hợp kết nghiên cứu nhiều tác giả khác nhằm cung cấp đến người đọc từ kiến thức công nghệ GNSS đến cơng thức giải tốn định vị Tuy nhiên, tài liệu đó, hầu hết khơng đề cập tới thuật tốn phục vụ cho lập trình máy tính trình tự tính tốn tường minh Bên cạnh tài liệu cung cấp tổng hợp kiến thức GNSS, có tài liệu cung cấp kiến thức nội dung chuyên biệt tài liệu bàn vấn đề giải số nguyên đa trị Verhagen.S Thuật toán giải tốn định vị cơng bố rộng rãi nhiều cơng trình khác thơng tin mang tính tổng qt khơng phải lúc làm theo Thơng thường, thuật toán sau nghiên cứu chuyển giao để chuyển thành sản phẩm thương mại hóa, có quyền Tính thời điểm tại, định vị tương đối cho độ xác cao nên nước nghiên cứu xử lý số liệu GNSS tập trung vào nâng cao độ xác định vị PPP tức thời, định vị GNSS - indoor, GNSS-R thuật toán xử lý số liệu GNSS thiết bị thông minh … 1.1.2 Các kết xây dựng phần mềm Các phần mềm xây dựng giới chia làm nhóm: a Nhóm phần mềm thông dụng: xây dựng hãng chế tạo máy thu: - Hãng Trimble (Mỹ): có phần mềm TBC, TTC … - Hãng Topcon (Nhật Bản): Pinacle, TOPSurvey, Topcon Tool - GMC manufacture (Trung Quốc): Hi-Target … Đặc trưng phần mềm dùng để xử lý số liệu đo cạnh ngắn mục tiêu định vị điểm với độ xác khơng cao b Nhóm phần mềm xử lý số liệu độ xác cao (chuyên dụng): - Bernese: Được phát triển Viện Thiên văn thuộc Đại học Bern (Thụy Sỹ) - Gamit/Globk: Được xây dựng Khoa Khí Trái Đất Khoa học hành tinh, Viện công nghệ Massachusetts (MIT- Massachusetts Institute of Technology) - GIPSY-OASIS: Được phát triển Phòng thí nghiệm tên lửa đẩy (JPL) Trong số phần mềm nêu trên, Bernese Gamit/Globk nhận liệu đầu vào định dạng RINEX c Nhóm phần mềm mã nguồn mở - RTKLib: RTKLib gói chương trình mã nguồn mở tác giả T.Takasun (Nhật Bản) công bố năm 2004 phục vụ cho mục đích định vị GNSS thơng thường định vị GNSS xác - Phần mềm LAMBDA: dùng để tìm kiếm (giải) số nguyên đa trị d Nhóm phần mềm xử lý số liệu trực tuyến 1.2 Các kết nghiên cứu Việt Nam 1.2.1 Các kết nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu GNSS Bên cạnh nghiên cứu ứng dụng GNSS, có nhiều nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu GNSS công bố Việt Nam thời gian vừa qua Trước tiên, kể đến sách giáo khoa GNSS xuất tác giả PGS.TS Đặng Nam Chinh, PGS.TS Đỗ Ngọc Đường [4], PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu [12], TS Trần Hồng Quang [27] … Các tài liệu nêu giới thiệu toán xử lý số liệu định vị vệ tinh toán định vị tuyệt đối, toán định vị tương đối tĩnh chưa giới thiệu sâu tốn định vị tuyệt đối xác tốn định vị động (PPK, RTK) Bên cạnh cơng trình nghiên cứu phát triển ứng dụng cơng nghệ GNSS trình bày trên, số hạn chế kể đến như: - Chưa có nhiều nghiên cứu xử lý số liệu GNSS - Các đề tài hầu hết giới thiệu kết nghiên cứu, làm rõ sở lý thuyết thuật tốn (quy trình) tính tốn toán định vị vệ tinh - Các nghiên cứu mang tính đơn lẻ, chưa hình thành trường phái hay tập thể có chung mục tiêu - Trong giảng dạy công nghệ GNSS đề cập tới công thức bản, chưa vào thuật tốn, phương pháp tính 1.2.2 Các kết xây dựng phần mềm a Bộ phần mềm NAVISTAR xây dựng Trung tâm NAVIS, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội b Các phần mềm xây dựng tác giả thuộc Viện Khoa học Đo đạc Bản đồ: - Phần mềm GUST dùng để xử lý số liệu cạnh dài - Phần mềm GNSS-PRO dùng để xử lý liệu đo tĩnh cạnh ngắn Tính đến thời điểm tại, việc xử lý số liệu GNSS Việt Nam sử dụng phần mềm nước Khi sử dụng phần mềm có số nhược điểm: - Khơng can thiệp vào trình xử lý phần mềm khép kín - Giao diện sử dụng với ngơn ngữ tiếng Anh - Không đưa kết xử lý mong muốn người sử dụng 1.3 Phạm vi nghiên cứu luận án Xuất phát từ tính cấp thiết hạn chế nêu trên, luận án tập trung giải số vấn đề sau: - Trình bày cách hệ thống thuật tốn giải tốn định vị GNSS tập trung vào việc xác định trọng số dựa vào ước lượng phương sai cho trị đo, ứng dụng phép lọc Kalman xử lý số liệu GNSS - Đề xuất thuật tốn đồng hóa thời gian khai triển Taylor khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu theo thời gian, thuật toán quy chuyển véc tơ cạnh từ tâm pha ăng ten tâm mốc trắc địa - Đề xuất ứng dụng thuật toán sử dụng phép lọc Kalman xử lý số liệu GNSS - Đề xuất ứng dụng phương pháp tính trọng số cách ước lượng phương sai nguồn sai số trị đo theo tiêu chuẩn RTCA - Dựa thuật toán đề xuất, sử dụng ngơn ngữ lập trình VB.net để xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS từ định dạng RINEX CHƯƠNG TRỊ ĐO GNSS VÀ VẤN ĐỀ HIỆU CHỈNH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐỐI VỚI TRỊ ĐO 2.1 Trị đo GNSS - Công thức xác định trị đo khoảng cách giả theo mã Pji (t) = ρi (t) + cδt(t) + Iij (t) + Tji (t) + εij (t) (2.1) - Công thức xác định trị đo pha sóng tải Φsr,j (t)=ρsr (t,t-τsr )+Isr,j (t)+Trs (t)+c(dt r (t)-dts (t-τsr )+δr,j (t)+δs,j (t-τsr )+λ j Nsr,j +εsr,j (t) (2.2) - Công thức xác định trị đo doppler D= dρsr (t r ,t e ) dβ -f + δf + ε λdt dt (2.3) Trong công thức (2.1), (2.2), (2.3): i khoảng cách hình học từ máy thu tới vệ tinh thứ i t sai số đồng hồ bao gồm sai số đồng hồ máy thu sai số đồng hồ vệ tinh I ảnh hưởng tầng điện ly trị đo T ảnh hưởng tầng đối lưu trị đo  bước sóng sóng tải N số nguyên lần bước sóng (hay gọi số nguyên đa trị) f tần số sóng tải εij ảnh hưởng nguồn sai số khác trị đo như: - Số hiệu chỉnh độ lệch ăng ten máy thu - Số hiệu chỉnh độ lệch ăng ten vệ tinh - Số hiệu chỉnh độ trễ phần cứng (DCB) máy thu, vệ tinh - Số hiệu chỉnh ảnh hưởng tượng đa đường dẫn Từ cơng thức thấy rằng, tất yếu tố tham gia vào giải toán định vị tọa độ vệ tinh, trị đo số hiệu chỉnh cho trị đo liên tục thay đổi (là hàm) thời gian Do xử lý số liệu GNSS, vấn đề xác định thời điểm đồng hóa thời gian cơng việc quan trọng Bên cạnh đó, vấn đề hiệu chỉnh loại trừ ảnh hưởng nguồn sai số định đến chất lượng giải tốn định vị Từ thấy rằng, cần thiết phải nghiên cứu chất trị đo, phương pháp giảm thiểu loại trừ ảnh hưởng nguồn sai số trị đo vấn đề đồng hóa thời gian 2.2 Các nguồn sai số trị đo GNSS biện pháp khắc phục 13 - Sử dụng kết hợp trị đo khoảng cách giả theo mã trị đo pha sóng tải - Sử dụng lịch vệ tinh xác sản phẩm cung cấp từ internet - Tính đến số hiệu chỉnh như: Tải trọng đại dương, sức tải khí quyển, di chuyển cực Trái Đất, số ảnh hưởng ảnh hưởng địa triều - Đưa thêm tham số độ trễ tầng đối lưu theo phương thiên đỉnh, số hiệu chỉnh tầng điện ly … vào giải với ẩn số khác biết Hệ phương trình tuyến tính giải tốn PPP viết dạng: y = Gx (óa10)   R1C - ρ10 + cδt1 - Tr01  1 1   ΦC - ρ0 + cδt - Tr0 - λ N w   y=    n n n n R C - ρ0 + cδt - Tr0    Φ n - ρ n + cδt n - Tr n - λ w n  C 0 N    x - x1   ρ0  x - x1   ρ0    x0 - xk  k  ρ0 G=  k  x0 - x k  ρ0    x - xn  n  ρ0  n  x0 - x  ρn  (3.11) y0 - y1 ρ10 z - z1 ρ10 M1wet y0 - y1 ρ10 z - z1 ρ10 M1wet y0 - yk ρ0k z0 - zk ρ0k M kwet y0 - yk ρ0k z0 - zk ρ0k k wet M y0 - yn ρ0n z0 - zn ρ0n M nwet y0 - yn ρ0n z0 - zn ρ0n M nwet x =  dx dy dz cδt R ΔTrz,wet                      B1C BCk BCn  T (3.12) (3.13) 3.2 Bài toán định vị tương đối 3.2.1 Hiệu trị đo - Hiệu đơn: Dùng để xác định lời giải ban đầu giải toán RTK - Hiệu kép: Dùng để giải toán định vị tương đối tĩnh lời giải cuối giải toán RTK - Hiệu bội 3: Sử dụng để giải cạnh, phát hiệu chỉnh tượng trượt chu kỳ 3.2.2 Thuật toán định vị tương đối tĩnh Xuất phát từ phương trình hiệu bậc trị đo, viết phương trình số hiệu chỉnh: 14 jk jk jk jk jk jk VAB (t)=a XB (t)dX B +a YB (t)dYB +a ZB (t)dZB +λN AB -lAB (t) (3.14) Hệ phương trình số hiệu chỉnh dạng ma trận viết sau: V = BXB + AXN + L, P Trong đó:  A1  A   A=       A n t  dX B  X B =  dYB   dZB   B1  B  B=        Bn t  ; ; ; (3.15) λ    λ  Ai =      λ  (n -1)(n -1)  j j j1  N AB   j2  N X N =  AB     j,k   N AB  (n j -1),1 j1 a XB  j2 a Bi =  XB   jk a XB j1 a YB j2 a YB jk a YB j1  a ZB j2  a ZB   jk  a ZB  3,(n -1) j 3.2.3 Vấn đề ước lượng phương sai 3.2.4 Quy chuyển véc tơ cạnh từ tâm ăng ten tâm mốc trắc địa a Công thức tính hiệu chỉnh độ cao ăng ten cơng bố - PGS.TSKH Hà Minh Hòa tính hiệu chỉnh độ cao ăng ten cho trị đo tệp trị đo đơn chưa xét đến độ lệch biến thiên tâm pha ăng ten máy thu - Trong phần mềm RTKLib cơng bố cách tính hiệu chỉnh độ cao, độ lệch tâm pha biến thiên tâm pha ăng ten máy thu cho trị đo b Đề xuất công thức quy chuyển véc tơ cạnh từ tâm ăng ten tâm mốc trắc địa 15 Hình 3.1 Chiều cao ăng ten máy thu hai điểm M1 M2 Tọa độ tâm pha ăng ten A1 máy thu đặt M1 tâm pha ăng ten A2 máy thu đặt điểm M2 hệ tọa độ địa diện là: x2     x1     y  =    y  =    2    1    z   h   z1   h1  (3.16) Thành phần độ lệch tâm pha ăng ten chuyển từ hệ tọa độ địa diện sang hệ tọa độ địa tâm hai điểm M1, M2 : δx  δx1  0 0 cosB1cosL1  cosB2cosL2   δy  = R   = h  cosB sinL   δy  = R   = h  cosB sinL   1  1 2 1  2  1    δz   δz1   h   h1   sinB1   sinB2  (3.17) Với: -sinB1cosL1 -sinL1 cosB1cosL1  -sinB2cosL2   R1 =  -sinB1sinL1 cosL1 cosB1sinL1  R =  -sinB2sinL  cosB1  cosB2 sinB1  -sinL cosL cosB2cosL  cosB2sinL  sinB2  Như số cải vào thành phần véc tơ cạnh (xác định hệ địa tâm) để chuyển từ hai tâm ăng ten hai tâm mốc trắc địa là: θx12  δx  δx1  cosB2cosL  cosB1cosL1  θy  =  δy  -  δy  = h  cosB sinL  - h  cosB sinL   2 1 1  12       θz12   δz   δz1   sinB2   sinB1  (3.18) Ký hiệu thành phần véc tơ cạnh hệ địa tâm hai tâm pha ăng ten X12, Y12, Z12 tính véc tơ cạnh hệ địa tâm chuyển hai tâm mốc theo công thức: 16 ΔX12  ΔX12  θx12         ΔY12  =  ΔY12  + θy12   ΔZ12   ΔZ12   θz12  (3.19) 3.2.5 Thuật toán định vị tương đối động Tại thời điểm cần xác định véc tơ ẩn số có dạng sau: X =  rrT vTr B1T B5T  BT2 T (3.20) Để giải ẩn số nêu trên, sử dụng phương trình trị đo: y =  Φ1T ΦT2 Φ5T P1T P2T P5T  T (3.21) Với ma trận liên hệ:  -DE   -DE h(x)  -DE H(x) = = x  -DE  -DE   -DE λ1D 0   0 λ2D  0 λ5D   0 0  0 0   0 0  (3.22) Ma trận sai số trị đo:  DR Φ,1DT    R=       DR Φ,2 D T DR Φ,5 DT DR P,1DT DR P,2 DT         DR P,5 DT  (3.23) Để xác định giá trị tiên nghiệm, cần xác định ma trận chuyển trạng thái nhiễu trạng thái Ma trận chuyển trạng thái xác định sau: k+1 k F  I3x3  =   I3x3 τ r I3x3    I(3m-3)(3m-3)  (3.24) Ma trận nhiễu trạng thái: Q k+1 k  03x3  =   Qv    0(3m-3)(3m-3)  (3.25) 17 Sau giải nghiệm theo chu trình Kalman nghiệm thực ma trận trọng số là:  ˆ  = GX ˆ (+) = rˆ T X k k r vˆ Tr Q Pk = GPk (+)G T =  R  QRN  (3.26) QNR   QN  (3.27) ˆT N T Tiến hành tìm kiếm số nguyên đa trị theo công thức: ˆ TQ-1 (N - N)) ˆ N = argmin ((N - N) N NZ (3.28) Nghiệm số nguyên đa trị tìm kiếm (3.173) công nhận thỏa mãn điều kiện sau:  N - Nˆ  R=  N - Nˆ  T ˆ Q-1N (N - N) T ˆ Q (N - N) -1 N > R thres (3.29) Và xác định nghiệm cố định:  rr   rˆr  -1 ˆ   =  ˆ  - QRN Q N (N - N) v v  r  r 3.3 Giải số nguyên đa trị Để xác định (giải) số nguyên đa trị, có phương pháp sau: - Phương pháp làm tròn số nguyên đa trị (IR) - Phương pháp làm tròn có điều kiện (IB) - Phương pháp bình phương số nguyên nhỏ (ILS) (3.30) 18 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS VÀ TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình Tác giả lựa chọn ngôn ngữ Visual Studio.NET để xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dựa thuật toán lựa chọn 4.2 Thiết kế phần mềm 4.2.1 Nguyên tắc chung thiết kế phần mềm 4.2.2 Giới thiệu chương trình tính lập Chương trình tính tác giả lập có giao diện sau: Hình 4.1 Giao diện chương trình a Mơ đun quản lý: Khi chạy chương trình, chương trình tạo thư mục để lưu trữ số liệu đầu vào kết tính tốn b Mô đun nhập số liệu: Cho phép nhập nhiều loại liệu tệp thông tin trị đo, tệp lịch vệ tinh quảng bá, tệp lịch vệ tinh xác, tệp thông tin ăng ten vệ tinh ăng ten máy thu, tệp thông tin di chuyển cực Trái đất, tệp hệ số triều, tệp IONEX, tệp DCB tệp định nghĩa khác c Mô đun định vị tuyệt đối: Mô đun cho phép lựa chọn giải toán SPP PPP Giao diện chọn giải toán SPP cho hình 4.2, hình 4.3 giao diện lựa chọn giải toán PPP giao diện chương trình giải tốn định vị tương đối hình 4.4 19 Hình 4.2 Giao diện chọn giải tốn SPP Hình 4.3 Giao diện chọn giải tốn PPP Hình 4.4 Giao diện chọn giải tốn định vị tương đối d Mơ đun xử lý cạnh: Cho phép lựa chọn phương pháp giải cạnh theo phương pháp khác 20 Chương trình cho phép lựa chọn nhiều giải pháp để tính số hiệu chỉnh cho trị đo, lựa chọn loại lịch vệ tinh, phương pháp tính trọng số phương pháp giải tốn Bên cạnh đó, chương trình tính tọa độ điểm dạng tọa độ vng góc phẳng hệ tọa độ VN-2000 4.3 Kết tính thực nghiệm định vị tuyệt đối Số liệu thực nghiệm số liệu đo dạng RINEX điểm DANP (Hà Nội), KUNM (Trung Quốc) PIMO (Philippin) đo vào ngày 25 tháng năm 2009 Tọa độ điểm cung cấp IGS (đối với điểm PIMO, KUNM) tính cách xử lý mạng lưới phần mềm Bernese 5.0 (điểm DANP) Sử dụng chương trình tính tác giả giải toán định vị tuyệt đối theo phương án: - Phương án (PA1): Giải toán định vị tuyệt đối theo nguyên lý số bình phương nhỏ sử dụng trị đo P1, lịch vệ tinh quảng bá - Phương án (PA2): Giải toán định vị tuyệt đối sử dụng phép lọc Kalman, trị đo P1, lịch vệ tinh quảng bá - Phương án (PA3): Giải toán định vị tuyệt đối theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất, trị đo P1 lịch vệ tinh xác - Phương án (PA4): Giải toán định vị tuyệt đối sử dụng phép lọc Kalman, trị đo P1 lịch vệ tinh xác, phương pháp tính trọng số hàm góc cao - Phương án (PA5): Giải toán định vị tuyệt đối sử dụng phép lọc Kalman, trị đo P1 lịch vệ tinh xác, phương pháp tính trọng số theo tiêu chuẩn RTCA - Phương án (PA6): Giải toán định vị tuyệt đối sử dụng phép lọc Kalman, trị đo L1 trị đo P1, lịch vệ tinh xác, phương pháp tính trọng số theo tiêu chuẩn RTCA Sau xác định tọa độ điểm, tính độ lệch vị trí điểm thống kê phần trăm độ lệch vị trí điểm cho bảng sau: Bảng 4.1 Thống kê phần trăm độ lệch vị trí điểm tính theo phương án Phần trăm độ lệch (m) TT Tên điểm DANP dp  0,5 19 0,5 < 1,0 < 1,5 < 2,0 < 2,5 < 3,0 < dp  dp  dp  dp  dp  dp  1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 41 27 10 02 01 21 KUNM 21 40 29 09 PIMO 42 39 13 06 01 Bảng 4.2 Thống kê phần trăm độ lệch vị trí điểm tính theo phương án Phần trăm độ lệch (m) TT Tên điểm dp  0,5 < 1,0 < 1,5 < 2,0 < 2,5 < 3,0 < dp  dp  dp  dp  dp  dp  1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0,5 DANP 36 37 19 06 02 KUNM 20 35 21 16 06 PIMO 49 32 14 04 01 02 Bảng 4.3 Thống kê phần trăm độ lệch vị trí điểm tính theo phương án Phần trăm độ lệch (m) TT Tên điểm dp  0,5 < 1,0 < 1,5 < 2,0 < 2,5 < 3,0 < dp  dp  dp  dp  dp  dp  1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 03 0,5 DANP 53 27 12 05 KUNM 39 36 20 05 PIMO 53 30 12 04 01 Bảng 4.4 Thống kê phần trăm độ lệch vị trí điểm tính theo phương án TT Tên điểm Phần trăm độ lệch vị trí (m) Trị đo sử dụng dp  0,5 0,5 < dp  1,0 < dp  1,5 < dp  1,0 1,5 2,0 100 DANP L1-P1 85 100 KUNM L1-P1 57 97 PIMO L1-P1 42 99 100 Từ số liệu bảng 4.2 bảng 4.3 cho thấy, sử dụng cách tính trọng số cách ước lượng phương sai theo tiêu chuẩn RTCA có hiệu so với phương pháp tính trọng số theo hàm góc cao vệ tinh thể qua phần trăm độ lệch vị trí điểm Đây minh chứng chứng minh cho luận điểm luận án Theo thông tư 24/2010/TT-BTNMT ngày 27 tháng 10 năm 2010 “Quy định đo đạc, thành lập đồ địa hình đáy biển máy đo sâu hồi âm đa tia” Bộ 22 trưởng Bộ Tài nguyên Môi trường phải sử dụng máy thu DGPS có độ xác mặt 3m Đối chiếu với kết cho bảng 4.9 bảng 4.10 thấy, chương trình xử lý số liệu GNSS xây dựng cho phép xử lý sau toán định vị tuyệt đối có độ xác tương đương định vị vi phân (DGPS) biển ứng dụng công nghệ đo sâu hồi âm đa tia thành lập đồ địa hình đáy biển Đây minh chứng chứng minh cho luận điểm luận án 4.4 Kết tính thực nghiệm định vị tương đối Số liệu dùng để tính thực nghiệm định vị tương đối số liệu hai cạnh với chiều dài xấp xỉ 300 m km Kết tính thực nghiệm cho bảng sau: Bảng 4.5 Véc tơ cạnh xác định tâm pha ăng ten Giá trị xác định Tên cạnh Điểm đầu Điểm cuối IIA IIB M4 SDLK18 X (m) Y (m) Z (m) S (m) 272.257 101.906 -40.746 293.545 -1158.869 -869.666 1373.561 1996.488 Số hiệu chỉnh chiều cao ăng ten tính theo cơng thức đề xuất tác giả: Bảng 4.6 Kết tính số hiệu chỉnh độ cao ăng ten Tên cạnh Điểm đầu Số hiệu chỉnh vào thành phần hiệu tọa độ (m) Điểm cuối X Y Z IIA IIB 0.060 0.191 0.077 M4 SDLK18 -0.093 0.329 0.130 Bảng 4.7 Kết tính cạnh tâm mốc Giá trị xác định Tên cạnh Điểm đầu Điểm cuối IIA IIB M4 SDLK18 X (m) Y (m) Z (m) S (m) 273.197 102.097 -40.669 294.473 -1158.962 -869.337 1373.691 1996.489 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN a Với mục tiêu xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS từ định dạng RINEX, tác giả nghiên cứu trình bày tường minh loại định dạng liệu Nắm định dạng RINEX cách tường minh để xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh không xử lý số liệu đo GNSS nhiều loại máy thu khác (mà khơng cần biết định dạng tín hiệu máy thu) mà góp phần chủ động ứng dụng cơng nghệ GNSS Việt Nam b Đề tài làm rõ ý nghĩa tác dụng số hiệu chỉnh cho trị đo GNSS nhằm nâng cao độ xác định vị, sở đề xuất số thuật toán sau: - Thuật toán đồng thời gian đạo hàm bậc khoảng cách theo thời gian - Thuật tốn tính chuyển chiều dài cạnh từ tâm ăng ten tâm mốc trắc địa - Đề xuất ứng dụng phương pháp ước lượng phương sai để tính trọng số cho trị đo phép lọc Kalman xử lý số liệu GNSS - Đề xuất thuật toán giải toán định vị tuyệt đối trường hợp nhảy đồng hồ máy thu - Đề xuất ứng dụng thuật toán ước lượng phương sai theo tiêu chuẩn RTCA để giải toán định vị tuyệt đối động c Trên sở thuật toán lựa chọn, sử dụng ngơn ngữ lập trình Visual Studio.NET, tác giả xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh với chức sau: - Nhập liệu - Giải toán định vị tuyệt đối - Giải toán định vị tương đối Sử dụng chương trình lập được, tiến hành tính thực nghiệm giải toán định vị tuyệt đối tốn định vị tương đối d Qua kết tính thực nghiệm toán định vị tuyệt đối, rút số kết luận sau: - Khi giải tốn định vị tuyệt đối, tính trọng số phương pháp ước lượng phương sai theo số hiệu chỉnh trị đo theo tiêu chuẩn RTCA cho độ xác cao phương pháp tính trọng số hàm góc cao vệ tinh (với mức cải thiện độ xác từ vài phần trăm trở lên) 24 - Sử dụng kết hợp trị đo pha sóng trường hợp khơng có trượt chu kỳ kết hợp với trị đo khoảng cách giả theo mã cho độ xác cao phương án sử dụng trị đo khoảng cách giả theo mã - Chương trình xử lý số liệu GNSS xây dựng cho phép xử lý sau tốn định vị tuyệt đối có độ xác tương đương định vị vi phân (DGPS) phục vụ định vị biển e Kết tính thực nghiệm định vị tương đối chứng minh tính đắn thuật toán hiệu chỉnh độ cao ăng ten máy thu mà tác giả đề xuất KIẾN NGHỊ Trong thời gian tới, cần tiếp tục nghiên cứu xử lý số liệu GNSS theo hướng sau: - Nghiên cứu phương pháp phát hiệu chỉnh trượt chu kỳ cho tệp trị đo đơn (đặc biệt phát hiệu chỉnh trượt chu kỳ tức thời) nhằm nâng cao độ xác tốn định vị sử dụng trị đo pha sóng tải - Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện phương pháp giải tốn định vị tuyệt đối xác (PPP) - Giải toán định vị tương đối tức thời RTK tiến tới nghiên cứu thành lập chương trình xử lý số liệu GNSS trực tuyến CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Tiếng Việt Đặng Nam Chinh, Nguyễn Gia Trọng (2006), “So sánh quỹ đạo vệ tinh GPS xác định theo lịch quảng bá lịch xác”, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị khoa học lần thứ 17 Trường Đại học Mỏ - Địa chất, 5, 13 - 21 Nguyễn Duy Đô, Nguyễn Gia Trọng (2007), “Xác đinh tọa độ tuyệt đối điểm định vị theo trị đo khoảng cách giả từ tệp RINEX”, Tạp chí Địa (2), 22 - 26 Nguyễn Gia Trọng (2007), Báo cáo tổng kết khoa học công nghệ đề tài “Khảo sát thay đổi yêu tố quỹ đạo vệ tinh GPS”, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Nguyễn Gia Trọng, Nguyễn Thị Mai Anh (2008), “Nội suy tọa độ vệ tinh từ lịch vệ tinh xác sử dụng hàm Lagrange với số bậc khác nhau”, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị khoa học lần thứ 18 Trường Đại học Mỏ - Địa chất, 5, 118 - 122 Nguyễn Gia Trọng, Nguyễn Viết Nghĩa, Võ Ngọc Dũng (2009), “Đánh giá độ xác xác định cạnh dài sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35 Bernese 5.0 dựa vào số liệu IGS”, Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học Đo đạc Bản đồ Việt Nam nghiệp xây dựng bảo vệ tổ quốc, 119 - 125 Đặng Nam Chinh, Nguyễn Gia Trọng (2010), “Ảnh hưởng khúc xạ tầng đối lưu đến kết định vị tuyệt đối khoảng cách giả”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (30), 53 - 57 Nguyễn Gia Trọng (2010), Báo cáo tổng kết khoa học công nghệ đề tài “Nghiên cứu, đề xuất phương pháp xử lý số liệu lưới quan trắc địa động Việt Nam theo mơ hình động” - B2009-02-73 Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Dương Vân Phong, Nguyễn Gia Trọng (2011), “Ảnh hưởng tầng điện ly xử lý số liệu lưới GPS cạnh ngắn sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (33), 85 - 90 Nguyễn Gia Trọng, Vũ Văn Trí, Nguyễn Minh Hiếu, Nguyễn Thị Trần An (2011), “Làm mượt chuỗi giá trị TVEC xác định trị đo GPS theo cơng thức đơn giản”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (34), 73 - 77 10 Dương Vân Phong, Nguyễn Gia Trọng, Phạm Ngọc Quang (2011), “So sánh vận tốc chuyển dịch thành phần tọa độ điểm từ kết bình sai kết hợp số liệu đo lưới GPS nhiều chu kỳ trường hợp có khơng có điểm cố định”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (34), 50 - 53 11 Nguyễn Gia Trọng (2011), “Đề xuất phương pháp xử lý kết hợp số liệu đo GPS nhiều chu kỳ”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (35), 48 - 54 12 Nguyễn Viết Nghĩa, Nguyễn Gia Trọng (2012), “So sánh kết xử lý số liệu lưới quan trắc dịch động bờ mỏ theo phương án sử dụng tần số hai tần số”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (39), 50 - 54 13 Nguyễn Gia Trọng, Vũ Văn Trí, Phạm Ngọc Quang (2013), “Thuật tốn tính cạnh sử dụng trị đo khoảng cách giả theo mã”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (41), 75 - 80 14 Nguyễn Gia Trọng, Nguyễn Văn Cương (2013), “Một số phương pháp nội suy trị đo GNSS ứng dụng”, Tạp chí Khoa học Đo đạc Bản đồ (17), 35 - 41 15 Dương Vân Phong, Nguyễn Gia Trọng, Phạm Ngọc Quang (2014), “So sánh tọa độ vệ tinh nội suy từ số tệp lịch vệ tinh xác ảnh hưởng đến kết giải toán định vị tuyệt đối”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (46), 85 - 89 16 Phạm Ngọc Quang, Nguyễn Gia Trọng, Lê Thị Thanh Tâm, Lê Thị Tuyết Nhung (2015), “So sánh kết phát trượt chu kỳ từ tệp trị đo GNSS theo số phương pháp khác nhau”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (49), 100 - 104 17 Phạm Văn Chung, Nguyễn Gia Trọng, Phạm Ngọc Quang (2016), “Bàn số hiệu chỉnh độ lệch tâm pha ăng ten trị đo giải toán định vị vệ tinh”, Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ (1), 38 - 40 18 Nguyễn Gia Trọng (2016), Báo cáo tổng kết khoa học công nghệ đề tài “Nghiên cứu giải pháp xử lý số liệu phục vụ ứng dụng mạng lưới trạm quan sát vệ tinh liên tục (CORS) Việt Nam”, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 19 Nguyễn Gia Trọng (2017), “Một số giải pháp nâng cao độ xác giải tốn định vị tuyệt đối thơng thường (SPP)”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (số 58 - kỳ 1), 92 - 98 20 Đặng Nam Chinh, Nguyễn Gia Trọng, Nguyễn Văn Cương (2017), “Tính tốn để quy chuyển véc tơ cạnh từ tâm pha anten máy thu tâm mốc trắc địa”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất (số 58 - kỳ 2), 115 - 120 21 Dương Thành Trung, Đỗ Văn Dương, Nguyễn Gia Trọng, Lã Phú Hiến (2017), Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GNSS ứng dụng, Nhà xuất Tài nguyên - Môi trường Bản đồ Việt Nam, Hà Nội, ISBN: 9786049521522 Tiếng Anh Đặng Nam Chinh, Nguyễn Gia Trọng (2010), Determination of coordinates transformation parameters between Vietnam reference coosdinate system (VN-2000) and ITRF2005, International Mining Conference “Advanced mining for sustainable development”, Quảng Ninh Đặng Nam Chinh, Nguyễn Gia Trọng, Phạm Ngọc Quang (2015), “Cycle slip detection for observation data of single frequency and double frequency receiver”, Second international conference on Scientific research cooperation between Vietnam and Poland in Earth science, 144 - 151 Nguyễn Gia Trọng, Phạm Ngọc Quang, Lê Thị Thanh Tâm (2015), “A few methodss to smooth the code pseudo-range observation for improving the accuracy of satellite positioning problems”, Second international conference on Scientific research cooperation between Vietnam and Poland in Earth science, 201 - 207 Nguyễn Gia Trọng, Phạm Ngọc Quang (2016), “Comparing the results of ambiguity resolution by some methods”, International symposium on Geo-spartial and mobile mapping technologies and summer school for mobile mapping technology (GMMT2016), 202 - 205 Gia Trong Nguyen, Ngoc Quang Pham, Nam Chinh Dang, Van Cuong Nguyen, Dieu Bui Tien (2016), “GNSS-HUMGAdj – Software for Processing of Global Navigation Satellite System Data for Surveying and Mapping”, 16th international congress for Mine surveying, Brisbane, Australia, page 91 - 95 Nguyen Gia Trong, Dang Nam Chinh, Pham Ngoc Quang, Nguyen Viet Nghia (2017), “A comparison of GNSS baseline results processed by different methods of adjusting receiver antenna height”, Geo-Spartial techlonogies and Earth resources (GTER-2017), page 253-260 Nguyen Gia Trong, Pham Ngoc Quang, Nguyen Van Cuong, Nhu Van Thanh (2017), “Processing GNSS baseline using triple difference”, Geo-Spartial techlonogies and Earth resources (GTER-2017), page 295 - 300 ... sai số trị đo GNSS; Thuật toán giải toán định vị vệ tinh; Phương pháp xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS - Phạm vi nghiên cứu: Thuật toán giải toán định vị vệ tinh từ liệu RINEX; Độ xác định. .. giải toán định vị tuyệt đối định vị tương đối; Xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh từ định dạng RINEX Nội dung nghiên cứu: Các trị đo công nghệ GNSS định dạng liệu; Ảnh hưởng nguồn... luận xây dựng thuật toán xử lý liệu GNSS dạng RINEX phục vụ lập trình giải toán định vị vệ tinh Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu luận án ứng dụng để xử lý liệu GNSS dạng RINEX nội dung định vị