báo cáo bài tập lớn định vị vệ tinh GPS đại học bách khoa hồ chí minh

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Bộ môn Địa Tin Học - khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM, điều kiện thuận lợi để em có hội học môn Định vị vệ tinh GPS Việc tiếp xúc làm quen với mơn học có ý nghĩa sinh viên chúng em, tạo điều kiện cho chúng em sử dụng phần mềm ứng dụng có thêm nhiều kiến thức liên quan đến mơn học, giúp sinh viên chúng em không bỡ ngỡ làm việc môi trường thực tế Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Ngọc Lâu tận tình hướng dẫn bảo em suốt trình học tập, dạy cho em học bổ ích cho em lời dẫn quý báo để em hồn thành báo cáo Bên cạnh đó, em xin cảm ơn thầy Trịnh Đình Vũ tận tình giải đáp thắc mắc chúng em, giới thiệu hướng dẫn chúng em sử dụng phần mềm phục vụ cho môn học, giúp chúng em có thơng tin hay hữu ích q trình học tập làm báo cáo Cuối cùng, em biết báo cáo có điểm chưa xác cịn nhiều thiếu sót Em mong thầy nhận xét đưa đóng góp để báo cáo hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2016 MỤC LỤC BÀI TẬP LỚN SỐ 1: TÍNH TỌA ĐỘ VỆ TINH I YÊU CẦU: II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 1 Cơ sở lý thuyết Phương pháp tính Sơ đồ khối III CÁCH THỰC HIỆN 10 Các bước thực 10 Chương trình giải thuật (các chương trình con) 11 Tiến hành chạy chương trình 13 IV KẾT QUẢ & NHẬN XÉT 15 Kết 15 Nhận xét 39 BÀI TẬP LỚN SỐ 2: XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO GEOID SO VỚI SPHEROID VN2000 TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM 40 I YÊU CẦU: 40 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 40 Cơ sở lý thuyết 40 Phương pháp tính 44 Sơ đồ khối 45 III CÁCH THỰC HIỆN 45 Các bước thực 45 Tiến hành chạy chương trình 48 IV KẾT QUẢ & NHẬN XÉT 48 Kết 48 Nhận xét 52 BÀI TẬP LỚN SỐ 3: TÍNH TỌA ĐỘ TRẠM ĐO 54 I YÊU CẦU: 54 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 54 Cơ sở lý thuyết 54 Phương pháp tính 63 Sơ đồ khối 64 III CÁCH THỰC HIỆN 65 Các bước thực 65 Chương trình giải thuật ( chương trình con) 66 Tiến hành chạy chương trình 67 IV KẾT QUẢ & NHẬN XÉT 68 Kết 68 Kết luận 74 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu trúc lịch phát tín theo định dạng RINEX Hình 1.2: Sơ đồ tính tọa độ vệ tinh theo cách tính thuận .4 Hình 1.3: Sơ đồ tính tọa độ vệ tinh theo cách tính ngược Hình 1.4 Sơ đồ khối cách tính thuận Hình 1.5: Sơ đồ khối cách tính nghịch Hình 1.6 Sơ đồ khối cách tính kết hợp Hình 1.7 Sơ đồ khối đánh giá độ xác 10 Hình 1.8: kết xuất tọa độ vệ tinh PRN05 tính theo cách tính thuận 18 Hình 1.9: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN09 tính theo cách tính thuận .19 Hình 1.10: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN11 tính theo cách tính thuận .19 Hình 1.11: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN02 tính theo cách tính nghịch 23 Hình 1.12: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN09 tính theo cách tính nghịch 23 Hình 1.13: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN11 tính theo cách tính nghịch 24 Hình 1.14: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN02 tính theo cách tính kết hợp 27 Hình 1.15: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN05 tính theo cách tính kết hợp 28 Hình 1.16: Kết xuất tọa độ vệ tinh PRN11 tính theo cách tính kết hợp 28 Hình 1.17: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính thuận PRN02 29 Hình 1.18: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính thuận PRN05 30 Hình 1.19: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính thuận PRN09 30 Hình 1.20: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính thuận PRN11 31 Hình 1.21: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính nghịch PRN02 .32 Hình 1.22: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính nghịch PRN05 .33 Hình 1.23: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính nghịch PRN09 .33 Hình 1.24: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính nghịch PRN11 .34 Hình 1.25: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính kết hợp PRN02 34 Hình 1.26: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính kết hợp PRN05 35 Hình 1.27: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính kết hợp PRN09 35 Hình 1.28: Kết xuất độ lệch so với IGS theo cách tính kết hợp PRN11 36 Hình 1.30: Sai số theo phương X vệ tinh (PRN02,PRN05,PRN09,PRN11) 37 Hình 1.31: Sai số theo phương Y vệ tinh (PRN02,PRN05,PRN09,PRN11) 38 Hình 1.32: Sai số theo phương Z vệ tinh (PRN02,PRN05,PRN09,PRN11) 39 Hình 2.1: Minh họa cao độ Geoid 41 Hình 2.2: Cao độ Geoid phạm vi toàn cầu 42 Hình 2.3: Mối quan hệ mặt Spheroid Geoid 42 Hình 2.4: Cấu trúc file Grid_WGS84_15x15.txt 46 Hình 2.5: Giao diện cho phép thao tác với Alltrans EGM2008 Calculator 47 Hình 2.6: Bảng giá trị NWGS84 .49 Hình 2.7: Mơ hình độ cao NWGS84 .50 Hình 2.8: Bảng giá trị NVN2000 51 Hình 2.9: Mơ hình độ cao NVN2000 52 Hình 3.1: Phần đầu file Observation 54 Hình 3.2: Mối quan hệ thời gian phát thu tín hiệu 55 Hình 3.3: Ảnh minh họa đường truyền bị bẻ cong .57 Hình 3.4: Mơ tả góc cao vệ tinh 61 Hình 3.5: Tính góc cao vệ tinh 62 Hình 3.6: Sơ đồ khối 64 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các tham số bảng lích phát tín Bảng 1.2: Kết chương trình đánh giá độ xác .14 Bảng 1.3: Thống kê tọa độ vệ tinh PRN02 tính theo cách tính thuận theo 96 thời điểm 15 Bảng 1.4: Thống kê tọa độ vệ tinh PRN05 tính theo cách tính nghịch theo 96 thời điểm 20 Bảng 1.5: Thống kê tọa độ vệ tinh PRN09 tính theo cách tính kết hợp theo 96 thời điểm 24 Bảng 1.6: Sai số trung phương xác định tọa độ theo phương 36 Bảng 2.1: Bảng thống kê Nmax, Nmin mơ hình WGS84 50 Bảng 2.2: Bảng thống kê Nmax, Nmin mơ hình VN2000 .52 Bảng 3.1: Tọa độ máy thu 96 thời điểm ngày tính từ vệ tinh 68 Bảng 3.2: Tọa độ máy thu 96 thời điểm ngày tính từ vệ tinh 71 Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu BÀI TẬP LỚN SỐ 1: TÍNH TỌA ĐỘ VỆ TINH I YÊU CẦU: - Mỗi sinh viên chép lịch phát tín từ website www://sopac.ucsd.edu - Chọn vệ tinh để tính tọa độ - Viết chương trình tính toạ độ vệ tinh theo 15 phút chẳn từ 00:00:00 đến 23:45:00 ngày - Yêu cầu tính tọa độ vệ tinh theo sơ đồ sau: 0h 2h 4h 24h II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Cơ sở lý thuyết  Bản lịch phát tín nội dung quan trọng thông báo hàng hải, nhằm cung cấp cho người sử dụng thông tin cần thiết để xác định toạ độ vệ tinh thời điểm đo Hình 1.1: Cấu trúc lịch phát tín theo định dạng RINEX Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu  Các tham số lịch phát tín Bảng 1.1: Các tham số bảng lích phát tín 𝑃𝑅𝑁 Số hiệu vệ tinh Các tham số thời gian 𝑡0𝑒 Thời gian tham khảo lịch 𝑡0𝑐 Thời gian tham khảo đồng hồ vệ tinh 𝑎0 , 𝑎1 , 𝑎2 Các hệ số đa thức để tính số hiệu chỉnh đồng hồ Các phần tử Kepler 𝑖 Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo Ω Hồng kinh điểm thăng 𝑎 Bán trục dài elipse quỹ đạo 𝑒 Tâm sai elipse quỹ đạo 𝜔 Góc cận điểm 𝑡0 Thời điểm vệ tinh qua cận điểm Các tham số nhiễu lịch Δ𝑛 Hiệu chuyển động trung bình với giá trị tính Ω Tốc độ thay đổi điểm thăng 𝑖 Tốc độ thay đổi góc nghiêng 𝐶𝑢𝑠 Biên độ số hiệu chỉnh điều hoà sin vào đối số vĩ độ 𝐶𝑢𝑐 Biên độ số hiệu chỉnh điều hoà cosin vào đối số vĩ độ 𝐶𝑖𝑠 Biên độ số hiệu chỉnh điều hồ sin vào góc nghiêng 𝐶𝑖𝑐 Biên độ số hiệu chỉnh điều hoà cosin vào góc nghiêng 𝐶𝑟𝑠 Biên độ số hiệu chỉnh điều hồ sin vào bán kính quỹ đạo Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu 𝐶𝑟𝑐 Biên độ số hiệu chỉnh điều hoà cosin vào bán kính quỹ đạo  Tính tọa độ vệ tinh từ lịch phát tín Các số (WGS84) 𝜇 = 3.986008 × 1014 𝑚3 /𝑠𝑒𝑐 Hằng số trọng trường trái đất Ω̇𝑒 = 7.292115147 × 10−5 𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑐 Vận tốc quay trung bình Trái Đất 𝜋 = 3.1415926535898 Số Pi Tính độ dời thực 𝑡𝑘 = 𝑡 − 𝑡𝑜𝑒 Thời gian tính từ chu kỳ tham khảo 𝜇 + ∆𝑛 𝑎3 Chuyển độ trung bình hiệu chỉnh 𝑛=√ Khoảng cách trung bình từ cận điểm đến 𝑡𝑘 𝑀𝑘 = 𝑀0 + 𝑛 𝑡𝑘 Tính lặp cho dị thường tâm sai 𝐸𝑘 Độ dời thực 𝑀𝑘 = 𝐸𝑘 − 𝑒𝑠𝑖𝑛𝐸𝑘 𝜐𝑘 = 𝑎𝑟𝑡𝑎𝑛 [ √1 − 𝑒 𝑠𝑖𝑛𝐸𝑘 ] 𝑐𝑜𝑠𝐸𝑘 − 𝑒 Đối số vĩ độ Đối số vĩ độ 𝜙𝑘 = 𝜐𝑘 + 𝜔 Số hiệu chỉnh 𝛿𝑢𝑘 = 𝐶𝑢𝑠 𝑠𝑖𝑛2𝜙𝑘 + 𝐶𝑢𝑐 𝑐𝑜𝑠2𝜙𝑘 Đối số vĩ độ hiệu chỉnh 𝑢𝑘 = 𝜙𝑘 + 𝛿𝑢𝑘 Bán kính quĩ đạo hiệu chỉnh Bán kính Vị trí quĩ đạo 𝑟𝑘 = 𝑎(1 − 𝑒 𝑐𝑜𝑠𝐸𝑘 ) + 𝐶𝑟𝑠 𝑠𝑖𝑛2𝜙𝑘 + 𝐶𝑟𝑐 𝑐𝑜𝑠2𝜙𝑘 𝑥𝑘 = 𝑟𝑘 𝑐𝑜𝑠𝑢𝑘 ; 𝑦𝑘 = 𝑟𝑘 𝑠𝑖𝑛𝑢𝑘 Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu VT3 Ɛ : góc cao vệ tinh VT2 VT1 ɛ3 ɛ2 ɛ1 Mặt phẳng ngang Hình 3.4: Mơ tả góc cao vệ tinh Chọn 𝑝0 = ma trận trọng số Pnxn thành lập sau: 𝑠𝑖𝑛𝜀1 0 𝑠𝑖𝑛𝜀2 𝑃=( ⋮ 0 ⋯ ⋯ 0 ⋮ ) ⋱ 0 𝑠𝑖𝑛𝜀𝑛 Tính góc cao vệ tinh 𝜀: Phạm Hải Như_81302829 61 Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu VT ρ1 ɛ MT ρ3 Mặt phẳng ngang ρ2 O Hình 3.5: Tính góc cao vệ tinh Theo hình vẽ, ta có: Áp dụng định lý cosin: 𝜌32 = 𝜌12 + 𝜌22 − 2𝜌1 𝜌2 cos(90 + 𝜀) Suy ra: 𝑠𝑖𝑛𝜀 = 𝜌32 −𝜌12 −𝜌22 2𝜌1 𝜌2 Tổng quát: 𝑠𝑖𝑛𝜀𝑖 = (𝑖) 𝜌3 2(𝑖) −𝜌12 −𝜌2 (𝑖) 2𝜌1 𝜌2 (𝑖) Với : 𝜌3 khoảng cách từ tâm trái đất đến VT thứ i Phạm Hải Như_81302829 62 Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu 𝜌1 khoảng cách từ tâm trái đất đến máy thu ( tinh theo tọa độ gần máy thu) (𝑖) 𝜌2 khoảng cách từ vệ tinh thứ i đến máy thu ( tính theo tọa độ gần máy thu) - Tọa độ máy thu tính sau: 𝑋𝑟 = 𝑋𝑟0 + 𝛿𝑋𝑟 𝑌𝑟 = 𝑌𝑟0 + 𝛿𝑋𝑟 𝑍𝑟 = 𝑍𝑟0 + 𝛿𝑋𝑟 Phương pháp tính - Sử dụng liệu từ file Observation ngày với file Navigation tập lớn số (15/9/2016) - Đọc liệu từ file Observation theo thời điểm cách 15’ - Tính tọa độ máy thu dựa theo công thức phần sở lý thuyết - Đánh giá độ xác kết định vị Phạm Hải Như_81302829 63 Định Vị Vệ Tinh GPS GVHD: Thầy Nguyễn Ngọc Lâu Sơ đồ khối Begin Tinh thuận tọa độ tất vệ tinh Tính nghịch tọa độ tất vệ tinh Tính kết hợp tọa đ`ộ tất vệ tinh Đọc liệu file OBS lấy vệ tinh cho 96 thời điểm end i=1 Xuất kết ghi vào file i