Nghiên cứu thiết kế trạm di động theo phương thức định vị chính xác RTK

MỞ ĐẦU Trong thời đại khoa học, kĩ thuật công nghệ phát triển nhƣ vũ bão, hàng loạt công nghệ đƣợc nghiên cứu, phát triển triển khai, đem lại giá trị vô to lớn Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) từ đời hỗ trợ ngƣời việc xác định vị trí, hƣớng đi, xây dựng loại đồ phục vụ nhiều mục đích khác Cùng với đó, yêu cầu ngày cao ngƣời sử dụng việc nâng cao tính xác dịch vụ thúc đẩy nhiều công nghệ đời: nhƣ định vị xác sử dụng hệ thống GNSS lƣỡng tần số; định vị xác sử dụng thu GPS mems IMU; định vị xác RTK Trong luận văn này, em xin trình bày đề tài Nghiên cứu thiết kế trạm di động theo phƣơng thức định vị xác RTK, theo đó, em xin trình bày vấn đề định vị RTK, phƣơng thức, thuật toán ứng dụng Trong q trình thực luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy giáo, bạn để luận văn em đƣợc hoàn thiện mang tính thực tế Qua đây, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thúy Anh thầy cô bạn hƣớng dẫn, bảo, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Điện tử Viễn thông hỗ trợ, tạo điều kiện cho em thời gian học tập Hà Nội , 02 tháng 04 năm 2015 Học viên thực Nguyễn Mạnh Đức MỤC LỤC MỞ ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI CAM ĐOAN TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 12 1.1 Phân hệ không gian 13 1.1.1 Chòm vệ tinh 13 1.1.2 Vệ tinh GPS 13 1.2 Phân hệ điều khiển 14 1.3 Phân hệ sử dụng 15 2.1 Giới thiệu 16 2.2 Tín hiệu GPS 16 2.2.1 Pha sóng mang GPS 16 2.2.2 Các mã GPS 17 2.2.3 Dịch tần Doppler 19 2.3 Các nguồn sai số 19 2.3.1 Sai số quỹ đạo 19 2.3.2 Sai số đồng hồ vệ tinh máy thu 20 2.3.3 Sai số khí 22 2.3.4 Độ lệch biến đổi tâm pha angten 27 2.3.5 Hiệu ứng đa tuyến 29 2.3.6 Nhiễu đo lƣờng 30 2.4 Các phép đo GPS 31 2.4.1 Các kết hợp tuyến tính mơ hình quan sát đồng thời tần số 31 2.4.2 Kết hợp tuyến tính máy thu vệ tinh 35 2.4.3 Mơ hình ngẫu nhiên mơ hình quan sát GPS 38 2.5 Giải tham số ambiguity pha sóng mang 40 2.5.1 Ý nghĩa vật lý tham số ambiguity 40 2.5.2 Phƣơng pháp LAMBDA 41 CHƢƠNG 3: TRẠM THAM CHIẾU DGPS 43 3.1 Giới thiệu chung DGPS 43 3.1.1 LADGPS 43 3.1.2 WADGPS 44 3.2 Nền tảng DGPS 45 3.2.1 Mơ hình quan sát 45 3.2.2 Các hiệu chỉnh vi sai 48 3.2.3 Bù trừ độ lệch đồng hồ 49 3.2.4 Các thuật toán có 51 CHƢƠNG 4: MẠNG RTK 55 4.1 Giới thiệu chung mạng RTK 55 4.2 Khái niệm định vị mạng GPS 55 4.2.1 GPS vi sai (DGPS) 56 4.2.2 Định vị pha RTK 56 4.2.3 Các cụm mạng lƣới (Network Clusters) 56 4.2.4 Mạng RTK 57 4.3 Thiết lập hiệu chỉnh 60 4.3.1 Khởi tạo mạng 60 4.3.2 Kĩ thuật giải tham số ambiguity cho nhiều trạm tham chiếu 61 4.3.3 Duy trì mức độ tham số Ambiguity chung 64 4.3.4 Các kĩ thuật giải tức thời tham số ambiguity 66 Các thành phần hình học: 68 4.3.5 Tính tốn biểu diễn sai số dƣ 69 4.4 Hiệu chỉnh nội suy 72 4.4.1 Nội suy tuyến tính 72 4.4.2 Mơ hình kết hợp tuyến tính 74 4.4.3 Mơ hình bề mặt bậc thấp 75 4.4.4 Sự xếp bình phƣơng tối thiểu 77 4.4.5 Mạng lƣới dựa Parameterisation 78 4.4.6 So sánh đánh giá kĩ thuật nội suy 79 4.5 Truyền tải hiệu chỉnh 80 4.5.1 Các giao thức truyền tải RTCM SC-104 80 4.5.2 Các tham số hiệu chỉnh diện tích 88 4.5.3 Trạm tham chiếu ảo 91 4.5.4 Khái niệm Master Auxiliary 96 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ TRẠM DI ĐỘNG 103 5.1 Cơ sở thiết kế 103 5.1.1 Tóm tắt lý thuyết 103 5.1.2 Các yêu cầu thu di động 104 5.1.3 Một số phân loại 104 5.2 Một số thiết kế 105 5.2.1 Máy thu hệ thống tập trung 105 5.2.2 Máy thu đơn trạm 107 5.2.3 Máy thu đa trạm 109 KẾT LUẬN 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1: Chòm vệ tinh 13 Hình 2: Vệ tinh NAVSTAR 14 Hình 3: Phân hệ điều khiển 15 Hình 4: Các lớp khí 22 Hình 5: Phƣơng pháp giảm nhiễu tầng khí 24 Hình 6: Độ dày lớp ƣớt khơ mơ hình Hopfield 26 Hình 7: Giảm sai số tầng đối lƣu 27 Hình 8: Ý nghĩa vật lý số nguyên đa trị 41 Hình 9: Phƣơng pháp LAMBDA: Quy trình phép giải số nguyên đa trị 42 Hình 10: Trạm tham chiếu với hiệu chỉnh độ lêch đồng hồ 51 Hình 11: Thiết kế trạm tham chiếu kết hợp với lọc hiệu chỉnh 54 Hình 12: Phƣơng pháp đƣờng sở 58 Hình 13: Phƣơng pháp mạng 58 Hình 14: Q trình xử lí mạng RTK 60 Hình 15: Mơ hình quan sát biểu diễn khơng gian sai số mạng 70 Hình 16: Minh họa bốn trạm tham chiếu mặt phẳng 89 hiệu chỉnh tƣơng ứng 89 Hình 17: Quá trình VRS 93 Hình 18: Mạng lƣới trạm tham chiếu A,B,C 99 Hình 19: Mơ hình máy thu số 106 Hình 20: Mơ hình máy thu số 108 Hình 21: Mơ hình máy thu số 110 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Độ xác sản phẩm quỹ đạo IGS 20 Bảng 2: Các kết hợp tuyến tính phổ biến tần số 32 Bảng 3: Tóm tắt loại thơng điệp sử dụng cho ứng dụng định vị vi sai, phiên RTCM 81 Bảng 4: Mô tả loại thông điệp RTCM phiên 3.0 85 Bảng 5: RTCM version 3.1 Precision GPS Network RTK message types 86 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACF Autocorrelation Function Hàm tự tƣơng quan ARP Antenna Reference Point Điểm tham chiếu angten ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số CPF Central Processing Facility Thiết bị xử lí trung tâm DGPS Differential GPS GPS vi sai DOP Dilution of Precision Suy giảm độ xác ECEF Earth Centered, Earth Fixed Hệ tọa độ địa tâm EDGE Enhanced Data Rates for GSM Công nghệ web di động nâng Evolution cấp từ GPRS Geometric Dilution of Suy giảm độ xác theo địa lý GDOP Precision Global Navigation Satellite Hệ thống định vị toàn cầu sử System dụng vệ tinh GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPST GPS Time Thời gian GPS GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin động toàn Communication cầu HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn IF Intermediate Frequency Trung tần MAC Master Auxiliary Concept Khái niệm Master Auxiliary NGS National Geographic Society Hiệp hội địa lý Quốc gia OSR Observation Space Biểu diễn không gian quan sát GNSS Representation PCV Phase Centre Variation Sự biến đổi tâm pha PRN Pseudo Random Noise Nhiễu giả ngẫu nhiên RF Radio Frequency Cao tần RTK Real Time Kinematic Thời gian thực động RTSP Real Time Streaming Protocol Giao thức tạo giao tiếp luồng thời gian thực SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SPS Standard Positioning Service Dịch vụ định vị chuẩn SVN Space Vehicle Number Số hiệu vệ tinh SSR State space Representation Biểu diễn không gian trạng thái TEC Total Electron Content Tổng số lƣợng electron TOW Time of Week Thời gian tuần Tuần GPS bắt đầu nửa đêm thứ bảy chủ nhật UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao UMTS Universal Mobile Telecommunications Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Systems UTC Universal Time Coordinated Giờ Quốc tế phối hợp UTM Universal Transverse Mercator Hệ tọa độ lƣới xác định vị trí bề mặt trái đất VRS Virtual Reference Station Trạm tham chiếu ảo WGS84 World Geodetic System 1984 Hệ thống trắc địa toàn cầu 1984 ZHD Zenith Hydrostatic Delay Thành phần khô vùng thiên đỉnh ZWD Zenith Wet Delay Thành phần ẩm ƣớt vùng thiên đỉnh LỜI CAM ĐOAN Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trƣờng thuận lợi sở vật chất nhƣ chun mơn q trình em thực đề Em xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo Sau Đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thúy Anh tận tình bảo, định hƣớng khoa học hƣớng dẫn, sửa chữa cho nội dung luận văn Em xin cam đoan nội dung luận văn hồn tồn em tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất đƣợc em thực cẩn thận có định hƣớng sửa chữa giáo viên hƣớng dẫn Em xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Hà Nội , 02 tháng 04 năm 2015 Học viên thực Nguyễn Mạnh Đức TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI a Giới thiệu đề tài: Từ cách hàng kỷ, vấn đề đo đạc vị trí trở thành vấn đề quan trọng sống ngƣời Những tàu giao thƣơng phải dựa việc đo đạc hải trình để xác định phƣơng hƣớng vị trí biển, không bị lạc dẫn đến vấn đề sống cịn Các cơng trình cần phải có đo đạc xác để giữ đƣợc cấu trúc bền vững qua thời gian Việc đo đạc vẽ đồ địa chất cho ngƣời hiểu rõ mảnh đất sống, giải vấn đề địa hình thời tiết Ngày nay, hàng trăm công cụ đo đạc đƣợc sinh sử dụng từ thô sơ đến đại Trong vấn đề đo đạc, vấn đề cốt lõi đƣa đƣợc giá trị đo xác Sai số đo đạc ln tiêu chí đánh giá chất lƣợng công cụ đo lƣờng Một vấn đề khác độ tiện lợi cho việc đo lƣờng Trong nhiều ứng dụng thực tế, kỹ thuật đo lƣờng phải thỏa mãn mặt tốc độ đo hiệu kinh tế Việc đo lƣờng cần phải đƣợc thực mà khơng thiết phải có tầm nhìn thẳng Với yêu cầu đặt nhƣ thế, nhu cầu đặt đƣa ứng dụng hệ thống viễn thông vào đo lƣờng Hệ thống viễn thông đạt đƣợc yêu cầu độ tiện dụng tốc độ đo Vấn đề cịn tồn chủ yếu việc nâng cao chất lƣợng đo hay độ xác phép đo mà Hệ thống Real Time Kinematic đƣợc sinh thời đại kỹ thuật số nhằm đƣa viễn thông vào ứng dụng đo lƣờng thực địa Hệ thống RTK ứng dụng hệ thống định vị GPS tồn cầu cho kết đo xác đến cm Tài liệu nghiên cứu hệ thống RTK, vấn đề mơ hình tốn học hệ thống RTK Cuối cùng, tài liệu đƣợc cụ thể hóa với thiết kế thu di động hệ thống RTK b Ý nghĩa đề tài: Hệ thống RTK ứng dụng viễn thông đại giúp cho nâng cao độ xác đo đạc trắc địa cơng trình Nghiên cứu hệ thống RTK để đƣa vào ứng dụng Việt Nam cải thiện chất lƣợng cơng trình hiệu 10 trạm gốc trạm phụ trợ đƣợc kết hợp để lấy đƣợc khác biệt hiệu chỉnh cần thiết Các mơ hình quan sát từ tất trạm tham chiếu đƣợc gửi đến CPF có loại thông điệp RTCM phiên 3.1 đƣợc tạo truyền cho ngƣời sử dụng trạm lƣu động mạng khu vực mạng Máy thu trạm lƣu động tính tốn ảnh hƣởng tầng điện ly, tầng đối lƣu quỹ đạo vị trí sử dụng kết hợp tuyến tính mơ hình quan sát trạm tham chiếu sau nội suy kết cho vị trí Ngồi ngƣời dùng trực tiếp nội suy máy thu phân tán hiệu chỉnh không phân tán từ mạng Đoạn sau mơ tả q trình tạo hiệu chỉnh, điều kiện tiên kiến thức tham số ambiguity trạm tham chiếu, nhƣ phƣơng pháp mạng RTK Phƣơng trình mơ hình quan sát vi phân bậc θiAB trạm gốc A trạm phụ trợ B tới vệ tinh i đƣợc hình thành nhƣ sau: (4.46) Hình 18: Mạng lưới trạm tham chiếu A,B,C Trong phƣơng trình 4.46 số hạng OiAB đề cập đến vi phân bậc sai số quỹ đạo δt A B đề cập tới vi phân bậc sai số đồng hồ máy thu Thuật ngữ hiệu ứng đa tuyến không đƣợc bao gồm cách rõ ràng phƣơng trình đƣợc giả định vị trí trạm tham chiếu đƣợc lựa chọn cẩn thận hiệu ứng đa tuyến đƣợc bỏ qua Độ lệch biến đổi tâm pha angten đƣợc áp dụng cho khoảng cách 99 hình học trung tâm điều khiển phần mềm xử lý Tần số phụ thuộc vào tham số ambiguity NiAB có giá trị nguyên đƣợc biết đến (xem phƣơng trình 4.48) Hiệu chỉnh vi phân bậc ViAB cho khái niệm MAC sau đƣợc suy từ phƣơng trình sau (4.47) Trong phƣơng trình 4.47 mơ hình tầng đối lƣu tầng điện ly tiêu chuẩn đƣợc áp dụng để giảm tác động bầu khí Trong trƣờng hợp số hạng IiAB TiAB phƣơng trình 4.47 biểu diễn cho sai số dƣ tầng điện ly tầng đối lƣui Tuy nhiên, thực tế khơng đồng mơ hình sử dụng trung tâm điều khiển vị trí trạm lƣu động tồn tại, sai số dƣ đƣợc đƣa ra.Những hiệu chỉnh nhƣ nên đƣợc truyền tải mà không áp dụng mơ hình khí nào, nhƣ đƣợc xác định tiêu chuẩn RTCM cho định vị vi sai GNSS [RTCM, 2006] Những hiệu chỉnh đƣợc tạo tƣơng ứng với tổng sai số tầng điện ly, tầng đối lƣu quỹ đạo Độ lệch đồng hồ máy thu trạm tham chiếu đƣợc tính cách sử dụng mơ hình quan sát khoảng giả trạm Tham số ambiguity vi phân bậc đƣợc viết lại nhƣ chức vi phân bậc tham số ambiguitytới vệ tinh N1AB giải tham số ambiguity vi phân bậc haiNi1AB= –NliAB [Euler et al, 2001] Một số nguyên tùy ý đƣợc chọn để biểu diễn cho N1AB sau đƣợc loại bỏ trình xử lý đƣờng sở sử dụng trạm lƣu động, ƣớc tính nhƣ số hạng sai số đồng hồ máy thu thay đổi Điều cho hai tần số GPS L1 L2 Việc chuyển đổi đƣợc thể phƣơng trình 4.48 (4.48) Sau từ phƣơng trình 4.48 trạm tham chiếu A đƣợc chọn trạm trung tâm tất tham số ambiguity đƣợc hình thành với trạm Số hạngNi1ABđã biết số hạngN1AB đƣợc xử lý nhƣ mô tả đoạn trƣớc Xem xét mạng lƣới đa trạm, nhƣ minh họa hình 4.7, tất trạm mức tham số ambiguity giống lý này, tất 100 trạm đƣợc mức tham số ambiguity giống đƣợc coi mạng Số dƣ vi phân bậc phƣơng trình 4.47 đƣợc lần lƣợt đƣợc tách vào tầng điện ly (phân tán) Vi,dispAB,L1 thành phần hình học (khơng phân tán) Vi,nondispAB tiếp tục giảm số lƣợng liệu truyền tới trạm lƣu động (4.49) (4.50) Số hạng Vi,dispAB,L1trong phƣơng trình 4.49 có liên quan đến tần số L1 Ƣu điểm việc tách số dƣ vi phân bậc vào phần phụ thuộc độc lập tần số tốc độ truyền dẫn khác đƣợc thực Khi tầng điện ly thay đổi nhanh chóng đƣợc cập nhật với tốc độ liệu cao so với thành phần hình học Một giá trị độ trễ tối đa 120s cho quỹ đạo, 30s cho tầng đối lƣu 10s cho tầng điện ly đƣợc đề xuất thành viên RTCM SC104 [Euler cộng sự, 2001] Các quan sát thô pha sóng mang khoảng giả từ trạm trung tâm A đƣợc truyền tảitới trạm lƣu động với hiệu chỉnh tọa độ differencesto trạm phụ trợ suy từ phƣơng trình 4.49 4.50 thông qua thông điệp tiêu chuẩn RTCM [RTCM, 2006] Trạm lƣu động nhận đƣợc hiệu chỉnh tọa độ, thông tin ăng-ten undifferenced trạm gốc Một nội suy khác biệt hiệu chỉnh mạng đƣợc thực hiện, chúng chia sẻ mức độ tham số ambiguity chung Các quan sát thơ sau đƣợc hiệu chỉnh đƣợc sử dụng cho tạo thành trạm tham chiếu ảo Một phƣơng pháp vi phân bậc hai đƣờng sở trạm lƣu động VRS trạm tham chiếu trung tâm đƣợc áp dụng Một thuật toán áp dụng hiệu chỉnh vào cuối trạm lƣu động đƣợc thảo luận Lin [2006] Nó đƣợc nói đến thích hợp cho trạm lƣu động để giảm khác biệt hiệu chỉnh thành phần hình học nhận đƣợc từ trạm phụ trợ trạm trung tâm 101 trƣớc nội suy vị trí trạm lƣu động, cách áp dụng mơ hình đối lƣu tiêu chuẩn Sử dụng phƣơng pháp MAC, trạm lƣu động nhận đƣợc thông tin trạm tham chiếu đầy đủ độc lập sử dụng mơ hình riêng tránh khác biệt liên quan đến việc lựa chọn mơ hình Ngồi thực tiêu chuẩn RTCM phiên nhỏ gọn phiên 2.3 trƣớc [Heo et al, 2009] Hiệu chỉnh vi phân bậc đƣợc hình thành cách sử dụng mơ hình quan sát pha trạm trung tâm phụ trợ Những mơ hình quan sát đƣợc điều chỉnh tham số ambiguity ƣớc tính mạng độ lệch đồng hồ tính tốn máy thu Phạm vi hình học đồng hồ vệ tinh biết đƣợc áp dụng mơ hình quan sát Kỹ thuật đƣợc chấp nhận tất nhà sản xuất lớn ngày đƣợc coi nhƣ phƣơng pháp tiêu chuẩn cho mạng lƣới GNSS truyền thông chiều Phần mềm thƣơng mại đƣợc sử dụng cài đặt mạng khác sản xuất hiệu chỉnh cá nhân, đƣợc gọi i-MAX [Leica Geosystems, 2005] Khái niệm i-MAX đƣợc phát triển Leica để hỗ trợ máy thu trạm lƣu động gần giải thích tiêu chuẩn RTCM phiên 3.0 chúng đƣợc truyền tải áp dụng định dạng thơng điệp tốt Kỹ thuật i-MAX địi hỏi giao tiếp hai chiều có nghĩa trạm lƣu động truyền tải vị trí gần vào CPF Các trạm tham chiếu thích hợp sau đƣợc chọn trạm gần với trạm lƣu động đƣợc chọn trạm gốc Nó khác với kỹ thuật VRS thay tạo trạm tham chiếu ảo vị trí gần trạm lƣu động, vị trí trạm trung tâm đƣợc sử dụng Phƣơng pháp MAC việc thực RTCM phiên 3.1 bị trích liệu nhận đƣợc trạm lƣu động không sử dụng thông tin từ khứ nhƣ VRS [Trimble, 2005] Đồng thời tải trọng tính tốn vào cuối trạm lƣu động Đối với mạng lớn, nơi mức độ tham số ambiguity chung lúc có, mạng phải đƣợc xác định Trong trƣờng hợp số tần số khác phải đƣợc đƣa cho nhà cung cấp để liên hệ cho ngƣời sử dụng cho dịng liệu xác 102 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ TRẠM DI ĐỘNG Trong phần trên, em nói nguyên tắc định vị vấn đề hệ thống GPS nguyên tắc định vị RTK Em đƣa số mơ hình nhận định ƣu nhƣợc điểm mơ hình RTK Ở phần dƣới đây, em xin đƣợc đƣa thiết kế tổng quát cho trạm thu di động đƣợc sử dụng mơ hình RTK nhằm đƣa vị trí xác đến cm 5.1 Cơ sở thiết kế 5.1.1 Tóm tắt lý thuyết Nguyên tắc định vị GPS đƣợc đƣa chƣơng đo khoảng từ máy thu đến trạm vệ tinh GPS từ kết hợp với vị trí vệ tinh mà đƣa đƣợc vị trí thực tế máy thu Các khoảng cách đƣợc tính phƣơng pháp ƣớc lƣợng pha sóng mang thu đƣợc Vấn đề đặt pha sóng mang bị ảnh hƣởng loạt sai số bao gồm sai số lệch đồng hồ vệ tinh máy thu, sai số dịch tần doppler, sai số tầng khí gây ra, sai số phản xạ Tất nguồn sai số dẫn đến sai số ƣớc lƣợng theo cách bị sai lệch đến mức km Để giải sai số trên, thông thƣờng, sử dụng phƣơng pháp đo kết hợp tuyến tính kết đo từ nguồn tần số L1 L2 xuất phát từ vệ tinh sử dụng kết hợp nhiều máy thu nguồn tần số Tất cách mục đích để giảm thiểu sai số từ nguồn sai số đề cập Một tham số quan trọng trình đo đạc dựa GPS Ambiguity Tham số đại diện cho số lƣợng chu kỳ sóng tính từ vệ tinh đến máy thu Vì nguồn tần số L1 L2 có bƣớc sóng mức cm nên cần đo đƣợc Ambiguity ta có đƣợc khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh với sai số mức cm Sai số mức cm phép đo khoảng cách dẫn đến sai số mức cm vị trí sau giải hệ phƣơng trình tính tốn vị trí từ khoảng cách RTK giải pháp để tìm vị trí xác đến mức cm dựa phép đo GPS Nguyên tắc đo sử dụng kết hợp nhiều máy thu sử dụng vi phân bậc phép đo pha Trong máy thu nó, trạm trạm tham chiếu phải đƣợc biết xác vị trí nhờ đó, loại bỏ đƣợc 103 sai số thuộc loại common Trạm tham chiếu máy thu di động thực trì đƣờng truyền với nhau, đó, trạm tham chiếu truyền cho máy thu di động ƣớc lƣợng sai số đo đƣợc đến vệ tinh nhìn thấy Dựa vào việc quan sát số lƣợng vệ tinh trạm tham chiếu mà máy thu di động triệt tiêu bớt sai số cách sử dụng ƣớc lƣợng sai số từ trạm tham chiếu Máy thu di động sau sử dụng phƣơng trình vi phân bậc pha sóng mang để giải tham số ambiguty 5.1.2 Các yêu cầu thu di động a Yêu cầu chức - Bộ thu có khả thu nhận liệu định vị GPS từ vệ tinh - Bộ thu có khả giao tiếp với thành phần khác hệ thống RTK nhƣ trạm tham chiếu - Bộ thu tổng hợp liệu đƣa vị trí tọa độ X, Y, Z mức sai số cm b Yêu cầu phi chức - Yêu cầu chi phí đầu tƣ thu - Yêu cầu đáp ứng thời gian thực 5.1.3 Một số phân loại bản: a Phân loại dựa trì kết nối Máy thu trạm tham chiếu kết nối với kỹ thuật viễn thông phổ biến Ví dụ GPRS, internet Thơng qua đó, liệu hiệu chỉnh đƣợc truyền thiết bị cho Có thể phân loại thiết bị loại đƣờng truyền mà sử dụng nhƣ sau: - Đƣờng truyền đơn tuyến: Máy thu nhận liệu hiệu chỉnh từ trạm tham chiếu, qua đó, tự tổng hợp liệu đƣa vị trí xác - Đƣờng truyền song tuyến: Máy thu trạm tham chiếu truyền liệu lẫn nhau, qua đó, tồn hệ thống mạng tham gia vào q trình tổng hợp vị trí tọa độ cuối cho máy thu b Phân loại dựa phân loại mạng 104 Nhiệm vụ hệ thống RTK đƣa vị trí tọa độ xác cỡ cm cho tất tọa độ thiết bị thu di động Nhiệm vụ khơng thiết đƣợc thực thiết bị thu di động Dựa phân loại mạng, ta chia thiết bị thành loại nhƣ sau: - Bộ thu hệ thống mạng tập trung: Hệ thống thu thập liệu từ thu sau phân tích trạm xử lý trung tâm trả tọa độ xác cho thu - Bộ thu hệ thống mạng phân tán: Hệ thống trao cho thiết bị liệu hiệu chỉnh nó, việc xử lý để tìm vị trí nằm thu Mỗi máy thu có số ƣu điểm số nhƣợc điểm định Tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lựa chọn máy thu định 5.2 Một số thiết kế 5.2.1 Máy thu hệ thống tập trung Máy thu đƣợc sử dụng hệ thống xử lý tập trung Nhiệm vụ thu di động tiếp nhận thông tin GPS truyền hệ thống mạng RTK để xử lý Hệ thống mạng RTK nhiều loại khác Nó mạng lƣới gồm nhiều cluster trạm tham chiếu riêng lẻ mạng gồm số trạm tham chiếu nội suy tuyến tính Mạng RTK trạm tham chiếu đƣợc sử dụng yêu cầu đo đạc diện tích nhỏ Đối với máy thu hệ thống xử lý tập trung, máy thu khơng cần biết hệ thống RTK có phần tử và/hoặc cách xử lý liệu để tìm tọa độ Nhiệm vụ máy thu hệ thống thu thập liệu đo đạc GPS truyền xử lý trung tâm thông qua trạm quy chiếu gần Hệ thống thực nhiệm vụ lại để truyền tải liệu tọa độ cho máy thu a Thiết kế bản: 105 Hình 19: Mơ hình máy thu số Bộ thu cần thực đƣợc chức thu GPS đo pha sóng mang bƣớc sóng 19cm 24cm Các kết phép đo đƣợc xử lý qua lọc kalman để giảm thiểu sai số, sau đƣợc đóng gói truyền thẳng đến máy thu trạm quy chiếu Các liệu truyền đến trạm xử lý trung tâm bao gồm có bảng gồm pha bƣớc sóng, thời điểm thu đƣợc tín hiệu, mã vệ tinh tƣơng ứng với pha đo đƣợc Thiết bị thu di động đƣợc coi nhƣ thành phần mạng, phải đƣợc mạng nhận biết thiết bị di động có mã riêng đƣợc quản lý trạm xử lý trung tâm Mã thiết bị đƣợc gửi kèm theo gói có chứa thơng tin đo GPS Mạng xử lý trung tâm sau phân tích trả số liệu x, y, z thời điểm thu tín hiệu tƣơng ứng Thiết bị thu sau hiệu chỉnh nốt độ lệch tâm pha để đƣa đƣợc tọa độ cuối cần đo b Đánh giá: - Ƣu điểm: 106 + Chi phí đầu tƣ thấp thiết bị khơng cần phải có khả xử lý mạnh + Kích thƣớc nhỏ gọn + Có thể tƣơng thích với nhiều hệ thống khác nhau, khơng phụ thuộc vào phƣơng pháp tính tọa độ mạng RTK Thiết bị cần kết nối với trạm quy chiếu gần - Nhƣợc điểm: + Kết tọa độ x, y, z bị trễ phụ thuộc vào đƣờng truyền vật lý máy thu trạm tham chiếu + Độ trễ phụ thuộc vào khả xử lý trạm xử lý trung tâm số lƣợng phần tử tham chiếu 5.2.2 Máy thu đơn trạm Máy thu đƣợc sử dụng hệ xử lý phân tán mà mơ hình mạng đƣợc thiết kế theo dạng cluster trạm tham chiếu Hoặc đƣợc sử dụng hệ thống bao gồm trạm tham chiếu phép đo khu vực diện tích nhỏ Nhiệm vụ máy thu đo pha sóng mang tín hiệu GPS tần số, thu tín hiệu hiệu chỉnh từ trạm tham chiếu gần nhất, sau kết hợp để đƣợc liệu vị trí a Thiết kế thu: 107 Hình 20: Mơ hình máy thu số Bộ thu thực toàn chức tìm vị trí dựa số liệu GPS phép đo pha sóng mang Sử dụng phép kết hợp tuyến tính WIDELAND để có đƣợc pha kết hợp Các liệu thu đƣợc trạm tham chiếu gần bao gồm có pha kết hợp trạm tham chiếu Dựa vào pha kết hợp ban đầu pha kết hợp liệu nhận đƣợc, thiết bị thực vi phân bậc Cuối cùng, kết hợp tham số cịn lại phƣơng trình thu đƣợc khoảng cách vật lý đến vệ tinh 108 Bƣớc cuối trình thực phép giải hệ phƣơng trình khoảng cách để lấy đƣợc vị trí máy thu Các sai số trình đƣợc loại bỏ hoàn toàn cách trừ số liệu hiệu chỉnh đƣợc coi tham số hàm vi phân bậc đƣợc gửi từ trạm tham chiếu Theo nhƣ lý thuyết, sai số đồng hồ lúc không cịn quan trọng mơ hình vi phân bậc nên sai số phụ thuộc thiết bị đƣợc giảm đáng kể b Đánh giá: - Ƣu điểm: + Bộ thu thực nhiệm vụ tổng hợp thông tin thay cho thành phần cố định, nhờ vậy, giảm tải đƣợc xử lý xử lý trung tâm Thiết bị xử lý trung tâm có nhiều thời gian việc bám tham số ambiguity và/hoặc xử lý phát vệ tinh + Ƣu điểm mặt quản lý thiết bị Mạng cần phát quảng bá thơng tin máy thu tự nhận đƣợc liệu hiệu chỉnh để xử lý Mạng không thiết phải biết đến tồn máy thu + Tốc độ xử lý không phụ thuộc đƣờng truyền tín hiệu, phụ thuộc vào máy thu + Chỉ quan sát trạm tham chiếu Khi thay đổi trạm tham chiếu, liệu đo đạc thay đổi nhiều sai lệch liệu hiệu chỉnh từ trạm tham chiếu - Nhƣợc điểm: + Chi phí đầu tƣ tăng thiết bị phải xử lý nhiều mà phải đáp ứng thời gian thực + Độ xác phụ thuộc thiết bị 5.2.3 Máy thu đa trạm Máy thu đa trạm sử dụng hệ thống xử lý phân tán Dữ liệu đƣợc thu thập hoàn toàn đƣợc xử lý máy thu đầu cuối Tuy nhiên, khác với máy thu bên trên, thiết bị sử dụng phƣơng pháp nội suy tuyến tính để kết hợp liệu hiệu chỉnh từ nhiều trạm với nhau, qua tìm vị trí xác với khoảng cách rộng trạm tham chiếu a Thiết kế thu: 109 Hình 21: Mơ hình máy thu số Bộ thu thực toàn chức tìm vị trí dựa số liệu GPS phép đo pha sóng mang Sử dụng phép kết hợp tuyến tính WIDELAND để có đƣợc pha kết hợp Các liệu thu đƣợc trạm tham chiếu gần bao gồm có pha kết hợp trạm tham chiếu Dựa vào pha kết hợp ban đầu pha kết hợp 110 liệu nhận đƣợc, thiết bị thực vi phân bậc Cuối cùng, kết hợp tham số cịn lại phƣơng trình thu đƣợc khoảng cách vật lý đến vệ tinh Đối với liệu trạm thu quy chiếu, thiết bị tính vị trí x, y, z Cuối cùng, sử dụng phép nội suy tuyến tính, thiết bị lấy đƣợc giá trị tổng hợp x, y, z xác Phép nội suy tổng hợp đƣợc thực nhƣ theo chƣơng mô tả b Đánh giá: - Ƣu điểm: + Thiết bị đƣa độ xác cao thiết kế thu đơn trạm nội suy tuyến tính từ nhiều nguồn quy chiếu + Xử lý phân tán giúp giảm tải cho xử lý trung tâm - Nhƣợc điểm: + Xử lý nhiều dẫn đến tăng chi phí đầu tƣ cho máy thu + Phải trì đƣờng truyền số trạm tham chiếu định Nếu trạm tham chiếu bị quan sát, số liệu đƣa bị sai lệch so với số liệu lúc trƣớc + Độ xác phụ thuộc thiết bị 111 KẾT LUẬN Hệ thống định vị toàn cầu GPS mang lại giá trị to lớn cho ngƣời GPS cung cấp dịch vụ định vị dẫn đƣờng, phục vụ cho ứng dụng dân sinh quân Định vị xác RTK cung cấp chất lƣợng dịch vụ xác hơn, đƣợc quan tâm đặc biệt Chính thế, mô thử nghiệm đƣợc thực Luận văn em đƣa đƣợc nghiên cứu mặt lí thuyết, thuật tốn đƣợc sử dụng định vị xác RTK Trên sở hƣớng nghiên cứu đề tài tiến hành mô công cụ mô chế tạo máy thu GPS sử dụng cơng nghệ RTK Trong q trình làm luận văn, dù cố gắng nhƣng em tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q báu thầy bạn Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thúy Anh thầy cô giúp đỡ tận tình tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 02 tháng 04 năm 2015 Học viên thực Nguyễn Mạnh Đức 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://tekmon.gr/research-development/gps-network-rtk-tutorial/ [2] http://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals [3] Jay Farrell, Senior Member, IEEE and Tony Givargis - Differential GPS Reference Station ,Algorithm-Design and Analysis [4] Hui Hu1, and Lian Fang2 - School of Information Engineering, East China JiaoTong University, Nanchang, Jiangxi, China 330013 - Signal Search and Acquisition Algorithms for Software GPS Receiver 113 ... kết đo xác đến cm Tài liệu nghiên cứu hệ thống RTK, vấn đề mơ hình tốn học hệ thống RTK Cuối cùng, tài liệu đƣợc cụ thể hóa với thiết kế thu di động hệ thống RTK b Ý nghĩa đề tài: Hệ thống RTK ứng... nghiên cứu đƣa số thiết kế thu RTK e Các kết đạt đƣợc: Sau trình tìm hiểu nghiêu cứu, em đƣa mơ hình tổng qt đánh giá ƣu nhƣợc điểm loại máy thu sau: máy thu hệ thống tập trung, máy thu đơn trạm. .. vụ định vị tiêu chuẩn SPS dịch vụ định vị xác PPS Chính phủ Mỹ, quân đồng minh ngƣời dùng đặc biệt đƣợc cấp phép sử dụng PPS Họ sử dụng thiết bị bảo mật máy thu đƣợc trang bị đặc biệt Độ xác