Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác GNSS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN MINH NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY ĐẾN ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC GNSS Chuyên ngành: Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG VĂN HIỆP Hà Nội – 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Minh Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác GNSS Chun ngành: Cơng nghệ thơng tin Mã số SV: CB150304 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 19/10/2018 với nội dung sau: • Bổ sung danh mục từ viết tắt • Thống trình bầy thuật ngữ, tên Tiếng Anh, tài liệu tham khảo • Căn chỉnh lại trang bìa luận văn Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2018 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô Viện Công nghệ thông tin Truyền thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cán Trung tâm NAVIS trang bị kiến thức bổ ích, cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập nghiên cứu tơi Và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Hồng Văn Hiệp, thầy tận tình định hướng, hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết hướng dẫn giáo viên hướng dẫn; tài liệu tham khảo, trích dẫn có ghi rõ nguồn gốc Ngày tháng năm 2018 Tác giả luận văn Nguyễn Minh i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Sơ lược lịch sử xác định vị trí 1.2 Một số hệ thống định vị vệ tinh 1.3 Nguồn gây lỗi hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 1.4 Mục tiêu luận văn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các phương pháp dẫn đường 2.2 Tổng quan GPS 2.2.1 Các thành phần GPS 2.2.2 Tín hiệu GPS 2.2.3 Độ dịch tần số Doppler 11 2.2.4 Nguyên lý định vị GPS 12 2.2.4.1 Phương pháp xác định khoảng cách dựa mã trải phổ 14 2.2.4.2 Phương pháp xác định giả khoảng cách dựa pha sóng mang 15 2.2.4.3 Phương pháp định vị sử dụng trạm tham chiếu 16 2.2.5 Kiến trúc thu GPS 16 2.2.5.1 Front-End 16 2.2.5.2 Khối đồng tín hiệu 17 2.2.5.3 Khối giải mã tin định vị 28 2.2.5.4 Khối tính tốn định vị 28 2.3 Công nghệ thu mềm-SDR 29 2.3.1 Tổng quan thu mềm 29 2.3.2 Kiến trúc thu SDR 31 CHƯƠNG CÁC THAM SỐ GIÁM SÁT TẦNG ĐIỆN LY 33 3.1 Tầng điện ly 33 ii 3.1.1 Tổng quan tầng điện ly 33 3.1.2 Nhấp nháy tầng điện ly 34 3.1.3 Tác động tượng nhấp nháy tầng điện ly 34 3.1.4 Nguyên nhân nhấp nháy tầng điện ly 36 3.1.5 Đặc điểm nhấp nháy điện ly toàn cầu 36 3.1.6 Đặc trưng xuất theo thời gian nhấp nháy điện ly Việt Nam 36 3.2 Chỉ số nhấp nháy điện ly S4 38 3.3 Chỉ số nhấp nháy điện ly σφ 41 3.4 Thử nghiệm so sánh kết 42 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY ĐẾN ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC 52 4.1 Các chế độ định vị 52 4.1.1 Định vị điểm 52 4.1.2 Định vị tương đối 52 4.1.2.1 GNSS sai phân 53 4.1.2.2 Hệ thống tăng cường dựa vệ tinh 53 4.1.2.3 Định vị điểm xác 54 4.1.2.4 Phương pháp RTK 55 4.1.3 Tuyến liên kết thông tin 57 4.1.4 Xử lý liệu sau 57 4.2 Công cụ RTKLIB 58 4.3 Ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác RTK 58 4.3.1 Trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly 60 4.3.2 Trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly 62 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt ADC ASIC BPF BPSK C/A CDMA DFT DLL EKF FFT FLL FPGA GLONASS GNSS GPS IF IRNSS ISMR NCO PLL PPP Giải nghĩa Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số Application Specific Integrated Circuit Mạch tích hợp ứng dụng Bandpass Filter Bộ lọc băng thơng Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân Coarse/Acquisition Mã trải phổ CA Code Division Multiple Access Đa truy cập theo mã Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Delay Locked Loop Lặp khóa trễ Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh Frequency Locked Loop Lặp khóa tần số Field-Programmable Gate Array Mạch tích hợp dùng cấu trúc mảng lập trình Global Orbiting Navigation Setellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu Nga Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Intermediate Frequency Tần số trung gian Indian Regional Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực Ấn Độ Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers Bộ giám sát nhấp nháy tầng điện ly Numerically Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển số Phase Locked Loop Lặp khóa pha Precise Point Positioning iv PRN PVT QZSS RF RTK SA SBAS SDR TCXO TEC TOW Định vị điểm xác Pseudo-Random Noise/Number Mã giả ngẫu nhiên-Mã trải phổ cho vệ tinh Position-Velocity-Time Vị trí-Vận tốc-Thời gian Quasi-Zenith Setellite System Hệ thống vệ tinh Nhật Radio Frequency Tần số vô tuyến Real Time Kinematic Đo động thời gian thực Selective Availability Nhiễu chọn lọc SA Satellite Based Augmentation Systems Hệ thống tăng cường dựa vệ tinh Software Defined Radio Công nghệ vô tuyến xác định phần mềm Temperature-compensated Crystal Oscillator Bộ dao động tinh thể bù nhiệt độ (“XO” từ viết tắt cũ cho “Crystal Oscillator”) Total Electron Content Hàm lượng điện tử tổng cộng Time of Week Thời gian tuần (theo giây) v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phổ tín hiệu hệ thống vệ tinh định vị .4 Hình 1.2 Nguồn gây lỗi q trình truyền tín hiệu .5 Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống định vị sử dụng vệ tinh Hình 2.2 Tạo tín hiệu vệ tinh GPS 10 Hình 2.3 Phương pháp tính tốn định vị 13 Hình 2.4 Thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới thu dựa mã trải phổ 14 Hình 2.5 Xác định khoảng cách dựa pha sóng mang 15 Hình 2.6 Kiến trúc tổng quan thu định vị vệ tinh .16 Hình 2.7 Front-End 17 Hình 2.8 Sơ đồ khối thuật tốn tìm kiếm .19 Hình 2.9 Sơ đồ khối thuật tốn tìm kiếm khơng gian tần số song song 20 Hình 2.10 Sơ đồ khối thuật tốn tìm kiếm độ trễ mã trải phổ song song 21 Hình 2.11 Sơ đồ khối vịng lặp khóa pha 23 Hình 2.12 Sơ đồ khối vịng lặp Costas .24 Hình 2.13 Sơ đồ khối bám mã trải phổ 26 Hình 2.14 Mối quan hệ giá trị tương quan mã trải phổ .27 Hình 2.15 Sơ đồ khối kết hợp vòng lặp bám DLL PLL 27 Hình 2.16 Sơ đồ khối bám tín hiệu hoàn chỉnh thu GPS .29 Hình 2.17 Kiến trúc thu cứng-bộ thu mềm 30 Hình 2.18 Sơ đồ khối thu SDR nói chung 32 Hình 3.1 Cấu tạo tầng điện ly theo ngày đêm .33 Hình 3.2 Nhấp nháy tầng điện ly .35 Hình 3.3 Tần suất hoạt động Mặt Trời-vết đen Mặt Trời năm 2009-2012 .37 Hình 3.4 Đặc trưng xuất theo mùa theo mức độ hoạt động Mặt Trời 37 Hình 3.5 Đặc trưng xuất theo vĩ độ nhấp nháy điện ly 38 Hình 3.6 Bộ thu nhấp nháy Việt Nam 42 Hình 3.7 Những vệ tinh nhìn thấy 43 Hình 3.8 SI vệ tinh (SDR) 44 Hình 3.9 SItrend vệ tinh (SDR) 44 Hình 3.10 Phi vệ tinh (SDR) 45 Hình 3.11 Phidetrend vệ tinh (SDR) 45 Hình 3.12 Chỉ số S4 vệ tinh tính JRC SDR 46 Hình 3.13 Chỉ số S4 vệ tinh tính Septentrio SDR .46 Hình 3.14 Chỉ số Phi60 vệ tinh tính JRC SDR 47 Hình 3.15 Chỉ số Phi60 vệ tinh tính Septentrio SDR 47 Hình 3.16 Chỉ số S4 vệ tinh tính JRC SDR 48 vi Hình 3.17 Chỉ số S4 vệ tinh tính Septentrio SDR .48 Hình 3.18 Chỉ số Phi60 vệ tinh tính JRC SDR 49 Hình 3.19 Chỉ số Phi60 vệ tinh tính Septentrio SDR 49 Hình 3.20 Chỉ số S4 vệ tinh tính JRC SDR 50 Hình 3.21 Chỉ số S4 vệ tinh tính Septentrio SDR .50 Hình 3.22 Chỉ số Phi60 vệ tinh tính JRC SDR 51 Hình 3.23 Chỉ số Phi60 vệ tinh tính Septentrio SDR 51 Hình 4.1 Nguyên tắc định vị điểm 52 Hình 4.2 Nguyên tắc định vị tương đối 53 Hình 4.3 Hệ thống tăng cường dựa vệ tinh .54 Hình 4.4 Hệ thống định vị điểm xác 55 Hình 4.5 Hệ thống RTK 56 Hình 4.6 Sử dụng lặp tăng độ bao phủ tín hiệu vơ tuyến 57 Hình 4.7 Các vệ tinh nhìn thấy (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) 59 Hình 4.8 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) 60 Hình 4.9 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) .61 Hình 4.10 Vận tốc chiều (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) 61 Hình 4.11 Các vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly) .62 Hình 4.12 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) 63 Hình 4.13 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) 63 Hình 4.14 Vận tốc chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) .64 Hình 4.15 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o) 65 Hình 4.16 Vận tốc chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o) .65 Hình 4.17 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o) 66 Hình 4.18 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o) 67 Hình 4.19 Vận tốc chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o) .67 Hình 4.20 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o) 68 vii MỞ ĐẦU Từ thời tiền sử, người tìm cách để xác định xem đâu đến đích trở cách Ngày nay, hệ thống dẫn đường toàn cầu sử dụng vệ tinh – Global Navigation Satellite System – GNSS) phát triển mạnh mẽ Ban đầu công nghệ định vị sử dụng vệ tinh phục vụ mục đích quốc phịng ứng dụng lĩnh vực lâm nghiệp, thủy lợi, giao thơng vận tải,…, đóng vai trị ngày quan trọng đời sống kinh tế xã hội Tuy nhiên, cơng nghệ mang tính tích hợp hệ thống, phụ thuộc vào điều kiện địa vật lý khu vực áp dụng nên cần có điều chỉnh hợp lý để đạt độ xác độ ổn định cao Trong nhiều nghiên cứu ra, tính chất sóng tín hiệu vệ tinh, yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy liệu định vị từ hệ thống GNSS tầng điện ly Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly bị thay đổi biên độ pha, từ làm sai khác tính chất tín hiệu Hiện tượng gọi nhấp nháy tầng điện ly (Ionospheric Scintillation) Việt Nam nằm trải dài theo phương kinh tuyến, từ vĩ độ khoảng 8˚30’N tới 23˚30’N vỹ độ địa lý (0˚30’N tới 15˚30’N vĩ độ từ), khu vực tầng điện ly hoạt động mạnh có nhiều tượng bất thường (nhấp nháy tầng điện ly) Trước đây, để nghiên cứu tầng điện ly người ta phải sử dụng thiết bị đặc biệt phát tín hiệu Ionosonde để nghiên cứu tầng điện ly, nhiên, GPS đời, ta sử dụng tín hiệu GPS cho mục đích cách hiệu Từ dẫn tới nhu cầu phát triển thu phát nhấp nháy tầng điện ly ISMR (Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers) Hiện Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu thu mềm GPS ảnh tầng điện ly Vì tơi chọn tên đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác GNSS” Thơng qua việc nghiên cứu hệ thống định vị vệ tinh GPS, công nghệ thu mềm ảnh hưởng nhấp nháy tầng điện ly đến phương pháp định vị xác, luận văn tập trung vào việc sử dụng thu mềm để 4.2 Công cụ RTKLIB RTKLIB sử dụng lọc Kalman mở rộng (EKF-Extended Kalman Filter), phương pháp ước lượng số nguyên LAMBDA phần mở rộng MLAMBDA để tính số bước sóng xác vệ tinh anten trạm gốc, gọi giải tham số đa trị-không rõ (Ambiguity), cho trạng thái “Fix” “Float” Khi thu trạng thái ước tính từ cập nhật tham số EKF, tham số pha sóng mang thực giải thành giá trị nguyên để cải thiện độ xác thời gian hội tụ Tỷ số kiểm tra R (Ratio‐Test), định nghĩa tỷ lệ tổng trọng số số dư bình phương giải pháp tốt thứ hai N2 với giải pháp N tốt nhất, sử dụng để kiểm tra độ tin cậy Ngưỡng xác nhận Rt thiết lập tùy chọn xử lý “Min Ratio” Sau xác nhận (R>Rt), trạng thái “Fix” cho vị trí anten trạm động vận tốc Nếu xác nhận không thành công, RTKLIB cho trạng thái “Float” Trạng thái “Fix”, số bước sóng số ngun thuật tốn bị buộc cho kết số nguyên Trạng thái “Float”, thuật tốn khơng cho trạng thái “Fix” chấp nhận được, kết số thập phân dấu phẩy động 4.3 Ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác RTK Cơng cụ thử nghiệm RTK rrtklib_2.4.2 (http://www.rtklib.com) Tín hiệu GPS sinh giả lập cho anten có vị trí vị trí thật anten đặt cố định Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Anten nối với Trimble (độ xác cao), anten nối với U-blox để nhận tín hiệu GPS L1 Hai anten đặt thẳng hàng, cách 1.485m theo hướng đông-tây (anten phía đơng, anten phía tây), chiều cao: anten đặt thấp anten 22.8cm Khoảng cách thực tế anten so với anten (theo Bảng 4.1): Bảng 4.1: Khoảng cách thực tế anten so với anten 1: Anten so với E-W (m) N-S (m) U-D (m) -1.485 0.0432 0.228 Bảng 4.2: Tọa độ XYZ anten: 58 X Y Z Anten -1626344.9551 5730605.685 2271881.313 Anten -1626343.57853 5730606.28089 2271881.43488 Trong thử nghiệm, ta dùng anten 1-Trimble trạm gốc, xác định vị trí anten (coi trạm động) Sử dụng phương án xử lý liệu sau công cụ RTKLIB nên không cần tuyến liên kết hai trạm Do chưa có điều kiện thu tín hiệu GPS trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly cho hai trạm (2 anten) nên trường hợp thử nghiệm ta sử dụng liệu GPS sinh giả lập cho anten có vị trí Trong luận văn này, việc sinh tín hiệu sử dụng sinh tín hiệu nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm NAVIS, Đại học Bách Khoa Hà Nội Tín hiệu GPS sau sinh phát NAVISIM đưa vào thu Trimble cho trạm gốc U-blox cho trạm động Mơ hình nhấp nháy tầng điện ly NAVISIM sử dụng mơ hình Cornell Hình 4.7 Các vệ tinh nhìn thấy (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) 59 4.3.1 Trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly Thời gian sinh tín hiệu GPS 15 phút Cả hai anten thấy 10 vệ tinh (Hình 4.7), với thiết lập chọn vệ tinh có góc ngẩng > 15% số vệ tinh anten nhìn cịn (G13, G15, G20, G21, G24, G29) Kết chạy RTKPOST cho tỉ lệ Fix 100% Bảng 4.3: Sai số khoảng cách anten so với anten 1: Khoảng cách thực tế E-W (m) N-S (m) U-D (m) -1.485 0.0432 0.228 Khoảng cách định vị -1.4775 0.0406 0.2343 trung bình Sai số (thực tế-trung -0.0075 0.0026 -0.0063 bình) (E-W: hướng Đơng-Tây; N-S: hướng Bắc-Nam; U-D: hướng Trên-Dưới) Hình 4.8 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) Ta thấy trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly, phương pháp RTK cho độ xác cao Độ lệch chuẩn vị trí anten theo chiều E-W, N-S, U-D nhỏ, 2.9mm, 2.8mm 5.9mm Sai số vị trí từ kết định vị trung bình so với vị trí thực tế theo chiều E-W, N-S, U-D 7.5mm, 2.6mm, 6.3mm Vận tốc trung bình anten tương ứng với việc anten đứng yên (AVE: giá trị trung bình; STD: độ lệch chuẩn) 60 Hình 4.9 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) Hình 4.10 Vận tốc chiều (trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly) 61 4.3.2 Trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly Thời gian giả lập tín hiệu phút Cả anten thấy 11 vệ tinh (Hình 4.7) Tín hiệu GPS sinh cho vệ tinh quan sát có số nhấp nháy điện ly S4 theo Bảng 4.4 Vệ tinh G15, G20 bị nhấp nháy điện ly mạnh Các vệ tinh khác không bị nhấp nháy điện ly (S4=0) Riêng khoảng thời gian 30 giây (TOW từ 209612 đến 209640), vệ tinh G15, G20 nhấp nháy yếu Bảng 4.4: Chỉ số nhấp nháy tầng điện ly vệ tinh TOW 209500 209560 209620 209680 209740 209800 209860 209920 209980 210040 G15 0.68 0.67 0.22 0.62 0.64 0.63 0.65 0.64 0.63 0.66 G20 0.67 0.68 0.18 0.62 0.63 0.61 0.64 0.62 0.64 0.65 Vệ tinh Hình 4.11 Các vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly) a) Với thiết lập chọn vệ tinh có góc ngẩng > 10o: Thì số vệ tinh anten nhìn thấy (G10, G13, G15, G20, G21, G24, G29, G32) Kết chạy RTKPOST cho tỉ lệ Fix 97.6%, tỉ lệ Float 2.4% 62 Hình 4.12 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) Bảng 4.5: Sai số khoảng cách anten so với anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o): Khoảng cách thực tế Khoảng cách định vị trung bình Sai số (thực tế-trung bình) E-W (m) N-S (m) U-D (m) -1.485 0.0432 0.228 -1.5347 0.0432 -0.2639 0.0497 0.0 0.4919 Hình 4.13 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) 63 Từ Bảng 4.5, ta thấy sai số trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly cao trường hợp khơng có nhấp nháy tầng điện ly Cụ thể độ lệch chuẩn vị trí anten theo chiều E-W, N-S, U-D 36.4mm, 61.7mm 80.7mm; sai số vị trí từ kết định vị trung bình so với vị trí thực tế theo chiều E-W, N-S, U-D 49.7mm, 0mm, 491.9mm Với góc ngẩng > 10o, dù nhìn thấy vệ tinh không bị nhấp nháy điện ly (so với vệ tinh nhìn thấy trường hợp khơng có nhấp nháy điện ly) vệ tinh G10, G13, G32 có góc ngẩng nhỏ (gần đường chân trời) nên kết định vị xác Hình 4.14 Vận tốc chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) b) Với thiết lập chọn vệ tinh có góc ngẩng > 15o: Thì số vệ tinh anten nhìn thấy (G15, G20, G21, G24, G29, G32) Kết chạy RTKPOST cho tỉ lệ Fix 33.5%, tỉ lệ Float 66.5% 64 Hình 4.15 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o) Hình 4.16 Vận tốc chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o) 65 Hình 4.17 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o) Bảng 4.6: Sai số khoảng cách anten so với anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 15o): E-W (m) N-S (m) U-D (m) Khoảng cách thực tế -1.485 0.0432 0.228 Khoảng cách định vị -1.6146 0.1153 -0.4196 trung bình Sai số (thực tế-trung 0.1296 -0.0721 0.6476 bình) Với góc ngẩng > 15o, số vệ tinh nhìn thấy giảm vệ tinh so với trường hợp chọn góc ngẩng >10o Từ Bảng 4.6, ta thấy sai số trường hợp chọn góc ngẩng > 15o cao trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly nhìn thấy nhiều vệ tinh khơng bị nhấp nháy (góc ngẩng > 10o) Cụ thể độ lệch chuẩn vị trí anten theo chiều E-W, N-S, U-D 129.5mm, 168.6mm 279.8mm; sai số vị trí từ kết định vị trung bình so với vị trí thực tế theo chiều E-W, N-S, U-D 129.6mm, 72.1mm, 647.6mm Kết Fix có khoảng thời gian 29 giây (TOW từ giây 209612 đến 209640) lúc vệ tinh G15, G20 nhấp nháy yếu; khoảng thời gian TOW từ giây 209860 trở anten nhìn thấy thêm vệ tinh G32 c) Với thiết lập chọn vệ tinh có góc ngẩng > 20o: Thì số vệ tinh anten nhìn thấy (G15, G20, G21, G24, G29) Kết chạy RTKPOST cho tỉ lệ Fix 5.5%, tỉ lệ Float 94.5% 66 Hình 4.18 Khoảng cách chiều đến anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o) Hình 4.19 Vận tốc chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o) 67 Hình 4.20 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o) Bảng 4.7: Sai số khoảng cách anten so với anten (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 20o): Khoảng cách thực tế E-W (m) N-S (m) U-D (m) -1.485 0.0432 0.228 Khoảng cách định vị -1.6440 0.1690 -0.4768 trung bình Sai số (thực tế-trung 0.159 -0.1258 0.7048 bình) Với góc ngẩng > 20o, số vệ tinh nhìn thấy giảm vệ tinh so với trường hợp chọn góc ngẩng > 15o Từ Bảng 4.7, ta thấy sai số trường hợp chọn góc ngẩng > 20o cao trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly nhìn thấy nhiều vệ tinh khơng bị nhấp nháy (góc ngẩng > 15o) Cụ thể độ lệch chuẩn vị trí anten theo chiều E-W, N-S, U-D 118.5mm, 171.5mm 261.5mm; sai số vị trí từ kết định vị trung bình so với vị trí thực tế theo chiều E-W, N-S, U-D 159mm, 125.8mm, 704.8mm Kết Fix có khoảng thời gian 29 giây (TOW từ giây 209612 đến 209640) lúc vệ tinh G15, G20 nhấp nháy yếu Qua thử nghiệm thấy sai số định vị anten lớn đáng kể có nhấp nháy tầng điện ly Trong trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, sai số định vị anten tăng số vệ tinh nhìn thấy giảm 68 KẾT LUẬN Qua phần trình bầy luận văn với thử nghiệm đánh giá, kết đạt cụ thể sau: • Tìm hiểu kiến thức định vị vệ tinh, hệ thống GPS • Tìm hiểu tầng điện ly, tượng nhấp nháy tầng điện ly ảnh hưởng lên tín hiệu định vị vệ tinh • Tìm hiểu kỹ thuật thu mềm SDR • Tìm hiểu phương pháp tính số biên độ nhấp nháy tầng điện ly S4 pha nhấp nháy tầng điện ly 𝜎𝜑 nhằm phát nhấp nháy tầng điện ly • Áp dụng kỹ thuật thu mềm tính số nhấp nháy tầng điện ly S4 Phi60 Kết tính tốn sai khác không nhiều, phản ánh xu hướng tượng nhấp nháy tầng điện ly thu thương mại JRC Septentrio Chứng tỏ độ tin áp dụng vào phát nhấp nháy tầng điện ly • Tìm hiểu định vị xác RTK So sánh kết định vị xác RTK hai trường hợp có khơng có nhấp nháy tầng điện ly Kết cho thấy phương pháp định vị xác RTK đạt độ xác cao nhiên phương pháp định vị tương đối bị ảnh hưởng đáng kể có nhấp nháy tầng điện ly Tuy nhiên, luận văn cịn có hạn chế như: Bộ thu mềm có tốc độ tính tốn chưa cao, khó đáp ứng yêu cầu xử lý thời gian thực cho toàn kênh vệ tinh; thử nghiệm với phương pháp định vị tương đối RTK; chưa có điều kiện thử nghiệm RTK tín hiệu thật Hướng phát triển nghiên cứu là: • Thử nghiệm với tín hiệu thật • Cải tiến thuật tốn kỹ thuật lập trình để nâng cao tốc độ tính tốn • Nghiên cứu thêm ảnh hưởng tầng điện ly đến phương pháp định vị xác khác 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Kai Borre, Dennis M Akos, Nicolaj Bertelsen, Peter Rinder (2006), A SoftwareDefined GPS and Galileo Receiver A Single-Frequency Approach, ISBN: 978-08176-4390-4 [2] European GNSS (Galileo) Open Service (2010), Signal In Space Interface Control Document [3] Pierre-André Farine (2009), Real-Time Software Receiver, GPS World [4] Elliott D Kaplan, Christopher J Hegarty (2005), Understanding GPS: Principles and Application, Artech House, 2nd Edition [5] Navstar GPS Joint Program Office (2011), Navstar GPS Interface Specification IS-GPS-200 Revision F Technical Report [6] Gabriellà Povero (2006), GNSS Introduction, Istituto Superiore Mario Boella [7] D M A M S Sharawi, and D N Aloi, “GPS C/N0 Estimation in The Presence of Interference and Limited Quantization Levels”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol 43, pp 227- 238 [8] Tomoji Takasu, Akio Yasuda (2008), Evaluation of RTK-GPS Performance with Low-Cost Single-Frequency GPS Receivers, Tokyo University of Marine Science and Technology, Japan [9] Van Dierendonck A J., Klobuchar J., And Hua Q (1993), “Ionospheric Scintillation Monitor‐ing Using Commercial Single Frequency C/A Code Receivers”, Proceedings of The 6th International Technical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 1993), Salt Lake City, UT 1993, pp 1333-1342 [10] Y J Wang, S H Ma, J C Juang, C C Ke, C J Fong, and J Ling (2014), “Processing and Characterization of GPS Reflected Signals”, https://www.nspo.narl.org.tw/rsstw2014/, ngày 08/8/2018 70 [11] SBAS Ionospheric Working Group (2010), “Effect of Ionospheric Scintillations on GNSS – Summary of a White Paper”, https://web.stanford.edu/group/scpnt/gpslab/website_files/sbasion_wg/sbas_iono_scintillations_exec_summ.pdf, ngày 09/8/2018 [12] José Raúl Machado-Fernández (2015), “Software Defined Radio: Basic Principles and Applications”, https://revistas.uptc.edu.co/index.php/ingenieria/article/view/3160/2852, ngày 06/8/2018 [13] Ghafoori, F., Skone, S 2014), “GPS Scintillation Modeling and Receiver Design Strategies for Low-Latitude Regions”, Proceedings of The 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), Tampa, Florida, September 2014, pp 2394-2409 [14] Marko Vuckovic, Samo Stanic (2014), “Computation of Scintillation Indices for The Galileo E1 Signals Using a Software Receiver”, https://cdn.intechopen.com/pdfs/47157.pdf, ngày 05/8/2018 [15] NovAltel Inc (2015), An Introduction to GNSS - GPS, GLONASS, BeiDou, Galileo and Other Global Navigation Satellite Systems, Second Edition [16] Theodore L Beach (2006), “Perils of The GPS Phase Scintillation Index σφ ”, Radio Science, VOL 41, RS5S31, doi:10.1029/2005RS003356, 2006 [17] Shanmugam, S., Jones, J., MacAulay, A., Van Dierendonck, A.J (2012), “Evolution to Modernized GNSS Ionospheric Scintillation and TEC Monitoring” Proceedings of IEEE/ION PLANS 2012, Myrtle Beach, South Carolina , April 2012, pp 265-273 [18] Afreid Leick (2004), GPS Satellite Surveying, 3rd Edition, John Wiley & Sons [19] Akos, Dennis (1997), A Software Radio Approach to Global Navigation Satellite System Receiver Design, Ohio University, Athens, OH Tiếng Việt 71 [20] “Các kĩ thuật đo DGPS, RTK, WAAS”, https://tailieu.vn/doc/tieu-luan-cac-kythuat-do-dgps-rtk-waas-1672276.html, ngày 08/8/2018 [21] Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (2009), GPS The Global Positioning System [22] Trần Thị Lan, Lê Huy Minh, R Fleury, Trần Việt Phương, Nguyễn Hà Thành (2015), “Đặc trưng xuất nhấp nháy điện ly Việt Nam giai đoạn 2009–2012”, Tạp chí Các Khoa học Trái Đất Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, 37 (3), tr 264-274 [23] Tạ Hải Tùng (2011), “Quỹ đạo vệ tinh, thông số quỹ đạo phương pháp phóng vệ tinh”, Bài giảng mơn Các hệ thống thơng tin vệ tinh, Bộ môn Truyền thông Mạng máy tính 72 ... tính tốn số nhấp nháy tầng điện ly • Chương - Ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác: trình bầy chế độ định vị; công cụ RTKLIB; đánh giá ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác RTK • Kết luận CHƯƠNG... Nam, chưa có nhiều nghiên cứu thu mềm GPS ảnh tầng điện ly Vì tơi chọn tên đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị xác GNSS? ?? Thơng qua việc nghiên cứu hệ thống định vị vệ tinh GPS,... số giám sát tầng điện ly: trình bầy tầng điện ly, nhấp nháy tầng điện ly, ảnh hưởng tượng nhấp nháy tầng điện ly, vài đặc điểm nhấp nháy tầng điện ly; tính số nhấp nháy tầng điên ly S4, σφ; thử